基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試方法研究

葛雨明/GE Yuming，汪洋/WANG Yang，韓慶文/HAN Qingwen

（1. 中國(guó)信息通信研究院，北京 100191；2. 重慶大學(xué)，重慶 400030）

(1. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China;2. Chongqing University, Chongqing 400030, China)

數(shù)字孿生（DT）是物理系統(tǒng)（物理孿生）的數(shù)字化表示，能夠模擬運(yùn)行系統(tǒng)的整個(gè)生命周期并與物理孿生進(jìn)行同步的映射[1]。DT的概念始于2002年，最初被用于航空航天領(lǐng)域。最近，其他一些工業(yè)部門(mén)如制造業(yè)、工業(yè)工程，以及機(jī)器人領(lǐng)域也逐步開(kāi)始了解和嘗試這項(xiàng)技術(shù)[2]。

隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展，對(duì)DT功能的測(cè)試和驗(yàn)證成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)研發(fā)的重大挑戰(zhàn)之一[3]。一些研究人員認(rèn)為使用仿真測(cè)試可以很好地解決這一難題[4]，例如在虛擬仿真中，進(jìn)行的軟件測(cè)試（SIL）、硬件在環(huán)測(cè)試（HIL）、車(chē)輛在環(huán)測(cè)試（VEHIL）以及混合仿真測(cè)試[5]。它可以快速模擬任何場(chǎng)景，但不能驗(yàn)證真實(shí)的情況。相比仿真測(cè)試，傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)更依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。然而，真正的道路測(cè)試在極端情況下是昂貴且費(fèi)時(shí)的，有一些場(chǎng)景甚至無(wú)法進(jìn)行測(cè)試[6-7]。2017年，M-City發(fā)布了一份研究報(bào)告[8]，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)評(píng)估自動(dòng)駕駛汽車(chē)。與純虛擬仿真不同的是，它使用真實(shí)世界的駕駛數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建測(cè)試場(chǎng)景。這是一種面向DT的方法,但這種方法是從主動(dòng)安全的角度發(fā)展起來(lái)的，沒(méi)有引入車(chē)用無(wú)線通信（V2X）技術(shù)。

V2X技術(shù)不僅可以為道路車(chē)輛提供非視距的感知信息，還可以在車(chē)輛和云數(shù)據(jù)中心之間建立通信鏈路；因此，我們認(rèn)為V2X技術(shù)可以作為連接物理空間和網(wǎng)絡(luò)空間的紐帶，在基于DT的自動(dòng)駕駛測(cè)試中發(fā)揮重要作用。V2X技術(shù)可以將場(chǎng)景信息發(fā)送到道路的被測(cè)車(chē)輛上，并提供道路虛擬測(cè)試功能。盡管DT被認(rèn)為是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，但它仍處于概念階段，只有少數(shù)研究專(zhuān)門(mén)討論了其在制造領(lǐng)域的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法。所以，目前還沒(méi)有成熟的基于DT的自動(dòng)駕駛測(cè)試方案。

近幾年，中國(guó)信息通信研究院研發(fā)布局了基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試原型系統(tǒng)，利用V2X技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)上傳和虛擬場(chǎng)景信息發(fā)布的全過(guò)程，并進(jìn)行了道路車(chē)輛測(cè)試。相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠支持低延遲的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試。

1 基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試框架

在實(shí)踐中，不同行業(yè)對(duì)于DT的定義和理解可能不同。自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)人員將其視為一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方案。在某種意義上，面向DT的測(cè)試系統(tǒng)是指通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)世界（物理空間）收集數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)空間的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將結(jié)果反饋到物理空間來(lái)解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的信息物理系統(tǒng)（CPS）。每個(gè)CPS包括智能機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，它們可以自主和智能地交換信息，做出決策并觸發(fā)行動(dòng)，能夠互相控制[9]。

基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試方法包括2個(gè)關(guān)鍵步驟：一是采集真實(shí)的駕駛數(shù)據(jù)，二是生成復(fù)雜場(chǎng)景。道路車(chē)輛通過(guò)傳感器和V2X采集和發(fā)布行駛信息，并完成數(shù)據(jù)融合處理，然后將相應(yīng)的信息上傳到仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)根據(jù)實(shí)時(shí)駕駛信息選擇測(cè)試場(chǎng)景，并將相應(yīng)的信息反饋給道路車(chē)輛。道路車(chē)輛控制系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)景信息進(jìn)行響應(yīng)，并將響應(yīng)輸出并上傳到仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷，生成測(cè)試報(bào)告。如圖1所示，該測(cè)試方案包括3層，即實(shí)地測(cè)試層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和實(shí)驗(yàn)測(cè)試層。

（1）實(shí)地測(cè)試層。實(shí)地測(cè)試層包括3部分：被測(cè)車(chē)輛、虛擬汽車(chē)與平視顯示器（HUD）、真實(shí)的測(cè)試場(chǎng)地等。

車(chē)輛行駛信息由車(chē)內(nèi)傳感器采集，真實(shí)駕駛環(huán)境信息由周?chē)?chē)輛和雷達(dá)、攝像頭等路側(cè)設(shè)備采集，虛擬場(chǎng)景信息由云數(shù)據(jù)庫(kù)提供，并在HUD上顯示。這里假設(shè)所有車(chē)輛都配備了LTE-V2X和4G/5G模塊。

▲圖1 基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試框架

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括2種通信方式：一種是LTE-V2X的直連通信鏈路，另一種是4G/5G蜂窩通信鏈路。LTE-V2X用于采集環(huán)境信息，如道路信息、周?chē)?chē)輛行駛狀態(tài)、行人狀態(tài)等，4G/5G用于建立物理空間和虛擬空間之間的連接。顯然，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的性能會(huì)對(duì)自動(dòng)駕駛測(cè)試的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生致命的影響，可以通過(guò)車(chē)輛控制器的響應(yīng)延遲來(lái)體現(xiàn)。這里我們將基本性能參數(shù)做了如下的定義。

● 被測(cè)車(chē)輛速度：0～130 km/h；

● 通信覆蓋半徑：＞300 m；

● 車(chē)輛狀態(tài)信息更新頻率：10～20 Hz；

● 數(shù)據(jù)速率（下行）＞100 Mbit/s，數(shù)據(jù)速率（上行）＞20 Mbit/s；

● 傳輸延遲 ＜20 ms。

此外，表1列出了需要通過(guò)V2X發(fā)送的參考消息內(nèi)容，以用于開(kāi)展網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試。

（3）實(shí)驗(yàn)測(cè)試層。實(shí)驗(yàn)測(cè)試層包括通道建模、性能指標(biāo)計(jì)算、虛擬化和性能采集3個(gè)部分。在場(chǎng)景生成過(guò)程中，要考慮道路環(huán)境（車(chē)道、車(chē)道線、路面、天氣和光照、場(chǎng)景要素）、交通狀況（車(chē)流、行人擁擠、自適應(yīng)巡航控制）、交通參與者（車(chē)輛、行人、障礙物）和環(huán)境傳感器（雷達(dá)、攝像機(jī)、全球定位系統(tǒng)/地圖、無(wú)線通信）等影響因素，構(gòu)建1∶1的數(shù)字場(chǎng)景模型。模擬器應(yīng)支持復(fù)雜的道路場(chǎng)景建模，如圖2所示。測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員會(huì)選擇測(cè)試場(chǎng)景，并將相應(yīng)的場(chǎng)景信息通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被測(cè)車(chē)輛。

2 測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)

該測(cè)試方案包括純虛擬測(cè)試、傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試和實(shí)車(chē)測(cè)試3個(gè)階段，如圖3所示。

2.1純虛擬測(cè)試

DT測(cè)試方案的第1階段是純虛擬測(cè)試。這種測(cè)試與傳統(tǒng)的虛擬仿真類(lèi)似，主要步驟如下：

● 第1步，根據(jù)測(cè)試要求和數(shù)據(jù)構(gòu)建道路場(chǎng)景；

● 第2步，設(shè)置車(chē)輛參數(shù)（行駛參數(shù)和傳感器參數(shù)）；

● 第3步，增加混合交通干擾；

● 第4步，添加控制算法；

● 第5步，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)仿真。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

測(cè)試的第2階段是基于真實(shí)傳感器數(shù)據(jù)的測(cè)試，如圖4所示。在此過(guò)程中，真實(shí)世界的傳感器數(shù)據(jù)被收集并通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。遠(yuǎn)程的駕駛系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，并將決策信息反饋給測(cè)試系統(tǒng)。

2.3 實(shí)車(chē)測(cè)試

在這個(gè)階段，使用真實(shí)車(chē)輛作為被測(cè)裝置。車(chē)輛信息通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到虛擬仿真器。圖5中顯示了2個(gè)典型的仿真場(chǎng)景。在虛擬仿真測(cè)試的基礎(chǔ)上，加入交通流和自動(dòng)駕駛算法來(lái)模擬真實(shí)場(chǎng)景，并及時(shí)回傳給真實(shí)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛?？刂破鞯臎Q策結(jié)果將送回中央控制仿真器,測(cè)試將在自動(dòng)駕駛算法的控制下完成。

3 測(cè)試結(jié)果演示及分析

3.1測(cè)試結(jié)果演示

為了驗(yàn)證測(cè)試架構(gòu)的有效性，我們?cè)谥袊?guó)信息通信研究院辦公地進(jìn)行了基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試原型系統(tǒng)的搭建，相關(guān)測(cè)試的具體情況如圖6所示。

表1 基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試的參考消息內(nèi)容

▲圖2 道路場(chǎng)景仿真模擬模擬器

▲圖3 測(cè)試階段

由車(chē)載傳感器和路側(cè)單元收集被測(cè)車(chē)輛周?chē)h(huán)境的信息。每臺(tái)設(shè)備根據(jù)其配置捕獲周?chē)畔ⅲ缓髮⑹占降耐粫r(shí)間戳標(biāo)簽下的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備同步。物理系統(tǒng)的信息上載到運(yùn)行DT應(yīng)用程序的服務(wù)器。圖 6 c）中顯示的是前向碰撞警告應(yīng)用驗(yàn)證過(guò)程。虛擬物體顯示在中控模擬器中，真實(shí)的車(chē)輛行為會(huì)通過(guò)攝像頭反饋到中控臺(tái)。

▲圖4 傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

▲圖5 2種典型的實(shí)車(chē)測(cè)試評(píng)估場(chǎng)景

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試原型系統(tǒng)的試驗(yàn)，我們認(rèn)為V2X技術(shù)不僅可以支撐車(chē)輛行駛安全、效率提升等應(yīng)用功能，還可以用于網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試。此外，自動(dòng)駕駛測(cè)試也可以被認(rèn)為是V2X技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。

雖然該測(cè)試方案已經(jīng)被證明是有效的，但它只是一個(gè)基本的原型系統(tǒng)，還有很大的改進(jìn)空間。

（1）汽車(chē)產(chǎn)業(yè)界對(duì)自動(dòng)駕駛的響應(yīng)延遲判斷尚未達(dá)成一致。也就是說(shuō)，我們不確定所提出的方案是否能滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛的響應(yīng)延遲要求。隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展，相應(yīng)的通信性能要求需要被定義?；贒T的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試也將被認(rèn)為是4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用。應(yīng)在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試流程繼續(xù)改進(jìn)。

（2）在該方案中，車(chē)內(nèi)測(cè)試人員看不到在網(wǎng)絡(luò)空間生成的虛擬場(chǎng)景，用戶(hù)體驗(yàn)不佳，因此， 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)（AR）的結(jié)合可以是之后的研究方向。

（3）需要保證生成的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)的交通場(chǎng)景相吻合。到目前為止，交通數(shù)據(jù)庫(kù)并不完備。也就是說(shuō)，當(dāng)前不能確保測(cè)試場(chǎng)景能夠覆蓋和表現(xiàn)真實(shí)的交通場(chǎng)景。隨著交通數(shù)據(jù)庫(kù)的完善，測(cè)試場(chǎng)景庫(kù)也將不斷完善。

（4）作為通信場(chǎng)景的一種應(yīng)用，基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試必須基于統(tǒng)一的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，且需要定義數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)交換格式；因此，我們需要制訂相應(yīng)的消息層協(xié)議，以保證在不同的測(cè)試示范區(qū)能夠?qū)Σ煌瑥S商的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。

（5）如何選擇與真實(shí)場(chǎng)景相匹配的測(cè)試場(chǎng)景。自動(dòng)駕駛測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)之一是場(chǎng)景的選擇。顯然，所有虛擬測(cè)試場(chǎng)景都是從真實(shí)的交通場(chǎng)景衍生出來(lái)的。為了識(shí)別自主控制算法的弱點(diǎn)，我們總是選擇最壞的場(chǎng)景來(lái)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景庫(kù)，因此，虛擬測(cè)試不能準(zhǔn)確評(píng)估真實(shí)情況下的風(fēng)險(xiǎn)或概率。然而到目前為止，我們還不能提供真實(shí)道路場(chǎng)景測(cè)試與虛擬場(chǎng)景測(cè)試之間可信的映射關(guān)系。換言之，我們應(yīng)該建立一種基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛性能評(píng)估體系，用于政府標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試，或是推斷自動(dòng)駕駛車(chē)輛的預(yù)期安全性能等。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著V2X技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)正在考慮將V2X相關(guān)應(yīng)用功能嵌入到產(chǎn)品中。V2X并不局限于車(chē)輛行駛安全、交通效率提升等應(yīng)用，它是一項(xiàng)在其他應(yīng)用領(lǐng)域也很有前景的技術(shù)。在基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試方案中，V2X技術(shù)起到了連接虛擬空間和物理空間的重要作用。

▲圖6 測(cè)試結(jié)果演示

文章中我們介紹了一種基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛測(cè)試框架；使用4G/5G網(wǎng)絡(luò)在虛擬和物理空間之間建立通信鏈路，使用V2X技術(shù)采集車(chē)輛信息和道路信息。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該架構(gòu)能夠有效地支撐自動(dòng)駕駛測(cè)試。之后，我們還將完善場(chǎng)景庫(kù)，優(yōu)化控制機(jī)制。上述相關(guān)研究工作對(duì)加快自動(dòng)駕駛技術(shù)成熟和商業(yè)化推廣應(yīng)用也有著重要意義。

致謝

本論文所涉及項(xiàng)目的研究過(guò)程中，中國(guó)信息通信研究院于潤(rùn)東工程師、王妙瓊工程師、李璐工程師承擔(dān)了其中大量試驗(yàn)工作，對(duì)他們謹(jǐn)致謝意！