西安交大无人驾驶智能车研究团队：重新构建类人自主驾驶

创新引领科技发展，一个以无人车为代表的人工智能时代正向我们走来。

无人驾驶时代已经到来？

在西安交通大学校园的四大发明广场上，时常会看见一辆蓝白相间的小轿车行驶其中。变道、掉头......如果不仔细看，很难发现这辆车竟没有驾驶员！

这就是西安交大郑南宁院士团队自主研发的无人驾驶智能车“发现号”。它在2017年“中国智能车未来挑战赛”中，成为城区综合交通环境比赛及城区高架道路比赛的双料冠军。

无人车探索者

早在上世纪八十年代，欧美等国已率先开始了智能驾驶研究。其中，无需人类参与的“自主驾驶”更成为研究主题之一。

作为西安交大人工智能与机器人研究所学术带头人，郑南宁敏锐察觉到国外辅助安全驾驶与无人驾驶技术的发展趋势。自上个世纪90年代末起，郑南宁就开始布局无人车的相关研究。2001年末，郑南宁正式组建起无人驾驶智能汽车课题组。



“发现号”在西安交大校园

十七年来，课题组深耕于人工智能与无人车研究领域，在模式识别与智能系统、机器视觉与图象处理等重要领域进行了长期、系统的创新性研究，并且在无人驾驶智能车的系统结构、道路环境感知、多传感数据融合技术以及交互智能驾驶综合测试与验证平台研究等方面不断取得新的进展。

2002年，无人驾驶车“思源1号”正式诞生。2005年，“思源1号”在校园道路环境测试成功后，为了获得实际的交通路况数据，课题组制定了“新丝绸之路挑战”计划，即让“思源1号”从西安出发一直行驶到敦煌。然而，“思源一号”无人车出了校门，几乎无法应对真实的交通场景，只在接近敦煌的公路上能够实现自主行驶。

“2005年的无人车‘新丝绸之路挑战’的经历给予我们深刻的启示，要想使无人车研究的实验室成果真正走向应用环境，我们还面临许多艰难的挑战。”郑南宁回顾当年情况时表示。

从模拟实验走向真实交通环境，从特定路段到复杂道路，从直线行走到转弯超车，从每小时10～15公里到70～80公里的速度……

“从2017年回看2005年的无人车，就像是‘丑小鸭’实现了蜕变。科学研究就是这样，要脚踏实地一步步走向更加完善的阶段。”说起无人车研究从“理想”逐渐转变为“现实”的过程，郑南宁感慨万分。

重新构建类人自主驾驶

美国汽车工程学会将自动驾驶分为三级：辅助安全驾驶、自动驾驶和自主驾驶。

从技术角度来看，无人车自主驾驶的技术链路分为三个步骤：对环境的感知与理解，就是使用车辆传感器获取眼前环境数据，再进行数据处理；驾驶的决策与规划，即在数据理解的基础上进一步部署规划车辆的行驶路线；最后是实现运动的控制，车辆方能进行自主驾驶。

自主驾驶的难点主要体现在数据处理后进行的路线规划。因为系统始终无法像人类一样感知车外的各种复杂状况，机器并不能完全模拟人的认知能力，这就提出了一个难题：如何才能让机器具备准确、快速的判断，并根据判断做出适当的“应对行为”。

自主驾驶不是简单的人工智能形式，更不是一种形式化问题的求解。它需要研究人员研制一种进化的、发展的自主驾驶学习系统，使自主驾驶系统像人类驾驶员一样熟能生巧。而实现“熟能生巧”和系统的结合，就是目前无人车研究团队全力突破的关键点。

从认知的角度出发，团队将研究的重点瞄向“人类大脑如何储存、加工交通环境信息”以及“驾驶行为的背后存在怎样的表征特性”等极具复杂性的内容。而后，将现实操作过程中系统感知的独立“事件”转换成有意义的模型。

紧接着，通过对信息进行预编码、短期记忆，最终形成长期记忆。事实上，过程的关键在于将短期记忆和交通规则整体形成长期记忆的知识库进行反复的“深度学习”。

为了验证不同的技术路线，西安交大人工智能与机器人研究所组建了在内部紧密合作的“夸父”“发现”和“先锋”三个无人车课题组，分别从环境感知、新型系统架构和拟人控制等关键技术进行协同攻关和突破。

一项伟大的科学研究从不是“随随便便、敲锣打鼓”就能获得成功，“我们团队从不会走捷径，碰到问题就是要一个一个地努力解决。”“夸父”无人车课题组负责人薛建儒教授告诉《科学新闻》。

量产五大挑战

无人车进入试验阶段以来，关于其何时量产的消息从没有间断过，学术界、企业界等都在热烈讨论着。

然而量产是否意味着就能使无人车开始进入寻常百姓家？郑南宁院士认为“行百里者半九十”，尽管近年来无人驾驶技术确实取得了突破性的进展，但在相当长的一段时间，要着力解决五大挑战，才能推动无人车实现真正的量产。

第一，是对复杂场景的感知。例如无论天气或照明情况如何，无人车都必须在不断变化的情景中作出安全的响应；
第二，是对意外境遇的处理。目前的自主驾驶技术很难解释异常情况，如交警的手势和行人肢体语言等，“由计算机来判断一个孩子是否即将闯入道路是很难的”；
第三，是对预行为的理解。驾驶人都是根据预行为传达行驶意图的，但目前的自主驾驶技术很难对场景中其它运动对象（包括行人）的预行为作出解释；
第四，是对人车自然交互的探索。自主驾驶必须要实现车辆与乘客的无障碍交流，并且通过交流使智能汽车系统能理解并回答乘客提出的相关问题等；

最后，是对网络安全的保障。越来越多的计算渗透到人们使用的智能终端中，是否会发生黑客入侵智能汽车系统进行敲诈等行为，所以必须保障无人驾驶系统的安全稳固。

除过以上技术层面的五大挑战之外，无人车在量产之前，还必须在真实而复杂的交通环境的反复测试，以确保是一个高度安全可靠的人工智能系统。

打造无人驾驶时代

回顾人类历史，不难发现每一次重大科学发明首先极大拓展了人类认知边界，进而催生出了意义深远的技术革命，最终成为推动经济社会变革的巨大力量。

新时代召唤无人驾驶，无人驾驶智能车属于新时代。就在今年，上海市已陆续发放出五张智能网联汽车道路测试牌照，一些人大代表也在呼吁填补无人驾驶法律方面的空白。面对无人车的研发现状，郑南宁院士希望通过共同努力，营造更加开放包容的环境。可以预见的是，这些愿景正在逐步实现。



第九届中国智能车未来挑战赛中，西安交大“发现号”获一等奖

关于未来的创新之路，郑南宁院士认为，第一是发展低成本、高性能的传感器技术。传感器技术是无人车的核心技术，但我们所用大多来自外国。第二，要解决五大挑战，从根本上必须使无人车拥有非常强大的计算能力，才能进而实现更为强大的理解能力；第三，加强与汽车企业的合作，在形成无人驾驶产业化的发展过程中，车企一定要成为创新的主体；高校作为科研力量的聚集地，一定要加强与企业合作，积极促进科学研究成果的落地转化。