計算機建模幫助打造自動駕駛半掛卡車的未來

　　摘要:圖森未來 (TuSimple) 正在努力研發自動駕駛卡車，讓高速公路在變得更加安全高效的同時幫助降低運輸成本及其對環境的影響。

　　每天，全世界有數十萬的司機需要半夜從床上爬起來，鑽進大型卡車的狹小駕駛空間。這一勞動力群體每年會向倉庫、雜貨店和港口運送數以十億噸記的貨物。運輸業每年通過人工駕駛的大卡車運輸近 110 億公噸（120 億噸）的貨物。

　　通過自動駕駛卡車，TuSimple keyibagaosugonglubianweiduiyukachesijiheqitasijilaishuodougengjiaanquandechangsuo。yucitongshi
，zidongjiashikachedeshiyonghaikeyijieshengguanjianwuzideyunshufeiyong。

　　盡管這些卡車對世界各地供應鏈的運轉至關重要，但該行業仍麵臨著日益嚴重的司機短缺問題。卡車運輸業一直麵臨“留住老司機、發展新司機”deliangnankunjing
，ersuizhexinguanyiqingqijianxuduojiashixuexiaodeguanbi，zheyijumianbiandeyufajiannan。zaishangshuyinsudezonghezuoyongxia
，kacheyunliyiwufamanzubuduanzengchangdeyunshuxuqiu
，congranyouranliaodaodianzichanpindegongyingdoushoudaoleyingxiang。

TuSimple 的自動駕駛卡車車隊。（圖片所有權：TuSimple）

　　另(ling)外(wai)
，長(chang)途(tu)運(yun)輸(shu)卡(ka)車(che)也(ye)是(shi)司(si)機(ji)安(an)全(quan)的(de)夢(meng)魘(yan)。由(you)於(yu)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)長(chang)，經(jing)常(chang)要(yao)在(zai)夜(ye)間(jian)或(huo)清(qing)晨(chen)駕(jia)駛(shi)，因(yin)此(ci)卡(ka)車(che)司(si)機(ji)比(bi)其(qi)他(ta)司(si)機(ji)更(geng)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)疲(pi)勞(lao)感(gan)。美(mei)國(guo)疾(ji)病(bing)預(yu)防(fang)控(kong)製(zhi)中(zhong)心(xin)表(biao)示(shi)，疲(pi)勞(lao)駕(jia)駛(shi)與(yu)醉(zui)酒(jiu)駕(jia)駛(shi)帶(dai)來(lai)的(de)交(jiao)通(tong)風(feng)險(xian)一(yi)樣(yang)大(da)。

　　正是卡車行業麵臨的這些問題，讓 TuSimple 的韓曉淩和同事們看到了一種全新解決方案的機會：重型卡車的自動駕駛技術。

　　TuSimple 傳感器和車輛控製集成高級總監韓曉淩表示，這些車輛可以解決卡車運輸業麵臨的棘手問題。韓曉淩說：“自zi動dong駕jia駛shi卡ka車che比bi自zi動dong駕jia駛shi乘cheng用yong車che的de商shang業ye應ying用yong前qian景jing更geng為wei廣guang泛fan，因yin為wei卡ka車che運yun輸shu路lu線xian是shi高gao度du可ke重zhong複fu的de
，而er且qie大da部bu分fen駕jia駛shi是shi在zai高gao速su公gong路lu上shang進jin行xing。雖sui然ran卡ka車che自zi動dong駕jia駛shi的de問wen題ti解jie決jue起qi來lai非fei常chang困kun難nan，但dan和he自zi動dong駕jia駛shi汽qi車che比bi起qi來lai，它ta需xu要yao麵mian對dui的de問wen題ti就jiu少shao得de多duo了le。”

　　韓曉淩還表示，TuSimple 的自動駕駛卡車可以讓高速公路在變得更加安全高效的同時幫助降低運輸成本及其對環境的影響。

　　自動駕駛之路

　　MathWorks 公司的汽車行業經理 Govind Malleichervu 介紹，目前各行各業都標榜采用了自主技術
，從智能掃地機器人到各式新車，不一而足；然而如果用真正的自主性標準加以衡量，許多技術並未達到嚴格意義上的自主。

　　4 級或 5 級的自動駕駛卡車可以讓其司機在夜間空曠的道路上駕駛時有機會休息。

　　根據國際自動機工程師學會的定義，汽車的自主性包括從 0 到 5 六個可能的級別。0 到 3 級是從無自動化到有限的自動化，包括輔助轉向或製動。由於功能的限製
，人類駕駛員仍然需要控製車輛並監督這些係統。要實現第 5 級自主性，即車輛獨立執行所有的駕駛任務，仍需多年時間。

自動駕駛的六個級別（圖片所有權：NHTSA.gov）

　　Malleichervu 說，“許多 OEM 提供的自動駕駛功能達到了 2 級或 2+ 級。加號的意思是在 2 級的基礎上提高了自主性，但尚未達到 3 級。達到這種級別後

，車輛上的高級駕駛輔助係統 (ADAS) 可以控製製動係統
、加速和轉向

，而人類駕駛員仍然需要負責隨時監控環境，並執行所有其他駕駛任務。”

　　造成這種相對有限的自主性的部分原因是伴隨在城市環境中測試和開發車輛 ADAS 而來的安全顧慮。

　　韓曉淩表示，這正是 TuSimple 卡車的優勢所在。雖然該公司預計其卡車至少要到 2024 年(nian)才(cai)能(neng)全(quan)麵(mian)上(shang)路(lu)
，但(dan)在(zai)駕(jia)駛(shi)密(mi)度(du)較(jiao)低(di)的(de)高(gao)速(su)公(gong)路(lu)而(er)不(bu)是(shi)市(shi)中(zhong)心(xin)測(ce)試(shi)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)，為(wei)實(shi)現(xian)完(wan)全(quan)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)條(tiao)更(geng)容(rong)易(yi)的(de)途(tu)徑(jing)。為(wei)了(le)在(zai)城(cheng)市(shi)測(ce)試(shi)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)汽(qi)車(che)

，公(gong)司(si)必(bi)須(xu)首(shou)先(xian)與(yu)地(di)方(fang)有(you)關(guan)部(bu)門(men)就(jiu)測(ce)試(shi)車(che)輛(liang)的(de)區(qu)域(yu)
、頻率以及速度達成協議。這通常意味著可用於測試的區域和時間都會減少。

　　高(gao)速(su)公(gong)路(lu)測(ce)試(shi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)好(hao)處(chu)是(shi)
，與(yu)城(cheng)市(shi)道(dao)路(lu)相(xiang)比(bi)，它(ta)麵(mian)臨(lin)的(de)行(xing)人(ren)障(zhang)礙(ai)更(geng)少(shao)，並(bing)且(qie)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)避(bi)免(mian)了(le)走(zou)走(zou)停(ting)停(ting)的(de)交(jiao)通(tong)狀(zhuang)況(kuang)和(he)道(dao)路(lu)狹(xia)窄(zhai)或(huo)不(bu)平(ping)坦(tan)的(de)情(qing)形(xing)。這(zhe)代(dai)表(biao)著(zhe)萬(wan)一(yi)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)，雖(sui)然(ran)對(dui)其(qi)他(ta)司(si)機(ji)造(zao)成(cheng)傷(shang)害(hai)的(de)風(feng)險(xian)並(bing)不(bu)為(wei)零(ling)
，但(dan)它(ta)確(que)實(shi)能(neng)降(jiang)低(di)發(fa)生(sheng)致(zhi)命(ming)事(shi)故(gu)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。

　　韓曉淩表示
，TuSimple 的卡車目前已達到 4 級自主性。這意味著車輛可以在有限的條件下自動駕駛，而無需人類駕駛員的幫助 — 不過 TuSimple 公司仍計劃讓人類駕駛員在駕駛座上進行監控。目前的卡車運輸要求人類駕駛員時刻保持警惕
，4 級或 5 級自動駕駛卡車的不同之處在於，在空曠的道路上徹夜行駛時，卡車司機會有休息的機會。

　　韓曉淩和他的團隊正在開發這種自動駕駛的關鍵技術之一：自主線控製動係統。大型卡車的重量以及牽引滿載拖車所帶來的動態特性，使得卡車更難快速停車。一輛滿載的卡車重達 36,000 公斤（80,000 磅），而一輛客車的重量隻有 1,360 公斤（3,000 磅）。製動係統必須能夠安全地阻止重型卡車高速行駛時的向前衝力。

　　韓曉淩表示
，“線控製動係統非常複雜
，整個係統管道從感知開始
，我們的程序要觀察車輛前後左右的情形。這涉及到運動規劃
、預測和控製算法。”

　　借助感知和激光雷達等傳感器，TuSimple 的 4 級自主係統可以 360 度地觀察車輛周圍，以及前方 1,000 米(mi)範(fan)圍(wei)的(de)路(lu)況(kuang)。這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)隨(sui)後(hou)會(hui)傳(chuan)遞(di)到(dao)安(an)全(quan)關(guan)鍵(jian)型(xing)線(xian)控(kong)製(zhi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，韓(han)曉(xiao)淩(ling)解(jie)釋(shi)說(shuo)。該(gai)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)隨(sui)後(hou)會(hui)在(zai)軟(ruan)件(jian)感(gan)知(zhi)與(yu)卡(ka)車(che)硬(ying)件(jian)之(zhi)間(jian)建(jian)立(li)關(guan)聯(lian)，以(yi)激(ji)活(huo)安(an)全(quan)製(zhi)動(dong)。

　　韓曉淩還表示，“製動是自動駕駛中最基礎的係統，對製動安全的要求高於所有其他係統。”

　　製動係統的這些更嚴格的標準也反映在其冗餘上。這意味著如果出現問題
，人類控製者可以進行幹預並手動製動。

　　“duiyucheliangdeqitabujian，lirufadongji
，yidingchengduderongyujiuzugoule，danshiyouyuzhidongxitongshiguanhuchelianganquanxingdehexinbujian，womenbixuyongyouwanquanderongyu
，baokuowuli
、信號、電源和軟件係統。” 韓曉淩繼續說道。

　　信任模型

　　TuSimple 目前已經在真正的高速公路上測試其大型卡車，包括一段從美國亞利桑那州到俄克拉荷馬州長達 951 英ying裏li的de路lu程cheng。不bu過guo
，韓han曉xiao淩ling解jie釋shi說shuo

，完wan全quan依yi賴lai道dao路lu測ce試shi會hui導dao致zhi成cheng本ben快kuai速su增zeng加jia。做zuo為wei替ti代dai，該gai團tuan隊dui現xian在zai主zhu要yao依yi靠kao建jian模mo和he仿fang真zhen來lai作zuo為wei線xian控kong開kai發fa經jing濟ji高gao效xiao且qie安an全quan的de替ti代dai方fang案an。據ju韓han曉xiao淩ling介jie紹shao，高gao達da 90% 的卡車車輛控製單元的測試是使用 MATLAB®、Simulink® 和其他軟件開發的模型完成的。

　　通過使用模型，該團隊隻參考唯一數據源，自動生成代碼，並可以測試具有不同車輛約束條件的自主係統。

　　“我們隻有 10% 的時間在車輛層麵測試線控製動，因為這樣做的成本非常高昂”

，韓曉淩這樣表示。“不僅耗費人力，還需要額外的協調工作。因此
，我們利用仿真進行大部分測試。”

　　仿真需要對不同的傳感器輸入（如激光雷達和雷達）如(ru)何(he)通(tong)過(guo)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)中(zhong)繼(ji)到(dao)卡(ka)車(che)的(de)物(wu)理(li)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)。使(shi)用(yong)模(mo)型(xing)來(lai)管(guan)理(li)這(zhe)些(xie)組(zu)件(jian)可(ke)以(yi)讓(rang)團(tuan)隊(dui)各(ge)成(cheng)員(yuan)能(neng)夠(gou)同(tong)時(shi)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)
，即(ji)使(shi)他(ta)們(men)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)物(wu)理(li)地(di)點(dian)工(gong)作(zuo)。

　　“團隊成員可以使用模型來檢查車內發生的情況”，韓曉淩表示。“這(zhe)比(bi)閱(yue)讀(du)代(dai)碼(ma)可(ke)要(yao)容(rong)易(yi)得(de)多(duo)。這(zhe)就(jiu)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me)模(mo)型(xing)是(shi)整(zheng)個(ge)車(che)輛(liang)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)團(tuan)隊(dui)的(de)唯(wei)一(yi)數(shu)據(ju)源(yuan)
，因(yin)為(wei)我(wo)們(men)的(de)所(suo)有(you)相(xiang)關(guan)職(zhi)能(neng)團(tuan)隊(dui)均(jun)可(ke)以(yi)基(ji)於(yu)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)交(jiao)流(liu)。”

　　Malleichervu 稱cheng，這zhe些xie模mo型xing還hai可ke以yi通tong過guo自zi動dong生sheng成cheng代dai碼ma來lai實shi現xian在zai模mo型xing級ji別bie進jin行xing的de設she計ji，從cong而er幫bang助zhu減jian少shao編bian程cheng人ren員yuan引yin入ru的de錯cuo誤wu。這zhe種zhong方fang法fa讓rang團tuan隊dui能neng夠gou測ce試shi具ju有you不bu同tong車che輛liang約yue束shu條tiao件jian的de自zi動dong駕jia駛shi係xi統tong
，例li如ru不bu同tong的de發fa動dong機ji或huo貨huo物wu重zhong量liang。該gai團tuan隊dui依yi靠kao MATLAB 腳本和 GitHub 來管理變體。

　　擺脫束縛

　　韓曉淩表示，除了簡單易用之外，依靠虛擬模型來完成大多數的新設計測試還有助於他們不再依賴汽車和軟件行業稱為 V 模型的標準設計模型。

　　“我們的迭代周期非常快

，這意味著我們軟件的發布是每月而不是每年。要在一個月內而不是一年內發布軟件。......如果沒有建模
，在一個月內發布一個功能是非常困難的，因為編程、測試
、驗證等所有工作都需要在這個時間段內完成。”

　　韓曉淩，TuSimple 傳感器與車輛控製集成高級總監

TuSimple 結合 V 模型和敏捷方法創建了理想的設計流程。（圖片所有權：TuSimple）

　　V 模型也被稱為驗證和確認模型
，是一種在實現新功能之前係統地進行分析
、設計和驗證的設計方法。Malleichervu 說，使用 V 模型設計方法完成發動機或車輛項目的全部設計通常需要三到五年時間
；對現有設計進行升級大約需要一年時間。

　　韓曉淩說，對於 TuSimple 來說，這種方法太慢了。做為替代，該公司在開發自動駕駛係統時采用了一種混合方法，即將 V 模型和敏捷方法結合運用。

　　“我們的迭代周期非常快
，這意味著我們要在幾周而不是幾年內發布線控軟件”，韓曉淩說。“這就是為什麼我們也需要遵循敏捷流程的原因。這也是我們依賴建模的原因。如果沒有建模，一個月內很難發布一個功能
，因為編程

、測試、驗證等所有工作都需要在那一個月內完成。”

　　使用這種混合方法
，TuSimple 可以在 24 小時內發布線控軟件補丁
，並在 72 小時到兩周內的發布新功能。韓曉淩認為，正是這種新穎的設計方法和 TuSimple 對建模的使用，才能幫助公司實現目標，即自動駕駛的大型卡車可以在 2024 年馳騁於高速公路上。