仿真測試在智能網(wǎng)聯(lián)汽車準(zhǔn)入測試的政策應(yīng)用與技術(shù)基礎(chǔ)分析*

曾杰 譚龍 丁雪聰 胡雄 廖偉 李慎言

（1.國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量檢驗檢測中心，重慶 401122；2.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 401122）

主題詞：智能網(wǎng)聯(lián)智能駕駛仿真測試測試標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

工業(yè)和信息化部、公安部、交通運(yùn)輸部聯(lián)合印發(fā)《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理規(guī)范（試行）》（以下簡稱《規(guī)范》），要求智能網(wǎng)聯(lián)汽車在申請上公開道路測試之前，需第3方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行封閉道路、封閉場地測試。智能網(wǎng)聯(lián)汽車最重要的技術(shù)之一為自動駕駛技術(shù)，具備自動駕駛功能的智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全性一直受到社會廣泛關(guān)注。根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對自動駕駛汽車系統(tǒng)安全性驗證的要求，被測自動駕駛車輛需要進(jìn)行170億英里測試,測試效率與成本挑戰(zhàn)巨大。自動駕駛系統(tǒng)仿真測試技術(shù)，通過場景重構(gòu)、傳感器信號仿真等方式，可有效評估自動駕駛系統(tǒng)的安全性。仿真測試技術(shù)的應(yīng)用貫穿智能網(wǎng)聯(lián)汽車的研發(fā)全過程，在開發(fā)驗證階段，可通過軟件在環(huán)（Software In the Loop，SIL）、硬件在環(huán)（Hardware In the Loop，HIL）、整車在環(huán)（Vehicle In the Loop，VIL）等仿真測試工具鏈對各項功能進(jìn)行快速驗證。在測試評價階段，則需要利用仿真測試對自動駕駛汽車不同維度、不同方面的性能進(jìn)行評價；在檢測認(rèn)證階段，利用仿真的測試考察自動駕駛汽車在各種交通行為下的功能安全性、可靠性。因此，要求仿真測試結(jié)果具有較高的置信度、重復(fù)性、一致性。

本文首先解讀《智能網(wǎng)聯(lián)汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理指南（試行）（征求意見稿）》的核心內(nèi)容，然后對比仿真測試與場地測試的特點，最后介紹分析仿真測試技術(shù)的測試評價體系建設(shè)情況，為自動駕駛系統(tǒng)的研發(fā)工作提供參考。

2 仿真測試行業(yè)應(yīng)用政策分析

《智能網(wǎng)聯(lián)汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理指南（試行）（征求意見稿）》簡稱《指南》，明確了智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)品準(zhǔn)入在測試與評價方面需要進(jìn)行的各項認(rèn)證要求，并提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自動駕駛系統(tǒng)功能需滿足“3支柱法”的測試要求，即仿真測試、封閉場地測試和實際道路測試。同時，《指南》對駕駛自動化系統(tǒng)模擬仿真測試提出了7點要求。包括以下5個方面：（1）產(chǎn)品原理及參數(shù)、（2）場景要素及其組合、（3）場景安全性及道路交規(guī)符合性、（4）仿真測試有效性、（5）測試結(jié)果可追溯性，涵蓋了不同層級仿真測試所涉及的關(guān)鍵點。由此可見，仿真測試方法將是智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)品準(zhǔn)入測試中不可或缺的的測試方法。

3 政策分析

《指南》明確了功能安全和預(yù)期功能安全在自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)過程中的要求，而智能網(wǎng)聯(lián)汽車的預(yù)期功能安全問題，已經(jīng)是自動駕駛汽車大規(guī)模商業(yè)落地應(yīng)用的最大難題之一?；诜忾]測試場地和實際道路測試方法，難以測試自動駕駛系統(tǒng)在功能故障時的人機(jī)接管能力和超出系統(tǒng)運(yùn)行能力范圍邊界時的性能表現(xiàn)。例如，實車在緊急制動功能啟動情況下的故障（制動、轉(zhuǎn)向、傳感等）注入測試，測試駕駛員接管及時性、接管能力、車輛安全策略等，實車測試將會十分危險。在傳統(tǒng)汽車測試領(lǐng)域中，汽車安全性能測試主要以實車測試為主?！吨改稀烦浞掷梅抡鏈y試技術(shù)的特點，將仿真測試應(yīng)用于自動駕駛系統(tǒng)功能測試，對提升自動駕駛系統(tǒng)功能安全和預(yù)期功能安全，具有重要意義。

仿真測試方法在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自動駕駛系統(tǒng)功能驗證方面，具有突出的優(yōu)勢。若將仿真測試與封閉場地測試和公共道路測試合理應(yīng)用于自動駕駛系統(tǒng)安全性驗證，并形成合理的測試評價規(guī)程，對于自動駕駛汽車商業(yè)化落地具有推動作用。

4 實車測試與仿真測試對比

自動駕駛汽車的實車測試方法分為封閉場地測試和實際道路測試。仿真測試方法較為豐富，對應(yīng)用不同的系統(tǒng)層級，應(yīng)用例如軟件在環(huán)（Software In the Loop,SIL）、硬件在環(huán)（Hardware In the Loop,HIL）、車輛在環(huán)（Vehicle In the Loop,VIL）等測試評價手段。

4.1 封閉場地測試

傳統(tǒng)的封閉場地測試方法，是以有限的場景模擬為基礎(chǔ)，結(jié)合車-車實時同步控制機(jī)器人達(dá)到場景預(yù)設(shè)置的觸發(fā)條件，測試車輛的緊急制動、跟車巡航、主動變道等功能。結(jié)合雨霧模擬、隧道、路燈等設(shè)施模擬環(huán)境條件，測試車輛在不同環(huán)境條件下的環(huán)境感知能力的魯棒性。主要的缺點在于：

（1）測試場景覆蓋度不足；

（2）道路交通元素較少，場景復(fù)雜度不夠；

（3）測試成本較高、效率低；

（4）實現(xiàn)極端危險工況測試和故障注入測試的危險性較高。

4.2 實際道路測試

實際道路測試的方法，由于被測車輛處于真實的交通流環(huán)境中，測試具有最高的置信度，并且可以進(jìn)行連續(xù)復(fù)雜場景的測試。公開道路測試存在以下4大問題：

（1）測試效率低。效率低主要體現(xiàn)在測試?yán)锍虜?shù)要求巨大，以及極端、邊界的場景出現(xiàn)概率較低。

（2）場景覆蓋度問題。新建成的道路里程數(shù)量每日增加，同時每時每刻在世界上都會隨機(jī)發(fā)生新類型的場景。

（3）危險程度高。在自動駕駛系統(tǒng)在現(xiàn)有的設(shè)計運(yùn)行域范圍內(nèi)，若功能不夠成熟就進(jìn)行大規(guī)模路試，將會對公開道路安全帶來巨大挑戰(zhàn)。

（4）可復(fù)現(xiàn)性差。在道路上實際運(yùn)行過程中誤觸發(fā)系統(tǒng)功能和超出設(shè)計運(yùn)行域范圍邊界的場景難以復(fù)現(xiàn)。

4.3 仿真測試

仿真測試在自動駕駛汽車測試方面主要有以下3大優(yōu)點：

（1）高場景覆蓋度?？赏ㄟ^復(fù)現(xiàn)實車采集場景案例、復(fù)現(xiàn)事故案例、應(yīng)用場景設(shè)計、場景衍生理論等方法，提高測試場景覆蓋度。

（2）高重復(fù)性。針對同一場景的測試，得益于虛擬仿真場景具有高度可控性，仿真測試得到的測試結(jié)果一致性較高。

（3）高效率。通過自動化的測試工具，自動化執(zhí)行測試場景庫中的測試案例，并輸出測試結(jié)果。

仿真測試技術(shù)主要存在以下2個方面問題：

（1）置信度問題。仿真測試結(jié)果可靠性主要取決于虛擬測試場景復(fù)現(xiàn)的真實性，傳感器模型或物理信號模擬的一致性，由于模型精度、場景或信號逼真度等問題，對測試結(jié)果置信度影響較大。

（2）測試平臺復(fù)雜性。HIL與VIL測試方法，需要嵌入大量的傳感器至仿真回路，使用半實物仿真的方法，傳感器模擬器的數(shù)量、成本將會急劇上升，提升了多系統(tǒng)閉環(huán)仿真的平臺復(fù)雜度。

仿真測試和實車測試方法都具有各自優(yōu)勢與局限性，但仿真測試方法在自動駕駛系統(tǒng)升級后的安全性快速驗證方面，具有測試效率高、測試成本低、測試安全性高等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢對于自動駕駛系統(tǒng)“敏捷”開發(fā)具有推動作用。

5 仿真測試評價體系現(xiàn)狀

5.1 測試評價方法

自動駕駛仿真測試“V”型流程如圖1所示，模型在環(huán)（Mocle In the Loop，MIL）、SIL、處理器在環(huán)（Processer In the Loop，PIL）測試方法多應(yīng)用于系統(tǒng)前期開發(fā)過程中，快速功能邏輯的測試與評價，具備系統(tǒng)自主開發(fā)能力的零部件供應(yīng)商、主機(jī)廠，都應(yīng)具備了相應(yīng)的測試評價手段，以實現(xiàn)快速測試評價的目標(biāo)。

圖1 自動駕駛仿真測試“V”型流程

目前，大多數(shù)汽車研發(fā)與檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)已經(jīng)搭建有相應(yīng)的HIL平臺，且檢測機(jī)構(gòu)搭建HIL平臺時，都已提高了平臺的仿真資源數(shù)量和兼容性。VIL車輛在環(huán)仿真的方法，主要有以下2種實現(xiàn)方式：

方法1：利用測功機(jī)系統(tǒng)模擬車輛的縱向行駛阻力，轉(zhuǎn)向模擬器模擬車輛轉(zhuǎn)向阻力。通過場景軟件、動力學(xué)軟件構(gòu)建傳感器模型，并輸出對應(yīng)信號支撐車輛系統(tǒng)運(yùn)行，典型的室內(nèi)VIL測試平臺如圖2所示。該方法需要被測車輛的車身系統(tǒng)、底盤制動系統(tǒng)、智能駕駛系統(tǒng)開放較多的接口與協(xié)議，存在一定的技術(shù)難度。

圖2 典型的VIL測試平臺

方法2：搭載智能駕駛系統(tǒng)的實車運(yùn)行于空曠的測試場地，場景軟件構(gòu)建危險場景并計算傳感器數(shù)據(jù)，通過總線注入法將傳感器數(shù)據(jù)至被測車輛系統(tǒng)接口，觸發(fā)車輛的智能駕駛系統(tǒng)功能（圖3）。該方法需要對應(yīng)傳感器、總線接口協(xié)議支持，但車輛處于真實運(yùn)動，仿真復(fù)雜性降低。

圖3 典型的試驗場VIL測試平臺

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，基于轉(zhuǎn)轂的VIL測試方法，中汽中心、招商車研已經(jīng)建立?；趫龅氐腣IL測試方法，中汽中心、招商車研、中汽院等已經(jīng)建立能力，國外的機(jī)構(gòu)如IDIADA已經(jīng)公開宣傳基于場地的VIL測試方法。

5.2 測試標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

2020年11月，全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布了《自動駕駛功能仿真測試標(biāo)準(zhǔn)化需求研究報告》，該報告全面梳理了仿真測試評價目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、各個檢測機(jī)構(gòu)的平臺能力、各個測試方法的局限性等，為標(biāo)準(zhǔn)化工作啟動提供依據(jù)。

在研的仿真測試評價標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）GB/T XXX《智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能仿真試驗方法及要求》，主要的測試場景與《智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能場地試驗方法及要求》相對應(yīng)，被測對象的功能為自動駕駛系統(tǒng)。

（2）TITS 0155—2021《營運(yùn)車輛自動緊急制動系統(tǒng)仿真測試與評價方法》。

5.3 測試場景庫

場景庫建設(shè)需要依托于標(biāo)準(zhǔn)化的場景格式，以統(tǒng)一構(gòu)成測試場景的元素類型、數(shù)量等。標(biāo)準(zhǔn)化的場景格式，對于各個軟件之間的數(shù)據(jù)交互用，以及形成統(tǒng)一的測試評價標(biāo)準(zhǔn)具有重要作用。

5.3.1 場景格式標(biāo)準(zhǔn)化

目前行業(yè)公認(rèn)的測試場景有3項標(biāo)準(zhǔn)格式，即描述路網(wǎng)文件格式的OPENdrive，描述動態(tài)場景事件的OPENscenarios格式，和描述路面物理信息與靜態(tài)道路場景的交互的OpenCRG格式。OpenX系列的場景描述標(biāo)準(zhǔn)化格式，由德國自動化及測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ASAM）提出，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部（BMWi）啟動PEGASUS項目，旨在開發(fā)一套自動駕駛功能測試程序，以促進(jìn)自動駕駛技術(shù)的快速落地。中汽數(shù)據(jù)中心加入了ASAM聯(lián)盟，組建C-ASAM工作組，后續(xù)百度、上汽等單位也加入了C-ASAM工作組，仿真場景格式標(biāo)準(zhǔn)化的工作得到進(jìn)一步推進(jìn)和完善。

5.3.2 場景庫現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)多家企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)，包括中汽數(shù)據(jù)有限公司、中國汽車工程研究院股份有限公司、騰訊、百度等，都在大力完善較為系統(tǒng)的仿真場景庫。

（1）中汽數(shù)據(jù)有限公司

中汽數(shù)據(jù)基于大量實測場景數(shù)據(jù)，建設(shè)了“智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛場景數(shù)據(jù)庫”。智能網(wǎng)聯(lián)汽車駕駛場景數(shù)據(jù)庫包括6個部分：自然駕駛場景庫（1228種）、V2X場景庫、危險事故場景庫（206種）、中國特色交通法規(guī)場景庫（82種）、功能安全場景庫（110種）和預(yù)期功能安全場景庫（70種）。

（2）中國汽車工程研究院股份有限公司

2020年12月，“中國典型場景庫”在V2.0版本的基礎(chǔ)上升級到V3.0，新增了典型事故場景、自動駕駛事故場景和預(yù)期功能安全場景3大板塊，涵蓋總計20余項自動駕駛功能。已累計完成1000余例NAIS真實中國道路事故數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，涵蓋車-車、車-人、車-二輪車等，形成了初具規(guī)模的事故場景庫，并已生成總量大于10萬例的OpenX標(biāo)準(zhǔn)格式場景文。

（3）百度

目前，百度自建設(shè)場景庫典型場景數(shù)量已達(dá)到200種左右，涵蓋不同的道路類型、障礙物類型、道路規(guī)劃、紅綠燈信號測試場景數(shù)據(jù)。來源于自然駕駛路采數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)庫、人工經(jīng)驗等。

百度自建場景庫目前總共生成220個Worldsim場景和17個Logsim場景。

（4）騰訊

TAD Sim是騰訊研究建設(shè)的自動駕駛虛擬仿真平臺,TAD Sim數(shù)據(jù)集涵蓋車輛避撞能力、交通合規(guī)性、行為能力、視距影響下交叉路口車輛沖突避免、碰撞預(yù)警、緊急制動、危險變道、無信號交叉口通行、行人橫穿等方面。目前場景庫包括1 000種場景類型，可以泛化生成萬倍以上規(guī)模的豐富場景。

（5）預(yù)期功能安全測試場景庫

由中國預(yù)期功能安全工作組牽頭搭建的預(yù)期功能安全測試場景庫，有近10家單位參與場景庫的構(gòu)建，包括第3方檢測機(jī)構(gòu)、主機(jī)廠、高校等，分別收集5大地域的特色預(yù)期功能安全場景，包括北京、上海、長春、重慶、成都、蘇州、廣州等城市。工作組建立了場景庫編輯錄入數(shù)據(jù)庫平臺，可生成OpenX系列的測試場景格式。目前，預(yù)期功能安全測試場景庫已累計收集800余例典型預(yù)期功能安全場景,測試用例生成工作也在穩(wěn)步推進(jìn)當(dāng)中。

行業(yè)已經(jīng)在仿真測試評價方法、測試場景庫、評價標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究與應(yīng)用實踐，為仿真測試技術(shù)應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)品準(zhǔn)入測試提供了技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)。對比多種仿真測試方法，VIL測試方法作為產(chǎn)品準(zhǔn)入測試應(yīng)用的可行性最大，主要有以下3點因素：

（1）VIL測試屬于整車級測試，測試結(jié)果的置信度較高。

（2）基于VIL測試平臺，可以測試預(yù)期功能安全和功能安全問題發(fā)生時，駕駛員真實應(yīng)對能力。

（3）VIL測試平臺，需要被測對向開放的協(xié)議更少，有利于第3方檢測機(jī)構(gòu)執(zhí)行具體測試。

6 總結(jié)與展望

目前，智能駕駛系統(tǒng)仿真測試技術(shù)發(fā)展較為迅速，針對不同系統(tǒng)開發(fā)階段的測試評價需求，各個主機(jī)廠和檢測機(jī)構(gòu)都搭建了相應(yīng)的仿真測試平臺，形成了較好的仿真測試技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)。目前，還需要在以下2方面加快進(jìn)度：

（1）仿真測試評價體系中最重要的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定有一定難度，例如針對測試評價工具的標(biāo)準(zhǔn)化、被測對象接口標(biāo)準(zhǔn)化等。

（2）仿真測試場景庫的完善，非一個企業(yè)、一個機(jī)構(gòu)單獨能夠完成，需要集合行業(yè)優(yōu)勢資源，不斷擴(kuò)充場景庫的體量。