一文详解自动驾驶的运行设计域（ODD）|自动驾驶系列

一文详解自动驾驶的运行设计域&＃xff08;ODD&＃xff09;| \n 自动驾驶系列

2021年4月30日&＃xff0c;SAE发布了第四版J3016《驾驶自动化分级》&＃xff0c;这是即2014年1月16日、2016年9月30日、2018年6月15日之后&＃xff0c;J3016的又一次迭代更新。

2021年7月&＃xff0c;ISO发布了ISO 22737《预定路线的低速自动驾驶&＃xff08;LSAD&＃xff09;性能要求、系统要求和性能测试规范》。

本系列将详细解读自动驾驶ODD、DDT、DDT fallback、OEDR、低速自动驾驶和自动驾驶分级。

全文7000字&＃xff0c;预计阅读18分钟

文 | 吴冬升

基本概念

自动驾驶需要在地球上各个国家地区都能正确工作。因此要求综合考虑各种不同类型的道路、道路标记、交通标志等&＃xff0c;以及环境问题&＃xff0c;如天气状况。确保自动驾驶汽车在其预定的运行环境中表现充分&＃xff0c;是整个自动驾驶系统验证的关键部分。运营设计域ODD&＃xff08;Operational Design Domain&＃xff09;一词的原始定义来自SAE J3016中的定义。

SAE J3016 将 ODD 定义为"特定驾驶自动化系统或其功能专门设计的运行条件&＃xff0c;包括但不限于环境、地理和时间限制&＃xff0c;和/或某些交通或道路特征的存在或缺失。"[1]

简单来说&＃xff0c;ODD就是要定义好在哪些工况下是能够自动驾驶的&＃xff0c;脱离了这些工况&＃xff0c;自动驾驶就不能保证工作。任何一台自动驾驶车辆&＃xff0c;都必须有一定限定的工况。而这个工况可以很宽泛&＃xff0c;也可以很精准&＃xff0c;并决定了自动驾驶车辆能胜任什么样的场景。比如&＃xff0c;一台车的自动驾驶系统只能在高速上使用&＃xff0c;它可以自动保持车道、自动超车、自动跟车、自动让行、自动通过ETC、自动上下匝道等&＃xff0c;但到了城市里就无法完全自动驾驶。同时&＃xff0c;要确保自动驾驶测试和验证是完整的&＃xff0c;至少需要确保ODD所有方面已经通过确保系统安全运行&＃xff0c;或通过确保系统能够识别超出ODD 的范围。

在工信部发布的《GBT 汽车驾驶自动化分级》推荐性国家标准中&＃xff0c;ODD是设计时确定的驾驶自动化功能的本车状态和外部环境。运行设计条件ODC&＃xff08;Operational Design Condition&＃xff09;是设计运行时确定的驾驶自动化功能可以正常工作的条件&＃xff0c;包括ODD、驾驶员状态以及其他必要条件。[2]

动态驾驶任务DDT&＃xff08;Dynamic Driving Task&＃xff09;是在道路交通中运行车辆所需的所有实时运行和策略功能&＃xff0c;不包括行程安排和目的地和航路点选择等战略功能。

动态驾驶任务接管DDT fallback&＃xff08;Dynamic Driving Task fallback&＃xff09;是在相同情况下&＃xff0c;用户对实施DDT或达到最低风险条件的响应&＃xff08;1&＃xff09;在发生DDT性能相关系统故障后&＃xff0c;或&＃xff08;2&＃xff09;在ODD退出时&＃xff0c;或ADS对达到最低风险条件的响应。

目标和事件检测与响应OEDR&＃xff08;Object and Event Detection and Response&＃xff09;是DDT的子任务&＃xff0c;包括监控驾驶环境&＃xff08;检测&＃xff0c;识别和分类对象和事件&＃xff0c;并准备按需要做出响应&＃xff09;&＃xff0c;并对这些对象和事件执行适当的响应&＃xff08;即根据需要完成DDT和/或DDT接管&＃xff09;。

低速自动驾驶LSAD&＃xff08;Lowspeed Automated Driving&＃xff09;是最大速度为8.89米/秒&＃xff08;32公里/小时&＃xff09;的自动驾驶系统&＃xff0c;将被用于最后一英里的运输、商业区的运输、商业或机场、港口、大学校园区以及其他低速环境的应用。[3]

自动驾驶分级或类别&＃xff08;Levels or Categories of Driving Automation&＃xff09;是基于驾驶自动化系统功能&＃xff0c;由该功能和&＃xff08;人工&＃xff09;用户&＃xff08;如有&＃xff09;之间DDT和DDT fallback执行中的角色划分决定。驾驶自动化系统功能部件的制造商确定该功能的要求、ODD及运行特性&＃xff0c;包括驾驶自动化水平。

ODD案例

&＃xff08;1&＃xff09;ISO 22737中定义的LSAD ODD

每个LSAD系统都应由制造商定义其ODD。一个LSAD ODD的限制系统应至少指定以下属性&＃xff1a;

a) 低速&＃xff1a;LSAD系统的速度应等于或小于8.89米/秒或32公里/小时&＃xff1b;

b) 适用范围&＃xff1a;例如&＃xff0c;受限通道或专用道路&＃xff08;公共或私人&＃xff09;&＃xff0c;或行人/自行车道&＃xff0c;或限制所有或某些特定类别机动车进入的区域。限制通行的道路可以通过车道标记或速度限制或物理分界来指定&＃xff1b;

c) 预定义路线&＃xff1a;在LSAD系统运行之前&＃xff0c;在LSAD系统内定义的路线。LSAD系统只能在预定路线上运行。预定路线应由相关的利益相关者共同确定&＃xff08;例如&＃xff0c;地方当局、服务提供商、制造商等&＃xff09;。调度员应确认与预定路线的任何偏差不会导致危险情况&＃xff1b;

d) 应用区域的照明条件&＃xff1b;

e) 天气状况&＃xff1b;

f) 路况&＃xff1b;

g) 存在或不存在VRU&＃xff1b;

h) 可行驶区域内可能存在静态障碍物&＃xff1b;

i) 网联要求等。

LSAD系统或调度员应根据当前的ODD条件&＃xff08;例如雾天条件、夜间照明条件&＃xff09;&＃xff0c;在ODD属性预定值的范围内为指定的应用选择操作值&＃xff08;对于LSAD系统驾驶的车辆&＃xff09;。例如&＃xff0c;调度员或LSAD系统可以决定将雨天的最大允许速度限制为低于晴天的速度。

&＃xff08;2&＃xff09;B款车型的L3级ODD [4]

a) 地理限制&＃xff1a;地理ODD包括地理围栏的边界和这些边界内区域所有适用的交通规则。只能在有限的高速公路上激活和运行&＃xff0c;与来往车辆有连续的结构隔离&＃xff0c;没有交叉路口和环岛。这种道路类型的特点是行人和自行车出现的概率很小。对这些激活条件的遵守将由车载传感器检测&＃xff0c;例如摄像头监测交通标志&＃xff0c;并且还将通过高清地图提供的信息进行保证。考虑到法律要求等各种因素&＃xff0c;L3级ADS被设计为在0至85mph&＃xff08;136.79 km/h&＃xff09;的速度下运行&＃xff1b;

b) 环境限制&＃xff1a;自动驾驶车辆持续监测环境ODD&＃xff0c;以确保在所有条件下安全运行。例如&＃xff0c;车辆的速度将根据一天中的时间、光线条件、路面摩擦系数太小&＃xff08;例如路面上有雪或冰&＃xff09;或风太强而调整&＃xff1b;

c) 人类驾驶员的限制&＃xff1a;驾驶员必须系好安全带坐好&＃xff0c;并保持清醒等。

&＃xff08;3&＃xff09;A款车型的L3级ODD

a) 行驶在高速公路上&＃xff0c;或者带有中央隔离带和护栏的两车道以上机动车专用公路上&＃xff1b;

b) 所在车道和周边车道的车间距离在较近也就是说在堵车状态下&＃xff1b;

c) 车的行驶速度不超过60km/h&＃xff1b;

d) 在传感器可检测到的范围内没有信号灯&＃xff0c;也没有行人和骑自行车的人等。

NHTSA ODD分类框架

NHTSA在《A Framework for Automated Driving System Testable Cases and Scenarios》中采用六大要素构建设计运行域&＃xff0c;包括基础设施、驾驶操作限制、周边物体、互联、环境条件、区域。[5]

&＃xff08;1&＃xff09;基础设施

道路类型&＃xff1a;分隔公路、不分隔公路、主干道、城市、农村、停车场、多车道、单车道、高载客量车辆&＃xff08;HOV&＃xff09;车道、入口/出口匝道、紧急疏散路线、单向、转弯专用车道、私家路、双向车道、交叉口&＃xff08;信号灯、掉头、四向/双向停车、环岛、合并车道、转弯专用车道、人行横道、收费广场、铁路穿越&＃xff09;&＃xff08;FHWA&＃xff0c;2012年&＃xff09;。

道路表面&＃xff1a;沥青、混凝土、混合料、格栅、砖、泥土、砾石、刮过的道路、部分堵塞、减速带、坑洼、草地&＃xff08;Gibbons&＃xff0c;1999&＃xff09;。

道路边缘&＃xff1a;标记线、临时标记线、路肩&＃xff08;铺砌或砾石&＃xff09;、路肩&＃xff08;草&＃xff09;、混凝土护栏、格栅、栏杆、路缘、锥体&＃xff08;Sage&＃xff0c;2016&＃xff09;。

道路几何&＃xff1a;直线、弯道、山丘、侧峰、拐角&＃xff08;常规、死角&＃xff09;、负障碍物、车道宽度&＃xff08;Huang&＃xff0c;2010&＃xff09;。

&＃xff08;2&＃xff09;驾驶操作限制

速度限制&＃xff1a;最低和最高限速&＃xff08;绝对、相对于限速、相对于周围交通&＃xff09;&＃xff08;Elpern Waxman&＃xff0c;2016&＃xff09;。

交通条件&＃xff1a;最小交通量、正常交通量、保险杠到保险杠/高峰时间交通量、交通条件变化&＃xff08;事故、应急车辆、施工、封闭道路、特殊事件&＃xff09;&＃xff08;加利福尼亚大学道路计划&＃xff0c;2016年&＃xff09;。

&＃xff08;3&＃xff09;周边物体

标志标牌&＃xff1a;标志&＃xff08;例如&＃xff0c;停车、让行、行人、铁路、学校区域等&＃xff09;、交通信号&＃xff08;闪光、学校区域、消防部门区域等&＃xff09;、人行横道、铁路交叉口、停止的公共汽车、施工标志、急救信号、遇险信号、道路用户信号、手势信号&＃xff08;FHWA&＃xff0c;2012&＃xff09;。

道路使用者&＃xff1a;车辆类型&＃xff08;轿车、轻型卡车、大型卡车、公共汽车、摩托车、宽载、应急车辆、施工设备、马车/四轮马车&＃xff09;、停车车辆、移动车辆&＃xff08;手动、自动&＃xff09;、行人、自行车手&＃xff08;CA DMV&＃xff0c;2016&＃xff09;。

非道路使用者障碍物/物体&＃xff1a;动物&＃xff08;如狗、鹿等&＃xff09;、购物车、碎片&＃xff08;如轮胎碎片、垃圾、梯子&＃xff09;、施工设备、行人、自行车手。

&＃xff08;4&＃xff09;互联

车辆&＃xff1a;V2V通信&＃xff08;如C-V2X/DSRC、Wi-Fi&＃xff09;、应急车辆。

交通密集信息&＃xff1a;众包数据&＃xff08;如Waze&＃xff09;和V2I。

远程车队管理系统&＃xff1a;车辆由可执行远程操作的操作中心支持&＃xff08;Aljaafreh等人&＃xff0c;2011年&＃xff09;。

设施传感器等&＃xff1a;工作区警报、易受伤害的道路使用者、路线和事件管理、GPS、三维高清地图&＃xff08;Ellicipuram&＃xff0c;2016&＃xff09;、坑洞位置、天气数据、云端数据等。

&＃xff08;5&＃xff09;环境条件

天气&＃xff1a;风、雨、雪、雨夹雪、温度。在高速公路上&＃xff0c;小雨或小雪可使平均速度降低3%至13%。大雨会使平均速度降低3%到16%。在大雪中&＃xff0c;高速公路的平均速度会下降5%到40%。小雨时自由流速度可降低2%至13%&＃xff0c;大雨时可降低6%至17%。雪会导致自由流速度降低5%至64%。降雨期间&＃xff0c;速度变化可降低25%&＃xff08;FHWA&＃xff0c;2017c&＃xff09;。

天气导致的路面条件&＃xff1a;积水、道路被淹、道路结冰、道路积雪。洪水导致车道浸没&＃xff0c;积雪和风吹碎屑导致车道阻塞&＃xff0c;可能导致通行能力降低。由于危险条件&＃xff08;如大风中的大型卡车&＃xff09;造成的道路封闭和通行限制也会降低道路通行能力&＃xff08;FHWA&＃xff0c;2017&＃xff09;。

颗粒物&＃xff1a;雾、烟、烟雾、灰尘/污垢、泥。低能见度可导致速度降低10%至12%。雾和强降水以及风吹雪、灰尘和烟雾会缩短能见度距离。低能见度条件会导致速度差异增大&＃xff0c;从而增加碰撞风险。每年在雾中发生的车祸超过38700起&＃xff0c;每年有600多人在这些车祸中丧生&＃xff0c;16300多人受伤&＃xff08;FHWA&＃xff0c;2017b&＃xff09;。

光照&＃xff1a;白天&＃xff08;太阳&＃xff1a;头顶、后照灯和前照灯&＃xff09;、黎明、黄昏、夜晚、路灯、前照灯&＃xff08;常规和远光&＃xff09;、迎面而来的车辆灯光&＃xff08;头顶照明、后照灯和前照灯&＃xff09;&＃xff08;FHWA&＃xff0c;2017a&＃xff09;。

&＃xff08;6&＃xff09;区域

地理围栏&＃xff1a;中央商务区、校园和退休社区&＃xff08;例如&＃xff0c;CityMobil2是固定路线&＃xff0c;包括道路上和人行道上的<20 mph路线&＃xff09;。

交通管控区域&＃xff1a;可能包括临时车道封闭、动态交通标志、可变限速、临时或不存在的车道标志、人工引导交通、装卸区。

学校区域&＃xff1a;动态限速、不稳定的行人和车辆行为&＃xff08;Marshall&＃xff0c;2017&＃xff09;。

国家/州&＃xff1a;任何法律、监管、执法、侵权或其他考虑因素&＃xff08;例如&＃xff0c;跟踪距离、许可等&＃xff09;&＃xff08;Bomey&Zambito&＃xff0c;2017&＃xff09;。

干扰区域&＃xff1a;隧道、停车场、茂密的树叶、高层建筑和大气条件限制的GPS。

英国 PAS1883 标准

2020年8月&＃xff0c;英国标准协会BSI发布 PAS1883 标准《Operational Design Domain (ODD) taxonomy for an automated driving system (ADS) – Specification》&＃xff0c;采用三大要素构建设计运行域&＃xff0c;包括景观&＃xff08;区域、可行驶区域、交叉口、特殊结构、固定道路结构、临时道路结构&＃xff09;&＃xff0c;环境条件&＃xff08;天气、微粒、照明、互联&＃xff09;&＃xff0c;动态元素&＃xff08;交通、目标车辆&＃xff09;。[6]

&＃xff08;1&＃xff09;景观

区域&＃xff1a;a&＃xff09;地理围栏区&＃xff1b;b&＃xff09;交通管理区&＃xff1b;c&＃xff09;学校区域&＃xff1b;d&＃xff09;国家或区域&＃xff1b;e&＃xff09;干扰区&＃xff0c;例如茂密的树叶或高层建筑导致的定位信号丢失。

可行驶区域&＃xff1a;a&＃xff09;可行驶区域类型&＃xff1b;b&＃xff09;可驾驶区域几何结构&＃xff1b;c&＃xff09;可行驶区域车道规格&＃xff1b;d&＃xff09;可行驶区域标志&＃xff1b;e&＃xff09;可驾驶区域边缘&＃xff1b;f&＃xff09;可驾驶区域表面。

可行驶区域类型&＃xff1a;高速公路、放射状道路&＃xff08;A道路是高密度交通道路&＃xff0c;将高速公路连接到分配道路或城市中心&＃xff09;、分配道路&＃xff08;B道路将A道路与次要道路或地方道路连接起来&＃xff0c;通常具有低至中等通行能力&＃xff09;、次要道路&＃xff08;次要道路或地方道路为居民区和其他地方发展提供通道&＃xff09;、支路、停车场、共享空间&＃xff1b;

可驾驶区域几何结构&＃xff1a;水平面&＃xff08;直线和曲线&＃xff09;&＃xff1b;横切面&＃xff08;分割、不可分割、行人路、边缘障碍物、不同类型的车道&＃xff09;&＃xff1b;纵向平面&＃xff08;上坡&＃xff08;正坡度&＃xff09;、下坡&＃xff08;负坡度&＃xff09;、水平面&＃xff09;。

可行驶区域车道规格&＃xff1a;车道尺寸、车道标志、车道类型&＃xff08;公交车道、交通车道、自行车道、有轨电车车道、应急车道或其他专用车道&＃xff09;、车道数、行驶方向。

可行驶区域标志&＃xff1a;信息标志、监管标志、警告标志。

可驾驶区域边缘&＃xff1a;标记线、路肩&＃xff08;铺砌或砾石&＃xff09;、路肩&＃xff08;草&＃xff09;、固体屏障&＃xff08;例如格栅、轨道、路缘、锥体&＃xff09;、临时标记线、没有。

可驾驶区域表面&＃xff1a;可行驶区域表面类型&＃xff08;松散&＃xff08;如砾石、泥土、沙子&＃xff09;、分段式&＃xff08;如混凝土板、花岗岩、鹅卵石&＃xff09;、均匀&＃xff08;如沥青&＃xff09;&＃xff09;、可驾驶区域表面特征&＃xff08;包括交通和天气造成的损坏&＃xff0c;分类为裂缝、坑洞、车辙或隆起&＃xff09;、可行驶区域引起的路面状况&＃xff08;结冰、淹没的道路、海市蜃楼、可行驶区域的积雪、死水、湿路、表面污染&＃xff09;。

交叉口&＃xff1a;环形交叉口、交叉口&＃xff08;T型交叉口、Y形交叉口、十字交叉口、交错交叉口、立体交叉口&＃xff09;。

特殊结构&＃xff1a;自动访问控制、桥梁、行人过路处、铁路道口、隧道、收费广场。

固定道路结构&＃xff1a;建筑物、街灯、街道设施&＃xff08;例如护柱&＃xff09;、植被。

临时道路结构&＃xff1a;施工现场绕道、垃圾收集、道路工程、道路标志。

&＃xff08;2&＃xff09;环境条件

天气&＃xff1a;风、降雨、降雪。

微粒&＃xff1a;海洋&＃xff08;仅沿海地区&＃xff09;、非沉淀水滴或冰晶&＃xff08;即&＃xff0c;雾/雾&＃xff09;、沙尘、烟雾和污染、火山灰。

照明&＃xff1a;白天、夜间或低环境照明条件、云、人工照明&＃xff08;可能是路灯或迎面而来的车辆灯&＃xff09;。

互联&＃xff1a;V2X。

&＃xff08;3&＃xff09;动态元素

交通&＃xff1a;实体密度、交通量、流量、实体类型、有特殊车辆&＃xff08;如救护车或警察车辆&＃xff09;。

主题车辆&＃xff1a;主题车辆的速度是额外的ODD属性。

SAE J2980 ODD分类框架

SAE J2980标准中推荐使用六大要素构建运行设计域&＃xff0c;包括位置&＃xff08;公路、乡村道路、城市道路、交叉口、土路、越野、停车场、车道、维修车库&＃xff09;&＃xff0c;道路状况&＃xff08;道路摩擦&＃xff08;干、冰、雪、湿、裂&＃xff09;、坡度、道路宽度&＃xff09;&＃xff0c;驾驶操作&＃xff08;启动、停车、向前行驶、向后行驶、直行、转弯、避开车道、变道、关闭&＃xff09;&＃xff0c;车辆状态&＃xff08;滑行、爬行、加速、减速、驻车、停止、碰撞&＃xff09;&＃xff0c;其他考虑因素&＃xff08;侧风&＃xff0c;即将来临的交通&＃xff0c;施工区域&＃xff0c;事故场景&＃xff0c;交通堵塞&＃xff0c;行人&＃xff09;&＃xff0c;其他车辆特征&＃xff08;其他车辆系统的状态&＃xff1a;故障代码、拖车、重载、启动关闭/打开、远程车辆启动、其他技术&＃xff09;。[7]

欧洲PEGASUS项目

欧洲PEGASUS 项目提出了一个具有六个独立层的场景系统描述模型[8]&＃xff1a;

a) 道路&＃xff1a;几何结构、拓扑&＃xff0c;路面质量、边界&＃xff08;路面&＃xff09;&＃xff1b;

b) 基础设施&＃xff1a;边界&＃xff08;结构&＃xff09;&＃xff0c;标志牌、信号灯等&＃xff1b;

c) 第一层和第二层的临时操纵&＃xff1a;道路的临时性设施&＃xff0c;如临时封路、道路施工现场等&＃xff1b;

d) 目标物&＃xff1a;静态、动态、移动&＃xff0c;交互、机动&＃xff1b;

e) 自然环境&＃xff1a;天气、光照等其他环境信息&＃xff1b;

f) 数字信息&＃xff1a;数字信息&＃xff0c;如V2X信息、数字地图信息等。

END