王藝帆

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062，中國）

自動駕駛汽車測試體系與現狀探究

王藝帆

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062，中國）

自動駕駛汽車正處在快速商業(yè)化進程中，受到各國政府、汽車企業(yè)、科技公司高度關注。由于自動駕駛技術涉及傳感器感知、車聯網、智能控制等諸多領域新技術，國內外研發(fā)和管理機構的自動駕駛汽車測試工作面臨新的挑戰(zhàn)，存在較大提升空間。本文基于自動駕駛汽車特性，簡析其測試體系框架，并介紹了國內測試應用和相關法規(guī)標準情況。

自動駕駛；感知系統(tǒng)；交通環(huán)境；測試

自動駕駛汽車是能夠利用車載傳感器或攝像頭來感知車輛周圍環(huán)境，并根據感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，智能自主地控制車輛的轉向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，并到達預定目的地的汽車[1]。它融合了汽車電子、移動互聯、智能感知與控制等技術，最終實現部分或完全取代人類駕駛員操控車輛，應對各類交通狀況。其系統(tǒng)復雜性遠超普通汽車，也并非目前各類ADAS （Advanced Driver Assistance Systems，高級輔助駕駛系統(tǒng)）的簡單集合。如何確保復雜系統(tǒng)的安全性、可靠性，成為自動駕駛汽車從概念到量產過程中的重要挑戰(zhàn)。自動駕駛汽車測試驗證顯得尤為重要。

目前美國、英國、德國等地政府已允許無人駕駛汽車上路測試，為自動駕駛技術研發(fā)測試提供了有力保障[2]。除了公共道路測試，國內外各地也在快速建設專用測試驗證場地。但這些在開發(fā)時間、成本、靈活性方面滿足不了自動駕汽車復雜功能的開發(fā)驗證需求，在實車測試之前，系統(tǒng)設計、軟件仿真和模型驗證也十分重要。綜合以上因素，本文將介紹自動駕駛系統(tǒng)測試體系，分析測試對象、環(huán)境、內容、流程，以供相關研究借鑒。

1　測試對象

自動駕駛系統(tǒng)由一套復雜的感知、控制、執(zhí)行模塊組成，駕駛需求、外部環(huán)境作為系統(tǒng)輸入由感知模塊采集，經過控制模塊分析運算，執(zhí)行模塊操縱運行后，車輛運行狀態(tài)為系統(tǒng)輸出。車輛狀態(tài)會根據駕駛員需求和周圍環(huán)境，不斷調整更新，以保障汽車狀態(tài)安全且符合預期。自動駕駛汽車測試主要是驗證感知、控制、執(zhí)行三個系統(tǒng)的功能和安全性。

感知系統(tǒng)功能包括環(huán)境感知、內部感知、駕駛人感知，其中內部感知主要是通過車內CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）總線實時采集多個車載電子控制單元信息和各類傳感器信息，以獲取車輛狀態(tài)，包括車體（車內外溫度、空氣流量、胎壓 ），動力（油壓、轉速、機油），車輛安全（安全帶、氣囊、門窗鎖）等；駕駛人感知是通過人機交互界面或傳感器獲取駕駛人操控、手勢、語音等控制指令，以及面部表情等檢測信息，用來接收控制命令、檢測駕駛人狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)包含控制策略軟件、控制器硬件兩部分，可制定駕駛指令、規(guī)劃行駛路徑。執(zhí)行系統(tǒng)包括制動、轉向、照明、儀表盤等組成系統(tǒng)，可按照指令執(zhí)行改變車輛行駛速度和方向、車燈開閉、儀表盤顯示等操作。自動駕駛測試對象的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　自動駕駛測試對象框架圖

2　測試環(huán)境

為確保汽車性能在各種環(huán)境下均滿足用戶需求，傳統(tǒng)汽車研發(fā)過程中需進行汽車環(huán)境適應性試驗，即在各種環(huán)境條件下對整車、系統(tǒng)及零部件進行測試、驗證及相應的主觀評價，發(fā)現設計缺陷和隱患，并改進和加強防護措施。例如，通過開展高溫、高原、高寒“三高”環(huán)境適應性試驗，在特殊、苛刻環(huán)境下，對車輛綜合性能進行試驗驗證[3]。自動駕駛汽車開發(fā)不僅要經歷傳統(tǒng)環(huán)境適應性試驗，以驗證特殊氣候環(huán)境下性能，還要經歷各種交通環(huán)境適應性試驗，以驗證感知能力和智能決策能力是否能夠實現部分或完全自動行駛。

實際交通環(huán)境由各類環(huán)境元素組成，如交通信號燈、標志標線、其他交通參與者、天氣情況、交通管制等。為了提高交通環(huán)境適應性試驗測試效率、可操作性和易復現性，測試環(huán)境需基于實際交通環(huán)境，進行環(huán)境元素分類、組合以及參數化[4,5]。

（1）元素分類。根據環(huán)境元素動靜特性及含義屬性，可分為靜態(tài)元素、動態(tài)元素和事件元素三種。靜態(tài)元素是指在一定時間內無位置移動或狀態(tài)改變的、通過視覺可以感受到的區(qū)域環(huán)境元素，如道路類型、建筑物、天氣狀態(tài)等。動態(tài)元素是指一切可能影響自身車輛行駛的運動元素，如同車道車輛、路邊行人、周邊聲音等。信號元素是指通過車載網絡、V2X（車與外界）通信等方法獲取的信息元素，如車輛內部零部件故障、前方交通擁堵情況、消防車即將駛來等信息。測試環(huán)境元素分類組成如圖2所示。

（2）元素組合。在測試中，各類環(huán)境元素作為單個變量，測試環(huán)境則為多個環(huán)境元素變量的集合。通過組合不同元素、改變集合內容，可設計模擬各類交通場景。例如，建立“雨天+濕滑路面+城市道路+十字交叉路口+左轉+行人穿行”的組合，設計相應測試場景。

（3）元素參數化。根據環(huán)境元素的屬性和狀態(tài)，為元素變量定義數據類型和大小。例如，將交通信號燈定義為有三個數值的變量，分別表示紅黃綠三色；將前方車輛定義為有多個變量的數組，包含相隔距離、行駛速度等信息。參數化是對交通環(huán)境進行軟件仿真的基本流程，也是設計模擬測試場景、進行實際道路測試的重要手段。

3　測試內容

自動駕駛系統(tǒng)測試內容需圍繞系統(tǒng)目標和組成結構進行設計，以驗證系統(tǒng)功能、安全和魯棒性。系統(tǒng)目標是保證車輛可在復雜、未知、多變的交通環(huán)境下自主控制，完成各種設定的智能駕駛行為；系統(tǒng)結構由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成。測試內容應包括各子系統(tǒng)功能測試、交通環(huán)境測試，其中感知系統(tǒng)對外部環(huán)境的準確感知能力，是自動駕駛的先決條件。

圖2　測試環(huán)境元素分類

（1）子系統(tǒng)功能測試中，感知系統(tǒng)測試主要是驗證車載傳感器、車聯通信、導航定位等裝置獲取環(huán)境信息、識別復雜場景的功能；控制系統(tǒng)測試是驗證控制器軟硬件的數據融合、威脅評估、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、故障處理等功能；執(zhí)行系統(tǒng)測試是驗證車輛實時精準控制驅動與制動、電動助力轉向、自動變速器、電子穩(wěn)定系統(tǒng)等執(zhí)行機構的功能。由于子系統(tǒng)裝置和技術方案的不同，例如感知傳感器有單目雙目攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等設備種類，車聯通信有專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、LTE-V（LTE-Vehicle）等技術路線，動力系統(tǒng)有內燃機、混合動力、純電動等系統(tǒng)方案，相應的具體測試內容也會有所不同。

（2）交通環(huán)境測試是驗證車輛在各種交通環(huán)境下的智能駕駛行為，包括車道保持、遵守交通規(guī)則、遵守禮節(jié)、應對其他車輛、道路使用者、或者經常碰到的突發(fā)狀況，以測試系統(tǒng)實時感知環(huán)境信息、控制車輛實現智能駕駛的功能，和在裝置失效或者軟件錯誤時維持安全狀態(tài)的功能。智能駕駛行為測試包括檢測和響應道路環(huán)境、交通參與者、管理事件等環(huán)境元素和執(zhí)行典型行車任務，如圖3所示。維持安全狀態(tài)測試針對防止系統(tǒng)失效的冗余性設計，以及當實際情況超出系統(tǒng)能力時，由駕駛人重新接管車輛的轉換策略。

圖3　典型智能駕駛行為

4　測試流程

傳統(tǒng)汽車控制系統(tǒng)開發(fā)測試方法是典型的串行開發(fā)模式，由于存在開發(fā)效率低、測試改進困難、程序可移植性差等缺點，目前現代化開發(fā)測試已普遍采用V模式[6]。該模式由于將整個開發(fā)測試過程構造成一個V字形而得名，它大量使用計算機輔助控制系統(tǒng)設計（Computer-Aided Control System Design，CACSD），將計算機支持工作貫穿開發(fā)測試全程，使得開發(fā)、測試處在同一環(huán)境，每步開發(fā)過程都可方便驗證、快速更新。V模式開發(fā)測試流程如圖4所示，主要包括控制系統(tǒng)設計及軟件離線仿真、快速控制原型、產品代碼生成、硬件在環(huán)（Hardware In Loop，HIL）仿真測試、實車驗證測試與標定[7,8]，逐步完成了系統(tǒng)需求分析與仿真模型設計、子系統(tǒng)模型設計與原型系統(tǒng)下運行、仿真模型轉換為產品代碼、真實運行環(huán)境下子系統(tǒng)測試、整車系統(tǒng)集成測試與標定的開發(fā)測試工作。從結構角度分析，V模式左側表示系統(tǒng)功能的分析、分解與開發(fā)，右側表示系統(tǒng)功能的整合、綜合與測試；左側重在仿真模型開發(fā)，右側重在軟硬件結合測試；左右兩側有一定對應關系，使得在需求分析、系統(tǒng)設計、子系統(tǒng)設計等不同開發(fā)階段有采用相應測試驗證方案，便于實現分層測試、迭代驗證，最終完善控制系統(tǒng)。

圖4　V模式開發(fā)測試流程圖

在V模型流程下，自動駕駛系統(tǒng)測試既要驗證系統(tǒng)功能的安全、可靠，又要保證測試環(huán)境的真實、全面。按照測試技術方案，系統(tǒng)測試可分為“軟件在環(huán)（SIL）——硬件在環(huán)（HIL）——車輛在環(huán)（VIL）——試驗場地——實際道路”；按照測試場景搭建方式，又可分為“仿真軟件的模擬場景——受控場地的測試場景——公共道路的實際場景”。測試流程是一個由模擬仿真逐步面向實際應用的過程，期間通過自然駕駛數據、實際環(huán)境信息、上路測試數據的采集標定，不斷驗證和迭代完善系統(tǒng)功能。

自動駕駛測試由于要充分考慮交通環(huán)境影響，相比傳統(tǒng)V模式流程，軟件離線仿真測試、實際道路測試及數據采集在整體開發(fā)測試流程中作用更加顯著，且兩者功能相互彌補、缺一不可。軟件離線仿真可進行大量、可重復性模擬場景測試，并且可基于一個真實交通場景數據自動推演其他交通場景，實現多種環(huán)境元素可變可控，大大提高測試效率；自動駕駛系統(tǒng)主流的基于深度學習的識別和控制算法開發(fā)驗證需要大量實際交通環(huán)境、自然駕駛信息等路測采集數據，算法有效性與數據質量關系密切；實路測試是驗證系統(tǒng)功能、獲取用戶信任的必備階段，復雜、隨機的實際場景有助篩選系統(tǒng)漏洞，避免實際應用時發(fā)生交通事故。

5　測試現狀

目前，全球在自動駕駛汽車的試驗場地測試、實際道路測試、測試政策制定等方面快速建設部局，取得了顯著進展[9]。

（1）試驗場地測試。多個國家和地區(qū)均已建設自動駕駛汽車測試示范區(qū)，搭建多種道路測試場景。例如，美國州政府主導建設了兩大自動駕駛示范陣營，東部的底特律Motor City（位于密西根州）和西部的硅谷Silicon Valley（位于加利福尼亞州），分別有兩個自動駕駛汽車測試示范區(qū)。2015年，我國上海嘉定也開啟建設智能網聯汽車試點示范區(qū)，并計劃建設成為全球測試功能場景最多、DSRC和LTE-V等V2X通訊技術最豐富，覆蓋安全、效率、信息服務和新能源汽車應用四類領域的國際領先封閉測試區(qū)。

（2）實際道路測試。谷歌公司自動駕駛汽車自2012年起在美國多州上路測試，之后大眾、奔馳、特斯拉等多家汽車企業(yè)陸續(xù)開展了自動駕駛實際道路測試；特斯拉公司已為市場在售車型提供自動駕駛功能，但近期該功能在國內引發(fā)了多起傷亡事故；2016年8月，新加坡率先允許nuTonomy公司自動駕駛出租車上路營運，9月美國賓夕法尼亞州匹茲堡市也允許Uber公司提供自動駕駛汽車載客服務，但這些營運測試車上均配有安全駕駛員，隨時準備在必要時控制車輛。

（3）測試政策制定。目前，美國、歐州、日本、新加坡等國家和地區(qū)政府發(fā)布了道路測試指南，規(guī)范指導自動駕駛汽車測試。其中，美國加州政府機動車管理局于2013年提出了自動駕駛汽車道路測試規(guī)范；2014年出臺正式規(guī)定，要求每輛無人駕駛汽車必須首先獲得資質授權才能上路行駛，至今已有大眾、福特、通用、博世、谷歌以及中國百度、蔚藍在內的16家汽車廠商、科技公司獲得了加州測試牌照；2016年9月，加州政府簽訂新法案，允許自動駕駛汽車在公共道路測試時，可不配備人類駕駛員。美國聯邦高速公路管理局（NHTSA）于2013年發(fā)布了自動駕駛汽車初步政策聲明，對各州制定自動駕駛技術法規(guī)提出指導意見；2016年9月發(fā)布了《聯邦自動駕駛汽車政策指南》[10]，內容包括15項安全技術評估指南、州政府政策制定標準、NHTSA現行及未來新的現代化監(jiān)管方式，進一步完善了自動駕駛汽車測試應用管理體系，同時NHTSA表示將繼續(xù)與各方溝通，合理化、精細化指南內容，計劃一年時間內推出新版本。2016年初，我國工業(yè)和信息化部牽頭，中汽中心組織相關技術機構和汽車企業(yè)，已聯合開展了關于《智能網聯汽車使用公共道路測試管理規(guī)范》的研究工作，不久后我國也將建立測試管理制度和流程，在允許智能網聯汽車使用公共道路進行測試驗證的同時，最大程度地消除潛在風險、維護道路交通安全。

6　總結

自動駕駛技術是汽車行業(yè)和智能交通領域發(fā)展變革的新熱點，并可能成為自上世紀個人汽車普及以來最大的個人交通革命，帶來巨大的經濟和社會效益。規(guī)范完善的測試標準和管理體系是引導自動駕駛汽車設計開發(fā)，推動產品商業(yè)化，保障消費者利益和交通安全的前提。本文對自動駕駛汽車測試體系進行了初步探究，介紹了測試應用項目和法規(guī)標準。

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[6] 魏學哲，戴海峰，孫澤昌. 汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構和流程. 同濟大學學報（自然科學版）[J]. 2012(07): 1064-1070.

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[9] 陳大明，孟海華，湯天波. 全球自動駕駛發(fā)展現狀與趨勢(下). 華東科技[J], 2014(10): 68-70.

[10] Federal Automated Vehicles Policy Accelerating the Next Revolution in Roadway Safety， Washington， DC: U.S. Department of Transportation，National Highway Traffic Safety Administration，2016.

王藝帆，實習研究員，工學碩士，主要從事車輛安全性能運行安全研究，事故車輛案例深度調查，相關標準制定工作。

Research on test system and development of automated vehicles

WANG Yifan
(Road Traffic Safety Research Center of the Ministry of Public Security, Beijing 100062, China)

Automated vehicles are in the process of rapid commercialization with highly concerned by governments, auto companies, and technology companies. Because there are many new technologies integrated in the fields of automated vehicles, including sensor sensing, vehicle networking, intelligent control, and so on. It turns out many new challenges for global research and management organization in the test of automated vehicles. And there is much room for improvement in this field. Based on the characteristics of automated vehicles, this paper analyzed automated vehicles test system framework, and introduced the development of test applications and related regulatory standards, at home and abroad.

Automated vehicles; perceptual system; traffic environment; testing