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淺析基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試方法研究

2022-01-09 21:17:53·  來源：智駕最前沿  
　
數(shù)字孿生（DT）可以虛擬化地呈現(xiàn)出系統(tǒng)的整個生命周期，非常適合在自動駕駛測試中使用。提出了在有限環(huán)境下利用 DT 進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試的方法，即在自動駕駛的
數(shù)字孿生（DT）可以虛擬化地呈現(xiàn)出系統(tǒng)的整個生命周期，非常適合在自動駕駛測試中使用。提出了在有限環(huán)境下利用 DT 進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試的方法，即在自動駕駛的仿真測試環(huán)境中，利用 DT 的映射實(shí)現(xiàn)虛擬復(fù)雜道路場景下真實(shí)的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛測試。相關(guān)實(shí)驗(yàn)說明，該方法能夠有效地支持開展網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試。
數(shù)字孿生（DT）是物理系統(tǒng)（物理孿生）的數(shù)字化表示，能夠模擬運(yùn)行系統(tǒng)的整個生命周期并與物理孿生進(jìn)行同步的映射。DT 的概念始于 2002 年，最初被用于航空航天領(lǐng)域。最近，其他一些工業(yè)部門如制造業(yè)、工業(yè)工程，以及機(jī)器人領(lǐng)域也逐步開始了解和嘗試這項(xiàng)技術(shù)。
隨著自動駕駛的發(fā)展，對 DT 功能的測試和驗(yàn)證成為自動駕駛汽車研發(fā)的重大挑戰(zhàn)之一。一些研究人員認(rèn)為使用仿真測試可以很好地解決這一難題 ，例如在虛擬仿真中，進(jìn)行的軟件測試（SIL）、硬件在環(huán)測試（HIL）、車輛在環(huán)測試（VEHIL）以及混合仿真測試。它可以快速模擬任何場景，但不能驗(yàn)證真實(shí)的情況。相比仿真測試， 傳統(tǒng)汽車行業(yè)更依賴現(xiàn)場測試。然而， 真正的道路測試在極端情況下是昂貴且費(fèi)時的，有一些場景甚至無法進(jìn)行測試。2017 年，M-City 發(fā)布了一份研究報告，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來評估自動駕駛汽車。與純虛擬仿真不同的是，它使用真實(shí)世界的駕駛數(shù)據(jù)來構(gòu)建測試場景。這是一種面向DT 的方法 , 但這種方法是從主動安全的角度發(fā)展起來的，沒有引入車用無線通信（V2X）技術(shù)。
V2X 技術(shù)不僅可以為道路車輛提供非視距的感知信息，還可以在車輛和云數(shù)據(jù)中心之間建立通信鏈路；因此，我們認(rèn)為 V2X 技術(shù)可以作為連接物理空間和網(wǎng)絡(luò)空間的紐帶，在基于DT 的自動駕駛測試中發(fā)揮重要作用。V2X 技術(shù)可以將場景信息發(fā)送到道路的被測車輛上，并提供道路虛擬測試功能。盡管 DT 被認(rèn)為是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，但它仍處于概念階段，只有少數(shù)研究專門討論了其在制造領(lǐng)域的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法。所以，目前還沒有成熟的基于 DT 的自動駕駛測試方案。近幾年，中國信息通信研究院研發(fā)布局了基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試原型系統(tǒng)，利用 V2X 技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)上傳和虛擬場景信息發(fā)布的全過程，并進(jìn)行了道路車輛測試。相應(yīng)的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠支持低延遲的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試。
1 基于DT的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試框架
在實(shí)踐中，不同行業(yè)對于 DT 的定義和理解可能不同。自動駕駛開發(fā)人員將其視為一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方案。在某種意義上，面向 DT 的測試系統(tǒng)是指通過通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)世界（物理空間） 收集數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)空間的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將結(jié)果反饋到物理空間來解決現(xiàn)實(shí)世界問題的信息物理系統(tǒng)（CPS）。每個 CPS 包括智能機(jī)器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，它們可以自主和智能地交換信息，做出決策并觸發(fā)行動，能夠互相控制。

圖 1 基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試框架
基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試方法包括 2 個關(guān)鍵步驟：一是采集真實(shí)的駕駛數(shù)據(jù)，二是生成復(fù)雜場景。道路車輛通過傳感器和 V2X 采集和發(fā)布行駛信息，并完成數(shù)據(jù)融合處理，然后將相應(yīng)的信息上傳到仿真平臺。仿真平臺根據(jù)實(shí)時駕駛信息選擇測試場景，并將相應(yīng)的信息反饋給道路車輛。道路車輛控制系統(tǒng)對場景信息進(jìn)行響應(yīng)，并將響應(yīng)輸出并上傳到仿真平臺。仿真平臺對測試結(jié)果進(jìn)行判斷，生成測試報告。如圖 1 所示，該測試方案包括 3 層，即實(shí)地測試層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和實(shí)驗(yàn)測試層。
（1） 實(shí)地測試層。實(shí)地測試層包括 3 部分：被測車輛、虛擬汽車與平視顯示器（HUD）、真實(shí)的測試場地等。
車輛行駛信息由車內(nèi)傳感器采集，真實(shí)駕駛環(huán)境信息由周圍車輛和雷達(dá)、攝像頭等路側(cè)設(shè)備采集，虛擬場景信息由云數(shù)據(jù)庫提供，并在 HUD 上顯示。這里假設(shè)所有車輛都配備了LTE-V2X 和 4G/5G 模塊。
（2） 網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括 2 種通信方式：一種是 LTE-V2X 的直連通信鏈路，另一種是 4G/5G 蜂窩通信鏈路。LTE-V2X 用于采集環(huán)境信息，如道路信息、周圍車輛行駛狀態(tài)、行人狀態(tài)等，4G/5G 用于建立物理空間和虛擬空間之間的連接。顯然， 網(wǎng)絡(luò)傳輸層的性能會對自動駕駛測試的實(shí)時性產(chǎn)生致命的影響，可以通過車輛控制器的響應(yīng)延遲來體現(xiàn)。這里我們將基本性能參數(shù)做了如下的定義。
● 被測車輛速度：0~130 km/h；
● 通信覆蓋半徑：>300 m；
● 車輛狀態(tài)信息更新頻率：10~20 Hz；
● 數(shù)據(jù)速率（下行）>100 Mbit/s， 數(shù)據(jù)速率（上行）>20 Mbit/s；
● 傳輸延遲 <20 ms。
此外，表 1 列出了需要通過 V2X 發(fā)送的參考消息內(nèi)容，以用于開展網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試。

表1 基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試的參考消息內(nèi)容
（3） 實(shí)驗(yàn)測試層。實(shí)驗(yàn)測試層包括通道建模、性能指標(biāo)計(jì)算、虛擬化和性能采集 3 個部分。在場景生成過程中，要考慮道路環(huán)境（車道、車道線、路面、天氣和光照、場景要素）、交通狀況（車流、行人擁擠、自適應(yīng)巡航控制）、交通參與者（車輛、行人、障礙物）和環(huán)境傳感器（雷達(dá)、攝像機(jī)、全球定位系統(tǒng) / 地圖、無線通信）等影響因素，構(gòu)建1 ∶ 1 的數(shù)字場景模型。模擬器應(yīng)支持復(fù)雜的道路場景建模， 如圖 2 所示。測試過程中，測試人員會選擇測試場景，并將相應(yīng)的場景信息通過 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到被測車輛。

圖 2 道路場景仿真模擬模擬器
2 測試場景設(shè)計(jì)
該測試方案包括純虛擬測試、傳感器數(shù)據(jù)測試和實(shí)車測試 3 個階段， 如圖 3 所示。

圖 3 測試階段
2.1 純虛擬測試
DT 測試方案的第 1 階段是純虛擬測試。這種測試與傳統(tǒng)的虛擬仿真類似，主要步驟如下：
● 第 1 步，根據(jù)測試要求和數(shù)據(jù)構(gòu)建道路場景；
● 第 2 步，設(shè)置車輛參數(shù)（行駛參數(shù)和傳感器參數(shù)）；
● 第 3 步，增加混合交通干擾；
● 第 4 步，添加控制算法；
● 第 5 步，啟動實(shí)驗(yàn)仿真。
2.2 傳感器數(shù)據(jù)測試
測試的第 2 階段是基于真實(shí)傳感器數(shù)據(jù)的測試，如圖 4 所示。在此過程中，真實(shí)世界的傳感器數(shù)據(jù)被收集并通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。遠(yuǎn)程的駕駛系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，并將決策信息反饋給測試系統(tǒng)。

圖 4 傳感器數(shù)據(jù)測試
2.3 實(shí)車測試
在這個階段，使用真實(shí)車輛作為被測裝置。車輛信息通過 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到虛擬仿真器。圖 5 中顯示了 2 個典型的仿真場景。在虛擬仿真測試的基礎(chǔ)上，加入交通流和自動駕駛算法來模擬真實(shí)場景，并及時回傳給真實(shí)的自動駕駛車輛?？刂破鞯臎Q策結(jié)果將送回中央控制仿真器 , 測試將在自動駕駛算法的控制下完成。

圖 5 2 種典型的實(shí)車測試評估場景
3 測試結(jié)果演示及分析
3.1 測試結(jié)果演示
為了驗(yàn)證測試架構(gòu)的有效性，我們在中國信息通信研究院辦公地進(jìn)行了基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試原型系統(tǒng)的搭建，相關(guān)測試的具體情況如圖 6 所示。
由車載傳感器和路側(cè)單元收集被測車輛周圍環(huán)境的信息。每臺設(shè)備根據(jù)其配置捕獲周圍信息，然后將收集到的同一時間戳標(biāo)簽下的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備同步。物理系統(tǒng)的信息上載到運(yùn)行 DT 應(yīng)用程序的服務(wù)器。

圖 6 測試結(jié)果演示
圖 6 c）中顯示的是前向碰撞警告應(yīng)用驗(yàn)證過程。虛擬物體顯示在中控模擬器中，真實(shí)的車輛行為會通過攝像頭反饋到中控臺。
3.2 測試結(jié)果分析
通過基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試原型系統(tǒng)的試驗(yàn)，我們認(rèn)為 V2X 技術(shù)不僅可以支撐車輛行駛安全、效率提升等應(yīng)用功能，還可以用于網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試。此外，自動駕駛測試也可以被認(rèn)為是 V2X 技術(shù)的重要應(yīng)用場景之一。
雖然該測試方案已經(jīng)被證明是有效的，但它只是一個基本的原型系統(tǒng)， 還有很大的改進(jìn)空間。
（1）汽車產(chǎn)業(yè)界對自動駕駛的響應(yīng)延遲判斷尚未達(dá)成一致。也就是說，我們不確定所提出的方案是否能滿足自動駕駛的響應(yīng)延遲要求。隨著自動駕駛的發(fā)展，相應(yīng)的通信性能要求需要被定義。基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試也將被認(rèn)為是 4G/5G 通信網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用。應(yīng)在此基礎(chǔ)上對測試流程繼續(xù)改進(jìn)。
（2）在該方案中，車內(nèi)測試人員看不到在網(wǎng)絡(luò)空間生成的虛擬場景，用戶體驗(yàn)不佳，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)（AR）的結(jié)合可以是之后的研究方向。
（3）需要保證生成的虛擬場景與真實(shí)的交通場景相吻合。到目前為止，交通數(shù)據(jù)庫并不完備。也就是說，當(dāng)前不能確保測試場景能夠覆蓋和表現(xiàn)真實(shí)的交通場景。隨著交通數(shù)據(jù)庫的完善，測試場景庫也將不斷完善。
（4）作為通信場景的一種應(yīng)用，基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試必須基于統(tǒng)一的通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，且需要定義數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)交換格式；因此，我們需要制訂相應(yīng)的消息層協(xié)議，以保證在不同的測試示范區(qū)能夠?qū)Σ煌瑥S商的產(chǎn)品進(jìn)行測試。
（5）如何選擇與真實(shí)場景相匹配的測試場景。自動駕駛測試的關(guān)鍵點(diǎn)之一是場景的選擇。顯然，所有虛擬測試場景都是從真實(shí)的交通場景衍生出來的。為了識別自主控制算法的弱點(diǎn)，我們總是選擇最壞的場景來構(gòu)建虛擬場景庫，因此，虛擬測試不能準(zhǔn)確評估真實(shí)情況下的風(fēng)險或概率。然而到目前為止，我們還不能提供真實(shí)道路場景測試與虛擬場景測試之間可信的映射關(guān)系。換言之，我們應(yīng)該建立一種基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛性能評估體系，用于政府標(biāo)準(zhǔn)化的測試， 或是推斷自動駕駛車輛的預(yù)期安全性能等。
隨著 V2X 技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)正在考慮將 V2X 相關(guān)應(yīng)用功能嵌入到產(chǎn)品中。V2X 并不局限于車輛行駛安全、交通效率提升等應(yīng)用，它是一項(xiàng)在其他應(yīng)用領(lǐng)域也很有前景的技術(shù)。在基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試方案中，V2X 技術(shù)起到了連接虛擬空間和物理空間的重要作用。
文章中我們介紹了一種基于 DT 的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試框架；使用 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)在虛擬和物理空間之間建立通信鏈路，使用 V2X 技術(shù)采集車輛信息和道路信息。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該架構(gòu)能夠有效地支撐自動駕駛測試。之后，我們還將完善場景庫，優(yōu)化控制機(jī)制。上述相關(guān)研究工作對加快自動駕駛技術(shù)成熟和商業(yè)化推廣應(yīng)用也有著重要意義。
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