自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫構(gòu)建研究

苗澤霖

（公安部道路交通安全研究中心，北京100062，中國）

自動(dòng)駕駛是未來汽車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)，但在L3級(jí)以上的自動(dòng)駕駛車輛上路準(zhǔn)入之前，需要進(jìn)行大量的場(chǎng)景工況測(cè)試驗(yàn)證。傳統(tǒng)的測(cè)試方法多為道路測(cè)試，需要從海量測(cè)試場(chǎng)景中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致自動(dòng)駕駛功能失效的各類安全問題，效率低、成本高、周期長(zhǎng)，難以滿足測(cè)試要求。因此借助數(shù)字虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建以仿真場(chǎng)景測(cè)試為主，道路測(cè)試與閉場(chǎng)地測(cè)試相結(jié)合的自動(dòng)駕駛準(zhǔn)入認(rèn)證體系，這對(duì)于提高自動(dòng)駕駛測(cè)試驗(yàn)證能力尤為重要。

目前，國內(nèi)外在自動(dòng)駕駛仿真場(chǎng)景測(cè)試研究方面做了很多工作，聯(lián)合國發(fā)布ISO-34502，為L(zhǎng)3級(jí)別及更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景和基于場(chǎng)景的安全評(píng)估提供了指導(dǎo)建議和工程框架；美國國家公路安全管理局組織開展“自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試用例和場(chǎng)景框架”研究項(xiàng)目，旨在提供自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能安全開發(fā)的測(cè)試場(chǎng)景框架；德國、日本在批準(zhǔn)L3級(jí)別自動(dòng)駕駛汽車的上路準(zhǔn)入之前，進(jìn)行了大量的仿真場(chǎng)景測(cè)試工作。聚焦國內(nèi)，國汽智聯(lián)于2018年聯(lián)合18家單位成立聯(lián)合項(xiàng)目組進(jìn)行“中國標(biāo)準(zhǔn)ICV場(chǎng)景庫理論架構(gòu)體系”的研究，共同完成了基于中國特色的ICV場(chǎng)景庫理論架構(gòu)體系研究報(bào)告（草案）；清華大學(xué)牽頭的自動(dòng)駕駛預(yù)期功能安全工作組，研究形成預(yù)期功能安全場(chǎng)景庫，并制定了相關(guān)團(tuán)標(biāo)，提高自動(dòng)駕駛車輛預(yù)期功能安全決策能力。綜上所述，當(dāng)前對(duì)于自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試場(chǎng)景已有豐富的積累，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，涉及法規(guī)符合性方面的測(cè)試場(chǎng)景較少，這導(dǎo)致自動(dòng)駕駛汽車的合規(guī)性、安全性受到質(zhì)疑，這也為自動(dòng)駕駛汽車產(chǎn)品準(zhǔn)入和上路許可帶來阻力。

為了解決這一問題，本文在分析論證大量的國內(nèi)外研究成果和相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)《道路交通安全法》《道路交通實(shí)施條例》和相關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的梳理、分析和總結(jié)，確定場(chǎng)景設(shè)計(jì)方法，提出了交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫的構(gòu)建方法。其中，在第2節(jié)中對(duì)場(chǎng)景庫的主體—場(chǎng)景，進(jìn)行了一系列的分析，梳理了場(chǎng)景定義、場(chǎng)景格式、場(chǎng)景數(shù)據(jù)來源、場(chǎng)景要素、場(chǎng)景構(gòu)建；在第3節(jié)中，概要介紹了交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景分類體系，介紹了包含數(shù)據(jù)層和場(chǎng)景層在內(nèi)的自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫搭建流程；在第4節(jié)中對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，并提出了一些未來的研究展望。

1 交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景

1.1 場(chǎng)景定義

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真測(cè)試研究中，并且在評(píng)價(jià)自動(dòng)駕駛汽車的功能與性能的優(yōu)壞時(shí)，也主要是通過基于場(chǎng)景的一系列測(cè)試來進(jìn)行的，所以場(chǎng)景是自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的基石。

場(chǎng)景是自動(dòng)駕駛汽車與其所在道路交通環(huán)境的總體描述，是對(duì)靜態(tài)道路信息、動(dòng)態(tài)道路信息、交通參與者信息、天氣和光照環(huán)境信息、目標(biāo)車輛信息等要素的抽象與映射，場(chǎng)景本質(zhì)上描述了要素組成以及內(nèi)部的邏輯關(guān)系，為場(chǎng)景搭建奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 場(chǎng)景格式

目前較為通用的場(chǎng)景格式文件為ASAM提出的OpenX仿真標(biāo)準(zhǔn)系列，為了提高交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景的通用性、適配性，因此仿真測(cè)試場(chǎng)景采用OpenDRIVE和OpenSCENARIO的格式儲(chǔ)存場(chǎng)景文件，并且兩者都是基于UML數(shù)據(jù)模型，可以導(dǎo)出XML格式的拓展文件。

OpenDRIVE定義了仿真場(chǎng)景中的靜態(tài)內(nèi)容，主要包括道路幾何形狀、車道數(shù)量、道路沿線特征，并且定義了可以影響車輛通行的交通標(biāo)志以及道路基礎(chǔ)設(shè)施，例如車道限速標(biāo)志和信號(hào)燈等，用以描述仿真中道路環(huán)境信息；OpenSCENARIO定義了仿真場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)內(nèi)容，主要包括車輛的軌跡路線、縱向動(dòng)作（如速度變化、距離變化）、橫向動(dòng)作（如換道、橫向偏移）、環(huán)境變化（如天氣、時(shí)間和道路附著率）等，用以描述仿真中道路上或道路外活動(dòng)的車輛或行人的行為活動(dòng)[1]。因此如圖1所示，OpenDRIVE和OpenSCENARIO結(jié)合起來，形成了一個(gè)包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息的仿真測(cè)試場(chǎng)景描述。

圖1 仿真場(chǎng)景格式

1.3 場(chǎng)景數(shù)據(jù)來源

場(chǎng)景數(shù)據(jù)是場(chǎng)景搭建的基礎(chǔ)，為了搭建自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫，需要收集大量的場(chǎng)景數(shù)據(jù)。如圖2所示，整個(gè)自動(dòng)駕駛仿真場(chǎng)景所需的數(shù)據(jù)來源主要有真實(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，即通過分析和篩選已有的、真實(shí)的各類交通場(chǎng)景獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)，如自然駕駛數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)、開放道路/封閉場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)；或者根據(jù)測(cè)試需求，基于相關(guān)的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)行的通行法規(guī)，獲得能夠反映真實(shí)交通環(huán)境的仿真數(shù)據(jù)，如仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]。

圖2 場(chǎng)景數(shù)據(jù)來源

自然駕駛數(shù)據(jù)一般是通過安裝在自動(dòng)駕駛汽車上先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得，涵蓋了城市道路和高速公路等大多數(shù)交通環(huán)境，可以用于構(gòu)建高覆蓋的具體場(chǎng)景；事故數(shù)據(jù)來源國家各地方的道路交通事故數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選分析，可用于事故場(chǎng)景構(gòu)建和真實(shí)事故場(chǎng)景還原再現(xiàn)；開放道路/封閉場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)來源于企業(yè)在自動(dòng)駕駛車輛開發(fā)或示范運(yùn)營的過程中，在特定場(chǎng)地開展的隨機(jī)測(cè)試；仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要源于仿真測(cè)試軟件，通過人為的設(shè)定駕駛?cè)蝿?wù)或行駛路線，讓測(cè)試車輛在虛擬仿真場(chǎng)景下進(jìn)行行駛，以此來產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)。

1.4 場(chǎng)景要素

利用各個(gè)來源的場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真場(chǎng)景庫構(gòu)建之前必須進(jìn)行場(chǎng)景數(shù)據(jù)處理，即提取能夠體現(xiàn)目標(biāo)場(chǎng)景的特征的場(chǎng)景要素。為了使仿真測(cè)試場(chǎng)景更加符合實(shí)際道路交通場(chǎng)景，需要找出到各種交通場(chǎng)景中的共性特征，明確場(chǎng)景的組成要素。本文基于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)交規(guī)符合性的測(cè)試需求，結(jié)合自動(dòng)駕駛汽車運(yùn)行的影響因素，通過6個(gè)要素層來進(jìn)行場(chǎng)景描述，6層場(chǎng)景要素分別為道路、交通基礎(chǔ)設(shè)施、臨時(shí)路況、交通狀況、環(huán)境、數(shù)字信息。

如圖3所示，第一層為道路，包含道路類型、道路幾何設(shè)計(jì)、車道數(shù)量、特殊車道等靜態(tài)的信息要素，用于描述場(chǎng)景的靜態(tài)道路環(huán)境；第二層為交通基礎(chǔ)設(shè)施，包含道路標(biāo)志標(biāo)線、交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈等，用于描述場(chǎng)景的地物信息；第三層為臨時(shí)路況，包含路面狀況、道路施工、臨時(shí)緊急指示標(biāo)牌等，用于描述場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息；第四層為交通狀況，包含交通參與者、被測(cè)車輛的初始狀態(tài)、目標(biāo)和行為等，是場(chǎng)景的核心內(nèi)容；第五層為環(huán)境，包含光照、溫度、濕度、氣候等，用于描述場(chǎng)景的氣象環(huán)境信息；第六層為數(shù)字信息，包含了V2X等通信系統(tǒng)。

圖3 場(chǎng)景要素

1.5 場(chǎng)景搭建

1.5.1 場(chǎng)景表達(dá)

場(chǎng)景搭建即通過對(duì)采集的場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于不同要素的屬性和要素間的關(guān)系，生成具有測(cè)試價(jià)值和意義的場(chǎng)景。測(cè)試場(chǎng)景中包含的各類要素所體現(xiàn)的特征需要可量化、可執(zhí)行、擬真性。

基于場(chǎng)景表達(dá)在不同測(cè)試開發(fā)階段的需求矛盾，場(chǎng)景分為三個(gè)層次，按照抽象程度由高到低，分為功能場(chǎng)景、邏輯場(chǎng)景、具體場(chǎng)景[3]。功能場(chǎng)景是指某一場(chǎng)景的形象化描述，即用一種自然語言描述場(chǎng)景特征，如跟車、變道等；邏輯場(chǎng)景需要具體描述場(chǎng)景要素之間的邏輯關(guān)系，明確場(chǎng)景要素的參數(shù)范圍，如跟車時(shí)與前車保持的縱向距離的范圍；具體場(chǎng)景是一例參數(shù)明確、可執(zhí)行的場(chǎng)景，需要確定各參數(shù)的具體取值，如跟車時(shí)主車的車速、與前車的縱向距離等。因此，邏輯場(chǎng)景是對(duì)應(yīng)功能場(chǎng)景的參數(shù)化表達(dá)，同時(shí)也是所對(duì)應(yīng)的所有具體場(chǎng)景的集合。

1.5.2 場(chǎng)景構(gòu)建步驟

明確了場(chǎng)景的表達(dá)方式之后，我們就可以基于仿真測(cè)試需求，結(jié)合所需的場(chǎng)景要素，進(jìn)行場(chǎng)景搭建。下面以現(xiàn)實(shí)中常見的變更車道為例，介紹自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建的步驟：

（一）明確場(chǎng)景數(shù)據(jù)來源。場(chǎng)景數(shù)據(jù)來源為相關(guān)的車輛駕駛理論知識(shí)和現(xiàn)行的通行法規(guī)?！吨腥A人民共和國道路交通安全法實(shí)施條例》第四十四條規(guī)定：在道路同方向劃有2條以上機(jī)動(dòng)車道的，變更車道的機(jī)動(dòng)車不得影響相關(guān)車道內(nèi)行駛的機(jī)動(dòng)車的正常行駛。

（二）確定關(guān)鍵場(chǎng)景要素。根據(jù)法規(guī)的動(dòng)作分解，確定測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵要素。通過6個(gè)要素層來進(jìn)行場(chǎng)景描述，場(chǎng)景關(guān)鍵要素和基本要素如下：

（1）第一層—道路。道路類型要素設(shè)置為城市道路，道路幾何設(shè)計(jì)要素設(shè)置為直道，車道數(shù)量要素設(shè)置為2，特殊車道要素設(shè)置為非機(jī)動(dòng)車道；

（2）第二層—交通基礎(chǔ)設(shè)施。道路標(biāo)志標(biāo)線要素設(shè)置為白虛線，行道設(shè)施要素設(shè)置為路燈、交通信號(hào)燈要素設(shè)置為無；

（3）第三層—臨時(shí)路況。路面狀況要素設(shè)置為干燥，道路施工要素設(shè)置為無；

（4）第四層—交通狀況。交通參與者要素設(shè)置為車輛，即前車（FO）、主車（Ego）、左后方車輛（LReO），被測(cè)車輛行為要素設(shè)置為前車直行、左后方車輛直行、主車變道。

（5）第五層—環(huán)境。時(shí)間要素設(shè)置為白天，天氣要素設(shè)置為晴天；

（6）第六層—數(shù)字信息。要素設(shè)置為無。

（三）確定場(chǎng)景表達(dá)?；跍y(cè)試需求和不同要素的屬性之間的關(guān)系，分層次對(duì)仿真測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行描述。

（1）功能場(chǎng)景：向左變道且左側(cè)車道后方來車。主車（Ego）跟馳前車（FO），再進(jìn)行向左變道動(dòng)作，為保證達(dá)到測(cè)試目的，需在主車左后方設(shè)置目標(biāo)車輛，即左后方車輛（LReO）。

（2）邏輯場(chǎng)景：前方車輛FO以車速Va緩慢行駛，左后方車輛LReO以車速Vb加速直行，主車Ego在距離前車d處減速，等左后方車輛通過之后自行決定變道，變道過程不得影響左后方車輛正常行駛。

（3）具體場(chǎng)景：對(duì)主車和目標(biāo)車輛的行為進(jìn)行量化賦值。

前車FO：直行，初始位置為-2車道，加速度設(shè)置為1.5m/s2，速度設(shè)置為35km/h，與主車初始的縱向距離為250m；主車Ego：換道，初始位置為-2車道，加速度設(shè)置為1.5m/s2，速度設(shè)置為45km/h；左后方車輛LReO：直行，當(dāng)主車與前車距離為70m時(shí)，出現(xiàn)在-1車道，速度設(shè)置為50km/h，與主車初始的縱向距離為60m。

上述測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)的示意圖如圖4所示，根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)，此場(chǎng)景設(shè)計(jì)可完全對(duì)該條法規(guī)的覆蓋，可以滿足測(cè)試需求。

圖4 向左變道且左側(cè)車道后方來車

（四）場(chǎng)景格式。根據(jù)靜態(tài)路網(wǎng)信息設(shè)計(jì)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)格式OpenDRIVE的靜態(tài)路網(wǎng)地圖，生成圖形道路數(shù)據(jù)osgb文件。通過OpenScenarios動(dòng)態(tài)場(chǎng)景描述文件調(diào)用OpenDRIVE靜態(tài)路網(wǎng)地圖和圖形道路數(shù)據(jù)osgb文件，在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景描述文件中根據(jù)場(chǎng)景表達(dá)建立動(dòng)態(tài)內(nèi)容，從而構(gòu)建自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景。

2 交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫構(gòu)建

2.1 場(chǎng)景分類

根據(jù)不同的測(cè)試需求和測(cè)試目的，場(chǎng)景可分為不同的種類。從功能安全的角度分析，場(chǎng)景可分為已知安全場(chǎng)景、已知危險(xiǎn)場(chǎng)景、未知安全場(chǎng)景、未知危險(xiǎn)場(chǎng)景；從自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍出發(fā)，場(chǎng)景可分為高速場(chǎng)景、城市場(chǎng)景、近距離場(chǎng)景。

為了推動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車準(zhǔn)入，提高自動(dòng)駕駛汽車的法規(guī)遵守能力，本文從合規(guī)性、安全性角度出發(fā)，通過對(duì)《道路交通安全法》《道路交通實(shí)施條例》和相關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的梳理，按照自動(dòng)駕駛汽車在道路交通環(huán)境中運(yùn)行的難易程度將場(chǎng)景分為3個(gè)大類，如圖5所示，由低到高分別為安全意識(shí)類場(chǎng)景、駕駛操作類場(chǎng)景、通行交互類場(chǎng)景；之后再根據(jù)自動(dòng)駕駛汽車動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)，將3大類細(xì)分為12小類，分別為停車/起步、安全速度、安全距離、車道使用、變道、超車、會(huì)車、倒車、路口通行、避讓、掉頭和遵循交通警察指揮；在每個(gè)小類里面按照與場(chǎng)景元素的相關(guān)性，又分為道路特征類、交通信號(hào)類、交通環(huán)境類和通行狀態(tài)類。通過上述分類共同構(gòu)成自動(dòng)駕駛交通通行規(guī)則遵守能力測(cè)評(píng)場(chǎng)景庫的理論體系架構(gòu)。

圖5 自動(dòng)駕駛交通通行規(guī)則遵守能力測(cè)評(píng)場(chǎng)景庫分類框架圖

2.2 場(chǎng)景庫體系搭建

交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫是由滿足法規(guī)和安全方面測(cè)試需求的一系列自動(dòng)駕駛仿真場(chǎng)景構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，是自動(dòng)駕駛汽車合規(guī)性、安全性測(cè)試的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，是加快自動(dòng)駕駛安全準(zhǔn)入的重要數(shù)據(jù)庫。場(chǎng)景庫體系搭建主要通過虛擬仿真環(huán)境及工具鏈實(shí)現(xiàn)的。如圖6所示，場(chǎng)景庫搭建的流程主要包括數(shù)據(jù)層和場(chǎng)景層兩方面[4]。

圖6 仿真場(chǎng)景庫體系搭建

數(shù)據(jù)層主要是對(duì)采集到的自然駕駛數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)、開放道路/封閉場(chǎng)地測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、刪減修復(fù)、數(shù)據(jù)融合等一系列操作，得到可供場(chǎng)景分析的目標(biāo)級(jí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從原始數(shù)據(jù)到仿真測(cè)試場(chǎng)景所需數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理；

場(chǎng)景層將處理后的目標(biāo)級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和要素標(biāo)注，如跟車、變道、切入、切出、雨天、雪天等，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景片段的精細(xì)化描述，從而形成場(chǎng)景集，即功能場(chǎng)景。然后按照2.1所述的理論體系進(jìn)行分類，得到邏輯場(chǎng)景。最后基于邏輯場(chǎng)景參數(shù)分布，對(duì)場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行大批量泛化，通過仿真軟件生成OpenX格式的場(chǎng)景文件，最終形成交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫。

3 總結(jié)

以上概要介紹了自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫的構(gòu)建流程，其中場(chǎng)景分類和具體場(chǎng)景搭建是整個(gè)場(chǎng)景庫框架的重要組成部分。本文所研究的內(nèi)容可以之后的自動(dòng)駕駛汽車開展合規(guī)性、安全性測(cè)試提供一定的理論基礎(chǔ)。自動(dòng)駕駛交規(guī)符合性仿真測(cè)試場(chǎng)景庫現(xiàn)在正處于開發(fā)的階段，未來可以向場(chǎng)景庫的豐富度、多樣性、有效性、時(shí)效性等方面繼續(xù)研究，推進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車在交通安全領(lǐng)域的應(yīng)用，保障自動(dòng)駕駛汽車安全運(yùn)行。