谷歌自曝无人驾驶核心技术!700亿估值Waymo炼成之谜
2017-10-15 09:12:42
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来源:智东西 

编 | 十四

2009年谷歌实验室(Google X)推出Project Chauffeur,关注自动驾驶、机器人技术、自动化和智能传感器等领域;2015年10月,该项目实现了全球首次全自动驾驶路测(没有方向盘,没有控制踏板);2016年12月,项目从谷歌拆分出来成立独立的新公司Waymo(a new way forward in mobility),并归属于母公司 Alphabet 旗下;本月初,外媒(The Information)披露,Waymo 将于年底在亚利桑那州的凤凰城推出基于自动驾驶的打车服务。摩根士丹利的分析师布莱恩·诺瓦克表示:Waymo的估值可达700亿美元。

作为最早投身自动驾驶研发的科技巨头,谷歌/Waymo的技术核心是什么?他们如何定义自动驾驶及其前景?公司的商业化进程怎么样了?

本期的智能内参,我们推荐Waymo最近公布官方报告,从系统设计、工作原理、路测手段和汽车相关交互四个方面出发,阐述Waymo的全自动驾驶技术方案。如果想收藏本文的报告全文,可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc194”下载。

以下为智能内参整理呈现的干货:

全自动驾驶的三大出发点

风口的本质是在技术演进中挖掘市场需求/优越性。KPMG评估认为,自动驾驶技术可在2014到2030年间使得全球车祸死亡人数降低2500;IHS Automotive预测,无人驾驶量产汽车将在2025年上市,估计销量可达23万辆;英特尔发布报告称,无人驾驶汽车市场的规模将在2050年前达到7万亿美元。

强大的市场空间让资本市场、传统车企和科技巨头们趋之若鹜。

Waymo财务分析师Shawn Bananzadeh曾透露,从Project Chauffeur 2009年诞生到2015年末,谷歌花费了11亿美元开发无人驾驶汽车的软件和硬件。此外,通用也在2016年斥资10亿美元收购了旧金山半自动驾驶创企Cruise Automation,英特尔3月砸了153亿美元收购Mobileye;Uber因为买下(6.8亿美元)谷歌无人驾驶项目前研发人员从创立的Otto,而与Waymo撕的没完。

数字只是一种结果,真正驱动无人驾驶发展的是它带来的安全性(交通效益)、高效性(社会效益)和交互体验(人机关系)。

安全性方面,有研究显示,94%的交通意外是由人为操作失误造成的,2013年全球车祸死亡人数达120万,2016年美国道路死亡人数37461,2015年交通意外受伤人数240万,近三分之二的人会卷入酒驾事故;

社会效益方面,每年由于交通事故死亡造成的经济损失达5940亿美元,直接经济损失占2770亿美元,燃油消耗和交通耗时相关的支出达1600亿美元;

汽车交互方面,先来看驾驶者:全美有三百多万年长的(40岁)、失明或视力较差的人;再看路人环境:79%的65岁以上老年人生活在有汽车的社区;生活效率来看,每年人均在交通上耗费的时间高达42个小时。

综上,自动驾驶的宗旨在于实现整个交通系统的高效性和安全性,减少车祸主要原因——人为操做失误的发生,为年迈的、残障的人士提供更为安全的社区环境,规划路况以减少相关资源(石油)和时间的浪费。

Waymo技术拆解

截至目前,Waymo已经推出了第四代自动驾驶车辆,8年间在美国20多个城市进行驾驶,路测里程达350万英里,仅2016年就模拟自动驾驶了25亿英里。这些结果,一辆没有人的车是怎么做到的?

事实上,自动驾驶汽车和人类驾驶员需要回答的驾驶问题是一样的:

1、在哪儿?

当汽车在道路上,不是GPS就能回答这个问题,它需要知道自己在三维空间中的坐标点、道路状况、行驶限制,以及人行道、道路信号灯、交叉路口、停车标志等道路特性,也就是需要地图和基于传感器的实时道路信息。

2、周围有啥?

汽车的传感器需要不断地扫描周边的物体并进行辨认:行人、非机动车、机动车、交通信号、道路施工、障碍、各种路段(铁路)、停车标志等。目前,汽车(无人驾驶)的视距是300米。

3、接下来可能发生啥?

这就需要软件加持,了解行人、机动车和非机动车的轨迹,结合道路规则和状况信息,分析并预测相关的动态对象运动趋势,考虑本车运动可能对周围环境/行人带来的影响。

4、咋整?

有了分析和预测模型,接下来就是决策,从多个可行的路线中寻求最优解,考虑需要的转向操作,精确轨迹、速度、车道等,并保持360度环境监控,以保证能实时、安全的应对路况变化。

因此,全自动驾驶,本质上就是对于基于传感器、地图等获取的多种信息进行整合分析,技术核心在于硬件(传感器套件)和软件(分析、预测模型)。

硬件:四类传感器系统

Waymo的传感器套件包括四个主要单元,激光、相机、雷达和辅助,以实现360度的300米视距,重构动态和静态对象的3D图像(行人、行驶中的自行车或其他交通工具、交通信号灯、建筑物、道路标志等)。

其中,激光雷达系统(LiDAR)适用于日夜公里工作,每秒进行数百万次360度的脉冲激光发射,并接受反射信号分析之,实现测距,以获得周围的物体空间分布。一个中档的高分辨率激光雷达,以及一个强大的新一代远程激光雷达,“视觉”范围接近三个足球场。据悉,Waymo已经将激光雷达的成本从最初的15万美元降低至7500美元。

基于相机的视觉系统类似人眼功能,Waymo的视觉系统由多个相机组成,以适应不同光照条件的成像,是全方位视角(360度)的,而不是人类司机的120度视野。该系统主要用于检测颜色,实现高分辨率的物体识别(如交通信号灯、建筑物、校车、紧急闪烁灯等)。

雷达系统则是利用波长来感知物体,在特殊天气条件(雨、雪、雾)下依然工作有效,用于追踪前方车辆,并“观察”附近(左右,前后)车辆行驶的速度等。

辅助/附加传感器包括音频检测系统,可以听见数百英尺范围内的鸣车、警报等情况(警车、救护车),结合GPS信息,以强化汽车对于物理世界状况的认知。

软件:能用且安全的汽车大脑

*Waymo的3D地图示意

有了传感器提供的庞大信息,就能塑造实时道路图像(不仅仅是卫星地图或在线地图,包括有色的物理空间分布,以及物体移动速度、航向、加速度等),接下来就是通过软件系统实现最优驾驶决策了。Waymo的软件设计、测试和优化已经有8年之久,并引进了机器学习,进行了数十亿英里的模拟驾驶,完成了350万多英里的路测经验。

该系统涉及路况信息理解(地形、道路、天气、交通法规等)和行为预测(需要对不同的物体,如行人、各类机动车、各类非机动车等,进行不同的建模),需要根据以上信息,结合安全距离设置(为行人和车辆留下额外的误差空间),求解可操作的驾驶行为(ODD),规划行驶路径和眼下的行驶速度、方向。

一般来说,自动驾驶系统还会对风险条件进行评估,以确定行车能够安全抵达目的地,自动化程度较低的车辆在复杂路况将会把车辆控制权交回给人类驾驶员(后备方案)。不过,Waymo的目标就是全自动驾驶啊。因此,系统设计会考虑多种道路、气候场景,实际行驶中每秒会对车辆设备运行状态进行数千次的故障检测。

汽车,尤其是自动驾驶,更尤其是全自动驾驶,最为人关注的是安全问题,对于安全系统,Waymo从五个角度进行了系统设计:

1、行为安全-降低行驶意外发生可能性

该系统针对驾驶决策,即考虑交通规则限制和相关情景预测,并通过路测(可以说是技术核心了)发现可能的各种问题,进行不断的调整分析模型和模拟工具。

2、功能安全-解决硬件失灵/故障问题

该系统针对可能发生的设备故障,即为了确保车辆硬件的正常运行和安全运行,设置备份系统和备用设备。该系统将对数据、系统进行实时备份,设置冗余惯性测量(交叉检测),检测硬件状态,如有故障则改接备用计算机、方向盘、刹车、动力系统、避障系统(结合NHTSA的致命事故数据,考虑大型车、摩托车、行人、车辆转弯、交叉路口等潜在危险情况)等。

3、碰撞安全-强化车辆耐撞性

该系统针对车辆碰撞事件,即车辆保护乘客的能力。这就需要对车辆的结构设计(如,座椅限制)、保护装置(如,安全气囊)进行考量,以达到公路交通安全管理局设置的FMVSS(联邦机动车安全标准),这方面需要Waymo与硬件制造商之间的协商合作。

4、操作安全-应对多样的乘客需求

该系统针对车辆与乘客之间的交互,提供具有目的地设置、停车引导等功能的用户界面,优化乘客体验,针对不同的行驶需求设定危险分析、相关安全标准、大量测试和多领域实践。

5、无碰撞安全-保证车内安全

该系统针对车内可能发生的危险情况而设置,即电力系统、传感器故障可能对技术人员、测试司机、乘客造成的人身伤害。

此外,Waymo还设置了事故后紧急系统,会自动发送事故地点给执法人员和急救人团,以及官方团队操作中心。

而很多人担心的网络安全问题,Waymo靠着谷歌这个大树,采用了以下六招:构建可验证的软件系统,加密并校验通信信道,为关键系统构建冗余的安全措施,限制关键系统之间的通信,提供及时的软件更新,设置了分级的风险识别。Waymo还加入面向车联网安全的行业协会Auto-ISAC推动行业合作。

测试:整车+硬件+软件

综上可知,Waymo自动驾驶车辆包括三个基本系统:OEM提供的原车、内部硬件(传感器和计算机)、软件系统。每一个子系统都是独立完整的,会分别经过测试和验证,然后集成在一起。

首先,车辆会经过基本的安全测量,即联邦机动车安全标准(FMVSS),目前Waymo的改良版菲亚特克莱斯勒混动面包车已经通过其对美国机动车或机动车设备的安全性要求。

然后,车辆会进行Waymo和FCA(菲亚特克莱斯勒汽车)的硬件测试(生命周期、极端环境条件下可靠性和耐久性),包括实验室的硬件(刹车等)功能性测试和私人轨道测试环节。

软件测试则包括模拟测试、封闭测试和实际道路测试。

*凤凰城东谷高精实时地图

模拟测试主要是基于高精地图设置虚拟场景,面向可能的多样的复杂路况进行多次模拟(每天25万辆虚拟的自动驾驶汽车模拟行驶800万英里),从上千种方案中找到车辆转弯、变速等操作的最优解并进行重复验证和迭代;

封闭测试则是在公司所有的道路上(91英亩,20000多虚拟场景)测试各版软件系统的特定功能,一旦确认软件符合预期,Waymo便会将新的软件安装到路测车辆上;

道路实测会对同一行驶路线进行多车多次测试,校正偏差。更多的行驶里程将有助于监控和评估软件可靠性,获得反馈。目前,Waymo已经在20多个城市行驶了350万英里,经历了沙漠地带、雨天、风洞测试、极端温度(主要是看传感器会否正常工作)等,达到了SAE(美国汽车工程师协会)认证的4级安全水准。

应用界面设计

自动驾驶汽车,显然不需要面向司机,而是乘客。因此,如何实现安全的易访问性(特别是面向视觉、听觉障碍人士的交互工具)、界面可视化(目的地、当前速度和路线规划),提供无缝的操作交接等,才是需要考虑的设计。需要能够显示音频信息和视觉信息,提示安全操作(安全带等),提供简明的行程确认(启动、靠边停车按钮),引入移动App,提供驾驶帮助(执法部门、急救人员、专家团队在线交流和紧急情况协助)……

Waymo商业化三招

拉合作:英特尔+菲亚特+Lyft

标题的三个合作方只是示例,但已经代表了三大类别:计算平台、OEM、应用场景。

9月,英特尔宣布,将与Waymo合作,为L4、L5自动驾驶车辆提供计算平台。事实上,Waymo的无人驾驶Chrysler Pacifica面包车,从连接到传感器数据处理都采用英特尔制造的技术。对的,这个英特尔,就是150亿美元买了特斯拉技术供应商Mobileye的那个英特尔。

而这里提到的Chrysler Pacifica,也就是经过改装的菲亚特-克莱斯勒混动MPV Pacifica,2017款。根据外媒The Information,Pacifica在出厂时,顶部就为安装LiDAR等传感器留了一个圆孔。

Waymo也曾试图将无人驾驶技术应用于本田测试车型,但本田老大八乡隆弘表示:磋商(在本田车上装Waymo硬件还是让本田为Waymo生产路测OEM)7个月没进展。还有知情人士透露,谷歌曾试图与福特展开合作,但双方在自动驾驶汽车收集来的数据流的使用权上存在分歧。

再来看Lyft的合作,这是纽约时报5月透露的,Waymo已与打车服务创业公司Lyft达成合作协议:双方将通过试行项目和产品开发努力来将无人驾驶汽车技术带来主流市场。按照协议,双方计划未来几年使用Lyft的打车网络来测试Chevrolet Bolt无人驾驶汽车。

树威信:就是针对Uber

Uber于2015年在匹兹堡设立了专用于无人驾驶汽车研究的先进技术中心,并在2016年以6.8亿美元收购自动驾驶初创企业Otto,并开始了无人出租试验(在匹兹堡,但今年3月的一次故障后,该项目搁浅)。然后,Uber就被Waymo告了。

Otto的创始人就是Waymo前工程师Anthony Levandowski(虽然目前已被Uber解雇),Waymo认为自家机密技术(源代码、设备照片、1.4万份机密文件)被盗了。路透社披露,本月Waymo向Uber提出了10亿美元的庭外和解费(原预估损失费19亿美元),并要求Uber公开道歉,永久禁止使用相关知识产权。不仅技术上打击Uber,合作Lyft可能也掺了点复杂的“心理活动”吧。

做宣传:拉拢公益组织

月初,Waymo与五家美国公益组织(反醉驾的母亲协会、国家安全委员会、老年生活协会、盲人儿童协会、凤凰城东谷协会)向美国公众科普自动驾驶技术及其进展,宣传自动驾驶将给消费者和社会带来的好处:安全、高效。Waymo老总John Krafcik在微博中表示将会在亚利桑那州进行"Let's Talk Self-Driving"的线上、户外、收音机广告宣传。

有分析指出,这波面向民众,或者说消费群体的宣传,以亚利桑那州为落地点的原因是,今年年底Waymo将在亚利桑那州的凤凰城运营自动驾驶打车服务,且该州政策最为友好。而“醉驾”、“老年”、“盲人”、“社区”等宣传关键词,可以说是自动驾驶戳中市场需求最直接、深刻的点。

智东西认为,不同于很多科技巨头(V2X)和汽车制造商(ADAS)的定位,Waymo很偏激的瞄准了全自动驾驶。技术上,这就需要需要基于基本规则设计车辆功能框架,在此基础上利用四类传感器套件获取相关的实时道路信息,进一步为汽车的“大脑”对行驶方案的求解提供限制条件,庞大的实时数据对计算能力提出了要求,因此需要针对多种可能性预设各类分析、预测模型,引入机器学习算法和测试-反馈机制更新系统版本,并采用本地-云端结合的计算方案。事实上,从现有的路测成绩来看,Waymo在自动驾驶技术领域确实优势明显。

安全性方面,Waymo在传统汽车硬件安全的基础上,从冗余检测和备用系统两方面提供了基本行车安全保障,并设计了避障系统、网路安全信道、多维可靠性测试等。此外,安卓的经验强化了谷歌的硬件野心,可以从Waymo的规划中看到:它通过车辆整体安全性设计和系统授权的方式,对硬件合作方(OEM)表达了更为强硬的态度;CEO John Krafcik还曾表示,车辆的关键零部件和安全解决方案的重要组成Waymo已经烂熟于心。

附:自动驾驶指令集


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