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高级驾驶辅助系统行业介绍(上)—— 行业背景和趋势
2021 07 15

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作者 | 天堂硅谷信息技术事业部 孙济洲


汽车行业历经百年,欧、美、日车企和供应商已经牢牢占据汽车市场的关键位置。然而在今天,电动化、智能化为汽车行业带来了巨大的变革,也给了中国新生企业一个前所未有的机遇,得以加入到汽车产业链的竞争中。自动驾驶和高级驾驶辅助系统便是这个变革中最重要的环节之一。本文分上下两部分和大家探讨高级驾驶辅助系统,上部关于高级驾驶辅助系统在自动驾驶中的定位,分析商业化的发展趋势和可能性。下部简要介绍高级驾驶辅助系统软件和硬件的构成要素。



01

高级驾驶辅助系统(ADAS)介绍



高级驾驶辅助系统可使用安装在汽车上的摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等传感器来感知车身周围的环境并收集数据,系统对动、静态交通参与者的扫描数据进行识别和处理后,提示驾驶员路面的情况或危险,也可基于感知数据完成部分辅助驾驶功能。从而提高驾驶舒适性与安全性,减少交通事故出现的可能性。


随着智能驾驶的开展,很多辅助功能在不断优化改进,并逐渐开放新的智能驾驶功能给终端用户,高级驾驶辅助系统和自动驾驶的界限逐渐模糊,行业中更多讨论具体实现了何种功能。典型的ADAS功能如下列表所示(不限于以下内容):


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国际较普遍的将自动驾驶等级划分如下,ADAS功能大多集中在L2+及以下级别:


★ L0-无自动化

L0级无自动化技术,车辆的驾驶完全依靠人类驾驶员,系统不能持续执行动态驾驶任务中的车辆横向或纵向运动控制。但是系统可以通过系统给驾驶员预警提醒,比如前向碰撞预警(FCW)和车道偏离预警(LDW)。


★ L1-部分驾驶辅助

L1级的自动驾驶技术,一般可以解放双脚,部分功能很多年前就已经出现在乘用车上,在这种级别的自动驾驶技术支持下,方向仍由驾驶员控制,但车辆会具备一些简单初级的驾驶辅助功能,比如常见的自适应巡航(ACC),自动紧急刹车(AEB)。


★ L2-组合驾驶辅助

L2级是目前大多数主打智能化乘用车新车型所搭载的自动驾驶系统,需要驾驶员时刻注意路面情况下有条件的解放双手,在这种级别的自动驾驶技术下,车辆将会具备许多自动驾驶的雏形功能,但驾驶员仍然需要主导车辆的行驶,这一级别的自动驾驶一般具备高速车道保持巡航、拥堵时的自动辅助驾驶,自动泊车和自动危险预警刹车等功能。


★ L3-有条件自动驾驶

L3级别自动驾驶下,系统在其设计运行条件内持续地执行全部动态驾驶任务,驾驶员可以不用实时关注道路情况,但是需要在车辆提示无法处理路况时接管车辆继续驾驶,该级别驾驶员参与程度明显降低。高速公路自动驾驶属于L3级别功能。


★ L4-高度自动驾驶

L4级别,车辆的自动驾驶系统几乎已经能够替代驾驶员了,由车辆完成所有驾驶操作,人类驾驶员不需集中注意力,但限定道路和驾驶环境,不能在暴雨、大雪等极端环境下自动驾驶。


★ L5-完全自动驾驶

L5下车辆完全的自动化,车辆的自动驾驶系统完全替代人类驾驶员,车辆不需要设置驾驶员位,不限定行驶的道路和环境。


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图片来源:marketwatch.com


现阶段部分自动驾驶功能推送较激进的车企,发布的宣称L3级别自动驾驶,仍需要驾驶员时刻注意路面情况并随时准备接管,基本上属于研发中的L3级别。总的来说量产乘用车厂商还在落地高级驾驶辅助系统阶段(L2+级别及以下自动驾驶)。


国内对智能网联和自动驾驶的规划和期许也在不断根据技术落地进度调整和细化,2020年世界智能网联汽车大会上,《智能网联汽车技术路线图2.0》正式发布,将智能网联发展分为三个阶段:


◆ 发展期2020-2025年:到2025年PA(部分自动驾驶)、CA(有条件自动驾驶)级智能网联汽车市场份额超过50%,C-V2X终端的新车装配率将达到50%。


◆ 推广期2026-2030年:到2030年L2级和L3级新车超过70%,2030年左右HA(L4)级智能网线汽车在高速公路广泛应用,在部分城市道路规模化应用。


◆ 成熟期2031-2035年:2035年以后FA(L5)级自动驾驶,各类网联式高度自动驾驶车辆广泛应用于中国广大地区。



02

汽车电子电气架构发展趋势



◎ 变革需求与新架构理念


伴随着汽车电子系统的发展,单车搭载的电子控制器(ECU)个数快速增长。单辆汽车的ECU数量平均可达40个,高端车型超过100个,软件代码或超过1亿行,相关线束长度超过6km,搭载重量超过70kg。电子化带来ECU快速增长的同时也增加了车内信息的交互成本,线束的成本以及车重。


当前主流分布式电子电气架构(EEA)有各执行器中代码重复、线束重量大、线束装配人工依赖强、执行器无法远程升级、信号传输带宽低、执行器间交互逻辑复杂度高、无法整车数据交互等缺点。为了解决这些问题,新的汽车电子电气架构思想应运而生,主要表现在车辆软件架构升级、硬件架构升级和通讯架构升级。


下图为电子电气架构进化示意图,图中说明了模块化架构、集成化、中心化乃至云端计算架构的变化趋势。在这个趋势中,大多数线控执行器的计算和业务逻辑处理都被整合到更少的计算单元中,执行器中的计算芯片只进行最简单的执行功能相关的计算。在此架构下,汽车内的软硬件解耦,硬件平台上部署属于本域的控制器负责的多个软件模块,可实现软件和固件的在线升级,操作系统可移植,传感器采集数据信息的重复利用,有效减少重复计算。


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域控制概念是集成化的最初实现方式,域控就是将整车划归为不同的区,如动力域、左右车身域、底盘域、娱乐域等,每个域由一个控制器来处理所在域的计算,从而降低控制器数量和整车网络拓扑复杂度。将来随着功能的进一步整合,硬件计算能力的进一步提升以及先进传感器等技术的发展,整车架构可能向中央计算单元发展。


◎ 硬件架构升级


由分布式 ECU向集中化域控制器(DCU)或中央计算平台方向发展。其主要好处在于:


1. 整车数据交互,实现整车功能协同:自动驾驶不仅需要多类型多传感器共同感知外部环境,还需要对车内部各运行数据进行实时监控,综合各部分信息做出执行决策。传统的分布式架构难以实现实时各部分数据交互,因此需要集中式的控制器或中央计算平台进行数据统一处理和决策。


2. 算力利用率更高:分布式ECU芯片在设计时按照执行器所承担计算任务设计并留有余量,在实际运行过程中算力有效利用率较低。分布式ECU会导致大量芯片在多数时间处于空闲状态而未充分利用,采用集中式计算方案,可以统筹设计符合要求,且保留余量的总算力。


3. 缩短线束,减轻重量,节省成本:采用分布式架构,线束总长、整车质量随ECU数量增加,线束错综复杂容易导致互相电磁干扰,故障率提升。集中化的控制器和中央计算平台的方式可减少线束长度,减轻整车质量并减少装配成本。


◎ 软件架构升级


软硬件解耦,实现软件定义汽车,其主要好处在于:


1.  可实现软件和固件的远程空中升级、不依赖硬件平台、操作系统可移植。为了应对车辆智能化和安全升级的需要,传统汽车嵌入式软件内容越来越复杂,软件和硬件高度耦合导致无法进行远程升级。软硬件解耦,转向、刹车等执行器只负责执行,软件端可以随着功能增加和改进不断升级。


2. 采集数据信息可重复利用有效减少硬件需求量。若未实现软硬件解耦,部分情况下增加一个应用功能则需要单独增加一套软硬件,采集的数据信息仅一个应用功能可以使用,解耦后可实现多个模块应用共享系统内数据,有效减少硬件数量。


◎ 通讯架构升级


随着传感器数据和车内数据量的快速增长,传统CAN总线网络地址数量和带宽无法满足需求。车内通讯架构从传统LIN/CAN总线网络升级为CAN总线网络+车载以太网,从而满足车内数据的高速传输。下图为初级改进EEA设计思路,我们可以看到底层ECU通过CAN总线连接到区域网关,相机通过高速线缆传输到区域网关,同时还有部分传感器数据传输到附近ECU或区域网关。最后几个区域网关数据通过车载以太网汇总到中央计算单元。这样,不需要像传统方式一样把所有ECU、传感器等都连接到一个CAN总线网络内。由此可大幅度减少线束长度,和车内节点拓步结构的复杂度。最终车载以太网将成为整车通讯网络的主干网。


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03

智能驾驶产品形态与供应商关系变化趋势



从当前各家企业实现自动驾驶路线来看,分为两条研发及规模商业化落地路径:


1. 直接自动驾驶路线:以谷歌Waymo、小马执行Pony.ai、百度Apollo为代表的公司,商业模式为直接研发并实现开放道路L4级别自动驾驶,如提供RoboTaxi和RoboBus运营服务。直接自动驾驶路线整体处于技术探索阶段,行业估计L4级别开放道路自动驾驶规模化商业落地将在2030年以后。直接自动驾驶路线可能因为研发难度大、落地时间长以及中间成果变现难等问题,需要企业耐得住寂寞,肯打持久战,最终夺得赛道桂冠。同时这个过程也是对资本陪伴的考验,该赛道对于投入的时间和规模都还有很大的不确定性。


2. 渐进式自动驾驶路线:技术研发开展沿着自动驾驶技术等级逐级落地,优先满足整车智能化升级和主动安全等行业与市场更迫切的需求,在此基础上逐渐实现更高级别自动驾驶。该路线每级成果都可进行商业化落地,并为企业赚取相应收入,当前主要提高渗透率的自动驾驶功能大多在高级驾驶辅助系统的范畴内。此线路缺点是很多低级别自动驾驶技术无法通过优化完善升级到高级别自动驾驶,系统架构也需要重新设计以满足L4及以上级别自动驾驶系统的设计要求。因此企业的资源和精力部分消耗在商业化低级别自动驾驶上,或减缓其实现L4、L5自动驾驶的进度。


基于汽车电子电气架构的发展趋势,车载自动驾驶产品形态将发生对应的变化。


1. 现有形态:以Mobileye产品为例,EQ3产品由ADAS摄像头、计算芯片及相关视觉算法软件组成,对外输出视觉检测结果,包括道路参与者车辆、行人、自行车等目标的分类、位姿、速度等信息。视觉配件提供给ADAS系统集成商Tier1,集成商利用视觉信息融合毫米波雷达数据得到感知结果,进行规划和对车辆的控制,完成高级辅助驾驶的功能,并集成为一个ADAS配件交给OEM。这种形态下,视觉感知配件、雷达、规划控制计算芯片分别在自己的计算芯片上完成相关计算并输出结果。可以看到,以初级ADAS产品为例,里面就包含了至少视觉芯片、雷达芯片、归控计算芯片三个部分。当前ADAS集成商、视觉感知供应商、毫米波雷达供应商会分别研发自己的硬件和软件,最终由OEM装车。


2. 长期形态:因为整车电子电气架构的进化,相机、雷达数据以后都会初步处理后发送给智能驾驶域控制器(DCU)或中央计算单元,在该计算单元统一进行视觉图像处理、障碍物识别、雷达数据处理、雷达障碍物识别、多传感器融合、速度路径规划、底盘控制等一系列计算。由此车厂或集成商会负责整个和自动驾驶相关的硬件和通讯方案,统一调配使用传感器和计算单元,最后由各家供应商提供相应的模块算法。


3. 当前阶段和发展展望:因为绝大多数传统车企已发布的整车开发还没有按新的电子电气架构设计,大多直接获取Tier1集成商产品,在自己车型上适配验证。部分新造车势力已经开始主动集成自动驾驶功能,开发平台。因为智能硬件性能同质化变强,价格不断下降的趋势,长期发展OEM倾向自建软硬件平台,完成部分软件开发工作,并选择算法供应商提供的技术壁垒较高的算法模块产品。因此现阶段供应商是软硬件一体产品,长期将更多提供算法产品和服务。


当前算法公司需要主机厂开放应用场景和数据入口来迭代算法,主机厂需要优秀供应商输出技术共同定义新架构、共同成长,以此形成新联盟,主机厂供应商合作关系逐渐重构。此外部分OEM选择自研全栈自动驾驶能力,如Tesla、NIO和小鹏。


传统汽车产业链由OEM主导,各级供应商长期合作绑定紧密。传统一级供应商根据整车厂不同车型的设计要求,定制生产软硬件一体的执行器等配件产品,核心二级零部件来自于其长期合作的二级供应商。因每款车型的总体电子电气架构各不相同,各级零部件特别是在软件接口标准协议各异,导致需要大量的重复开发设计,部分零部件甚至出现软硬件并不兼容,因此各级供应商“绑定”合作关系特别突出。


新电子电气架构下OEM倾向以直接集成二级供应商的产品,部分一级供应商角色被替代或者形成集成平台式供应商。新的供应关系如果形成,绑定关系依然稳固。智能硬件依然可保有较高行业门槛。



04

ADAS相关法规政策



各国政府积极布局,政策推动行业发展。法规驱动商用车市场增长,乘用车ADAS迅速发展。


国外政策方面,各国政府均出台了多项利好政策,ADAS有望快速发展。美国自2015年起强制要求一般车辆与商用车辆安装倒车显示,自2018年起五星安全标准车辆必须配置自动紧急制动AEB;欧洲在2015年起强制所有新车安装车道偏离预警(LDW),2016年起AEB需具备防止与行人碰撞能力,2017年起4星评级车辆需具备主动安全系统;日本自2016年起强制新车安装AEB,2017年11月起要求所有新车必须安装前向碰撞预警(FCW)。


部分信息来自:中信证券“智能网联”系列


以欧洲为例,为保证道路交通安全、减少事故发生的机率,2021年欧盟最新的主动安全星级评级规划加强了汽车安全配置计划思路,加速高级驾驶辅助系统在新车中的应用。


欧盟新车安全评鉴协会研究确定的Euro NCAP 整体星级评级中不断扩充安全技术性能测试,加速高级驾驶辅助系统产品技术导入市场。


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资料来源:欧盟新车安全评鉴会,头豹研究院


国内商用车法规方面,作为一种生产工具,商用车更多扮演的是生产资料运输的角色。同时,这也意味着更长的驾驶旅程、更艰巨的运输任务以及更高的驾驶风险。这种风险的承担者不仅包括司机,还包括所有的道路交通参与者。根据世界卫生组织的统计,中国每年交通事故高达 50 万起,因交通事故死亡人数年均超过 10 万人,已经连续十余年位居世界第一,其中重大交通事故多集中在商用车。以货车为例,货车在我国机动车保有量中只占 15% 左右,其责任道路交通事故造成死亡的却近总数的一半。


ADAS技术可以大幅提高商用车安全系数,国家相继出台相关政策,在安全方面对商用车行业提出了具体要求。下面表格列出了法规对客车和重卡的强制出厂要求:


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资料来源:中华人民共和国交通运输行业标准


国内乘用车法规方面,2020年2月,中国国家发展改革委、科技部、工信部等11部委联合印发《智能汽车创新发展战略》,提出到2025年,国标准智能汽车的技术创新、产业生态、基础设施、法规标准、产品监管和网络安全体系基本形成。同时,实现有条件自动驾驶的智能汽车达到规模化生产,实现高度自动驾驶的智能汽车在特定环境下市场化应用。


中国汽车技术研究中心在深入研究与分析海外新车评估项目测试(NCAP)的基础上,结合中国汽车标准法规、道路交通实际情况与车型特征,并在广泛与国际权威组织进行技术交流与实际试验后确定了C-NCAP的试验与评分规则。与中国汽车标准法规相比,C-NCAP对试验假人及传感器的标定、测试设备、试验环境条件、试验车辆状态调整和试验过程控制的规定均更为严谨和苛刻,已达到国际水平。


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资料来源:中国汽车技术研究中心



05

行业机会



乘用车竞争格局大变革,国产供应商新机遇


过去中国主机厂商多与外资车企成立合资公司的形式存在,以市场换技术,地方保护色彩浓重。中国大陆汽车品牌多过日本、欧洲和美国,是一个汽车大国而不是强国。


如今开放竞争的大浪潮下,给了自主汽车品牌以此新的生长机会,最终中国汽车市场可能迎来新的多巨头局面。


电动化、智能化趋势给了新兴汽车供应链一个弯道超车机会,传统OEM转型慢,整车开发周期长,切入智能车领域时,部分供应商已经有了较强竞争力。因此国内供应商有机会和新车型一同成长,打破被外资供应商垄断的局面。


中美发展和贸易脱钩的趋势下,很多国内车企开始寻求国产化替代,新兴零部件更是首选国内供应商,这给了具备实力的国内供应商很大的市场空间。


综上,自主品牌崛起、汽车新四化,以及国产替代,都给了国产供应商巨大空间和机遇。


法规驱动下商用车ADAS市场渗透加速


商用车领域在法规驱动下ADAS渗透率快速提高,大部分客车、重卡车型强制要求安装双预警和自动紧急制动。性价比更高、响应速度更快,开放性更强的国内供应商借此相继切入前装量产市场,共享法规驱动下商用车ADAS高速渗透的红利。

 

以上是关于高级驾驶辅助系统商业化的发展趋势和可能性的探讨,下半部分将和大家谈谈高级驾驶辅助系统软件和硬件的构成要素,敬请期待。



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