智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動(dòng)駕駛仿真測試技術(shù)研究綜述

康誠 嚴(yán)欣 唐曉峰

中汽研汽車試驗(yàn)場股份有限公司 江蘇省鹽城市 224145

1 引言

目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車正處于從技術(shù)研發(fā)層面逐漸轉(zhuǎn)向測試應(yīng)用及商業(yè)化過渡的關(guān)鍵階段。包含實(shí)際應(yīng)用需求的道路測試及示范測試也已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中當(dāng)前最主要的共性需求。探求車路協(xié)同智能網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛汽車智能化，數(shù)字化，高效測試發(fā)展的最優(yōu)化道路和體系引導(dǎo)成為了目前智能網(wǎng)聯(lián)駕駛車輛行業(yè)內(nèi)發(fā)展中必不可少的步驟。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究開發(fā)與大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的過程可分成五個(gè)階段：

（1）實(shí)驗(yàn)室模擬測試階段，包含模型在環(huán)測試、軟硬件在環(huán)測試、車輛在環(huán)測試等封閉在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研發(fā)測試階段；

（2）封閉測試場測試階段：在由人為設(shè)置的交通場景與動(dòng)靜態(tài)交通流混合下的受控場地內(nèi)的研發(fā)測試階段；

（3）開放道路測試階段：在包含社會車輛、交通設(shè)施、行人等交通參與者在內(nèi)參與的受限道路（限制時(shí)間與指定路段）上的研發(fā)測試階段；

（4）開放區(qū)域測試階段：在包含社會車流、交通設(shè)施、行人等交通參與者在內(nèi)，且具備實(shí)際運(yùn)行意義區(qū)域內(nèi)的研發(fā)測試階段；

（5）規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段：結(jié)合智慧城市的建設(shè)，開展自動(dòng)駕駛示范應(yīng)用及規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)營落地[1]。

2 自動(dòng)駕駛仿真測試的意義

自動(dòng)駕駛汽車在真正示范應(yīng)用及商業(yè)化運(yùn)營之前，需要在封閉場地和開放道路經(jīng)過大量的道路測試才能達(dá)到使用要求，此測試過程需要達(dá)到百萬級公里的實(shí)車測試對控制算法進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，如采用實(shí)際道路測試來優(yōu)化自動(dòng)駕駛算法，耗時(shí)較長的同時(shí)，人力物力成本較高。并且測試過程也會受到測試的區(qū)域范圍、政策法規(guī)、氣象環(huán)境、復(fù)雜交通流等多種因素的約束，同時(shí)實(shí)際道路測試過程中有一定的風(fēng)險(xiǎn)，易產(chǎn)生安全隱患。

因此，基于自動(dòng)駕駛場景庫的仿真測試是解決自動(dòng)駕駛汽車的研發(fā)測試中各項(xiàng)問題的主要技術(shù)手段。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真測試與傳統(tǒng)汽車的整車或零部件試驗(yàn)有所區(qū)別，主要是通過軟件中算法開發(fā)、模型建立、場景設(shè)置進(jìn)行模擬仿真測試。

仿真測試采用的模型通常是廣泛應(yīng)用在汽車開發(fā)過程當(dāng)中的V型開發(fā)測試模型，主要包括以系統(tǒng)建模、設(shè)計(jì)、模型在環(huán)為前半V型縱深進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)階段的測試和經(jīng)由軟件在環(huán)、硬件在環(huán)等測試形成后半V型的測試過程。V型開發(fā)模型的工作流程主要是研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行不同階段的開發(fā)與測試團(tuán)隊(duì)編制對應(yīng)的測試用例要保持同步，在開發(fā)階段完成后立即進(jìn)行測試?；诖耍幢銦o完整產(chǎn)品樣件，也可開展集成測試、系統(tǒng)測試等相關(guān)測試。通過仿真測試驗(yàn)證使自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在開發(fā)過程中快速高效的發(fā)現(xiàn)和解決開發(fā)過程中的問題。

3 自動(dòng)駕駛仿真測試流程

自動(dòng)駕駛車輛的核心部件主要是傳感器、控制器和執(zhí)行器，真實(shí)場景測試中，駕駛?cè)藛T在不同類型的道路、交通和氣候等環(huán)境下駕駛車輛開展測試。對比真實(shí)場景測試，仿真測試就是模擬真實(shí)的駕駛環(huán)境（如道路、交通、氣候）開展測試，因此會對照真實(shí)的駕駛場景搭建虛擬場景，也就是仿真測試平臺，仿真平臺一般包括仿真框架、物理引擎和圖形引擎；其中仿真框架是平臺軟件平臺的核心，支持傳感器仿真、車輛動(dòng)力學(xué)仿真、交通環(huán)境仿真、云仿真，故自動(dòng)駕駛仿真測試平臺通常包含交通場景模塊、傳感器模塊、車輛動(dòng)力學(xué)模塊、測試管理模塊四部分。如圖1所示：

圖1 自動(dòng)駕駛仿真測試平臺構(gòu)成

由圖1可知，交通場景模塊用于模擬車輛行駛時(shí)的外部交通場景；傳感器模塊用于模擬車輛上安裝的各類傳感器，進(jìn)而獲取交通場景的實(shí)時(shí)狀態(tài)；車輛動(dòng)力學(xué)模塊用于模擬車輛本身對自動(dòng)駕駛算法控制的響應(yīng)，特別是對車輛加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向的響應(yīng)。測試管理模塊，負(fù)責(zé)管理上述三個(gè)模塊組成的仿真測試環(huán)境，保證仿真測試的效果和效率滿足要求。四大模塊構(gòu)成的仿真測試平臺既可以對測試流程進(jìn)行管理，也可以對測試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理[2]。

完整的自動(dòng)駕駛仿真測試可以分為仿真工具開發(fā)、仿真工具集成、測試場景開發(fā)和仿真測試執(zhí)行等工作，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)駕駛仿真測試流程

自動(dòng)駕駛仿真測試流程主要分為以下四項(xiàng)：

（1）仿真工具開發(fā)

直接開發(fā)仿真工具有難度，且不同仿真工具內(nèi)模塊的功能之間存在一定的分隔，目前仿真工具一般由專業(yè)仿真軟件公司開發(fā)。比如PreScan常用于場景和傳感器建模仿真，CarSim常用車輛動(dòng)力學(xué)模擬仿真，ECU-TEST常用于測試管理與分析。

（2）仿真工具集成

仿真工具集成主要包含兩塊工作：一是基于用戶測試需求，利用確定的測試工具，將測試需求集成完成可靠的測試環(huán)境；二是利用仿真測試環(huán)境與被測算法集成，形成測試過程的閉環(huán)。

（3）測試場景開發(fā)

測試場景開發(fā)重點(diǎn)在于確保仿真測試的場景覆蓋度，首先針對自動(dòng)駕駛算法的設(shè)計(jì)運(yùn)行域（ODD）詳細(xì)而進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)地測試場景設(shè)計(jì)，并充分考慮路況、道路車輛的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、傳感器感知范圍和自身車輛狀態(tài)等各方面的影響，測試場景的設(shè)計(jì)過程是需要在仿真環(huán)境下進(jìn)行。

（4）仿真測試執(zhí)行

仿真測試執(zhí)行包含兩塊工作：一是對測試場景庫進(jìn)行維護(hù)，并針對不同算法或功能合適的測試場景進(jìn)行運(yùn)行測試；二是在測試完成后，整理并提供清晰的測試報(bào)告，測試報(bào)告中主要是測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要應(yīng)用與后期的算法改進(jìn)[3]。

4 自動(dòng)駕駛仿真測試方法

基于仿真模型設(shè)計(jì)方法處于不同的階段劃分，可分為采用MIL/SIL/PIL/HIL（MIL，Modelin the Loop：模型在環(huán)測試；SIL，Softwarein the Loop：軟件在環(huán) 測 試；PIL，Processorin the Loop：處理器在環(huán)測試；HIL，Hardwarein the Loop：硬件在環(huán)測試）等測試方法，有效的對仿真模型設(shè)計(jì)的嵌入式代碼進(jìn)行測試驗(yàn)證。如被測試對象是尚處于開發(fā)階段的算法，測試方法采用MIL/SIL測試即可；如被測對象是在實(shí)際車輛應(yīng)用的控制器，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，需要使用HIL設(shè)備提前進(jìn)行測試。仿真測試常用的工具有的Panosim、CarSim、CarMaker、PreScan和 Pro-SiVIC 等 等[4]。 對 于 MIL、SIL、PIL、HIL的對比分析如表1所示：

表1 四種駕駛仿真測試方法對比

5 自動(dòng)駕駛仿真測試行業(yè)分析

目前參與自動(dòng)駕駛仿真測試的市場主體主要有：科技型公司、自動(dòng)駕駛解決方案供應(yīng)商、科研院所、仿真軟件企業(yè)、智能網(wǎng)聯(lián)測試示范區(qū)運(yùn)營單位。由于每個(gè)市場主體在自動(dòng)駕駛仿真方面的技術(shù)基礎(chǔ)和目標(biāo)各有不同，因此在主導(dǎo)自動(dòng)駕駛仿真研發(fā)及合作應(yīng)用方式呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。

科技型公司在仿真方面起步相對較晚，在汽車功能探索方面經(jīng)驗(yàn)較少，但優(yōu)點(diǎn)是具備大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，軟件開發(fā)能力強(qiáng)，科技型公司進(jìn)行仿真軟件及平臺的研發(fā)，目標(biāo)是將研發(fā)成果滲透到智能網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)，建立屬于自身的數(shù)據(jù)平臺，利用數(shù)據(jù)的開發(fā)應(yīng)用拓展自身的業(yè)務(wù)。目前代表性自動(dòng)駕駛仿真科技公司主要有華為自動(dòng)駕駛云服務(wù)HUAWEI Octopus（簡稱華為八爪魚）、百度自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)AADS、阿里混合式仿真測試平臺等。

自動(dòng)駕駛解決方案供應(yīng)商主要針對客戶需求研發(fā)定制化的仿真軟件，都有自身仿真測試軟件。自動(dòng)駕駛解決方案商主要為初創(chuàng)公司，有較強(qiáng)的融資能力和創(chuàng)新人才，在自動(dòng)駕駛仿真測試方案解決方面具有持續(xù)且較強(qiáng)的創(chuàng)新能力。自動(dòng)駕駛解決方案商，如Waymo、文遠(yuǎn)知行，小馬智行、momenta等。

科研院所主要應(yīng)用自動(dòng)駕駛仿真測試進(jìn)行前瞻性探索研究，通過自動(dòng)駕駛仿真與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，對智能網(wǎng)聯(lián)汽車車路協(xié)同核心系統(tǒng)中各項(xiàng)關(guān)鍵信息的感知、分析、挖掘，產(chǎn)出理論與應(yīng)用成果。國內(nèi)從事自動(dòng)駕駛仿真測試研究的科研院所主要包括：中國汽車技術(shù)研究中心、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、東南大學(xué)、長安大學(xué)等。

智能網(wǎng)聯(lián)測試示范區(qū)運(yùn)營單位主要是應(yīng)用自動(dòng)駕駛仿真測試建設(shè)虛擬測試場，基于數(shù)字孿生技術(shù)和在環(huán)測試概念建立可實(shí)現(xiàn)多級在環(huán)的虛擬測試平臺。利用仿真技術(shù)與車輛群體和信息交互相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過數(shù)學(xué)、物理或幾何計(jì)算方式，進(jìn)行多目標(biāo)群系統(tǒng)的駕駛行為和過程的仿真，建設(shè)可實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景復(fù)現(xiàn)的交通流及多自由度動(dòng)力學(xué)仿真，滿足多種工況的自動(dòng)駕駛測試平臺，為自動(dòng)駕駛產(chǎn)品開發(fā)及仿真測試完成數(shù)據(jù)和技術(shù)積累。智能網(wǎng)聯(lián)測試示范區(qū)主要有：國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（上海）試點(diǎn)示范區(qū)、國家智能汽車與智慧交通（京冀）示范區(qū)等50余家國家與地方級智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試示范區(qū)。

6 結(jié)語

自動(dòng)駕駛仿真測試復(fù)制快速、低成本、安全、高覆蓋度的道路測試，流程從工具的開發(fā)、集成、場景開發(fā)、再到測試的分析評價(jià)，按照不同測試階段及測試內(nèi)容，采用不同的測試方法，這一套合理的完整的仿真體系能加速整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)和測試并提供正反饋，伴隨著市場主體的不斷擴(kuò)大，仿真測試的真實(shí)性和有效性也將持續(xù)應(yīng)對挑戰(zhàn)，但隨著自動(dòng)駕駛產(chǎn)品開發(fā)測試運(yùn)營一體化的發(fā)展，未來自動(dòng)駕駛仿真運(yùn)用將會越來越真實(shí)有效。