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GeoScenario：用于自動駕駛場景表示的開放式DSL

2019-08-21 23:33:46·  來源：同濟(jì)智能汽車研究所  
　
編者按：用領(lǐng)域特定語言表示場景可以實現(xiàn)自動駕駛仿真測試的自動化，為大規(guī)模仿真測試提供基礎(chǔ)，同時可以使測試場景標(biāo)準(zhǔn)化，提高多仿真工具鏈的測試效率。相比于
編者按：用領(lǐng)域特定語言表示場景可以實現(xiàn)自動駕駛仿真測試的自動化，為大規(guī)模仿真測試提供基礎(chǔ)，同時可以使測試場景標(biāo)準(zhǔn)化，提高多仿真工具鏈的測試效率。相比于OpenSCENARIO，GeoSCENARIO保留了場景設(shè)計的基本架構(gòu)，且由于該語言更加簡潔，因而也具有更高的可擴(kuò)展性。

本文摘自 IV2019
原文題目:
"GeoScenario: An Open DSL for Autonomous Driving Scenario Representation"
原作者：
RodrigoQueiroz，Thorsten Berger，Krzysztof Czarnecki
作者單位：
加拿大滑鐵盧大學(xué)1'3，瑞典哥德堡大學(xué)2
 
摘要：自動駕駛系統(tǒng)（ADS）在真實交通場景中運行前，需要對其進(jìn)行廣泛地評估，以確保其達(dá)到可接受的安全水平。雖然有許多工具可用于執(zhí)行仿真測試，但目前仍缺乏一種包含道路交通情況復(fù)雜性的測試場景語言，而這不利于測試的可重復(fù)性并影響了工具之間的可交換性。本文建議將GeoScenario作為場景表示的領(lǐng)域特定語言（DSL），以便在仿真中驗證測試用例。在實踐中，作者使用該語言在仿真中測試了一個自動駕駛棧。該語言建立在著名的Open Street Map（OSM）標(biāo)準(zhǔn)之上。
 
1 前言

隨著自動駕駛系統(tǒng)（ADS）自動化水平越來越高，產(chǎn)品在發(fā)布給客戶之前需要進(jìn)行廣泛而嚴(yán)格地評估。隨著自動化水平的提高，更多的駕駛?cè)蝿?wù)從人類駕駛員轉(zhuǎn)移到ADS，ADS必須應(yīng)對真實的交通狀況及其所有干擾，包括與人控車輛，行人和其他交通媒介的交互。因此，ADS測試應(yīng)考慮在真實交通條件下與其他交通媒介的互動，以確保安全性并且符合交通法規(guī)。

測試ADS功能（例如尾部避撞）不僅需要仿真工具來執(zhí)行相關(guān)方案，還需要一種語言來正式地表示它們。為了設(shè)計和運行自動駕駛汽車的測試場景，工程師需要學(xué)習(xí)特定工具的語言。在不同的仿真軟件之間遷移場景需要很大的成本。

一個設(shè)計良好、與工具無關(guān)的領(lǐng)域特定語言（DSL），有助于研究人員和工程師設(shè)計獨立于工具的測試用例，在不同工具之間遷移場景，并在其他測試環(huán)境下評估他們的系統(tǒng)。本文提出GeoScenario作為用于場景表示和評估的DSL，確定了構(gòu)成典型測試用例的相關(guān)元素，這些元素需要在仿真測試中定義和執(zhí)行。此外，本文還提供了一個工具集，可以使用DSL輕松地設(shè)計和驗證方案。

2 背景和相關(guān)工作

2.1 特定于工具的語言

許多工具和研究都創(chuàng)建了自己的語言來定義場景。CommonRoad 基于三個主要組成部分（車輛模型、成本函數(shù)和場景）提出了可組合的運動規(guī)劃基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。盡管這項工作沒有嘗試提出場景描述DSL，但是它創(chuàng)建了自己的文件格式。與GeoScenario類似，這項工作使用Lanelets來表示道路網(wǎng)絡(luò)，由具有初始狀態(tài)和若干目標(biāo)區(qū)域（點，形狀或特定小巷）的自車車輛以及具有具體軌跡數(shù)據(jù)的所有其他車輛形成場景布局。除了軌跡之外，沒有高級工具支持根據(jù)關(guān)鍵位置或度量條件來編排場景。該格式符合基準(zhǔn)目標(biāo)，但目前還不足以適用于其他仿真工具和標(biāo)準(zhǔn)。

仿真工具通常包含用于描述場景的語言。但是，這些語言僅限于其自身的仿真環(huán)境，因此難以跨平臺進(jìn)行翻譯或解釋。

2.2 開放性語言

在場景表示中，可以使用地圖格式來表征道路網(wǎng)絡(luò)。Open Street Map（OSM）是一個眾所周知的協(xié)作項目，它使用開放XML格式創(chuàng)建并發(fā)布免費地圖。但是，OSM和其他通用地圖標(biāo)準(zhǔn)不包含有關(guān)車道級道路拓?fù)涞脑敿?xì)信息。因此，它們不適合在場景語言中使用。Lanelets 是OSM格式的開放式擴(kuò)展，其可專門用于支持自動車輛的道路網(wǎng)絡(luò)表示。

OpenScenario是一種新興的開放文件格式，用于描述駕駛模擬應(yīng)用程序中的動態(tài)內(nèi)容。該項目由自動化與測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ASAM）管理，目前處于早期階段。該項目計劃涵蓋仿真的動態(tài)內(nèi)容，例如駕駛員行為、交通、天氣、環(huán)境、事件和其他功能。靜態(tài)內(nèi)容由另一種格式OpenDRIVE 支持。

雖然OpenScenario和GeoScenario具有相似的目標(biāo)，但它們的結(jié)構(gòu)和抽象級別各不相同。OpenScenario更接近邏輯層。OpenScenario和OpenDRIVE這兩個規(guī)范都是開放的，但沒有免費的庫或工具來解釋和處理數(shù)據(jù)。

3 設(shè)計一種駕駛場景語言

GeoScenario設(shè)計基本原則：

（i）重用性：利用現(xiàn)有的開放格式在知名且已使用的結(jié)構(gòu)之上構(gòu)建新語言。該方法只需對現(xiàn)有工具進(jìn)行微小調(diào)整即可達(dá)到重用支持新語言的目的。

（ii）簡單性：對簡單的場景進(jìn)行建模，該語言非常簡單，可讀性強(qiáng)。工具可支持復(fù)雜的場景。

（iii）覆蓋范圍：能夠表達(dá)場景的主要組成部分。

（iv）可擴(kuò)展性：可以通過其標(biāo)準(zhǔn)組件的新特性和專業(yè)化輕松地進(jìn)行擴(kuò)展。

（v） 系統(tǒng)獨立性：支持不同ADS設(shè)計的測試用例，可在不同的自動化級別上運行。

（vi）工具獨立性：可以通過其他仿真和測試環(huán)境進(jìn)行解釋和執(zhí)行。

（vii）可執(zhí)行性：可以表征在沒有其他語言的情況下在仿真中運行的具體場景。

4 GeoScenario構(gòu)架

GeoScenario格式基于XML，OSM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建。

主要組成部分包括：自車開始位置和目標(biāo)，道路網(wǎng)絡(luò)，交通參與者（車輛和行人），路徑，觸發(fā)器和動作。

4.1 GeoScenario基礎(chǔ)知識

所有GeoScenario元素都基于兩種OSM原始類型：節(jié)點和路線。節(jié)點是GeoScenario的核心元素，代表地球表面的特定點。每個節(jié)點包括ID號和一對坐標(biāo)（緯度和經(jīng)度）。路線是定義多段線的節(jié)點的有序列表，用于定義線性要素，例如路徑和區(qū)域邊界（表示路障的實心多邊形，或動態(tài)元素放置的命名區(qū)域）。要定義區(qū)域，路線的第一個和最后一個節(jié)點必須相同（閉環(huán)路線）。

所有元素（節(jié)點和路線）都具有描述元素屬性的標(biāo)簽，即文本字段對。我們使用標(biāo)簽gs來定義場景中元素的角色，即GeoScenario模型中元素的功能（例如，gs = vehicle）。沒有g(shù)s標(biāo)記的元素在場景中沒有特定角色，但可以用于組合其他元素。

具有角色的所有元素還必須包含標(biāo)記“name”（除了少數(shù)例外）。該名稱是唯一的字符串，用于標(biāo)識方案中的一個元素。節(jié)點在WGS84坐標(biāo)系中具有坐標(biāo)（作為OSM標(biāo)準(zhǔn)的一部分）。GeoScenario規(guī)范中記錄了固定的標(biāo)簽詞典。

4.2自車和駕駛?cè)蝿?wù)

在一個場景中，自車是代表自動駕駛系統(tǒng)操作車輛的實體。在本文中，作者決定不為自車定義動作或策略，而是僅指定初始條件和目標(biāo)。在測試用例執(zhí)行期間，自動駕駛系統(tǒng)是一個黑箱，它負(fù)責(zé)根據(jù)交通狀況（道路網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)物體，路徑上的動態(tài)交通參與者等）決定最佳路線和策略。作者決定采用這種方法，使語言獨立于系統(tǒng)并反映真實世界的駕駛場景。在實際運行中，一個長期的駕駛?cè)蝿?wù)可以以一個全局位置的形式被賦予駕駛員或自動駕駛汽車。初始條件定義為表示自車起始位置和方向的節(jié)點。

我們假設(shè)自車總是在一個固定的位置開始一個場景，目標(biāo)被定義為一個自車目標(biāo)節(jié)點，一個場景中可以具有多個有序目標(biāo)位置。它們代表了自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)的中級和高級任務(wù)。駕駛?cè)蝿?wù)的最終目標(biāo)是完成最高級別的任務(wù)。這些節(jié)點可用于為系統(tǒng)組成一個全局路徑，或在系統(tǒng)的內(nèi)部映射上創(chuàng)建一個目標(biāo)點。

4.3 布景和道路網(wǎng)絡(luò)

本文使用Lanelets 來表示場景道路網(wǎng)絡(luò)，因為其具有緊湊的輕量級結(jié)構(gòu)。道路網(wǎng)絡(luò)存儲在單獨的XML文件中，以便于替換。然而場景只能在路網(wǎng)中進(jìn)行呈現(xiàn)。因此GeoScenario必須始終與其關(guān)聯(lián)的道路網(wǎng)絡(luò)文件一起發(fā)布。

為了表示不屬于道路網(wǎng)絡(luò)的靜止障礙物，我們引入靜態(tài)物體。靜態(tài)對象可以通過某種方式或封閉方式定義為單個節(jié)點。封閉方式可以采用任意形狀，但為了保證有效性，必須具有指向同一節(jié)點ID的第一個和最后一個節(jié)點。

4.4 動態(tài)元素

本文將所有能夠移動（具有動能）或能夠改變其狀態(tài)的GeoScenario元素定義為動態(tài)元素。在GeoScenario中，停放的車輛也被定義為動態(tài)元素。能夠移動的動態(tài)元素稱為交通參與者，并分為兩種類型：車輛和行人。兩者都表示為節(jié)點并具有相似的屬性。車輛用標(biāo)簽gs = vehicle定義，行人用標(biāo)簽gs = pedestrian定義。使用方向標(biāo)簽來定義參與者的初始方向。方向以度為單位，原點在東方，順時針方向。不同類型的車輛（例如，汽車，卡車，公共汽車）用相同類型表示，并使用可選的屬性模型指定車輛模型。本文不指定車輛動力學(xué)或3D網(wǎng)格的細(xì)節(jié)，因此，測試結(jié)果必須考慮運行場景的模擬基礎(chǔ)架構(gòu)的其他詳細(xì)信息。

速度屬性（以km / h為單位）用于定義參考速度。為了實現(xiàn)運動，車輛和行人需要被分配到一個路徑。路徑被定義為Way元素，可同時用于車輛和行人。路徑應(yīng)解釋為由有序連接節(jié)點組成的樣條線。當(dāng)一個交通參與者被分配一個路徑時，它將沿著路徑以其參考速度行進(jìn)。

為了支持更真實車輛運動學(xué)表現(xiàn)，或從記錄的交通數(shù)據(jù)再現(xiàn)場景，可以為一個參與者分配一個速度文件。當(dāng)一個路徑具有一個速度文件時，它必須包含帶有參與者速度的標(biāo)記節(jié)點，以便在到達(dá)該節(jié)點后指定代理的目標(biāo)速度。參與者必須始終嘗試以恒定的加速度匹配路徑中的下一個節(jié)點的速度。

通過高密度路徑（即更多節(jié)點）和速度配置文件，GeoScenario模型可以表示各種交通情況。各種交通情況可以由專家手動設(shè)計，也可以通過傳感器從實際交通中提取，或從自然駕駛數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。某些屬性可以通過固定值或值范圍來描述。

4.5 觸發(fā)和動作

在GeoScenario中，作者引入觸發(fā)器和動作來協(xié)調(diào)場景的演變?；镜母拍钍窃诘缆肪W(wǎng)絡(luò)的決策位置添加觸發(fā)節(jié)點，并在觸發(fā)節(jié)點處激活對動態(tài)元素的不同動作。每個觸發(fā)器都有所有者和目標(biāo)。所有者激活觸發(fā)器，而目標(biāo)執(zhí)行動作。所有者可以是自車或其他交通參與者（車輛，行人）。目標(biāo)可以是任何動態(tài)元素，其狀態(tài)可以隨場景的變化而變化，但不能是自車。我們的假設(shè)遵循這條規(guī)則，將自動駕駛系統(tǒng)假設(shè)為一個黑箱，僅限制它的初始條件和駕駛?cè)蝿?wù)。動作則可以更改參與者的狀態(tài)或決策本身。

觸發(fā)器可以通過三種類型的條件激活，或者通過它們的組合激活：

時間：當(dāng)場景執(zhí)行到達(dá)給定時間t時激活。一組定時觸發(fā)器允許設(shè)計者按時間順序控制具有定時事件的場景。

位置：當(dāng)所有者到達(dá)觸發(fā)節(jié)點位置時激活。觸發(fā)點必須放在道路網(wǎng)絡(luò)的決策關(guān)鍵點上。

度量條件：當(dāng)基于度量的給定條件為真時激活。該觸發(fā)器允許不依賴特定位置而是在相對條件之后的任何位置執(zhí)行動作。例如，一輛汽車在道路上行駛時，只有當(dāng)本車和一輛汽車之間的距離小于100米時，它才開始減速停車。為了支持度量條件觸發(fā)，GeoScenario需要在參與者之間跟蹤給定的度量。

通過顯式聲明跟蹤哪些參與者，度量也被定義為GeoScenario中的一個元素。因為可以使用不同的方法計算度量，我們建議場景中包含對度量如何計算的引用。例如，TTC可以被多種方法使用，從而導(dǎo)致不同的結(jié)果
本文僅對我們的模型進(jìn)行了概述。所有細(xì)節(jié)(包括示例)都可以在我們的項目存儲庫中找到。此外，可以使用新的特性和屬性輕松地擴(kuò)展模型，以支持特定于工具的需求(例如，支持模型之間的轉(zhuǎn)換)

4.6 工具集

可訪問的工具集非常重要。由于作者的場景格式是基于OSM開發(fā)的，因此作者采用了OSM的標(biāo)準(zhǔn)地圖編輯工具：JOSM。通過添加一組自定義的預(yù)設(shè)和樣式表，作者現(xiàn)在可以在道路網(wǎng)絡(luò)（Lanelet層）和其他地圖圖層（例如Bing地圖，ESRI地圖）的頂部輕松地設(shè)計和構(gòu)建一個GeoScenario。

5 結(jié)論

本文提出了GeoScenario，一種用于場景表示的領(lǐng)域特定語言，作者確定了組成典型測試用例的關(guān)鍵要素，這些要素需要在自動駕駛車輛測試中正式聲明和執(zhí)行。這種語言構(gòu)建在著名的Open Street Maps語言之上，設(shè)計簡單，易于擴(kuò)展。一個使用本文的DSL設(shè)計和驗證場景的工具集已公開發(fā)布，在更多研究人員的貢獻(xiàn)下，未來作者計劃發(fā)布一個獨立于仿真工具的自動駕駛汽車測試場景共享數(shù)據(jù)庫。

 
 
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