自動駕駛汽車測試技術的應用探索

李朝斌

摘要：本文對自動駕駛測試標準及測試方法進行了詳細的介紹，系統(tǒng)地總結了自動駕駛測試技術的應用現(xiàn)狀，深入分析了各類自動駕駛測試方法的主要特點?；谙嚓P研究，提出了自動駕駛測試技術的發(fā)展建議。

關鍵詞：自動駕駛汽車;測試方法;測試標準

測試是自動駕駛汽車研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品質(zhì)量起著關鍵作用。自動駕駛汽車的測試需求與其搭載的自動駕駛系統(tǒng)復雜度相關，不同的測試需求需要不同測試技術滿足。根據(jù)SAE的定義，自動駕駛分L0至L5共6個級別，其中L0/L1/L2級為駕駛支持系統(tǒng)，即我們通常所講的ADAS系統(tǒng)，L3/L4/L5級為自動駕駛系統(tǒng)[1]。隨著自動駕駛等級的提升，駕駛?cè)蝿沼扇祟愸{駛員逐步向車輛轉(zhuǎn)移，其可運行環(huán)境的復雜度也不斷提升，如多變的氣象條件、道路環(huán)境以及無法預知的車輛行為等，對應的測試內(nèi)容也愈加復雜。根據(jù)美國蘭德公司的研究，要證明自動駕駛系統(tǒng)要比人類的研究能力提升20%，需要110億公里的驗證。如果采用一支擁有100輛測試車的自動駕駛車隊，7天24小時不間斷測試，需要花費大約500年的時間才能完成。如何快速的完成自動駕駛的安全驗證，是目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需解決的問題，目前行業(yè)普遍采用虛擬仿真測試、封閉場地測試和開放道路測試的測試三支柱。其中，場地測試與道路測試針對整車層面，能夠全面測試自動駕駛汽車的綜合表現(xiàn)，但覆蓋的場景工況有限，對于一些危險場景難以通過實車進行測試。仿真測試可以彌補實車測試的不足，可以覆蓋所有的測試場景，同時可以針對自動駕駛算法、軟件、硬件、子系統(tǒng)、整車等不同層級的測試對象進行測試，目前虛擬仿真測試也是開展高等級自動駕駛測試的最主要手段。

一、虛擬仿真測試

虛擬仿真測試，簡單來說就是通過傳感器仿真、車輛動力學仿真、交通流仿真、道路建模等技術模擬測試環(huán)境，讓自動駕駛汽車與算法在虛擬交通場景中進行駕駛測試，可以最大化地覆蓋各類場景，模擬在實際道路上難以開展測試的極端場景，短時間內(nèi)實現(xiàn)現(xiàn)實生活中難以達到的測試里程。根據(jù)開發(fā)測試階段及測試對象的不同，虛擬仿真測試可以分為模型在環(huán)測試、軟件在環(huán)測試、硬件在環(huán)測試和整車在環(huán)測試等測試方法，其特點也各不相同[2]，如表1所示。

1.1 模型在環(huán)、軟件在環(huán)測試

模型在環(huán)測試和軟件在環(huán)測試一般應用在自動駕駛功能開發(fā)早期階段，在沒有實物硬件的情況下，對系統(tǒng)的策略算法模型和軟件代碼進行驗證。模型在環(huán)測試是將控制算法和被控對象模型（車輛模型）連接起來，形成閉環(huán)，并變換輸入和車輛模型狀態(tài)，來對控制算法的功能進行測試。模型在環(huán)測試可以使工程師忽略無關的細節(jié)，把注意力放在最重要的部分來思考系統(tǒng)的整體設計，在編碼之前的早期開發(fā)階段就對算法模型進行測試，將產(chǎn)品的缺陷暴露在項目開發(fā)的初期。軟件在環(huán)測試是在基于自動駕駛模型自動生成的代碼或手寫的代碼進行評估，以實現(xiàn)對生成代碼的早期確認，同時可以通過算法模型和代碼的同步測試，驗證生成的代碼與算法模型的一致性。

模型在環(huán)和軟件在環(huán)測試是純軟件仿真測試的方法，無需真實車輛和硬件系統(tǒng)參與測試，可以在開發(fā)和測試過程中靈活使用，在前期開發(fā)過程中通過相關測試可以及時發(fā)現(xiàn)問題，提高整改效率。

1.2 硬件在環(huán)測試

硬件在環(huán)測試是指自動駕駛系統(tǒng)感知、決策和執(zhí)行各環(huán)節(jié)中部分采用真實部件和虛擬環(huán)境相結合的方式進行測試?？梢詥为氠槍Ω兄Q策或執(zhí)行的某項硬件進行測試，也可以將幾個硬件整合在一起進行聯(lián)合測試。目前針對攝像頭的在環(huán)測試實現(xiàn)較為容易，構建攝像頭測試黑箱，通過屏幕模擬測試場景，將被測攝像頭放置在屏幕前開展測試。超聲波雷達硬件在環(huán)測試需要專門的目標物超聲波信號模擬設備，對不同的車輛和障礙物的雷達波反射特性進行模擬，形成被測超聲波雷達的回波信號，目前單目標的反射特性模擬較為精確，但多目標的真實模擬還有難度。另外目前激光雷達、紅外攝像頭的在環(huán)測試技術手段相對復雜且成本很高，也還難以開展相關的硬件在環(huán)測試。

1.3 整車在環(huán)測試

整車在環(huán)測試，即整車作為實物硬件被連接到虛擬的測試環(huán)境中進行測試，是硬件在環(huán)測試的升級版。通過整車進行測試，可以降低模型偏差帶來的不良影響，使測試結果更加可靠。根據(jù)整車運行的環(huán)境，整車在環(huán)測試可以分為封閉場地的整車在環(huán)測試和轉(zhuǎn)轂平臺的整車在環(huán)測試[3]。

封閉場地的整車在環(huán)測試是指車輛在封閉的空曠場地上進行測試，目標車輛或行人等環(huán)境信息通過場景模擬軟件生成，并將虛擬場景的傳感器信號發(fā)送給車輛ECU，ECU根據(jù)虛擬數(shù)據(jù)進行決策規(guī)劃和任務執(zhí)行，同時場景模擬軟件讀取車輛運行數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關信息生成新的傳感器模擬信號，如此往復。

轉(zhuǎn)轂平臺的在環(huán)測試原理與封閉場地的整車在環(huán)測試一致，通過轉(zhuǎn)轂模擬了車輛的運動，因此不受場地的限制，可以模擬較大尺度的交通場景。同時受限轉(zhuǎn)轂的性能，不能模擬車輛狀態(tài)變化較為劇烈的場景。

二、封閉場地測試

仿真測試是自動駕駛汽車重要的測試手段，但由于虛擬仿真環(huán)境各環(huán)節(jié)存在誤差，無法完全模擬真實的測試場景，因此需要進行封閉場地測試。

封閉場地測試從測試車輛到測試環(huán)境均為實物，在封閉場地內(nèi)，通過柔性化的場景設計，可以在有限條件下搭建足夠豐富的測試場景。但受限場地及目標物等，封閉場地測試能夠模擬的場景豐富度遠不如虛擬仿真測試，同時，封閉場地測試的場景搭建時間場，整體測試效率較低。為提高測試效率，一般篩選最為典型和具有測試價值的場景開展封閉場地測試，降低場地測試的周期。

2.1 國內(nèi)外自動駕駛測試場地的基本情況

根據(jù)自動駕駛汽車的測試需求，目前歐美多國已經(jīng)建設了不少自動駕駛專用測試場地，如由位于英國考文垂的A StaZem智能汽車試驗場地，位于美國密西根的M-City，日本的J-City，韓國的K-City等自動駕駛汽車封閉測試場地。其中M-City[4]是最典型的自動駕駛汽車封閉測試場地，該測試場地由多種路面和道路要素構成，包含水泥、瀝青等鋪裝路面以及泥土、碎石等非鋪裝路面，在試驗區(qū)內(nèi)設置了豐富的交通標志、車道線、信號燈等道路要素，以及隧道、環(huán)島、施工區(qū)等要素，在城市場景中搭建各種模擬建筑物，還有多種停車位、城市輔助設施等自動駕駛車輛在真實世界中可能遇到的道路元素，用于測試自動駕駛車輛的應對狀況。

為加快推動國內(nèi)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提供良好的測試驗證環(huán)境和條件，工業(yè)和信息化部自2015年起先后支持建設了北京、上海、重慶、長沙等智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試示范區(qū)[5]，各測試區(qū)也建立了良好的封閉測試場地環(huán)境。上海測試區(qū)[6]測試道路總里程約3.6km，搭建了200余個測試場景，圍繞智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試，搭建了限速信息識別及響應、跟車行駛、靠路邊停車、并道行駛、超車和網(wǎng)聯(lián)通信等17個測試項目共計62個邏輯測試場景。重慶測試區(qū)測試道路里程3km，搭建了50個城市交通測試場景，其中交通安全場景35個，效率類場景3個，信息服務類場景6個，通信和定位能力測試場景6個，涵蓋了彎道、隧道、坡道、橋梁、十字交叉口場景。長沙測試區(qū)測試道路總里程12km，搭建了78個常規(guī)性智能無人測試場景，其中城市環(huán)境模擬場景33個，鄉(xiāng)村環(huán)境模擬場景13個，高速環(huán)境模擬場景6個。

2.2 測試標準

自動駕駛測試的標準還很欠缺，還沒有成熟的評測體系。但相對虛擬仿真而言，封閉場地測試的測試標準已經(jīng)初成體系。國內(nèi)外針對L0～L2級自動駕駛輔助系統(tǒng)已制定了明確的標準法規(guī)和測評規(guī)程，如ISO、NHTSA、E-NCAP、J-NCAP、CNCAP、i-VISTA、C-IASI、CCRT等，已涵蓋FCW、AEB、LDW、LKA、APS等大量ADAS功能的測評，這些測評已經(jīng)能夠有效的貫通標準場景的測試流程。

針對L3級自動駕駛功能的第一個具有約束力的國際法規(guī)《自動車道保持系統(tǒng)（ALKS）》已經(jīng)發(fā)布，該法規(guī)從系統(tǒng)安全與失效保護響應、人機界面、OEDR、DSSAD、信息安全及軟件升級等方面對ALKS提出嚴格要求，且已被《1958協(xié)定書》采用。同時國內(nèi)汽標委正在組織編寫國內(nèi)的L3級自動駕駛汽車測試的標準《智能網(wǎng)聯(lián)汽車-自動駕駛功能場地試驗方法及要求》，預計在年內(nèi)正式發(fā)布。

三、開放道路測試

開放道路測試是車輛在上市前必經(jīng)的階段，需要大量的開放道路測試驗證車輛在實際場景中的自動駕駛能力。相對虛擬仿真測試和封閉場地測試，基于復雜道路環(huán)境和其它交通參與者的不可預見性，開放道路測試過程中會出現(xiàn)很多難以預估的隨機測試場景，對于驗證自動駕駛車輛具有不可替代性。

目前美國、德國、日本等國家均允許開展自動駕駛開放道路測試，美國已有加州、徳州、俄亥俄州等20多個州允許自動駕駛開放道路測試，每年加州發(fā)布的《自動駕駛路測報告》，也是行業(yè)內(nèi)最具影響力的報告材料。目前Waymo、Uber、福特等都在持續(xù)開展自動駕駛測試，其中Waymo已經(jīng)完成了超過4000萬公里的開放道路測試。

國內(nèi)自2018年開始推動自動駕駛開放道路測試，截至2020年底，27個城市發(fā)放智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試牌照750多張[6]，全國各地指定供智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試用的路段里程超過2800公里，含北京、上海、深圳、重慶、長沙、武漢等多個城市，其中上海已累計開放243條、559.87公里測試道路，2020年全年，開放道路測試有效測試時長1.17萬小時，有效測試里程39.7萬公里，上傳第三方機構數(shù)據(jù)平臺1.68億條測試數(shù)據(jù)，累計向22家企業(yè)、152輛車頒發(fā)道路測試或示范應用資質(zhì)。

國內(nèi)經(jīng)過3年發(fā)展，已經(jīng)建立起一套自動駕駛開放道路測試管理機制，但是還未建立起完善的自動駕駛測試評價體系。同時各地支持自動駕駛開放道路測試的政策還有待進一步完善，需要在高速測試或收費運營上面持續(xù)突破。

四、總結

發(fā)展自動駕駛測試技術是智能網(wǎng)聯(lián)汽車國家戰(zhàn)略的重要支撐，目前自動駕駛測試技術仍有較大不足需要發(fā)展，一是需要完善虛擬仿真測試場景構建方法，加強硬件及整車在環(huán)仿真測試技術研究;二是需要建構高等級自動駕駛的場地及開放道路測評體系，建立相應的測試標準;三是探索大規(guī)模的自動駕駛汽車商業(yè)化示范應用，推動自動駕駛快速落地。

參考文獻

[1]Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles：Standard J3016 [S]，Warrendale：SAE International，2021

[2]2020中國自動駕駛仿真藍皮書，中國電動汽車百人會

[3]符曉明.自動駕駛汽車測試技術與應用進展分析[J].內(nèi)燃機與配件，2020（19）：217-218.

[4]BRIEFS U.Mcity grand opening [J ].The UMTRI Research Review，2015，46 （3 ）：1

[5]陳桂華，于勝波，李喬，等 中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試示范區(qū)發(fā)展調(diào)查研究[J].汽車工程學報，2020，10（2）：79-87

[6]于勝波，陳桂華，李喬，等 國內(nèi)外智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試對比研究[J].汽車文摘，2020，02：29-36