孫揚(yáng)，陳慧巖

(1.河北工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 邯鄲056038;2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

0 引言

預(yù)先制定好的測(cè)評(píng)體系可以很好地調(diào)動(dòng)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)無(wú)人地面車輛某些關(guān)鍵技術(shù)及智能行為的研究熱情，明確相關(guān)技術(shù)的指標(biāo)，從而引導(dǎo)無(wú)人地面車輛技術(shù)的快速發(fā)展。

20 世紀(jì)90年代無(wú)人地面車輛的測(cè)試和評(píng)價(jià)得到了美國(guó)軍方的推動(dòng)。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DARPA)在PerceptOR 項(xiàng)目中進(jìn)行了無(wú)人地面車輛環(huán)境感知能力的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)［1］。此實(shí)驗(yàn)選擇了美國(guó)6 個(gè)具有代表意義的環(huán)境展開測(cè)試，對(duì)無(wú)人地面車輛在樹林、沙漠、草地、山區(qū)等多種地形下的工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。此后DARPA 組織了3 屆無(wú)人地面車輛比賽，分別是2004年［2］、2005年的越野挑戰(zhàn)賽［1］和2007年的城市挑戰(zhàn)賽［3-4］，均受到了這個(gè)項(xiàng)目測(cè)試評(píng)價(jià)的影響，測(cè)試完全是第三方的測(cè)試，測(cè)試環(huán)境和測(cè)試內(nèi)容對(duì)于參賽車隊(duì)是完全未知的，比賽以完成所有規(guī)定項(xiàng)目所消耗時(shí)間的長(zhǎng)短作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。2005年9月，澳大利亞在智能交通系統(tǒng)(ITS)領(lǐng)域開展了名為SmartDemo 的賽事［5］，側(cè)重于試驗(yàn)近10年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的全球在車輛主動(dòng)安全領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展。2006年5月，歐洲也舉辦了第1 屆類似于DARPA 越野挑戰(zhàn)賽、以軍方為背景的地面機(jī)器人試驗(yàn)(ELROB)［6］，與美國(guó)的挑戰(zhàn)賽不同，歐洲的比賽更加強(qiáng)調(diào)自主性。2007年8月，歐洲又舉辦了面向城市環(huán)境C-ELROB 的比賽，測(cè)試環(huán)境中設(shè)計(jì)了針對(duì)城市環(huán)境的多種場(chǎng)景，考察無(wú)人地面車輛在未知環(huán)境中感知、導(dǎo)航和控制的能力，要求參賽車輛能夠在指定的未知環(huán)境中自主駕駛和采集相關(guān)指定信息。此后，ELROB 比賽環(huán)境根據(jù)任務(wù)分民用和軍用而不同，并每年交替進(jìn)行。2011年荷蘭舉辦車輛協(xié)同競(jìng)賽，利用車間距離等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)人地面車輛縱向控制和協(xié)作的性能［7］。比賽的目的是無(wú)人地面車輛在自主行駛的基礎(chǔ)上加快實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的互操作性，提高合作駕駛，并著眼于實(shí)時(shí)應(yīng)用，以改善交通流量，減少交通擁堵。

為了推動(dòng)和促進(jìn)視聽覺(jué)信息認(rèn)知計(jì)算模型、關(guān)鍵技術(shù)與驗(yàn)證平臺(tái)研究的創(chuàng)新與發(fā)展，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)相關(guān)學(xué)部與重大研究計(jì)劃指導(dǎo)專家組舉辦了以階段科研成果檢查為目的的競(jìng)技比賽“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”，這也是重大項(xiàng)目階段性研究成果的集中體現(xiàn)。第1 屆“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”(FC2009)在中國(guó)無(wú)人地面車輛發(fā)展史上具有里程碑的意義。它是中國(guó)對(duì)于無(wú)人地面車輛首次第三方測(cè)試賽，推動(dòng)了中國(guó)無(wú)人地面車輛駛出實(shí)驗(yàn)室、駛向?qū)嶋H環(huán)境。同時(shí)，它也打破了過(guò)去那種自行研發(fā)、自行測(cè)試的無(wú)人地面車輛研制模式［8］。此后連續(xù)舉辦了4 屆“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”［9］。

本課題組圓滿完成了2010年、2011年、2012年、2013年“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”的比賽設(shè)計(jì)及測(cè)評(píng)任務(wù)，參與了測(cè)試環(huán)境、測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試方法、評(píng)價(jià)方法、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等的設(shè)計(jì)和實(shí)施工作。無(wú)人地面車輛的測(cè)評(píng)體系包括:測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法、評(píng)價(jià)方法。本文從以上4 個(gè)方面介紹無(wú)人地面車輛測(cè)評(píng)體系的研究，并以2013“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”為例，介紹其測(cè)評(píng)體系的設(shè)計(jì)。

1 分層次的測(cè)試內(nèi)容設(shè)計(jì)

無(wú)人地面車輛的智能水平是逐步發(fā)展的，其認(rèn)知能力也是分層次的，這就要求無(wú)人地面車輛的測(cè)試內(nèi)容也對(duì)應(yīng)有分階段、分層次的變化，體現(xiàn)出從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由易到難的發(fā)展過(guò)程。對(duì)于無(wú)人地面車輛的基本能力測(cè)試，可設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的測(cè)試內(nèi)容;針對(duì)無(wú)人地面車輛高級(jí)、復(fù)雜的認(rèn)知能力測(cè)試，則可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容。

基于智能行為的要求，同時(shí)考慮到測(cè)試安全，并根據(jù)自然環(huán)境感知和智能行為決策的復(fù)雜度，分5 個(gè)層次進(jìn)行考核。分別為:基本車輛控制行為，基本行車行為，基本交通行為，高級(jí)行車行為，高級(jí)交通行為，如圖1所示。

圖1 分層次的測(cè)試內(nèi)容Fig.1 Hierarchical test content

2 測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

無(wú)人地面車輛在復(fù)雜、未知環(huán)境下的智能行為測(cè)試是無(wú)人地面車輛開發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人地面車輛環(huán)境感知、行為決策等關(guān)鍵技術(shù)研究水平進(jìn)行科學(xué)公正評(píng)價(jià)的重要手段。為保證智能行為測(cè)試的科學(xué)性、可重復(fù)性、安全性，必須基于無(wú)人地面車輛智能行為測(cè)試內(nèi)容研究測(cè)試環(huán)境的設(shè)計(jì)。

通過(guò)分析測(cè)試環(huán)境與無(wú)人地面車輛智能行為的相互關(guān)系，研究測(cè)試環(huán)境要素定義及分類，建立測(cè)試環(huán)境模型。結(jié)合無(wú)人地面車輛的發(fā)展趨勢(shì)、測(cè)試目標(biāo)和內(nèi)容，分析測(cè)試環(huán)境的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)分階段的測(cè)試環(huán)境。測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)的方法如圖2所示。

2.1 建立測(cè)試環(huán)境模型

通過(guò)分析環(huán)境要素與無(wú)人地面車輛關(guān)鍵技術(shù)、智能行為能力之間的關(guān)系，對(duì)環(huán)境的影響因素進(jìn)行分類，定義各類基本環(huán)境要素及其組成?；经h(huán)境要素可分為道路環(huán)境要素、與交通規(guī)則相關(guān)環(huán)境要素、障礙物環(huán)境要素、聽覺(jué)環(huán)境要素、光照環(huán)境要素、工作條件環(huán)境要素等類型，通過(guò)組合各類環(huán)境要素，研究各種真實(shí)道路環(huán)境的建立，形成測(cè)試環(huán)境理論模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的準(zhǔn)確模擬。測(cè)試環(huán)境理論模型構(gòu)建的研究方案如圖3所示。

圖2 測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)Fig.2 Design of test environment

2.2 分層次測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

圖3 測(cè)試環(huán)境模型的構(gòu)建Fig.3 Test environment model

根據(jù)無(wú)人地面車輛測(cè)試內(nèi)容的層次性要求，研究測(cè)試環(huán)境的多層次(復(fù)雜度)設(shè)計(jì)方法。對(duì)于無(wú)人地面車輛的基本能力測(cè)試，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的測(cè)試環(huán)境。針對(duì)無(wú)人地面車輛高級(jí)、復(fù)雜的認(rèn)知能力測(cè)試，通過(guò)組合不同類型的環(huán)境要素及環(huán)境先驗(yàn)知識(shí)設(shè)計(jì)復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境。針對(duì)某項(xiàng)測(cè)試模塊設(shè)計(jì)不同層次的測(cè)試環(huán)境，逐步提高測(cè)試的難度。

如車道保持是無(wú)人地面車輛的基本能力，對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)只需包括單一車道線要素，為提高車道保持能力的測(cè)試難度，通過(guò)增加標(biāo)線污損要素、雨天環(huán)境要素可進(jìn)一步考核無(wú)人地面車輛車道保持能力的魯棒性。

針對(duì)無(wú)人地面車輛復(fù)雜的超車能力測(cè)試，通過(guò)組合多車道線環(huán)境要素、動(dòng)態(tài)車輛環(huán)境要素等設(shè)計(jì)測(cè)試環(huán)境，其中動(dòng)態(tài)車輛的行駛速度應(yīng)根據(jù)被測(cè)車輛的速度而確定。

針對(duì)無(wú)人地面車輛遵守交通標(biāo)志通過(guò)路口的測(cè)試，通過(guò)組合交通標(biāo)志詳細(xì)位置、具體類型等不同先驗(yàn)知識(shí)設(shè)計(jì)多層次的測(cè)試環(huán)境。在測(cè)試環(huán)境中提供交通標(biāo)志設(shè)置位置信息，可降低檢測(cè)交通標(biāo)志能力的測(cè)試要求，提供交通標(biāo)志類型信息，可降低識(shí)別交通標(biāo)志能力的測(cè)試要求。改變測(cè)試環(huán)境的已知先驗(yàn)知識(shí)，使測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜度產(chǎn)生變化，逐步降低無(wú)人地面車輛遵守交通標(biāo)志通過(guò)路口測(cè)試的難度，而在環(huán)境設(shè)計(jì)中增加通過(guò)路口的其他動(dòng)態(tài)車輛環(huán)境要素，又可對(duì)無(wú)人地面車輛的環(huán)境感知和控制決策能力提出更高的要求。

3 測(cè)試方法

無(wú)人地面車輛的智能測(cè)試是無(wú)人地面車輛開發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人地面車輛環(huán)境感知、行為決策等關(guān)鍵技術(shù)研究水平進(jìn)行科學(xué)公正評(píng)價(jià)的重要手段。測(cè)試數(shù)據(jù)的采集需要在不限制被測(cè)試無(wú)人地面車輛的開發(fā)手段、不干擾被測(cè)試無(wú)人地面車輛行駛及其任務(wù)執(zhí)行的原則下進(jìn)行。

3.1 多平臺(tái)多傳感器融合測(cè)試技術(shù)

采用靜態(tài)平臺(tái)與移動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合的多平臺(tái)多傳感器融合測(cè)試技術(shù)，如圖4所示。針對(duì)無(wú)人地面車輛的考核要求，在各種道路測(cè)試環(huán)境中相應(yīng)地點(diǎn)設(shè)置靜態(tài)測(cè)試設(shè)備，各靜態(tài)測(cè)試設(shè)備包括無(wú)線或有線通信裝置，可將測(cè)試信息實(shí)時(shí)傳輸至比賽裁判區(qū)。在移動(dòng)平臺(tái)上安裝有攝像頭、激光雷達(dá)、無(wú)線通信裝置等，跟隨在被測(cè)無(wú)人地面車輛的后方。移動(dòng)平臺(tái)上的GPS/慣性導(dǎo)航組合定位裝置用于采集移動(dòng)平臺(tái)的行駛軌跡，軌跡的測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到厘米級(jí)。激光雷達(dá)用于測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)和前方無(wú)人地面車輛的間距及速度差，綜合移動(dòng)平臺(tái)的行駛軌跡及移動(dòng)平臺(tái)和無(wú)人地面車輛的相互位置關(guān)系，推算無(wú)人地面車輛的行駛軌跡。移動(dòng)車輛上的攝像頭對(duì)無(wú)人地面車輛的行駛過(guò)程進(jìn)行全程拍攝。無(wú)線通信裝置將拍攝圖像、推算的無(wú)人地面車輛行駛狀態(tài)信息發(fā)送至比賽裁判區(qū)。

圖4 多平臺(tái)多傳感器測(cè)試Fig.4 Test technology based on multiplatform and multisensor

3.2 無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)

為了給“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”比賽結(jié)果評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持，并用于最終的比賽結(jié)果認(rèn)定，以保證比賽的公正性，建立了移動(dòng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人地面車輛測(cè)試比賽全部過(guò)程和測(cè)試點(diǎn)、測(cè)試路段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集比賽視頻圖像。根據(jù)無(wú)線圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和要求，需要在車與臨時(shí)監(jiān)控中心之間實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳輸。在傳輸?shù)倪^(guò)程中需要建立一套高效、穩(wěn)定的無(wú)線移動(dòng)監(jiān)控圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中移動(dòng)圖像傳輸技術(shù)是系統(tǒng)建設(shè)成敗的關(guān)鍵。

采用編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)圖像傳輸設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)圖像通過(guò)無(wú)線信道傳輸?shù)脚R時(shí)監(jiān)控中心。利用視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將無(wú)線圖像傳輸設(shè)備傳輸?shù)臒o(wú)人地面車輛的實(shí)時(shí)圖像通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端，客戶端便可在任何地方通過(guò)上網(wǎng)來(lái)瀏覽圖像。采用SV04 四路視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過(guò)以太網(wǎng)將實(shí)時(shí)的圖像進(jìn)行傳輸。無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)如圖5所示。

3.3 應(yīng)答式交互測(cè)試系統(tǒng)

研究車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集被測(cè)試無(wú)人地面車輛在比賽過(guò)程中與導(dǎo)航、環(huán)境感知、控制與決策能力有關(guān)的所有過(guò)程數(shù)據(jù)和中間輸出結(jié)果。以停車線停車為例，無(wú)人地面車輛在一定距離外檢測(cè)到停車線后，開始減速，然后在停車線1 m 內(nèi)停住。在這一過(guò)程中，無(wú)人地面車輛檢測(cè)到停車線時(shí)距停車線的距離、當(dāng)時(shí)的車速、檢測(cè)到的停止線圖像、減速指令、車停住時(shí)距停車線的距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)及中間結(jié)果必須輸出到車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)Fig.5 Real-time image monitoring and display system

建立統(tǒng)一的通信協(xié)議(如USB 接口、串口通信、TCP/IP 通信)和握手機(jī)制，保證測(cè)試的公平、公正、可操作性。當(dāng)然，為了避免被測(cè)試無(wú)人地面車輛本身輸出的數(shù)據(jù)有誤，對(duì)于一些重要數(shù)據(jù)，需要在外部測(cè)試地點(diǎn)采取相配合的測(cè)試手段。如停車線停車，在無(wú)人地面車輛停止后，可由人工進(jìn)行測(cè)量它與停車線的實(shí)際距離，此時(shí)，車載采集數(shù)據(jù)僅作為參考數(shù)據(jù)。

通過(guò)采用這種應(yīng)答式的交互測(cè)試方法，使對(duì)無(wú)人地面車輛認(rèn)知能力的測(cè)試不僅僅局限于其外在行為(如是否停車)，還可以探尋到無(wú)人地面車輛的內(nèi)部(即整個(gè)停車的過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)的)，從而為科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)提供了重要依據(jù)。

4 評(píng)價(jià)方法

本課題組在無(wú)人地面車輛定量評(píng)價(jià)方面作出了一些嘗試，起初采用數(shù)學(xué)方法對(duì)無(wú)人地面車輛的U 型轉(zhuǎn)彎、自動(dòng)泊車這兩項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行了定量的評(píng)價(jià)［10］，后來(lái)提出了基于指標(biāo)成本導(dǎo)向的無(wú)人地面車輛定量評(píng)價(jià)方法［11］和基于模糊層次分析法的無(wú)人地面車輛行為定量評(píng)價(jià)［12］。這些方法雖然實(shí)現(xiàn)了無(wú)人地面車輛的定量評(píng)價(jià)，但是采用的層次分析法在確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重時(shí)還存在需要模糊判斷矩陣明確化和需要一致性檢驗(yàn)等缺點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，課題組提出了模糊可拓展層次分析法。各個(gè)指標(biāo)權(quán)重的確定考慮了人們判斷的模糊性和決策者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。這種評(píng)價(jià)方法不僅考慮了完成任務(wù)的時(shí)間，也考慮了各級(jí)指標(biāo)的完成質(zhì)量。評(píng)價(jià)結(jié)果不僅考慮了所有因素的影響，而且保留了各級(jí)評(píng)價(jià)的全部信息。這就引導(dǎo)參賽車輛朝著高技術(shù)的方向發(fā)展。

4.1 指標(biāo)評(píng)價(jià)體系建立

無(wú)人地面車輛智能行為的評(píng)價(jià)是一類多級(jí)綜合評(píng)價(jià)的問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)無(wú)人地面車輛自然環(huán)境感知和智能行為決策的復(fù)雜度劃分成不同的評(píng)價(jià)層次。無(wú)人地面車輛智能行為的評(píng)價(jià)指標(biāo)較為繁雜，根據(jù)全面性原則，初選指標(biāo)允許難以操作或不可操作的指標(biāo)存在，只求全而不求優(yōu)，再逐步篩選優(yōu)化。對(duì)于無(wú)人地面車輛的綜合評(píng)價(jià)，以核心指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)輸出，其他指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，建立前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)刻畫出輸入和輸出之間的相關(guān)性。進(jìn)而合理選擇需要的指標(biāo)變量，排除不合理的指標(biāo)變量。由于無(wú)人地面車輛技術(shù)在不斷發(fā)展，對(duì)于無(wú)人地面車輛智能行為的評(píng)價(jià)按照分層次的評(píng)價(jià)思路，確定一個(gè)能科學(xué)、客觀且盡可能全面反映對(duì)象目標(biāo)特性的評(píng)價(jià)層次，包括:評(píng)價(jià)目標(biāo)、評(píng)價(jià)方面、評(píng)價(jià)因素。在車輛控制行為、基本行車行為、基本交通行為、高級(jí)行車行為、高級(jí)交通行為等5 大指標(biāo)和18 個(gè)次級(jí)指標(biāo)的基礎(chǔ)上建立無(wú)人地面車輛智能行為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和遞階層次關(guān)系。這樣通過(guò)對(duì)各級(jí)指標(biāo)和次級(jí)指標(biāo)量化，可以直觀地得出無(wú)人地面車輛哪幾項(xiàng)指標(biāo)存在不足，指出以后改進(jìn)的方向。層次分析結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無(wú)人地面車輛智能行為評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.6 Evaluation index system of unmanned ground vehicles

4.2 可拓層次分析法

可拓展層次分析法引入可拓展理論，用區(qū)間數(shù)代替點(diǎn)值數(shù)構(gòu)造可拓展判斷矩陣，克服了層次分析法在解決專家經(jīng)驗(yàn)判斷的模糊性問(wèn)題，不需要判斷矩陣的一致性，有效避免了層次分析法中的大量試算工作，更加合理地確定無(wú)人地面車輛智能行為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

4.2.1 構(gòu)造可拓判斷矩陣

采用美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty 提出的互反性1 ～9 標(biāo)度法作為可拓區(qū)間層次分析法的標(biāo)量化方法。構(gòu)建可拓區(qū)間判斷矩陣其中是一個(gè)可拓區(qū)間數(shù)分別為判斷矩陣第i 行、第j 列可拓區(qū)間元素的下、上端點(diǎn)。

4.2.2 計(jì)算綜合可拓判斷矩陣和權(quán)重矢量

對(duì)可拓區(qū)間數(shù)判斷矩陣A = (A-，A+)，其中A-為區(qū)間下端點(diǎn)構(gòu)成的矩陣，A+為區(qū)間上端點(diǎn)構(gòu)成的矩陣，求其滿足一致性條件權(quán)重矢量的步驟如下。

步驟1 求A-、A+的最大特征值所對(duì)應(yīng)的具有正分量的歸一化特征矢量x-、x+.

式中:q、m 分別為滿足0 ＜qx-≤mx+的全體正實(shí)數(shù)。

步驟3 判斷矩陣的一致性。若0≤q≤1≤m，則說(shuō)明可拓區(qū)間判斷矩陣的一致性較好。

步驟4 求出

4.2.3 層次單層排序

式中:Pi表示某層上第i 個(gè)因素對(duì)上一層次上的某個(gè)因素的單排序，經(jīng)歸一化后得到的P = (P1，P2，…，Pn)T，表示某層上各因素對(duì)上一層次上的某個(gè)因素的單排序權(quán)重矢量;表示兩個(gè)單層權(quán)重矢量可拓區(qū)間數(shù)的下、上端點(diǎn)。

4.2.4 層次總排序

如果k-1 層對(duì)總目標(biāo)的排序權(quán)重矢量為W(k-1)=那么第k 層上全體元素對(duì)總目標(biāo)的合成排序Wk由(5)式給出:

并且一般地有W(k)=P(k)P(k-1)…P(3)W(2)，這里W(2)實(shí)際上就是單項(xiàng)排序矢量。

4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

4.3.1 單因素模糊綜合評(píng)價(jià)

進(jìn)行單因素模糊綜合評(píng)價(jià)的基本步驟如下。

步驟1 確定因素集U = {u1，u2，…，ui，…，un}.

步驟2 確定評(píng)價(jià)集V={v1，v2，…，vj，…，vl}.

步驟3 給出單因素的評(píng)判矩陣:即對(duì)單個(gè)因素ui，i=1，2，…，n，的評(píng)判，得到V 上的模糊集(ri1，ri2，…，ril)，其中ri1表示ui對(duì)v1的隸屬度，則評(píng)判矩陣為

步驟4 確定權(quán)重和單因素模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

4.3.2 模糊綜合評(píng)判

二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型為

式中:Wi為第i 個(gè)因素的等級(jí)權(quán)重集，Wi=(wi1，wi2，…win)，Bi為第i 個(gè)因素的二級(jí)模糊評(píng)判結(jié)果，M 為各因素之間的模糊綜合評(píng)判結(jié)果。

4.3.3 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)

若用總分?jǐn)?shù)表示綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，則根據(jù)越大越好的原則，可取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集為μ = (高，較高，一般，較低，低)并附相應(yīng)分值，如μ = (1.0，0.8，0.6，0.4，0.2)，則各級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)得分為

5 “中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”設(shè)計(jì)

本課題組完成了4 屆“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”比賽設(shè)計(jì)及評(píng)測(cè)任務(wù)，歷屆測(cè)試內(nèi)容見表1. 交通標(biāo)志的數(shù)量是逐年遞增的。由識(shí)別靜態(tài)交通標(biāo)志到行駛中識(shí)別交通標(biāo)志，由避讓靜態(tài)障礙物到超車、合流，難度也是逐年遞增的?！爸袊?guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”測(cè)試環(huán)境由前兩屆比賽的模擬交通場(chǎng)景到后來(lái)的真實(shí)的城區(qū)道路環(huán)境;由城區(qū)道路環(huán)境到鄉(xiāng)村道路環(huán)境。由此可以看出“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試環(huán)境的設(shè)計(jì)是結(jié)合中國(guó)無(wú)人地面車輛技術(shù)的發(fā)展水平設(shè)計(jì)的，體現(xiàn)出從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由易到難的分層次變化。

表1 “中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”測(cè)試內(nèi)容Tab.1 The test content of FC

2013年11月2 ～4日，由國(guó)家自然科學(xué)基金委主辦，常熟市人民政府承辦的第5 屆“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”在江蘇常熟市進(jìn)行。課題組根據(jù)無(wú)人地面車輛測(cè)評(píng)體系的研究對(duì)比賽進(jìn)行了測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。比賽包括城郊道路測(cè)試(約為18 km)和城區(qū)道路測(cè)試(約為5 km)兩部分，均是真實(shí)的城郊道路和城區(qū)道路。城郊道路測(cè)試包括動(dòng)態(tài)干擾車、信號(hào)燈識(shí)別、施工繞行、靜態(tài)障礙物識(shí)別等自主駕駛行為測(cè)試，如圖7所示。城區(qū)道路測(cè)試包括躲避過(guò)街行人、U 型轉(zhuǎn)彎、交通標(biāo)志識(shí)別等自主駕駛行為測(cè)試，如圖8所示。本課題組研制的移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)-測(cè)試裁判車平臺(tái)(如圖9所示)搭載了視頻圖像信息采集系統(tǒng)、高精度GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)等，完成了參賽車輛比賽過(guò)程的實(shí)時(shí)、全方位的監(jiān)測(cè)任務(wù)，客觀、詳細(xì)地記錄了參賽車輛的自主行駛、違反交通標(biāo)志標(biāo)線及交通信號(hào)燈、人工干預(yù)等情況，保障了裁判工作的專業(yè)性和公正性，方便裁判記錄與核定參賽車隊(duì)各項(xiàng)成績(jī)。

圖7 城郊路段測(cè)試內(nèi)容Fig.7 Test content on suburban road

圖8 城市道路測(cè)試內(nèi)容Fig.8 Test content on urban road

圖9 移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)Fig.9 Moving test platform

2013年“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”的比賽測(cè)試場(chǎng)景見圖10 ～圖12，分別為:施工繞行、避讓靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)干擾合流。無(wú)人地面車輛的評(píng)價(jià)方法按照4S(即安全性(Safety)、智能(Smartness)、平穩(wěn)性(Smoothness)和速度(Speed))標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)無(wú)人地面車輛完成測(cè)試任務(wù)情況。每輛參賽車的得分以完成任務(wù)總時(shí)間、考點(diǎn)得分、人工干預(yù)次數(shù)3 項(xiàng)成績(jī)分別排序，按照各項(xiàng)排序確定單項(xiàng)成績(jī)排名，最終按照3 項(xiàng)排序序號(hào)之和的平均值確定綜合排名。綜合測(cè)試了無(wú)人地面車輛的智能水平。表2是按照“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”的評(píng)價(jià)規(guī)則得到的評(píng)價(jià)結(jié)果。雖然實(shí)現(xiàn)了無(wú)人地面車輛的定量評(píng)價(jià)，但是并未指出其中哪項(xiàng)指標(biāo)的不足和以后需要改進(jìn)的方向，不利于無(wú)人地面車輛關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。表3是基于模糊可拓展層次分析法的無(wú)人地面車輛評(píng)價(jià)，不僅可以對(duì)無(wú)人地面車輛各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且能夠?qū)o(wú)人地面車輛進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖10 施工繞行Fig.10 Bypassing the road construction

圖11 避讓靜態(tài)車輛Fig.11 Avoiding the static vehicle

現(xiàn)以2013年“中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽”某車隊(duì)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為例，介紹基于模糊可拓展層次分析法評(píng)價(jià)的過(guò)程。

無(wú)人地面車輛智能水平的評(píng)價(jià)過(guò)程從末級(jí)開始逐級(jí)向更高一級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先從“基本行車行為”評(píng)價(jià)方面車道直道保持要素開始。

車道直道保持:G21=100B21μ =92.

依次評(píng)價(jià)“限速”、“避讓靜態(tài)障礙”、“U 型轉(zhuǎn)彎”評(píng)價(jià)因素，得到G22、G23、G24，進(jìn)而對(duì)評(píng)價(jià)方面“基本行車行為”量化評(píng)價(jià)。

基本行車行為:G2=100B2μ =74.28.

各個(gè)評(píng)價(jià)方面完成評(píng)價(jià)后，得到G1、G3、G4、G5，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人地面車輛的定量評(píng)價(jià)。

綜合評(píng)價(jià):G=100Bμ =58.382.

完備的測(cè)評(píng)體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人地面車輛的評(píng)價(jià)，找出了其中的不足，引導(dǎo)了無(wú)人地面車輛關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展。

圖12 交叉路口合流Fig.12 Intersection merging

表2 FC2013 比賽結(jié)果Tab.2 The competition results of FC2013

6 總結(jié)

本文從測(cè)試內(nèi)容設(shè)計(jì)、測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)、測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法4 個(gè)方面闡述了無(wú)人地面車輛測(cè)評(píng)體系的研究。在未來(lái)比賽中需要充分考慮我國(guó)無(wú)人地面車輛技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)具有可行性的測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試環(huán)境、研究相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)及評(píng)價(jià)方法，還需要面向未來(lái)無(wú)人地面車輛技術(shù)的發(fā)展，建立相對(duì)完備的測(cè)評(píng)體系。通過(guò)在規(guī)范的測(cè)試環(huán)境中對(duì)無(wú)人地面車輛運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和智能性進(jìn)行評(píng)測(cè)，可以科學(xué)準(zhǔn)確地考核無(wú)人地面車輛智能水平，又可以規(guī)范無(wú)人地面車輛技術(shù)的研究，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)研究人員的研究熱情，促進(jìn)無(wú)人地面車輛技術(shù)的快速發(fā)展，為無(wú)人地面車輛盡早跨入實(shí)用階段創(chuàng)造條件。

表3 基于模糊可拓展層次分析法的無(wú)人地面車輛評(píng)價(jià)Tab.3 The evaluation of unmanned ground vehicle based on Fuzzy-EAHP method

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