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1. 概述
本文和大家一起來學習智能駕駛系統(tǒng)智能操作設計域，本文中描述了可用于定義ADS的ODD的屬性識別。一個ODD描述了一個ADS功能在道路類型、速度范圍、照明條件（白天和/或晚上）、天氣條件和其他操作限制方面的具體操作域。即使一輛車有多個ADS功能，但每個ADS功能的ODD都可能不同。本文提出的測試框架考慮了ODD的潛在范圍，以及ODD如何影響潛在測試案例的開發(fā)。
2. 方法
采取了三階段的方法來定義ODD：
1. 回顧文獻，包括大眾媒體、新聞稿、技術期刊和會議記錄，以確定關鍵概念，列舉潛在的ODD特征，并研究其他行業(yè)的ODD方法。
2. 對ODD進行定義和分類，使其成為一種分類法，可供交通部和行業(yè)討論ADS時使用。
3. 根據文獻審查和工程判斷，描述ODD的概念ADS特征可能在其中運作。
審查了50多個文獻來源，包括OEM網站、新聞稿、USDOT文件，包括NHTSA碰撞前場景分析和FHWA管理車道使用案例，以及技術和國際出版物，包括2015年和2016年自動駕駛汽車研討會的會議記錄。此外，NHTSA向國會撥款委員會提交的2017財年預算申請確定了幾個ADS用例，在定義本分析的ODD時考慮了這些用例。應該注意的是，鑒于ADS技術的新興和高度競爭的性質，要獲得關于ADS功能的預期ODD的明確和完整的信息本身就很困難。在缺乏ODD信息的情況下，有時會使用工程判斷來定義ODD分類法，并確定ADS功能的ODD概念。
圖 1 ODD定義流程
文獻和媒體中的某些信息對ODD識別和分類定義特別有幫助，包括以下內容:
- 產品手冊中的描述
o 在某些情況下，ODD已在產品手冊中以及通過產品研發(fā)測試和產品應用相關研發(fā)材料中明確定義，特別是道路類型和速度。
- 視頻
o 視頻提供了車輛在特定領域(如天氣條件、物理基礎設施、共享道路用戶等)測試的視覺文件，作為推斷這些ADS功能的潛在ODD的基礎。
o 視頻范圍從官方營銷材料到產品研究和測試視頻，再到已發(fā)布產品的獨立視頻，適用于許多不同的ADS功能，這些功能正在被OEM廠商測試或引進。
- 感知系統(tǒng)
o 傳感器套件推動了ODD的邊界和限制（例如，塵土飛揚的條件比雷達更阻礙攝像機），在確定ODD時，考慮了為不同ADS功能提出的感知系統(tǒng)。
- 使用說明
o 使用說明提供了關于環(huán)境中哪些特征是重要的見解，特別是關于系統(tǒng)在特定ODD方面遇到困難的報告，包括糟糕的車道標記、山峰/曲線等。
- 來自其他領域的ODD
o 其他領域的ODD為分類和方法提供信息（例如，航空領域包括空域等級和過渡、地面人員的存在、操作員的工作量等）。
小明師兄從多處了解到，未來汽車營銷、說明手冊、使用說明等等都需要明確標明ADS系統(tǒng)具體工作邊界，即ODD范圍
3. 定義ODD框架的影響因素
文獻顯示了早期為定義和構建ODD所做的一些努力。所提出的概念并不完全一致，其形式包括從公共政策到行業(yè)指南再到研究。
自動駕駛系統(tǒng)2.0--安全的愿景
美國聯(lián)邦交通部對ODD的定義是在聯(lián)邦指南中給出的，在本文中被采用。該定義指出，ODD應由制造商確定，并包括ODD類別示例。
鼓勵各實體為其車輛上經測試或部署在公共道路上使用的每個ADS定義并記錄操作設計域(ODD)，并對功能定義的ODD做好相應的評估、測試和驗證。
該定義接著描述了ODD的邊界如何影響ADS的運行。
ODD將至少包括以下信息，以定義每個ADS的能力限制/邊界。ADS要安全運行的道路類型（城際、城區(qū)等）；地理區(qū)域（城市、山區(qū)、沙漠等）；速度范圍；ADS要運行的環(huán)境條件（天氣、白天/夜間等）；以及其他領域限制。
2016年的SAE J3016
SAE-J3016已被美國交通部采用，定義并描述了ODD。本文中相關內容采用了J3016中提出的概念，并與USDOT的政策一致。除了L5的ODD被描述為 "無限 "外，ODD與駕駛自動化水平沒有明確的關系。
J3016為ODD提供了以下定義："特定的駕駛自動化系統(tǒng)或其特征被設計為發(fā)揮作用的具體條件，包括但不限于駕駛模式。"
一個ODD可能包括一個或多個駕駛模式。例如，特定的自動駕駛系統(tǒng)可能被設計為僅在完全受控的高速公路上、在低速交通、高速擁堵工況或兩種駕駛模式下操作車輛。
圖 2.ODD與智能駕駛級別的關系（國際汽車工程師學會，2016年）
關于J3016，一直有質疑和批評。例如，全國專業(yè)工程師協(xié)會評論說：SAE J3016提出的操作設計域過于寬泛，沒有充分反映車輛在整體域（如收費公路）的單一路線過程中可能需要進入和退出的無數子領域。
出現(xiàn)的另一個問題是，在L5的"無限 "ODD概念是否應該被推向極端（例如，白茫茫的雪地條件），或者它在實踐中是否受到限制（例如，與合理的人類駕駛員相同的水平）。SAE J3016目前正在與ISO合作對該文件進行更新，該文件將澄清幾個要點，包括與ODD有關的概念。
加州政策
與美國交通部和國際汽車工程師學會類似，加州法規(guī)草案描述了ODD的概念，定義了ADS和人類操作之間的界限，并指出ODD將由制造商指定。
制造商應在申請中確定目標自動駕駛車輛被設計用于操作的操作設計域，并證明車輛被設計為無法在披露的ODD之外的區(qū)域以自動駕駛模式操作。
該政策繼續(xù)指出，ODD要素可以被識別為減法。
確定任何通常發(fā)生的或受限制的條件，包括但不限于：雪、霧、黑冰、潮濕的路面、施工區(qū)以及按地點或道路類型劃分的地理圍欄，在這些條件下，車輛被設計為無法在自動駕駛模式下運行或無法可靠地運行，并證明車輛被設計為無法在這些條件下以自動駕駛模式運行。
它還討論了在地理上界定的ODD內與當地法律規(guī)范的關系。
參考地方當局的條例或決議，規(guī)定在地方當局的管轄范圍內，車輛可以運行的操作設計域。
為了支持加州的政策，加州PATH進行了一項分析，收集了專家對"操作設計域 "的反饋，這些域被定義為農村、城市和高速公路/公路。這一分類方案被認為過于直白和不分青紅皂白，被ODD所取代。該分析還指出了處理廣泛的環(huán)境、天氣和照明條件的挑戰(zhàn)，并建議使用補充性的功能安全計劃來解決難以量化的情況。
PEGASUS項目
PEGASUS項目旨在 "建立普遍接受的質量標準、工具和方法，以及發(fā)布高度自動駕駛功能的場景和情況。"這項工作的重點是高速公路駕駛，PEGASUS研究小組已經確定了場景中與ODD有關的幾個要素，包括交通基礎設施（如車道、法規(guī)、幾何形狀）、環(huán)境條件（如濕潤的表面抓地力、光線、太陽、霧、傳感器障礙）和交通。
參考的其他因素
雖然不是本分析的核心，但也考慮了其他行業(yè)的影響因素。這些包括航空和美國國防部。
航空業(yè)管理著國家空域和太空飛行中的交通運營域?？沼蛉萘勘恢付閹讉€等級，其中規(guī)定了操作特點和程序。為了在某些空域中運行，飛機可能被要求配備某些設備（如應答器），飛行員可能需要遵循某些程序（如儀表飛行規(guī)則與目視飛行規(guī)則）。這些運行域的指定受到空域的復雜性和潛在風險的影響。對于汽車，ODD同樣受到復雜性（如速度、交通水平）、風險、裝備（如傳感器）和程序（如收費車道）的影響。
NASA的任務在有限的領域內運行，這有助于約束設計；例如，限制在特定地理區(qū)域或可能遇到的物體類型的任務。對于自動飛行系統(tǒng)，有一定的領域考慮，如空中交通、危險天氣、地形和其他障礙物和安全機動。
國防部在設計和使用無人駕駛系統(tǒng)時考慮了操作域；例如，公路、沿海地區(qū)、森林地區(qū)和各種操作速度（國家研究委員會，2005）。
指導原則
根據文獻制定了幾項指導原則，以確定和描述ODD的特點。
- 需要一個ODD分類法--存在大量不同的ODD維度，需要一個架構來組織分類，并促進對系統(tǒng)要求、能力和測試的討論。
- 考慮到運行環(huán)境的變化--ODD的性質可能不同。有些是預先確定的(如道路類型)，而另一些則隨時間變化(如交通狀況)。有些可以分為不連續(xù)的類別(如標志)，而其他的則沿著連續(xù)的尺度變化，可能難以量化(如雨、光、霧)。
- 定義什么是 "運行場景"--運行場景部分是由一組ODD特征描述的，這些特征描述了該功能設計執(zhí)行的環(huán)境。
- 確定ODD的界限--ODD定義了ADS可以和不可以運行的地方。由于混雜變量（如天氣和照明）、非確定性軟件、設計和測試等原因，ODD界限可能因次行程或操作場景而不同。
- 識別當前的ODD狀態(tài)（自我意識）--ADS功能應能識別其是否在ODD內，并檢測和響應系統(tǒng)的參與和脫離限制。這可能包括識別某些ODD狀態(tài)（如道路類型）之間的轉換。
定義ODD分類法
雖然文獻提供了許多ODD要素的例子，但沒有確定分類框架。這項工作在開發(fā)分類法方面邁出了第一步，以組織研究中發(fā)現(xiàn)的許多ODD要素。這個ODD分類法采用了類別和子類別的層次結構，每個類別都有定義，并在適當的地方有分級。該分類法是描述性的，而不是規(guī)范性的，因為根據設想，這些要素可以被組織成幾個不同的組別。該分類法提供了一種結構化的方法來組織和識別ADS功能的各種ODD，特別是當存在幾種不同的可能的組合。圖3顯示了廣泛的頂層類別和直接子類別。
圖9. 帶有頂層類別和直接子類別的ODD分類框架
層次結構延伸到多個子級別，如圖4所示。環(huán)境條件 "類別被劃分為四個子類別：天氣、照明、顆粒物和道路天氣。天氣又被進一步細分為雨、溫度、風和雪。對于這個研究項目來說，將雨進一步細分為不同的等級，有助于掌握在ADS功能上收集的數據。例如，一些ADS功能已經在小雨中測試過，而另一些則在大雨中測試過。盡管該分類法的應用在本研究項目中很有用，但進一步的研究和利益相關者的參與將有利于完善和客觀地量化這些類別和等級。
圖4環(huán)境條件類別中的分層實例
奇怪的類別描述
有形基礎設施
有形基礎設施指的是為一個國家、城市或地區(qū)服務并使其經濟運行的設施和系統(tǒng)。物理基礎設施的典型特征是技術結構，如道路、橋梁、隧道、供水、下水道、電網、電信等，這些結構在大多數情況下是相互關聯(lián)的。ADS功能可能取決于此類基礎設施要素，它們是ODD環(huán)境的關鍵部分。主要物理基礎設施要素的子類別列舉如下；圖5提供了說明性照片。
道路類型
- 分割公路、未分割公路、干道、城市、農村、停車場、多車道、單車道、高速乘用車（HOV）車道、上下匝道、緊急疏散通道、單向、只轉彎車道、私人道路、可逆車道、交叉口（信號燈、U型彎、4向/2向停車、環(huán)島、合并車道、只轉彎車道、人行道、收費廣場、鐵路口）。
道路表面
- 瀝青、混凝土、混合、格柵、磚、泥土、碎石、刮擦路面、部分遮擋、減速帶、坑洞、草地。
路面邊緣
- 標線、臨時標線、路肩(鋪面或碎石)、路肩(草地)、混凝土障礙物、格柵、欄桿、路緣、錐體。
路面幾何
- 直線、曲線、山丘、側峰、轉角（規(guī)則、盲角）、消極障礙、車道寬度。
圖5. 有形基礎設施要素的例子
操作制約因素
在設計和測試ADS應用時，需要考慮一些操作限制。這些包括諸如速度限制的動態(tài)變化、交通特性、施工等因素。例如，進入學校區(qū)域的ADS受到較低的速度限制，必須做出適當的反應以確保其乘客和其他道路使用者的安全。下面列出了一些操作限制的例子。圖6中提供了說明性的照片。
速度限制
- 最低和最高速度限制（絕對速度，相對于速度限制，相對于周圍交通）。
交通狀況
- 最小交通，正常交通，碰碰車/高峰期交通，改變（事故，緊急車輛，施工，封閉道路，特殊事件）。
物體
為使ADS在ODD內正確導航，它必須檢測并響應某些物體，這被稱為OEDR。OEDR是具體描述以后會做相應的更新，但在此討論的是識別ODD內可合理預期存在的物體。例如，行人可能會出現(xiàn)在十字路口，但很少出現(xiàn)在高速公路上。下面的文字和圖7中提供了對象和描述的例子。
標志
- 標志（如停止、讓步、行人、鐵路、學校區(qū)等）、交通信號（閃爍、學校區(qū)、消防隊區(qū)等）、人行橫道、鐵路道口、停止的公共汽車、施工標志、急救信號、遇險信號、道路使用者信號、手勢。
道路使用者
- 車輛類型（汽車、輕型卡車、大型卡車、公共汽車、摩托車、寬體車、緊急車輛、建筑設備、馬車/越野車）、停止的車輛、移動的車輛（手動、自動）、行人、騎車人。
非道路使用者的障礙物/物體
- 動物（如狗、鹿等）、購物車、碎片（如輪胎碎片、垃圾、梯子）、建筑設備、行人、騎車人。
圖7.對象的例子
環(huán)境條件
環(huán)境條件在各種ADS應用的安全運行中起著至關重要的作用，并對車輛裝配ADS系統(tǒng)，特別是早期裝配的車輛構成了最大的挑戰(zhàn)之一。環(huán)境可以影響能見度、傳感器的保真度、車輛的可操作性和通信系統(tǒng)。今天，ADS技術最常在晴朗而非惡劣的天氣條件下進行測試。平均而言，每年有超過570萬起車輛碰撞事故。其中約22%的車禍--近130萬起--與天氣有關。與天氣有關的車禍被定義為在惡劣天氣（即雨、雪、雪、霧、嚴重的橫風或吹雪/沙/碎石）或在濕、雪或冰的路面上發(fā)生的車禍。降水、大風和極端溫度天氣通過能見度來影響駕駛員的能力、車輛性能和可操作性（即牽引力、穩(wěn)定性和可操作性），以及路面的狀況、路面摩擦、道路基礎設施、碰撞風險、交通流量。因此，作為ODD的一部分，考慮各種環(huán)境條件是很重要的。下面描述了其中的一些條件，圖8中顯示了一些例子。
天氣
- 風、雨、雪、雨夾雪、溫度
- 在高速公路上，小雨或雪可以使平均速度降低3%至13%。大雨可使平均速度降低3-16%。在大雪中，高速公路的平均速度可以下降5%至40%。在小雨中，自由流動的速度可下降2%至13%，在大雨中可下降6%至17%。雪會導致自由流速度下降5%到64%。下雨時速度差異可下降25%。
天氣引起的道路狀況
- 積水、被淹沒的道路、結冰的道路、道路上的積雪
- 洪水導致的車道淹沒以及積雪和風吹碎石導致的車道阻塞都會造成通行能力下降。由于危險條件（如大風中的大卡車）造成的道路封閉和通行限制也會降低道路通行能力。
顆粒物質
- 霧、煙、煙霧、灰塵/泥土、泥漿
- 能見度低會導致速度下降10%到12%。能見度距離因霧和強降水以及風吹雪、灰塵和煙霧而減少。低能見度條件導致速度變化增加，從而增加碰撞風險。每年有超過38,700輛汽車在大霧中發(fā)生車禍。每年有超過600人死亡，超過16300人在這些車禍中受傷。
光照度
- 白天（太陽：頂燈、背燈和前燈）、黎明、黃昏、夜晚、路燈、頭燈（普通和遠光燈）、迎面而來的車輛燈光（頂燈、背燈和前燈）。
圖8.環(huán)境條件的例子
智能網聯(lián)
智能網聯(lián)和自動化正越來越多地被整合到汽車和卡車中，目的是提高安全性和機動性，并提供更好的駕駛體驗。智能網聯(lián)是一種使能技術，它可以定義ADS功能可以在哪里運行。例如，低速班車可能依賴于交通信號燈的位置和時間信息，以減少對傳感器單獨檢測信號的依賴。其他的操作例子包括生態(tài)接近和離開或協(xié)調的ACC。
智能網聯(lián)構成了其他車輛、道路使用者、遠程車隊管理運營商以及物理和數字基礎設施元素之間的通信鏈接。這些元素中的一些將在下文中描述。圖9中提供了說明性的照片。
車輛
交通密度信息
- 眾包數據（例如，Waze）和V2I
遠程車隊管理系統(tǒng)
- 車輛可由一個可進行遠程操作的操作中心支持。
基礎設施 傳感器和通信
- 工作區(qū)警報、弱勢道路使用者、路線和事件管理、GPS、3-D高清地圖（Ellichipuram，2016）、坑洞位置、天氣數據、云上數據等。
圖9.連接的例子
分區(qū)
ADS的功能在空間上可能受到區(qū)域的限制。這些區(qū)域的邊界可能是固定的或動態(tài)的，定義邊界的條件可能是基于復雜性、操作程序或其他因素。一個例子是工作區(qū)，它可以混淆ADS，因為道路配置（路面標記和新的車道排列）與典型條件不同。在工作區(qū)，錐形筒可能取代雙黃線，柱子可能取代路緣石，施工人員的手勢可能取代交通燈。這些為人類駕駛員設計的提示可以挑戰(zhàn)先進的計算機系統(tǒng)。還有其他幾種類型的區(qū)域，作為ODD的潛在元素，也是很重要的。
地理圍欄
- 中央商業(yè)區(qū)、校園和退休社區(qū)（例如，CityMobil2是固定路線，包括<20英里/小時的公路和非公路上的人行道路線）。
交通管理區(qū)
- 可能包括臨時關閉車道、動態(tài)交通標志、可變速度限制、臨時或不存在的車道標記、人為引導的交通、裝載/卸載區(qū)。
學校/施工區(qū)
- 動態(tài)限速，不穩(wěn)定的行人和車輛行為。
地區(qū)/國家
- 任何法律、法規(guī)、執(zhí)法、侵權或其他方面的考慮（例如，跟車距離、許可等）。
干擾區(qū)
- 隧道、停車場、茂密的樹葉、因高大建筑物而受到限制的GPS、大氣條件。
圖 10.區(qū)域的例子
ADS功能ODD識別
ODD分類法可作為識別ADS功能ODD的檢查表。在上述ODD分類法的基礎上，生成了一份全面的ODD檢查表。為了展示該清單的潛在應用，我們?yōu)槿齻€理論上的ADS功能填寫了該清單。通用的L3級有條件的交通擁堵駕駛、L3級有條件的高速智能駕駛和L4級高度自動化車輛/TNC被選中。應該注意的是，目前制造商將決定一個ADS功能的ODD，類似的ADS功能的ODD可能有所不同。這里介紹的理論特征純粹是示范性的，不代表任何商業(yè)上銷售的ADS特征。表1顯示了L3級有條件的交通擁堵駕駛的檢查表。
為了測試車輛的安全運行能力，在測試開發(fā)和執(zhí)行中要考慮ODD。場景考慮了ODD元素的組合，可用于描述測試案例和場景的條件；例如，有混凝土表面的公路，有輕霧。測試設施重新創(chuàng)建某些ODD的能力有限（如城市環(huán)境、山峰），可能需要升級新的基礎設施以支持測試。有些ODD要素難以量化和重新創(chuàng)建（如天氣），可通過功能安全設計實踐和道路測試解決。其他ODD的例子見圖11。圖12再現(xiàn)了SAE J3016中顯示ODD相對于駕駛自動化水平的重要性的圖。
圖11.其他ODD的例子
圖12.說明了ODD相對于駕駛自動化水平的重要性
要擴大所定義的ODD特征，有幾個方面需要考慮。與其他ODD特征進行比較，并與OEM廠商合作，就定義達成共識，可以提高該分類法的穩(wěn)健性。對ODD邊界條件的進一步調查，以及ADS如何檢測這些邊界，對于理解脫離事件非常重要。例如，最小風險機動可能會根據車載傳感器配置和路肩的適用性而有所不同。此外，需要考慮到潛在的事件，如當司機參與部分駕駛任務時，樹葉阻擋了傳感器或擋風玻璃上的鳥糞阻擋了視線。因此，有必要考慮一個更詳盡的清單和潛在的分類器，用于MRCs和其他非公路用戶。汽車和航空業(yè)的自動化專家都提醒說，汽車和飛機之間的ODD差異非常大，交叉學習的機會相當有限。
