基于封閉辦公園區(qū)的自動駕駛場景分析

王士焜，蘇芮琦，張峻熒，黃波

摘? 要：目前，自動駕駛汽車逐漸商用于封閉辦公園區(qū)，如物流車、觀光車。自動駕駛汽車的開發(fā)驗證需要大量的實車道路測試，實車道路測試存在成本高、周期長、無法復(fù)現(xiàn)極端場景，因此基于封閉辦公園區(qū)場景的仿真測試是解決自動駕駛開發(fā)驗證的主要途徑。為真實還原物流車、觀光車等自動駕駛汽車的行駛環(huán)境，本文基于封閉辦公園區(qū)的道路特征，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)整理并分析得出適用于封閉辦公園區(qū)的自動駕駛汽車功能，梳理出適用于封閉辦公園區(qū)的測試用例，并通過控制器在環(huán)方式驗證。試驗表明該測試用例能夠基本滿足自動駕駛控制器的測試需求。

關(guān)鍵詞：封閉辦公園區(qū);道路特征;自動駕駛

中圖分類號：U463.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2021）05-0059-07

Analysis of Autonomous Driving Scenarios Based on

Closed Office Parks

WANG Shi-kun， SU Rui-qi， ZHANG Jun-ying， HUANG Bo

（ Xiangyang Motor Automobile Testing Center CO.LTD， Xiangyang 441004， China）

Abstract： At present， Autonomous vehicles are gradually being used in closed office parks， such as logistics vehicles and sightseeing vehicles. The development and verification of autonomous vehicles requires a large number of real-vehicle road tests. Real-vehicle road tests have high costs， long cycles， and extreme scenarios that cannot be reproduced. Therefore， simulation testing based on closed office park scenarios is the main way to solve autonomous driving development verification. In order to truly restore the driving environment of autonomous vehicles such as logistics vehicles and sightseeing vehicles， this article is based on the road characteristics of closed office parks， and combined with relevant standards to sort out and analyze the functions of autonomous vehicles suitable for closed office parks. The test cases of the office park are verified by the controller-in-the-loop method. The test shows that the test case can basically meet the test requirements of the autopilot controller unit.

自動駕駛汽車成為行業(yè)的新熱點，如何提升測試效率、精進(jìn)技術(shù)，成為行業(yè)內(nèi)迫切需要解決的問題。此時，虛擬仿真測試的重要性就體現(xiàn)出來了，成為了自動駕駛汽車商業(yè)化應(yīng)用前不可缺少的環(huán)節(jié)。仿真測試與實車道路測試相比具有測試效率高、成本低、周期短等優(yōu)點。目前，逐漸商用的自動駕駛汽車主要應(yīng)用于封閉園區(qū)，因此通過搭建典型的封閉辦公園區(qū)場景，高度還原真實中典型場景、極端場景，對自動駕駛汽車的開發(fā)測試具有現(xiàn)實意義。本研究立足于國內(nèi)自動駕駛的主要測試標(biāo)準(zhǔn)，并以中國封閉辦公園區(qū)的典型場景作為研究對象，在仿真環(huán)境中高度還原中國典型封閉辦公場景，梳理出適用于封閉辦公園區(qū)的測試用例，為應(yīng)用于封閉辦公園區(qū)的物流車、觀光車等自動駕駛汽車開發(fā)設(shè)計驗證提供參考和支撐。

1? ? 自動駕駛汽車仿真測試

隨著自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，自動駕駛汽車逐漸商業(yè)化，如物流車、無人售賣車、觀光車等。由于自動駕駛汽車復(fù)雜多樣的功能直接關(guān)系到用戶生命與財產(chǎn)安全，在投入使用之前，如何測試和驗證其功能和性能是整車廠極其關(guān)注的。傳統(tǒng)的實車測試在試驗成本、試驗周期、安全性等方面滿足不了自動駕駛汽車復(fù)雜功能的開發(fā)驗證需求。

2020年2月24日，發(fā)改委、工信部等11個國家部委聯(lián)合出臺了《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》（以下簡稱《戰(zhàn)略》），建立健全智能汽車測試評價體系重點研發(fā)虛擬仿真、軟硬件結(jié)合仿真等測評技術(shù)，開展特定區(qū)域智能汽車測試運行及示范應(yīng)用等。可見，仿真測試驗證已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車功能開發(fā)、技術(shù)驗證以及認(rèn)知提升中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以有效加速技術(shù)研發(fā)進(jìn)場與產(chǎn)業(yè)化步伐。

在2019年世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車大會中發(fā)布的《北京市自動駕駛模擬仿真測試平臺要求》，主要用于指導(dǎo)智能網(wǎng)聯(lián)汽車以及自動駕駛車輛模擬測試平臺進(jìn)行規(guī)范化建設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)的目的是引導(dǎo)智能網(wǎng)聯(lián)仿真測試行業(yè)進(jìn)行規(guī)范化建設(shè)，完善仿真測試能力，能夠更加合理準(zhǔn)確地對車輛或者自動駕駛系統(tǒng)的能力進(jìn)行檢測評估，推動自動駕駛技術(shù)加快示范運行和商業(yè)落地。智能網(wǎng)聯(lián)仿真已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車評價的基準(zhǔn)之一，是智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試驗證中不可缺失的一環(huán)。

仿真測試，建立靜態(tài)道路場景、動態(tài)交通場景，可以將真實傳感器、控制器深度集成在仿真環(huán)境中，讓自動駕駛汽車在虛擬的道路場景中進(jìn)行測試。仿真測試的具有持續(xù)性和可回歸性的特點，可以對某些測試場景進(jìn)行重復(fù)性測試，這樣更容易發(fā)現(xiàn)與定位問題，問題解決后的回歸性測試，能大大提高自動駕駛汽車開發(fā)驗證效率等。

2? ? 封閉辦公園區(qū)的道路特征

遍布全國的測試場，為自動駕駛汽車的大規(guī)模測試提供了有利條件，但隨著測試場規(guī)模的擴大，測試場規(guī)劃設(shè)計的同質(zhì)性也逐漸顯露，且不適用主要應(yīng)用于封閉園區(qū)的自動駕駛汽車，如終端物流車、觀光車等。在滿足基本測試要求的基礎(chǔ)上，真實還原典型的封閉辦公園區(qū)場景，擴大適用于封閉辦公園區(qū)場景覆蓋范圍，以適應(yīng)更加復(fù)雜多變的國內(nèi)辦公園區(qū)的道路交通環(huán)境。

封閉辦公園區(qū)的道路總體特征是：基礎(chǔ)道路環(huán)境簡單、道路結(jié)構(gòu)化程度高、路口的曲率半徑較小。應(yīng)用于封閉辦公園區(qū)的自動駕駛汽車，一般為觀光車、物流車等，行駛路線固定，速度一般在30km/h以內(nèi)。

2.1? ?典型橫斷面

封閉辦公園區(qū)的橫斷面比較單一，幾乎都是單幅路，以簡單圖示的方式表示易于理解，同時總結(jié)該典型斷面形式的特點以及該斷面形式在實際情況中存在的問題，具體情況如下：

特點：

（1）無非動車道，非動車?yán)脵C動車道或人行道（若有）通行;

（2）相向機動車流存在對向干擾，機動車的行駛速度較低;

在封閉辦公園區(qū)中，一般都為雙向兩車道，單向車道寬為3.2米以內(nèi)，部分主干道可能存在3.75～4米路寬;封閉辦公園區(qū)車輛構(gòu)成有小汽車、自行車、電動車、三輪電動車，各種車輛混行在機動車道，同時存在行人在機動車道上與各種車輛混行;因此在設(shè)置封閉辦公園區(qū)的場景時，應(yīng)結(jié)合實際情況，充分考慮可能出現(xiàn)的情況，將相關(guān)元素加入到場景中去，如對向車道行駛在本車道上、多個行人行走在機動車道上、自行車/電動車/行人混合交通流。

有些雙向兩車道還設(shè)有路面停車位，那么停車位處車輛的行駛情況也會對測試車輛產(chǎn)生影響，所以也應(yīng)該考慮將這一情況的測試場景。

2.2? ?彎道

在彎道行駛中，只能看到一部分彎道線形;受彎道周圍景觀等因素影響，駕駛員難以看到障礙物遮擋的彎道線形。由于車輛需要繼續(xù)向前行駛，因而可能產(chǎn)生安全隱患造成事故的發(fā)生;封閉辦公園區(qū)的彎道一般為雙向兩車道，同時存在單向彎道。彎道曲率半徑較小。多為40～90米。彎道旁邊的植物繁茂，降低自動駕駛汽車探測目標(biāo)的能力，無法預(yù)先識別前方行人、障礙物等。在實際情況中應(yīng)考慮在彎道行駛中行人橫穿馬路，車輛緊急制動的場景。

2.3? ?平面交叉口

平面交叉路口時一個具有很大挑戰(zhàn)性的交通場景，也是非常容易發(fā)生交通事故的地方，因此車輛通行平面交叉口的測試也是相當(dāng)值得關(guān)注的一個點。 封閉辦公園區(qū)平面交叉路口的形式較為固定，主要有十字形、X形、T形，同時也存在一些錯位交叉路口。路口的曲率半徑較小，多為5～9米。具體形式如下簡圖所示：

2.3.1 有信號燈控制的交叉口

對于有交通信號燈的平面交叉口來說，自動駕駛汽車在經(jīng)過路口，作出駕駛行為時，一定要遵守的就是交通規(guī)則，那么自動駕駛汽車首先要識別的就是交通燈，根據(jù)交通燈的顯示來選擇下一步動作。對于封閉辦公園區(qū)的交叉路口來說，一般都為雙向兩車道。交叉口的交通燈時序簡單，當(dāng)前車道的交通燈可同時控制當(dāng)前車道和對向車道車輛的左轉(zhuǎn)和直行，這就會存在沖突點，例如，當(dāng)前車道車輛直行，對向車輛左轉(zhuǎn);封閉辦公園區(qū)中存在交叉口無人行橫道燈或有人行橫道燈但行人闖紅燈。道路中應(yīng)考慮人車路三要素，在實際情況中考慮自動駕駛車輛與其他車輛/行人存在的沖突點。

2.3.2 無信號燈控制的交叉口

面臨無交通信號燈的交叉口時，人開車都需要小心翼翼地試探。對于自動駕駛車輛來說，交叉口可能存在建筑物或植物等遮擋，感知系統(tǒng)可能無法檢測到其他車輛，因此自動駕駛汽車在無信號燈路口的通行更是仿真測試關(guān)注的一個點。因此在搭建場景時，更應(yīng)考慮自動駕駛汽車與周圍車輛/行人的沖突點，甚至多個車輛/行人存在沖突。

2.4? ?交通設(shè)施

結(jié)合《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》（GB 5768）進(jìn)行標(biāo)志標(biāo)線的分析，有助構(gòu)建適用于封閉辦公園區(qū)場景的設(shè)施要素。

2.4.1 交通標(biāo)志

GB 5768中規(guī)定共包含7類主標(biāo)志和1類輔助標(biāo)志，包括禁令標(biāo)志、旅游標(biāo)志、指路標(biāo)志、警告標(biāo)志、作業(yè)標(biāo)志、指示標(biāo)志和告示標(biāo)志，其中具備法理性的主要是禁令和指示標(biāo)志。禁止和指示標(biāo)志主要是禁止或限制、指示車輛交通行為的標(biāo)志。由于封閉辦公園區(qū)的道路特征有外部道路有明顯區(qū)別，因此GB 5768標(biāo)準(zhǔn)中并非所有的禁令和指示標(biāo)志適用于封閉辦公園區(qū)。例如，封閉辦公園區(qū)的車速一般在30km/h以內(nèi)，因此僅需30 km/h限速牌即可，同時指示標(biāo)識中的路面指示箭頭，如左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)箭頭等，其尺寸應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)中0-40km/h的尺寸規(guī)范。結(jié)合封閉辦公園區(qū)的道路特征，分析整理出適用于封閉辦公園區(qū)的交通標(biāo)志，具體見下表：

2.4.2 交通標(biāo)線

同理，結(jié)合封閉辦公園區(qū)的典型道路特征，分析整理出適用于封閉辦公園區(qū)的交通標(biāo)志。詳見表2：

對于自動駕駛汽車，必須識別和理解交通標(biāo)志和標(biāo)線，從而遵守交通法規(guī)。交通標(biāo)識自動檢測和有效識別能力是開發(fā)人員所關(guān)注的。在真實的封閉辦公園區(qū)中，交通標(biāo)識和標(biāo)線會出現(xiàn)褪色、遮擋、破損等，因此在仿真環(huán)境應(yīng)該覆蓋該工況，并盡可能地包含實車測試難以達(dá)到的工況。虛擬場景中仿真自動駕駛汽車檢測和識別交通標(biāo)識和標(biāo)識，以及在惡劣天氣下（雨、雪、霧等）的識別具有非常重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)封閉辦公園區(qū)的典型道路特征，在場景仿真軟件搭建虛擬道路場景，部分如下圖所示：

3? ? 適用于辦公園區(qū)的自動駕駛功能

應(yīng)用于封閉辦公園區(qū)的自動駕駛車輛在行駛在指定場景下，能夠全方位的掌控周圍環(huán)境，遵守交通規(guī)則，及時有效地對交通環(huán)境作出反應(yīng)。參考汽標(biāo)委發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能測試規(guī)程（試行）》，并結(jié)合封閉辦公園區(qū)的典型特點，如車速較低、同向僅單車道等特點，整理出適用于封閉辦公園區(qū)的自動駕駛功能。見表3：

4? ? 測試用例大類

將以上整理出的封閉辦公園區(qū)道路特征和交通標(biāo)識作為測試用例的靜態(tài)元素，車輛和行人的動作作為測試用例的動態(tài)元素。結(jié)合已梳理出的自動駕駛功能，整理出適用于封閉辦公園區(qū)的測試用例，如下表4所示。

5? ? 控制器驗證

為驗證上述測試用例，本文選用HIL的自動駕駛軟硬件平臺，并基于封閉辦公園區(qū)的道路場景，以控制器在環(huán)的方式進(jìn)行控制器的功能驗證，測試自動駕駛控制器目標(biāo)感知、目標(biāo)響應(yīng)、ODD范圍識別、遵守道路交通規(guī)則，軟硬件平臺如圖7所示。其中，HIL平臺集成了實時處理系統(tǒng)、程控電源、以太網(wǎng)交換機，運行仿真模型搭建工具M(jìn)ATLAB/Simulink、車輛動力軟件Vedyna、試驗管理軟件Veristand。自動化測試平臺運行自動化測試管理軟件TAE，實現(xiàn)測試序列的自動化執(zhí)行。交通場景仿真軟件VTD運行虛擬交通場景，并根據(jù)真實傳感器的參數(shù)搭建虛擬傳感器模型，并將場景中的目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸至待測控制器中，待測控制器進(jìn)行決策后將加速、減速、轉(zhuǎn)向等控制器指令發(fā)送到車輛動力學(xué)Vedyna來控制車輛在交通仿真軟件VTD中的運動軌跡，從而實現(xiàn)對控制器在環(huán)測試。

本文以行人橫穿為例，仿真環(huán)境中，虛擬車輛以20km/h的勻速行駛，前方行人以設(shè)定的軌跡、速度進(jìn)行橫穿。主要測試步驟如下：

首先，自動駕駛控制器的功能驗證需要場景作為支撐，根據(jù)上述章節(jié)梳理的封閉辦公園區(qū)場景，在交通環(huán)境仿真軟件VTD進(jìn)行搭建，添加氣象條件、動態(tài)要素（如車輛、行人等）和觸發(fā)條件等，形成可用來測試的用例;

在交通仿真軟件VTD中搭建虛擬傳感器物理仿真模型，可根據(jù)真實傳感器的參數(shù)設(shè)定。通過設(shè)定傳感器的識別范圍，可作為虛擬毫米波雷達(dá);通過設(shè)定虛擬傳感器的識別類型、畸變、FOV等可作為虛擬攝像頭傳感器;設(shè)置虛擬傳感器的探測距離可作為虛擬超聲波雷達(dá)傳感器;采用激光雷達(dá)點云注入方式實現(xiàn)對激光雷達(dá)的仿真;最后根據(jù)真實傳感器在實車上位置，在仿真環(huán)境中完成安裝和標(biāo)定。

Vedyna是專門針對實時仿真測試和離線研究使用的快速車輛動力學(xué)軟件。根據(jù)控制器所在實車的整車參數(shù)，完成車輛動力學(xué)模型。如，通過設(shè)置迎風(fēng)面積、環(huán)境車速、空氣密度等完成空氣阻力仿真;通過設(shè)置方向盤向角、轉(zhuǎn)向比進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真等。

Veristand是HIL仿真測試系統(tǒng)的實時試驗管理管理，通過仿真模型加載、加載通信協(xié)議DBC、將實時仿真模型下發(fā)到實時仿真處理系統(tǒng)，完成對試驗的配置和監(jiān)測。其試驗結(jié)果如下：

根據(jù)場景動畫及虛擬車輛的速度曲線圖可以看出，車輛在靠近行人時，會減速至0m/s，待行人安全通過后，再啟動并正常行駛。

6? ? 總結(jié)

傳統(tǒng)的基于里程和規(guī)則的測試方法需要向基于場景的測試驗證方法轉(zhuǎn)變。為提高自動駕駛汽車的開發(fā)驗證效率，本文分析封閉辦公園區(qū)的典型道路特征，并結(jié)合相關(guān)自動駕駛汽車測試標(biāo)準(zhǔn)，整理出應(yīng)用于封閉辦公園區(qū)自動駕駛汽車的測試用例。試驗表明：該測試用例具有典型性、真實性，能夠較好滿足自動駕駛控制器仿真測試需求。

本文僅對單個測試用例（行人橫穿）進(jìn)行測試，未考慮惡劣天氣狀況。后續(xù)將用更多的測試用例測試該控制器。對智能網(wǎng)聯(lián)汽車來說，最真實有效、最直接的測試車輛自動駕駛功能、性能的方法依舊是實車道路測試。雖已搭建典型的封閉辦公園區(qū)場景，但道路的測試場景較復(fù)雜，不能全部列舉出來，且真實道路測試不僅僅與單一交通車或行人進(jìn)行交互，自動駕駛汽車應(yīng)考慮多個測試用例組合起來，進(jìn)行連續(xù)性場景測試。

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