大雾和大雪天气下ADAS系统为何会失灵?

在大雾和大雪中,ADAS传感器的探测距离可能会缩短50%到90%;传感器被阻挡的警告并不意味着车辆发生故障,而是表示它看不清道路.
在大雾和大雪中,ADAS传感器的探测距离可能会缩短50%到90%;传感器被阻挡的警告并不意味着车辆发生故障,而是表示它看不清道路.

分享此页面

在雾天和下雪天,ADAS系统会"犯迷糊",因为水滴和悬浮在空气中的颗粒会物理性地散射、吸收并阻挡摄像头、雷达和LiDAR发出的信号;在恶劣天气下,探测距离可能缩短50%到90%,系统要么反应迟缓,要么出于安全考虑自动停用.换句话说,屏幕上那个"传感器受阻"的警告,并不是车子出了故障,而是它意识到自己看不清现实了.那么这时候开车该靠谁?当然是你!让我们用轻松但认真的方式来搞明白这件事.

要点速览

  • 浓雾中,摄像头的探测范围可能降至正常值的 10%-20% .
  • 在110 km/h的车速下,系统需要提前大约 100-120 m 看到障碍物才能紧急制动;浓雾让这一切变得不可能.
  • 雷达是最耐用的传感器,即使在暴雨中也能保持露天性能的 70%-80% .
  • 测试中,降雨导致车道保持辅助 69% 的失败率.
  • 系统自动关闭并非故障,而是车辆用工程语言说出"我看不见"的方式.

传感器在恶劣天气下为什么会"失明"?

Sis damlacıkları görünür ışığın dalga boyundan kat kat büyük olduğu için kamera ve LiDAR, radarın aksine buzlu bir cama bakar gibi kör kalır.

先来打个简单的比方:在大雾天你看不清远处的朋友,对吧?车辆传感器面临的瓶颈完全相同.摄像头依靠400-700纳米的可见光工作,LiDAR通常使用905或1550纳米的近红外线,雷达则工作在77 GHz频率,即约4毫米的波长.有趣的地方在于:雾滴的大小在10-100微米之间,对于可见光来说几乎是理想的散射尺寸.光线撞上这些微小的水滴后向四面八方散射,物理学上称之为米氏散射.摄像头的镜头前就像蒙上了一层毛玻璃.

来看看数据:浓雾在可见光波段每公里可产生50-100 dB的衰减.实际上,这意味着探测在20-30米之外基本就失效了.LiDAR的情况更不容乐观:晴天能看200米的LiDAR,在中雨中会降到40-60米,在暴雨中更是只有15-20米.强降雨会让LiDAR的最大识别距离降低约30%,点云密度削减约45%.

那雷达为什么更能扛?

雷达的王牌是波长:4毫米的波长相对于雨滴在电学上仍然偏小,因此水滴无法强烈散射信号.这就是为什么汽车雷达即使在暴雨中也能保持露天性能的80%-90%;探测距离从200米降到约160米.Bosch也 Radar Gen 7 强调该技术在雨中、雪中和黑暗中均能工作,为ADAS增加了一个额外的环境感知层.但雷达也并非完美无缺!湿润的沥青会像镜子一样,产生从地面反射的"幽灵目标";可能出现横向定位误差、误报警和目标丢失.重湿雪则是雷达最可怕的噩梦:77 GHz信号每公里产生5-8 dB的衰减,探测范围可能缩小50%-60%.雷达罩上仅2-3毫米厚的湿雪层就足以造成信号损失.

探测范围损失: 哪种传感器能看多远?

受控测试呈现的结果表明,天气条件对不同传感器的影响程度各不相同.以下是那份著名的对比:

条件摄像头LiDAR雷达
小雨 (2,5 毫米/小时)85%-90% 探测范围75%-80% 探测范围90%-95% 探测范围
暴雨 (50 毫米/小时)40%-50% 探测范围20%-30% 探测范围70%-80% 探测范围
浓雾 (能见度 50 米)10%-20% 探测范围15%-25% 探测范围60%-75% 探测范围
重湿雪30%-40% 探测范围20%-30% 探测范围50%-60% 探测范围

从表格中可以得出一个清晰的层级关系: 在雪和雾中,雷达最可靠,而LiDAR最脆弱.雪对光学传感器还有额外的恶劣影响: 湿雪粒同时将散射和吸收最大化,LiDAR光束被这些颗粒反射,并将它们记录为障碍物.也就是说,即使道路空无一物,系统面前也会出现一个幽灵般的点云.在传感器融合中,由于天气会在所有传感器上同时造成(相关的)故障,算法无法找到高质量的输入; 典型的误报增加可达2-10倍,环路摄像头系统中甚至可达10倍.

刹车数学: 为什么 30 米不够?

现在到了最关键的部分.你以110 km/h的速度行驶,前方的车辆突然停下.为了让自动紧急制动(AEB)救你一命,系统必须在约100-120米之前就完成探测.这个数字从何而来? 探测和处理时间为15-31米,制动执行延迟为6-12米,以0,8g的减速度计算,制动距离为62米; 加上安全裕度,总计100-135米.在湿滑路面上,由于减速度降至0,5-0,6g,所需的探测范围会攀升至110-145米.

而当雾天将传感器的探测范围降至30米时,这套数学就彻底崩溃了: 系统要么必须自我禁用,要么必须承担碰撞风险.工程师当然不会选择后者.所以,如果你以为"系统在骗你",实际上你看到的是车辆在对你的诚实相待. 制动距离由物理定律决定,而不是由传感器探测范围决定.

系统逐个看: 自适应巡航、车道保持和 AEB

自适应巡航 (ACC)

福特的官方用户手册明确指出,在能见度差的情况下,尤其是雾天、雨天、喷溅和雪天,不应使用自适应巡航.通用汽车的手册也类似地指出,这些条件可能限制ACC的性能.道理很简单:如果系统过晚识别前车,就会不必要地缩小跟车距离;反之,如果丢失目标,则会错误地管理车速.用户论坛上也讲述过雪天驾驶时反复出现数小时的"sensor blocked"(传感器受阻)警告以及巡航关闭的情况.

车道保持辅助

这一点很清楚:当积雪覆盖车道标线时,系统就没有可以读取为"道路"的东西了.雨天也会造成干扰;AAA的测试中,雨水导致车道保持功能69%的失败率.常见的触发因素包括褪色或缺失的标线、覆盖标线的积雪、雨水和浓雾,以及急弯.当系统看不到标线时,要么不作任何警告就沉默,要么试图根据错误的"标线"修正方向盘;这两种情况都不会让你满意.

自动紧急制动 (AEB)

AEB的传感器可能被污垢、冰或雪阻挡;在这种情况下系统会警告驾驶员.加拿大交通部也官方指出,该系统可能无法在所有交通、天气和道路条件下工作,即暴雨大雪、浓雾、强烈阳光和夜间.更烦人的情况是:传感器可能把雨滴或雪花误认为固体物体而进行不必要的制动(经典的 phantom braking(幽灵刹车)),也有记录案例显示,在大雨中行人分类器对80%的真实行人给出"不确定"的输出.如果系统把一切都当作威胁,不必要的干预会促使你关闭系统;几次错误制动之后,就会让人说出"这可让我怎么办".

"传感器受阻"警告是什么意思?

当前雷达被雪、泥、冰或大雨覆盖时,会出现类似"forward driving aids temporarily disabled"(前向驾驶辅助暂时禁用)的警告,通常清洁传感器或洗车即可解决问题.起亚EV6手册还提供了一个重要细节:如果在发动机罩或保险杠打开的情况下关闭并重新启动车辆,前方碰撞防止辅助可能无法正常工作.一些制造商则将这一过程自动化:系统逐步降级.首先跟车距离增大,警告提前发出;然后车道保持关闭,ACC速度限制降低;接着ACC完全停用,AEB仅在临近碰撞时干预;最后一步只保留基本警告,驾驶员完全接管控制.把这当作故障来看,就像以为消防通道被锁死一样:有门在并不意味着你被困在房间里.

传感器融合能否成为救星?

理论上融合很美好:摄像头看不见时雷达能看见,LiDAR出错时其他传感器能补偿.但恶劣天气会让所有传感器同时失效,算法手里就没有好的输入了.典型的失效特征包括:跟踪碎片化、两辆车合并成一个幽灵目标(轨迹合并)以及卡尔曼滤波发散.也就是说,只有当故障彼此独立时,冗余才有用;如果天气同时打击所有传感器,融合的优势就化为乌有.

新的解决方案令人期待,但需要了解其局限性.热成像摄像头在大雾中看得更清楚,但低分辨率(640×480)、无法读取车道线和交通标志以及5-10倍的成本,使它们只能作为补充手段.成像雷达将角分辨率从2-4度提升到0.5-1度,能在雨雾中、在摄像头和LiDAR都失效的地方,把静止的车辆与护栏区分开来.车与车(V2V)通信的工作方式是:在大雾中只能看清40米的车辆,可以从前方车辆获取150米外障碍物的数据.不过这也不是万能药:它要求延迟低于100毫秒,而且如果大家的系统同时都失灵了,你该向谁发送查询?简而言之,技术在进步,但物理定律仍然拥有最终发言权.

坏天气里驾驶员该怎么做?什么时候应该接手控制?

这正是对你有用的部分.法律上的界定非常明确:在天气导致的事故中,天气本身不能被归咎;如果驾驶员没有根据天气条件调整驾驶方式,就可能被认定有过错.即使ADAS功能故障对事故有影响,驾驶员也可能因为未能保持对车辆的控制而被追责.所以,'车自己开的事'这种辩解在法庭上是不成立的,朋友们.

待办清单其实简短而合理:

  • 保持传感器、摄像头和雷达罩清洁,防止积雪、污垢和结冰;但如果恶劣天气持续,仅靠清洁并不是长久之计.
  • 坏天气里避免使用定速巡航和ADAS功能,降低车速,加大跟车距离.
  • 把"传感器受阻"警告不是当作故障,而是当作系统对你发出的诚实报告,并立即接手控制.
  • 如果车道线被积雪覆盖,就不要依赖车道保持辅助;方向盘在你手里.

那么该对ADAS有多大的信任?简短回答:在轻度和中度条件下,把它当作助手;在浓雾中,只把它当作应急保险.新系统确实比老一代更好;但强降水下物理定律的限制对每一代系统都同样适用.系统性能降级(分级关闭)恰恰是系统正常工作的证明;真正的错误是看到警告却依然踩着油门不放.别忘了,'自动'这个词里并没有'持续'的意思;方向盘上真正的人工智能依然是你自己的大脑!

参考资料