自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試體系與現(xiàn)狀探究

王藝帆

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062，中國(guó)）

自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試體系與現(xiàn)狀探究

王藝帆

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062，中國(guó)）

自動(dòng)駕駛汽車正處在快速商業(yè)化進(jìn)程中，受到各國(guó)政府、汽車企業(yè)、科技公司高度關(guān)注。由于自動(dòng)駕駛技術(shù)涉及傳感器感知、車聯(lián)網(wǎng)、智能控制等諸多領(lǐng)域新技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)和管理機(jī)構(gòu)的自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試工作面臨新的挑戰(zhàn)，存在較大提升空間。本文基于自動(dòng)駕駛汽車特性，簡(jiǎn)析其測(cè)試體系框架，并介紹了國(guó)內(nèi)測(cè)試應(yīng)用和相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)情況。

自動(dòng)駕駛；感知系統(tǒng)；交通環(huán)境；測(cè)試

自動(dòng)駕駛汽車是能夠利用車載傳感器或攝像頭來(lái)感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，智能自主地控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，并到達(dá)預(yù)定目的地的汽車[1]。它融合了汽車電子、移動(dòng)互聯(lián)、智能感知與控制等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)部分或完全取代人類駕駛員操控車輛，應(yīng)對(duì)各類交通狀況。其系統(tǒng)復(fù)雜性遠(yuǎn)超普通汽車，也并非目前各類ADAS （Advanced Driver Assistance Systems，高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)）的簡(jiǎn)單集合。如何確保復(fù)雜系統(tǒng)的安全性、可靠性，成為自動(dòng)駕駛汽車從概念到量產(chǎn)過(guò)程中的重要挑戰(zhàn)。自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試驗(yàn)證顯得尤為重要。

目前美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等地政府已允許無(wú)人駕駛汽車上路測(cè)試，為自動(dòng)駕駛技術(shù)研發(fā)測(cè)試提供了有力保障[2]。除了公共道路測(cè)試，國(guó)內(nèi)外各地也在快速建設(shè)專用測(cè)試驗(yàn)證場(chǎng)地。但這些在開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本、靈活性方面滿足不了自動(dòng)駕汽車復(fù)雜功能的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證需求，在實(shí)車測(cè)試之前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件仿真和模型驗(yàn)證也十分重要。綜合以上因素，本文將介紹自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試體系，分析測(cè)試對(duì)象、環(huán)境、內(nèi)容、流程，以供相關(guān)研究借鑒。

1　測(cè)試對(duì)象

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)由一套復(fù)雜的感知、控制、執(zhí)行模塊組成，駕駛需求、外部環(huán)境作為系統(tǒng)輸入由感知模塊采集，經(jīng)過(guò)控制模塊分析運(yùn)算，執(zhí)行模塊操縱運(yùn)行后，車輛運(yùn)行狀態(tài)為系統(tǒng)輸出。車輛狀態(tài)會(huì)根據(jù)駕駛員需求和周圍環(huán)境，不斷調(diào)整更新，以保障汽車狀態(tài)安全且符合預(yù)期。自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試主要是驗(yàn)證感知、控制、執(zhí)行三個(gè)系統(tǒng)的功能和安全性。

感知系統(tǒng)功能包括環(huán)境感知、內(nèi)部感知、駕駛?cè)烁兄?，其中?nèi)部感知主要是通過(guò)車內(nèi)CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線實(shí)時(shí)采集多個(gè)車載電子控制單元信息和各類傳感器信息，以獲取車輛狀態(tài)，包括車體（車內(nèi)外溫度、空氣流量、胎壓 ），動(dòng)力（油壓、轉(zhuǎn)速、機(jī)油），車輛安全（安全帶、氣囊、門窗鎖）等；駕駛?cè)烁兄峭ㄟ^(guò)人機(jī)交互界面或傳感器獲取駕駛?cè)瞬倏?、手?shì)、語(yǔ)音等控制指令，以及面部表情等檢測(cè)信息，用來(lái)接收控制命令、檢測(cè)駕駛?cè)藸顟B(tài)。控制系統(tǒng)包含控制策略軟件、控制器硬件兩部分，可制定駕駛指令、規(guī)劃行駛路徑。執(zhí)行系統(tǒng)包括制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、照明、儀表盤等組成系統(tǒng)，可按照指令執(zhí)行改變車輛行駛速度和方向、車燈開(kāi)閉、儀表盤顯示等操作。自動(dòng)駕駛測(cè)試對(duì)象的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　自動(dòng)駕駛測(cè)試對(duì)象框架圖

2　測(cè)試環(huán)境

為確保汽車性能在各種環(huán)境下均滿足用戶需求，傳統(tǒng)汽車研發(fā)過(guò)程中需進(jìn)行汽車環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，即在各種環(huán)境條件下對(duì)整車、系統(tǒng)及零部件進(jìn)行測(cè)試、驗(yàn)證及相應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和隱患，并改進(jìn)和加強(qiáng)防護(hù)措施。例如，通過(guò)開(kāi)展高溫、高原、高寒“三高”環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，在特殊、苛刻環(huán)境下，對(duì)車輛綜合性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。自動(dòng)駕駛汽車開(kāi)發(fā)不僅要經(jīng)歷傳統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證特殊氣候環(huán)境下性能，還要經(jīng)歷各種交通環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證感知能力和智能決策能力是否能夠?qū)崿F(xiàn)部分或完全自動(dòng)行駛。

實(shí)際交通環(huán)境由各類環(huán)境元素組成，如交通信號(hào)燈、標(biāo)志標(biāo)線、其他交通參與者、天氣情況、交通管制等。為了提高交通環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)測(cè)試效率、可操作性和易復(fù)現(xiàn)性，測(cè)試環(huán)境需基于實(shí)際交通環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境元素分類、組合以及參數(shù)化[4,5]。

（1）元素分類。根據(jù)環(huán)境元素動(dòng)靜特性及含義屬性，可分為靜態(tài)元素、動(dòng)態(tài)元素和事件元素三種。靜態(tài)元素是指在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)位置移動(dòng)或狀態(tài)改變的、通過(guò)視覺(jué)可以感受到的區(qū)域環(huán)境元素，如道路類型、建筑物、天氣狀態(tài)等。動(dòng)態(tài)元素是指一切可能影響自身車輛行駛的運(yùn)動(dòng)元素，如同車道車輛、路邊行人、周邊聲音等。信號(hào)元素是指通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)、V2X（車與外界）通信等方法獲取的信息元素，如車輛內(nèi)部零部件故障、前方交通擁堵情況、消防車即將駛來(lái)等信息。測(cè)試環(huán)境元素分類組成如圖2所示。

（2）元素組合。在測(cè)試中，各類環(huán)境元素作為單個(gè)變量，測(cè)試環(huán)境則為多個(gè)環(huán)境元素變量的集合。通過(guò)組合不同元素、改變集合內(nèi)容，可設(shè)計(jì)模擬各類交通場(chǎng)景。例如，建立“雨天+濕滑路面+城市道路+十字交叉路口+左轉(zhuǎn)+行人穿行”的組合，設(shè)計(jì)相應(yīng)測(cè)試場(chǎng)景。

（3）元素參數(shù)化。根據(jù)環(huán)境元素的屬性和狀態(tài)，為元素變量定義數(shù)據(jù)類型和大小。例如，將交通信號(hào)燈定義為有三個(gè)數(shù)值的變量，分別表示紅黃綠三色；將前方車輛定義為有多個(gè)變量的數(shù)組，包含相隔距離、行駛速度等信息。參數(shù)化是對(duì)交通環(huán)境進(jìn)行軟件仿真的基本流程，也是設(shè)計(jì)模擬測(cè)試場(chǎng)景、進(jìn)行實(shí)際道路測(cè)試的重要手段。

3　測(cè)試內(nèi)容

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容需圍繞系統(tǒng)目標(biāo)和組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證系統(tǒng)功能、安全和魯棒性。系統(tǒng)目標(biāo)是保證車輛可在復(fù)雜、未知、多變的交通環(huán)境下自主控制，完成各種設(shè)定的智能駕駛行為；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成。測(cè)試內(nèi)容應(yīng)包括各子系統(tǒng)功能測(cè)試、交通環(huán)境測(cè)試，其中感知系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的準(zhǔn)確感知能力，是自動(dòng)駕駛的先決條件。

圖2　測(cè)試環(huán)境元素分類

（1）子系統(tǒng)功能測(cè)試中，感知系統(tǒng)測(cè)試主要是驗(yàn)證車載傳感器、車聯(lián)通信、導(dǎo)航定位等裝置獲取環(huán)境信息、識(shí)別復(fù)雜場(chǎng)景的功能；控制系統(tǒng)測(cè)試是驗(yàn)證控制器軟硬件的數(shù)據(jù)融合、威脅評(píng)估、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、故障處理等功能；執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試是驗(yàn)證車輛實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、自動(dòng)變速器、電子穩(wěn)定系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能。由于子系統(tǒng)裝置和技術(shù)方案的不同，例如感知傳感器有單目雙目攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等設(shè)備種類，車聯(lián)通信有專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、LTE-V（LTE-Vehicle）等技術(shù)路線，動(dòng)力系統(tǒng)有內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力、純電動(dòng)等系統(tǒng)方案，相應(yīng)的具體測(cè)試內(nèi)容也會(huì)有所不同。

（2）交通環(huán)境測(cè)試是驗(yàn)證車輛在各種交通環(huán)境下的智能駕駛行為，包括車道保持、遵守交通規(guī)則、遵守禮節(jié)、應(yīng)對(duì)其他車輛、道路使用者、或者經(jīng)常碰到的突發(fā)狀況，以測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息、控制車輛實(shí)現(xiàn)智能駕駛的功能，和在裝置失效或者軟件錯(cuò)誤時(shí)維持安全狀態(tài)的功能。智能駕駛行為測(cè)試包括檢測(cè)和響應(yīng)道路環(huán)境、交通參與者、管理事件等環(huán)境元素和執(zhí)行典型行車任務(wù)，如圖3所示。維持安全狀態(tài)測(cè)試針對(duì)防止系統(tǒng)失效的冗余性設(shè)計(jì)，以及當(dāng)實(shí)際情況超出系統(tǒng)能力時(shí)，由駕駛?cè)酥匦陆庸苘囕v的轉(zhuǎn)換策略。

圖3　典型智能駕駛行為

4　測(cè)試流程

傳統(tǒng)汽車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)測(cè)試方法是典型的串行開(kāi)發(fā)模式，由于存在開(kāi)發(fā)效率低、測(cè)試改進(jìn)困難、程序可移植性差等缺點(diǎn)，目前現(xiàn)代化開(kāi)發(fā)測(cè)試已普遍采用V模式[6]。該模式由于將整個(gè)開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程構(gòu)造成一個(gè)V字形而得名，它大量使用計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Computer-Aided Control System Design，CACSD），將計(jì)算機(jī)支持工作貫穿開(kāi)發(fā)測(cè)試全程，使得開(kāi)發(fā)、測(cè)試處在同一環(huán)境，每步開(kāi)發(fā)過(guò)程都可方便驗(yàn)證、快速更新。V模式開(kāi)發(fā)測(cè)試流程如圖4所示，主要包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件離線仿真、快速控制原型、產(chǎn)品代碼生成、硬件在環(huán)（Hardware In Loop，HIL）仿真測(cè)試、實(shí)車驗(yàn)證測(cè)試與標(biāo)定[7,8]，逐步完成了系統(tǒng)需求分析與仿真模型設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與原型系統(tǒng)下運(yùn)行、仿真模型轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品代碼、真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下子系統(tǒng)測(cè)試、整車系統(tǒng)集成測(cè)試與標(biāo)定的開(kāi)發(fā)測(cè)試工作。從結(jié)構(gòu)角度分析，V模式左側(cè)表示系統(tǒng)功能的分析、分解與開(kāi)發(fā)，右側(cè)表示系統(tǒng)功能的整合、綜合與測(cè)試；左側(cè)重在仿真模型開(kāi)發(fā)，右側(cè)重在軟硬件結(jié)合測(cè)試；左右兩側(cè)有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得在需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)等不同開(kāi)發(fā)階段有采用相應(yīng)測(cè)試驗(yàn)證方案，便于實(shí)現(xiàn)分層測(cè)試、迭代驗(yàn)證，最終完善控制系統(tǒng)。

圖4　V模式開(kāi)發(fā)測(cè)試流程圖

在V模型流程下，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試既要驗(yàn)證系統(tǒng)功能的安全、可靠，又要保證測(cè)試環(huán)境的真實(shí)、全面。按照測(cè)試技術(shù)方案，系統(tǒng)測(cè)試可分為“軟件在環(huán)（SIL）——硬件在環(huán)（HIL）——車輛在環(huán)（VIL）——試驗(yàn)場(chǎng)地——實(shí)際道路”；按照測(cè)試場(chǎng)景搭建方式，又可分為“仿真軟件的模擬場(chǎng)景——受控場(chǎng)地的測(cè)試場(chǎng)景——公共道路的實(shí)際場(chǎng)景”。測(cè)試流程是一個(gè)由模擬仿真逐步面向?qū)嶋H應(yīng)用的過(guò)程，期間通過(guò)自然駕駛數(shù)據(jù)、實(shí)際環(huán)境信息、上路測(cè)試數(shù)據(jù)的采集標(biāo)定，不斷驗(yàn)證和迭代完善系統(tǒng)功能。

自動(dòng)駕駛測(cè)試由于要充分考慮交通環(huán)境影響，相比傳統(tǒng)V模式流程，軟件離線仿真測(cè)試、實(shí)際道路測(cè)試及數(shù)據(jù)采集在整體開(kāi)發(fā)測(cè)試流程中作用更加顯著，且兩者功能相互彌補(bǔ)、缺一不可。軟件離線仿真可進(jìn)行大量、可重復(fù)性模擬場(chǎng)景測(cè)試，并且可基于一個(gè)真實(shí)交通場(chǎng)景數(shù)據(jù)自動(dòng)推演其他交通場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境元素可變可控，大大提高測(cè)試效率；自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主流的基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別和控制算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證需要大量實(shí)際交通環(huán)境、自然駕駛信息等路測(cè)采集數(shù)據(jù)，算法有效性與數(shù)據(jù)質(zhì)量關(guān)系密切；實(shí)路測(cè)試是驗(yàn)證系統(tǒng)功能、獲取用戶信任的必備階段，復(fù)雜、隨機(jī)的實(shí)際場(chǎng)景有助篩選系統(tǒng)漏洞，避免實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)生交通事故。

5　測(cè)試現(xiàn)狀

目前，全球在自動(dòng)駕駛汽車的試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試、實(shí)際道路測(cè)試、測(cè)試政策制定等方面快速建設(shè)部局，取得了顯著進(jìn)展[9]。

（1）試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試。多個(gè)國(guó)家和地區(qū)均已建設(shè)自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試示范區(qū)，搭建多種道路測(cè)試場(chǎng)景。例如，美國(guó)州政府主導(dǎo)建設(shè)了兩大自動(dòng)駕駛示范陣營(yíng)，東部的底特律Motor City（位于密西根州）和西部的硅谷Silicon Valley（位于加利福尼亞州），分別有兩個(gè)自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試示范區(qū)。2015年，我國(guó)上海嘉定也開(kāi)啟建設(shè)智能網(wǎng)聯(lián)汽車試點(diǎn)示范區(qū)，并計(jì)劃建設(shè)成為全球測(cè)試功能場(chǎng)景最多、DSRC和LTE-V等V2X通訊技術(shù)最豐富，覆蓋安全、效率、信息服務(wù)和新能源汽車應(yīng)用四類領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先封閉測(cè)試區(qū)。

（2）實(shí)際道路測(cè)試。谷歌公司自動(dòng)駕駛汽車自2012年起在美國(guó)多州上路測(cè)試，之后大眾、奔馳、特斯拉等多家汽車企業(yè)陸續(xù)開(kāi)展了自動(dòng)駕駛實(shí)際道路測(cè)試；特斯拉公司已為市場(chǎng)在售車型提供自動(dòng)駕駛功能，但近期該功能在國(guó)內(nèi)引發(fā)了多起傷亡事故；2016年8月，新加坡率先允許nuTonomy公司自動(dòng)駕駛出租車上路營(yíng)運(yùn)，9月美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡市也允許Uber公司提供自動(dòng)駕駛汽車載客服務(wù)，但這些營(yíng)運(yùn)測(cè)試車上均配有安全駕駛員，隨時(shí)準(zhǔn)備在必要時(shí)控制車輛。

（3）測(cè)試政策制定。目前，美國(guó)、歐州、日本、新加坡等國(guó)家和地區(qū)政府發(fā)布了道路測(cè)試指南，規(guī)范指導(dǎo)自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試。其中，美國(guó)加州政府機(jī)動(dòng)車管理局于2013年提出了自動(dòng)駕駛汽車道路測(cè)試規(guī)范；2014年出臺(tái)正式規(guī)定，要求每輛無(wú)人駕駛汽車必須首先獲得資質(zhì)授權(quán)才能上路行駛，至今已有大眾、福特、通用、博世、谷歌以及中國(guó)百度、蔚藍(lán)在內(nèi)的16家汽車廠商、科技公司獲得了加州測(cè)試牌照；2016年9月，加州政府簽訂新法案，允許自動(dòng)駕駛汽車在公共道路測(cè)試時(shí)，可不配備人類駕駛員。美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局（NHTSA）于2013年發(fā)布了自動(dòng)駕駛汽車初步政策聲明，對(duì)各州制定自動(dòng)駕駛技術(shù)法規(guī)提出指導(dǎo)意見(jiàn)；2016年9月發(fā)布了《聯(lián)邦自動(dòng)駕駛汽車政策指南》[10]，內(nèi)容包括15項(xiàng)安全技術(shù)評(píng)估指南、州政府政策制定標(biāo)準(zhǔn)、NHTSA現(xiàn)行及未來(lái)新的現(xiàn)代化監(jiān)管方式，進(jìn)一步完善了自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試應(yīng)用管理體系，同時(shí)NHTSA表示將繼續(xù)與各方溝通，合理化、精細(xì)化指南內(nèi)容，計(jì)劃一年時(shí)間內(nèi)推出新版本。2016年初，我國(guó)工業(yè)和信息化部牽頭，中汽中心組織相關(guān)技術(shù)機(jī)構(gòu)和汽車企業(yè)，已聯(lián)合開(kāi)展了關(guān)于《智能網(wǎng)聯(lián)汽車使用公共道路測(cè)試管理規(guī)范》的研究工作，不久后我國(guó)也將建立測(cè)試管理制度和流程，在允許智能網(wǎng)聯(lián)汽車使用公共道路進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的同時(shí)，最大程度地消除潛在風(fēng)險(xiǎn)、維護(hù)道路交通安全。

6　總結(jié)

自動(dòng)駕駛技術(shù)是汽車行業(yè)和智能交通領(lǐng)域發(fā)展變革的新熱點(diǎn)，并可能成為自上世紀(jì)個(gè)人汽車普及以來(lái)最大的個(gè)人交通革命，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。規(guī)范完善的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和管理體系是引導(dǎo)自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，推動(dòng)產(chǎn)品商業(yè)化，保障消費(fèi)者利益和交通安全的前提。本文對(duì)自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試體系進(jìn)行了初步探究，介紹了測(cè)試應(yīng)用項(xiàng)目和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

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[9] 陳大明，孟海華，湯天波. 全球自動(dòng)駕駛發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)(下). 華東科技[J], 2014(10): 68-70.

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王藝帆，實(shí)習(xí)研究員，工學(xué)碩士，主要從事車輛安全性能運(yùn)行安全研究，事故車輛案例深度調(diào)查，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

Research on test system and development of automated vehicles

WANG Yifan
(Road Traffic Safety Research Center of the Ministry of Public Security, Beijing 100062, China)

Automated vehicles are in the process of rapid commercialization with highly concerned by governments, auto companies, and technology companies. Because there are many new technologies integrated in the fields of automated vehicles, including sensor sensing, vehicle networking, intelligent control, and so on. It turns out many new challenges for global research and management organization in the test of automated vehicles. And there is much room for improvement in this field. Based on the characteristics of automated vehicles, this paper analyzed automated vehicles test system framework, and introduced the development of test applications and related regulatory standards, at home and abroad.

Automated vehicles; perceptual system; traffic environment; testing