和福建，張晉崇，石 娟

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與人、車、路、云端等智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實(shí)現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，并最終可實(shí)現(xiàn)替代人來操作的新一代汽車［1］。依據(jù)IHS Automotive的預(yù)測數(shù)據(jù)，2035年智能網(wǎng)聯(lián)汽車的銷量將接近2100萬輛，其中中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車銷量有望達(dá)到570萬輛，超過美國的450萬輛、西歐的300萬輛，成為全球最大的市場，如圖1所示。智能網(wǎng)聯(lián)汽車如何進(jìn)行測試是目前公認(rèn)的難題，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展中急需解決的問題。為了保證智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全性和驗證自動駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性、合理性，可以從智能網(wǎng)聯(lián)汽車功能、性能、安全、穩(wěn)定、舒適性和魯棒性等方面進(jìn)行測試。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試方法主要包括仿真測試和實(shí)車測試。仿真測試主要有軟件在環(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）等方法。實(shí)車測試主要包括封閉場地測試和開放道路測試。實(shí)車測試是最真實(shí)的測試方法，但其缺點(diǎn)也最明顯，效率低、可重復(fù)性差、靈活性差、反饋不及時等，如表1所示。

圖1 2035年全球主要地區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)汽車銷量

表1 不同測試方法的特點(diǎn)

對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的測試主要有傳感器 （攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等）、執(zhí)行器、算法、人機(jī)交互界面以及封閉場地測試、公共道路測試等。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全可分為主動安全、被動安全、功能安全、預(yù)期功能安全和信息安全。其中，主動安全主要是對車輛主動的加以干預(yù)，減少和避免事故的發(fā)生；被動安全主要是事故發(fā)生后減少人身、財產(chǎn)的傷害，如安全玻璃、安全氣囊、安全座椅等；功能安全主要是由于系統(tǒng)、硬件故障或軟件失效而產(chǎn)生的危險；預(yù)期功能安全主要是在車輛無故障情況下，由于環(huán)境感知或執(zhí)行系統(tǒng)不符合預(yù)期而產(chǎn)生的危險；信息安全主要是保障車輛信息的機(jī)密性、完整性、可用性、可認(rèn)證性和可審計性［2］。以下情況的發(fā)生可能會產(chǎn)生預(yù)期功能安全：一是自動駕駛系統(tǒng)由于道路環(huán)境、天氣等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地進(jìn)行感知、決策及控制；二是自動駕駛系統(tǒng)測試場景不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)不能準(zhǔn)確識別環(huán)境要素；三是自動駕駛系統(tǒng)功能決策邏輯設(shè)計不合理，導(dǎo)致決策錯誤；四是網(wǎng)聯(lián)通信預(yù)警信息傳輸不正確，導(dǎo)致智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信錯誤；五是自動駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)能力不足，導(dǎo)致運(yùn)動控制不準(zhǔn)確。

為了保證智能網(wǎng)聯(lián)汽車在使用中的安全性，智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)設(shè)置有保障機(jī)制。保障機(jī)制定義為當(dāng)自動駕駛系統(tǒng)發(fā)生故障或車輛安全無法保證時應(yīng)能夠通過某種方式提示駕駛?cè)诉M(jìn)行人工接管或自動進(jìn)入最小風(fēng)險狀態(tài)。對人工操作接管測試主要包括：智能網(wǎng)聯(lián)汽車能夠識別自動駕駛系統(tǒng)功能失效、硬件故障或處于設(shè)計邊界等情況，應(yīng)能安全退出自動駕駛系統(tǒng)同時提醒駕駛?cè)私庸?；智能網(wǎng)聯(lián)汽車如遇通信信息丟失、接收錯誤信息無法準(zhǔn)確識別等故障時，應(yīng)能安全退出自動駕駛系統(tǒng)同時提示駕駛?cè)私庸?。同時，對于接管提醒已發(fā)出而駕駛?cè)宋茨芗皶r進(jìn)行接管或高級別的智能網(wǎng)聯(lián)汽車內(nèi)無駕駛?cè)说那闆r，智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)擁有自動進(jìn)入最小風(fēng)險狀態(tài)的能力。

1 仿真測試

1.1 測試場景

在仿真測試中，測試場景是開展仿真測試的基礎(chǔ)，而測試場景架構(gòu)的確定是測試場景的前提。從測試場景層次架構(gòu)分析，可由道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交通流以及動態(tài)情景3部分構(gòu)成。從測試場景三維架構(gòu)分析，測試場景是行駛場合和駕駛情景的組合，在不同的天氣下，由不同駕駛工況 （高速、城市、鄉(xiāng)村等）與駕駛?cè)蝿?wù)、駕駛速度等構(gòu)成。

測試場景應(yīng)具有一致性、可通過具體的數(shù)值進(jìn)行描述、機(jī)器可讀性。為了解決傳統(tǒng)測試場景構(gòu)建方法存在的效率低、適應(yīng)性差、場景數(shù)量有限等問題，可以從以下方面出發(fā)，搭建符合中國實(shí)際情況的測試場景：一是從安全駕駛等方面建立基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車考試的測試場景；二是從法律法規(guī)和事故等方面，建立基于交通事故與違法情景的測試場景；三是從典型道路環(huán)境、天氣及光照等方面，建立基于道路交通情景的測試場景。

當(dāng)前，測試場景庫的建設(shè)尤為重要。首先需要解決的問題就是統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式。然后豐富場景庫的數(shù)據(jù)來源，如國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)場景、駕駛模擬器場景、自然駕駛場景、事故場景等。場景庫的建設(shè)可以為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的研發(fā)和測試提供巨大的支撐。

圖2 自動駕駛系統(tǒng) “V”模型開發(fā)示意圖

1.2 軟件在環(huán)

軟件在環(huán)是指在系統(tǒng)代碼級別進(jìn)行功能測試，通過輸入大量測試場景，可快速、高效地驗證自動駕駛系統(tǒng)環(huán)境感知算法、決策控制算法等［3］。在目前系統(tǒng)開發(fā)中“V”模型被普遍采用，軟件在環(huán)測試由于成本低、效率高、易修改，一般應(yīng)用在自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計初期和中期，如圖2所示［4］。目前，仿真模擬軟件可分為開源和收費(fèi)兩種。開源模擬平臺主要有Gazebo、Carla、Apollo，收費(fèi)模擬平臺主要有Panosim、Carsim、Pro-SiVIC。

1.3 硬件在環(huán)

硬件在環(huán)是指控制系統(tǒng)硬件作為被測對象，將環(huán)境仿真信息輸入到控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)是可以測試一些危險場景、測試工況可復(fù)現(xiàn)，但其測試效率、成本、靈活可拓展性不能滿足目前自動駕駛系統(tǒng)的迭代速度［5］。硬件在環(huán)的應(yīng)用最早是在傳統(tǒng)車輛控制器上，如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)EMS（Engine Module System）［6］，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) ESC （Electronic Stability Control）［7］等。

高級駕駛輔助系統(tǒng)ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）控制器和自動駕駛系統(tǒng)控制器比傳統(tǒng)車輛控制器需要測試的工況更多，同時需要實(shí)際交通環(huán)境的參與，這是傳統(tǒng)汽車控制器所不需要的，搭建虛擬環(huán)境是整個ADAS或自動駕駛測試的基礎(chǔ)并應(yīng)用于整個測試過程。當(dāng)前主要有IPG公司的Carmaker，TASS公司的PreScan，OKTAL公司的Scanner等軟件可進(jìn)行虛擬環(huán)境仿真。在軟件中擁有多種傳感器的模型，如毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等，這些模型可以模擬實(shí)際控制器中的真實(shí)傳感器［8］。同時軟件中還有多種常見的交通流元素，如行人、車輛、建筑物、道路等，這些交通元素可以仿真實(shí)際交通環(huán)境搭建虛擬測試環(huán)境，通過傳感器模型可以將虛擬目標(biāo)傳遞給控制系統(tǒng)，用來測試控制系統(tǒng)的控制功能。圖3是應(yīng)用較多的攝像頭在環(huán)測試系統(tǒng)，一般選擇攝像頭注視屏幕的方式進(jìn)行測試，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)性和快速性，缺點(diǎn)是屏幕呈現(xiàn)的環(huán)境與真實(shí)環(huán)境之間存在誤差。在測試時可采用視頻流注入或目標(biāo)信號注入的方法解決這一問題。

圖3 基于攝像頭的硬件在環(huán)測試系統(tǒng) （圖片來源d SPACE）

對基于雷達(dá)的控制系統(tǒng)，可以通過雷達(dá)目標(biāo)仿真器的方式模擬虛擬測試目標(biāo)，目前只有RS的OTA （Over the air）和NI的雷達(dá)目標(biāo)仿真器，且仿真的目標(biāo)數(shù)量只有4個左右。圖4是基于雷達(dá)的硬件在環(huán)測試的示意圖，在測試時同樣可采用雷達(dá)模型和目標(biāo)信號注入的方法。

圖4 基于雷達(dá)的硬件在環(huán)測試系統(tǒng) （圖片來源dSPACE）

對自動駕駛系統(tǒng)來說，單一傳感器已經(jīng)無法滿足控制系統(tǒng)的需求，需要融合多種傳感器來得到環(huán)境信息。現(xiàn)在比較常見的方法是攝像頭加毫米波雷達(dá)，這種方法的最重要的問題是實(shí)現(xiàn)多種傳感器目標(biāo)信號的同步。當(dāng)前采用較多的方案是攝像頭注視屏幕，同時將虛擬場景傳遞給雷達(dá)目標(biāo)仿真器，以此來解決不同傳感器的時間同步問題。圖5是攝像頭和毫米波雷達(dá)融合方案示意圖。

圖5 攝像頭和毫米波雷達(dá)融合方案示意圖（圖片來源dSPACE）

1.4 車輛在環(huán)

車輛在環(huán)是指將自動駕駛系統(tǒng)集成到真實(shí)車輛中，同時通過實(shí)時仿真機(jī)及仿真軟件模擬道路、交通場景以及傳感器信息，來構(gòu)成整套測試系統(tǒng)的方法，可為實(shí)車測試提供較為真實(shí)的參考數(shù)據(jù)。

根據(jù)目標(biāo)信號的注入方式進(jìn)行分類，仿真測試主要有3種測試形式，目標(biāo)注入、傳感器原始信號注入和傳感器在環(huán)。其中目標(biāo)注入方法是將目標(biāo)信號直接輸入給控制器的控制層，在系統(tǒng)中執(zhí)行控制策略部分；傳感器原始信號注入方法是將傳感器感知到的信號直接輸入給傳感器，在系統(tǒng)中執(zhí)行目標(biāo)識別和功能控制部分。以攝像頭為例，傳感器在環(huán)采用看屏幕的方式，系統(tǒng)執(zhí)行傳感器環(huán)境感知、目標(biāo)識別和功能控制。目前主要用于測試自動泊車輔助系統(tǒng)APA（Automatic Parking Assistance），自動緊急制動系統(tǒng)AEB（Autonomous Emergency Braking）等工作系統(tǒng)。現(xiàn)有IPG公司提供的基于超聲波傳感器的APA測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際場地中，通過超聲波仿真器將虛擬測試環(huán)境中的目標(biāo)信息傳遞給超聲波傳感器的方式進(jìn)行實(shí)驗。

2 實(shí)車測試

2.1 封閉場地測試現(xiàn)狀和建議

智能網(wǎng)聯(lián)汽車在進(jìn)行公共道路測試前，需在封閉場地進(jìn)行測試以驗證自動駕駛系統(tǒng)的功能要求、安全要求和可靠性要求。從功能安全性方面考慮，測試項目應(yīng)包含基本的功能測試 （起步、停車、變道）、感知能力測試等；從可靠性要求考慮，只有經(jīng)過大量的重復(fù)試驗、不同環(huán)境下的穩(wěn)定性試驗，才能保證自動駕駛系統(tǒng)的可靠性。智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過在封閉場地的測試，能夠最大程度減少智能網(wǎng)聯(lián)汽車開展公共道路測試時所帶來的安全危險，提高測試駕駛?cè)撕推渌煌▍⑴c者在車輛測試過程中的安全性。

目前，從國內(nèi)城市已發(fā)布的關(guān)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理實(shí)施細(xì)則或管理辦法中發(fā)現(xiàn)，設(shè)置的測試項目多是智能網(wǎng)聯(lián)汽車基本功能考核，如起步、停車、變道等，缺乏決策能力、網(wǎng)聯(lián)通信能力等方面的評估。為了提高智能網(wǎng)聯(lián)汽車在復(fù)雜交通環(huán)境中使用的安全性，需要深入研究完善封閉場地測試對智能網(wǎng)聯(lián)汽車能力評價的測試場景和項目。

封閉場地測試是智能網(wǎng)聯(lián)汽車進(jìn)行公共道路測試的必經(jīng)階段，對智能網(wǎng)聯(lián)汽車封閉場地測試應(yīng)具有以下內(nèi)容：測試項目應(yīng)能全面覆蓋城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村和高速公路典型交通環(huán)境下的感知、決策、控制和網(wǎng)聯(lián)功能；智能網(wǎng)聯(lián)汽車的優(yōu)勢之一就是可以減少事故發(fā)生數(shù)量、提高交通安全水平，應(yīng)加強(qiáng)對智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全意識測試；為滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試的豐富性，封閉場地測試應(yīng)具備通過場景的組合，包含常規(guī)測試以及考察應(yīng)變能力的智能測試，實(shí)現(xiàn)在封閉場地中多樣性測試和復(fù)雜場景的柔性測試。

2.2 開放道路測試現(xiàn)狀

為推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和響應(yīng)國家的政策，國內(nèi)各省市逐漸出臺相關(guān)措施允許測試主體進(jìn)行開放道路測試［9］。目前，已有部分企業(yè)拿到開放道路測試的牌照，如表2所示。上汽拿到開放道路測試牌照后，在開放路段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測試的累計里程達(dá)到1500 km，完成了對交通信號的識別響應(yīng)、對行人和非機(jī)動車的避讓、車道內(nèi)安全行駛，道路測試期間沒有發(fā)生交通違法和交通事故。

表2 國內(nèi)省市智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)放牌照現(xiàn)狀

3 結(jié)語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，是未來汽車產(chǎn)業(yè)的方向。隨著技術(shù)的進(jìn)步和法律法規(guī)的完善，智能網(wǎng)聯(lián)汽車將會對交通和人們的出行帶來巨大的影響。

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車落地過程中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全是企業(yè)和政府管理部門最關(guān)注和需要解決的問題。為此，可從以下幾方面進(jìn)行：一是進(jìn)一步完善高級別自動駕駛測試?yán)碚摵蜏y試方法，形成一套完整的自動駕駛測試評價體系；二是加快制定支持道路測試的法律法規(guī)；三是逐步開放更多的道路，解決各類主體由于中國人口眾多、道路交通環(huán)境復(fù)雜，對不同測試場景的需求；四是提高智能網(wǎng)聯(lián)汽車準(zhǔn)確感知外界其他物體，并可以識別外界聲光信號并發(fā)出聲光信號，實(shí)現(xiàn)與人工駕駛汽車并存的能力。