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宝马 iNEXT: L3 级自动驾驶系统的完备形态

无论竞争格局怎么变,最后的赢家永远是消费者。

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本文转载自公众号「新车一讲」,作者微博:@不是郑小康

2020 年 4 月 29 日,宝马自动驾驶首席专家 Simon Fürst 在一场活动中公开了宝马涵盖 SAE Level 1-5 级别的自动驾驶路线图。5 月 4 日,宝马向美国国家高速公路管理局(NHTSA)提交了《宝马自动驾驶安全测试评估报告》。

在上述两份材料的支持下,我们得以提前一年了解宝马的全新智能电动 SUV iNEXT 上的 L3 级自动驾驶系统。

L3 级自动驾驶系统的争议由来已久。在宝马之前,大厂有通用、福特,新厂有蔚来、理想,先后都宣布跳过 L3,直接研发 L4 级自动驾驶系统;另一方面,奔驰、宝马、奥迪、小鹏等都投下重兵攻坚 L3

无论如何,宝马 iNEXT 搭载的 L3 都是近年来系统架构最完备、综合技术最全面的 L3 级自动驾驶系统。尤其是经过国内一众自主品牌的 L2.5、L2.99、L3 级自动驾驶系统的狂轰滥炸后,宝马 iNEXT 更显鹤立鸡群。

硬件解决方案 hPAD

硬件是实现自动驾驶上层体验的基础。我们已经见到过一些辅助驾驶系统由于硬件的能力限制,在功能实现上落入下风。不过,至少在短期内,宝马 L3 级自动驾驶硬件解决方案 hPAD 没有这样的烦恼。

先从传感器说起,宝马 iNEXT 搭载了超声波传感器、毫米波雷达、摄像头、激光雷达四种传感器。罗列如下:

超声波传感器:12 个(前 6 后 6),行业通行配置,用于短距离感知。

毫米波雷达:5 个(1 前置雷达、2 前短距雷达、2 侧后雷达),长枪短炮搭配,完成毫米波雷达的全车 360° 感知覆盖

摄像头:10 个(4 环视摄像头、6 感知摄像头),前置三目摄像头,左右各一侧后摄像头,一正后摄像头感知。

激光雷达:供应商未知,但在 2021 年具备兼具成本、车规和性能优势的,大概率是法雷奥 ScaLa 2

2018 年 7 月,奥迪在西班牙发布了全球首款搭载 L3 级自动驾驶硬件的车型奥迪 A8,该系统首发搭载了来自法雷奥的激光雷达 ScaLa 1。在随后的数年里,由于硬件架构桎梏以及高精地图、法律法规等的不成熟,这款车上的 L3 级自动驾驶系统最终成为了先烈。

时隔 5 年,宝马 iNEXT 或将接过奥迪 A8 的衣钵,搭载性能全面升级的激光雷达 ScaLa 2。

值得一提的是,相比 ScaLa 1,ScaLa 2 的线数翻了 4 倍,点云数翻了 6 倍。全面升级的性能将赋予宝马 iNEXT 的 L3 级自动驾驶系统更强大的感知能力和更宽的速度运行区间。

接下来是计算平台,与特斯拉、小鹏等采用集中式计算平台不同,宝马选择了多块芯片组合的分布式计算平台。包括两块英飞凌 Aurix MCU、两块英特尔 Denveton 8 核 CPU、两块全球首发的 Mobileye EyeQ5 芯片,以及瑞萨 V3H 和 H3 芯片

是不是已经懵圈了?别急,我们一一展开分析。

先从最为重磅的 Mobileye EyeQ5 说起,EyeQ5 是全球首款基于 7 纳米 FinFET 制程打造的车规级芯片。

更先进的制程为它带来了更高的能效:EyeQ5 在算力高达 24 Tops 的同时将能耗控制在了 10W,对比 2.5 Tops 算力的 EyeQ4,EyeQ5 的能效提升了近 3 倍,算力更是提高了近 10 倍

宝马 iNEXT 搭载了两块 EyeQ5 芯片,一块搭载了 Mobileye 的算法,另一块 EyeQ5 开放版则基于芯片写入了宝马自研的算法

(Mobileye 在与车企的合作中一贯强势,在 EyeQ5 之前,Mobileye 的前装业务模式为芯片+算法打包供应,而车企无从得知 Mobileye 算法的具体原理。

这一「顽疾」将从 EyeQ5 彻底改变:Mobileye 为 EyeQ5 提供了完整的软件工具开发包(SDK),并集成了硬件安全模块,便于车企自主研发相关算法及深度神经网络,并通过安全的 FOTA 更新部署到车队中。

宝马 iNEXT 便是首款受益于此业务策略调整的车型。)

具体而言,EyeQ5 和两块英特尔 Denveton 8 核 CPU一道,负责 L3 级自动驾驶系统的摄像头、毫米波雷达、激光雷达和高精地图的信息融合处理及决策规划

接下来是两块英飞凌 Aurix MCU,这是汽车行业久经考验的车规级芯片了。在奥迪 A8 的 zFAS 和特斯拉 Autopilot HW 2.0/1/5 版本的硬件中,我们都曾见过它的身影。

具体来说,iNEXT 其中一块 Aurix 扮演的角色和在特斯拉 Autopilot 2.x 中类似:处理超声波数据,完成自动泊车

而另一块 Aurix 则负责持续监测系统运行状态,使整个系统达到 ASIL-D 级最高车规标准。对于 L3 级自动驾驶系统来说,这一点至关重要。

最后是瑞萨 V3H 和 H3 芯片,这两块芯片在宝马 iNEXT 上负责 360 环视及视觉自动泊车

根据此前宝马公开的信息,宝马 hPAD 的功耗为 200W,冷却方式为液冷

总的来说,无论是高性能的 Mobileye EyeQ5 还是安全性能经过长期检验的 Aurix,宝马 hPAD 有些「好马配好鞍」的意味,在匹配传感器架构的同时兼顾了高性能与车规级认证。

HMI 人机交互

文章的开头我们提到,L3 级自动驾驶系统的争议由来已久。理想汽车创始人李想更是公开表示,L3 在实际使用中是一个反人类的产品。

这是因为按照 SAE 的定义,L3 级自动驾驶系统为有条件的自动驾驶。在满足设计运行条件(ODD)时,系统可执行全部的动态驾驶任务,而在设计运行条件不满足时,人类驾驶员又需要及时响应系统请求,接管车辆。

这样的产品设定,决定了系统需要频繁地和驾驶员发生交互。如何在保证行车安全的前提下最大程度的提升出行体验,就十分考验车企人机工程部门的功力了。

回到宝马 iNEXT 上,iNEXT 有两种驾驶模式,分别为增强(Boost)模式和轻松(Ease)模式。

在增强模式下,驾驶员可以保留传统控件,不受限制的体验驾驶乐趣(有点像特斯拉的赛道模式);而在轻松模式下,驾驶员可以激活自动驾驶系统,将视线离开道路,专注于其他活动

这里我们要讨论的,是轻松模式下的 L3 级自动驾驶系统的人机交互。

先来说明一下 iNEXT 上的 L3 的设计运行条件:当且仅当**高精地图覆盖的高速通行路段、天气及环境条件允许车辆所有传感器正常运行、最高时速不超过 85 英里/小时(约 137 km/h)**的前提下,系统可运行。

反应到仪表盘上,系统的可运行、启动与退出状态显示如下:

  • 如果当前状态不支持系统运行,仪表盘会显示一个带斜杠的图标;
  • 如果当前状态支持系统运行,仪表盘会显示 READY 图标;
  • 如果系统正常启动接管车辆,图标会变为蓝色,表示系统运行中
  • 如果驾驶员接管了车辆并开启辅助驾驶,图标会将左下角的 A 变为方向盘

对比特斯拉 Autopilot,系统的可运行、启动与退出状态显示如下:

  • 如果当前状态不支持系统运行/驾驶员接管了车辆,仪表盘不做任何显示
  • 如果当前状态支持系统运行,仪表盘会显示一个灰色方向盘;
  • 如果系统正常启动运行,方向盘图标会变为蓝色,表示系统运行中

对比来看,宝马相比特斯拉虽然场景划分更加细致,状态呈现却也更为繁杂,孰优孰劣还得交给消费者判断。

此外,按照 SAE 的定义,Autopilot 只是 L2 级辅助驾驶系统,而 iNEXT 是 L3 级自动驾驶系统。宝马在报告中表示,为了避免「系统已经退出,驾驶员仍以为系统正常运行」的高风险场景发生,宝马强化了系统的运行与退出的状态显示:

  • 如果系统处于运行状态,方向盘上的灯带会显示蓝色
  • 如果系统不支持运行并触发 TOR(TakeOver Request,发出接管请求),方向盘上的灯带会变成黄色持续预警;
  • 如果驾驶员未能及时接管,系统将退出运行,方向盘上的灯带会显示红色

iNEXT 这套方向盘视觉交互系统与通用凯迪拉克 SuperCruise 有异曲同工之妙,区别大概只是凯迪拉克灯带在 12 点的位置,而宝马位于 3 点和 9 点的位置。

在 2018 年《消费者报告》的辅助驾驶系统测试中,通用 SuperCruise 曾超越特斯拉 Autopilot 拿下第一,关键的得分项便是 Clear When Safe to Use。换言之:准确清晰地将系统状态传达给驾驶员

从这个角度来说,宝马 iNEXT 的 HMI 设计有些见贤思齐的味道。

仪表盘图标、方向盘灯带与音响的声音提示,将系统状态准确清晰地传达给了驾驶员。那么系统如何准确地感知驾驶员状态呢?

iNEXT 的驾驶员监控系统会结合方向盘上的握力传感器、扭矩传感器及踏板传感器、座椅传感器(难道担心 L3 启动后驾驶员跑到后排吗......)和安全带紧固传感器联合判断,确认驾驶员处在可接管状态。

最后来总结一下,同 hPAD 自动驾驶传感器方案类似,宝马在 HMI 人机交互的硬件支持上做得非常充分。这既是供应链发展成熟度的体现,也是 iNEXT 豪华智能电动 SUV 定位的需要。

功能安全及极端场景推演

作为全世界最成功的豪华品牌之一,宝马毫无疑问会对 L3 级自动驾驶的安全性能高度关注。hPAD 的冗余容错设计和极端场景下的系统表现也就至关重要了。

具体来说,宝马从以下 14 个层面去设计功能安全,包括:

  • 设计架构;
  • 传感器;
  • 执行机构(刹车、加速、转向等);
  • 通讯失败;
  • 潜在的软件错误;
  • 可靠性;
  • 潜在的控制不足;
  • 不良的控制执行;
  • 与障碍物及其他道路使用者的潜在碰撞;
  • 系统执行动作可能引起的潜在碰撞;
  • 偏离车道;
  • 失去牵引力或稳定性;
  • 违反交通法规;
  • 偏离预期/正常的驾驶习惯

在综合了 ISO 26262 和 IEC 61508 中的相关规定后,宝马设计的 hPAD 冗余设计如下:主通道和副通道互为冗余(分别对应前文提到的两块 EyeQ5 芯片),并分别具有各自独立的诊断单元,该诊断单元具备检测故障并及时转交另一通道接管的能力。

在故障同时影响两个通道的情况下,诊断单元将转交第三个基本通道,以帮助车辆达到最小风险状态(Minimal risk condition)。

这里的「第三个通道」是一个 L2 级辅助驾驶系统,传感器架构为 1 个前置单目摄像头、5 个毫米波雷达,计算平台为单颗 Mobileye EyeQ5 芯片、英特尔 Denverton 双核芯片和必不可少的英飞凌 Aurix 芯片。

简单来说,L3 级自动驾驶系统运行时双平台互为冗余,在极端场景导致双平台同时无法运行的时候,系统降级为 L2 级辅助驾驶系统运行,并及时提示驾驶员接管。

这可能是我们见过的功能安全设计最完备的 L3 级自动驾驶系统,没有之一。

接下来是极端场景分析。前面提到 iNEXT 的 L3 级自动驾驶系统运行需要同时满足多个条件,在某些条件不具备的情况下,系统可能无法安全的继续操控汽车。例如环境条件接近设计运行条件(ODD)的极限、持续监控中检测出系统故障或传感器自诊断检测出必须降级运行等。

在等待驾驶员接管过程中,iNEXT 的系统将继续执行驾驶任务,但功能范围开始受限(例如侧后传感器故障时,变道功能不再执行)。

在系统无法运行的场景下,车辆将触发 TOR,请求驾驶员接管车辆,如果驾驶员没有在定义的时间内(NHTSA 规定为 10 秒)接管,系统将执行风险最小化策略

风险最小化的策略视情况而定,车辆最终可能会停靠在路边或当前车道内(例如,在堵车路况下不具备安全的变道条件)。iNEXT 一旦最大程度地降低了其他道路使用者的风险,操控车辆到达安全位置,危险警报闪光灯就会立即亮起,系统将自动拨打宝马紧急呼叫电话求救

最极端的场景下,如果系统检测到车辆即将发生碰撞,且剩余时间不足以将车辆控制权转交给驾驶员,系统将在必要时减速至完全停止/执行自动规避动作,无需驾驶员做任何额外指令(without additionalinput from the driver)。

总结来看,宝马将几乎所有潜在的高风险场景都做了具象化推演,解答了诸如「自动驾驶人早睡着了根本反应不过来」的场景下,系统该如何响应的问题。

其他

从 iNEXT 上,我们能感觉到宝马的研发策略正在起变化。

众所周知,新款宝马 X5 已经支持了整车 OTA功能,但宝马不仅未对此做任何宣发,实际迭代频率层面也低得惊人

随着 iNEXT 更彻底的智能化和全时在线,宝马明确提出,在满足欧盟《通用保护条例》(GDPR)和《加州消费者隐私法案》(CCPA)这两大最严苛隐私保护条例的前提下,宝马将收集全球范围内的车队数据用于验证功能逻辑的安全性并持续改善系统算法的鲁棒性

利用众包数据进行算法的迭代与改进,这正是特斯拉在过去 5 年来持续推进的研发策略。

在保证最高安全标准的同时保持领先,从来都不是一件容易的事。

在这个问题上,宝马也逐步放宽,以曲线救国的形式达成目的。例如,为了满足高性能、信息安全和持续更新的需求,英特尔 Denverton 芯片运行在了 Apdative Autosar 异构软件平台上,最高只能支持到 ASIL-B 级标准,

但监控整个系统运行的英飞凌Aurix MCU,则基于经典的 AutoSAR 嵌入式操作系统运行,以此来确保强实时,达到ASIL-D 级最高车规标准

此外,Denverton 芯片并非车规级芯片,但考虑到它的最高运行温度可达 85 ℃,宝马以液冷的形式加多重冗余解决了问题。

为什么是宝马?

我们来尝试回答这个问题:从宝马的自动驾驶路线图来看,iNEXT 的出击是宝马 2016 年和英特尔、Mobileye 结盟五年来「蓄谋已久」的一个动作

这个系统既包含了宝马长期以来的技术积累(比如上层算法,iNEXT 之前的宝马 X5 搭载的 L2 级辅助驾驶系统广受好评;比如底层支持,宝马一直是传统车企里对汽车网络安全和电子电气架构投入最大的品牌之一),又兼顾了供应链成熟度,比如 Mobileye EyeQ5 是 2021 年 3 月批量供应,而法雷奥的激光雷达 ScaLa 2 也在差不多的时间点。反观激进下场的奥迪 A8 遗憾成为先烈。

这让我想到此前理想汽车的 L4 级自动驾驶规划。某种程度上,iNEXT 之于 L3 级自动驾驶市场,就像理想 X01 之于 L4,既需要车企提前数年的预研和「蓄力」,也需要对供应链成熟度的精准把控。只有两者兼备,在合适的节点精准出击,才有机会形成独此一份的差异化优势。 区别在于,宝马已经行至半程,理想才刚刚出发。

当然,无论宝马还是理想,都还要继续坚持到产品批量交付,接受消费者的检验。

在所有车企对其不屑一顾的五年里,特斯拉在持续迭代中快速补足其软硬件能力(在冗余设计之外,最新的 FSD 芯片已经通过了北美的 AECQ100 车规标准认证),中国的新造车企业也在摩拳擦掌。

在一众传统车企看似无力招架之时,iNEXT 的横空出世,为宝马保持了一个传统贵族的体面与尊严。那么,不按常理出牌的特斯拉们会不会掀起更大的反击

我们乐见其成,无论竞争格局怎么变,最后的赢家永远是消费者。

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