智能汽車是汽車?電子?信息通信?道路交通運輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)形態(tài)?當前, 我國智能汽車產(chǎn)業(yè)進入快車道, 技術創(chuàng)新日益活躍, 新型應用蓬勃發(fā)展, 產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大,而相應的測試技術體系也在不斷完善, 推動產(chǎn)業(yè)進步?本書首先立足于整體現(xiàn)狀對智能汽車測試體系架構進行綜述, 并針對測試技術的發(fā)展趨勢和整個核心技術進行詳細描述;然后, 針對測試體系中每一測試過程的概念?核心思想?關鍵技術?測試方法?發(fā)展趨勢等進行詳細描述?

注：本文節(jié)選自《智能汽車測試技術》第五章節(jié)，由機械工業(yè)出版社于2025年6月份出版

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《智能汽車測試技術》目錄 

第1 章

導論

1.1 背景與需求/ 001

1.2 基本概念/ 003

1.2.1 測試與評價的基本概念/ 003

1.2.2 產(chǎn)品全生命周期中的測評技術/ 004

1.3 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)/ 005

1.4 本書章節(jié)安排/ 006

第2 章

智能汽車

測評概述

 2.1 測評需求分析/ 009

2.1.1 安全性測試與驗證/ 009

2.1.2 智能性測試與評價/ 012

2.2 測試方法論/ 015

2.2.1 安全性測試驗證框架/ 015

2.2.2 智能性測試評估框架和體系/ 017

2.3 測試工具鏈及應用要求/ 023

2.3.1 測試工具鏈/ 023

2.3.2 測試需求與測試工具的適配性/ 027

2.4 本章小結/ 029

參考文獻/ 030

第3 章

智能汽車

測試場景

3.1 場景基本概念/ 031

3.2 場景體系/ 033

3.2.1 場景要素與屬性/ 033

3.2.2 場景層級/ 035

3.2.3 場景分類/ 036

3.3 場景生成方法/ 037

3.3.1 基于形式化描述的場景生成方法/ 037

3.3.2 基于駕駛員模型的場景生成方法/ 040

3.3.3 安全關鍵場景生成方法/ 048

3.4 場景采集與利用/ 051

3.4.1 場景采集技術/ 051

3.4.2 場景庫搭建/ 052

3.5 本章小結/ 052

參考文獻/ 053

第4 章

環(huán)境感知

系統(tǒng)的測試

技術與方法

4.1 環(huán)境感知系統(tǒng)測試需求分析/ 055

4.2 環(huán)境感知系統(tǒng)介紹/ 057

4.2.1 感知系統(tǒng)/ 057

4.2.2 硬件模組/ 058

4.2.3 認知算法/ 058

4.3 環(huán)境感知系統(tǒng)測試技術框架/ 059

4.4 各類感知環(huán)境介紹/ 060

4.4.1 封閉場地環(huán)境/ 060

4.4.2 道路交通環(huán)境/ 064

4.4.3 虛擬仿真環(huán)境/ 066

4.5 數(shù)據(jù)生成模型介紹/ 069

4.5.1 降雨圖像生成方法概述/ 070

4.5.2 降雨圖像生成模型介紹/ 071

4.5.3 降雨圖像生成模型結果/ 075

4.6 具體測試案例/ 076

4.6.1 案例一:基于封閉場地環(huán)境的感知系統(tǒng)測試/ 076

4.6.2 案例二:基于虛擬仿真環(huán)境的硬件模組測試/ 078

4.6.3 案例三:基于虛擬仿真環(huán)境的感知系統(tǒng)測試/ 081

4.6.4 案例四:基于三類感知環(huán)境和數(shù)據(jù)生成模型的

認知算法測試/ 083

4.7 本章小結/ 086

參考文獻/ 087

第5 章

決策規(guī)劃

系統(tǒng)的測試

技術與方法

 5.1 決策規(guī)劃系統(tǒng)的測試需求與挑戰(zhàn)/ 089

5.1.1 測試需求/ 089

5.1.2 測試挑戰(zhàn)/ 090

5.2 基于場景的測試技術與方法/ 092

5.2.1 靜態(tài)試驗設計測試方法/ 092

5.2.2 動態(tài)試驗設計測試方法/ 094

5.3 基于真實里程的測試技術與方法/ 101

5.3.1 開放道路測試技術/ 101

5.3.2 重要度采樣加速測試方法/ 103

5.4 基于虛擬里程的測試技術與方法/ 104

5.4.1 虛擬里程測試系統(tǒng)組成框架/ 105

5.4.2 用于虛擬里程測試的NPC 模型生成方法/ 106

5.4.3 用于虛擬里程測試的NPC 模型性能驗證/ 113

5.4.4 虛擬里程測試的應用/ 118

5.4.5 小結/ 130

5.5 其他測試技術/ 131

5.5.1 自動化測試技術/ 131

5.5.2 錯誤注入測試技術/ 139

5.5.3 分布式自動化測試技術/ 152

5.6 本章小結/ 157

參考文獻/ 157

第6 章

整車測試

技術與方法

6.1 整車測評需求分析/ 159

6.2 封閉測試場地平臺/ 160

6.2.1 封閉測試場/ 160

6.2.2 動態(tài)模擬目標物系統(tǒng)/ 162

6.2.3 定位與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)/ 163

6.3 開放道路測試系統(tǒng)/ 164

6.3.1 測試方案制定/ 165

6.3.2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)/ 165

6.4 本章小結/ 166

第7 章

智能汽車

安全性評估

7.1 基于具體場景的安全性評估/ 169

7.1.1 場景瞬時風險評估方法/ 170

7.1.2 多階段安全評估/ 180

7.1.3 單個測試場景結果外推/ 181

7.2 基于邏輯場景的安全性評估/ 182

7.2.1 評估要求/ 182

7.2.2 面向邏輯場景評價的危險域識別方法/ 183

7.3 針對被測功能的安全性評估/ 192

7.4 本章小結/ 192

參考文獻/ 193

第8 章

智能汽車

綜合行駛

性能評估

 8.1 測評需求與研究現(xiàn)狀/ 195

8.1.1 測評需求/ 195

8.1.2 研究現(xiàn)狀/ 195

8.2 測評基本流程/ 197

8.3 典型測試場景矩陣/ 198

8.4 測試方法與流程/ 199

8.4.1 測試方案/ 199

8.4.2 背景車跟馳模型/ 199

8.4.3 測試數(shù)據(jù)輸出/ 201

8.5 評價方法與流程/ 202

8.5.1 評價體系/ 202

8.5.2 評價流程/ 204

8.6 測評示例/ 206

8.7 本章小結/ 209

參考文獻/ 209

附 錄

附錄A 測試工況參數(shù)設置/ 210

附錄B 背景車跟馳模型/ 212

附錄C 歸一化方法/ 214

附錄D 常見縮寫詞/ 216

自動化測試技術能實現(xiàn)場景自動化生成與仿真, 有效提高測試效率。

5. 5. 1 自動化測試技術

本節(jié)介紹一種面向決策規(guī)劃系統(tǒng)的自動化測試技術, 該技術能夠實現(xiàn)場景自動化生成與自動化仿真, 具體的設計原理及實現(xiàn)方法如下。

首先, 該技術使用了一種普適的場景自動化生成方法, 分別對功能場景、邏輯場景和具體場景進行結構化定義, 并確定了各層級之間的映射關系。其次,該技術基于各層場景的映射關系, 對應具體場景文件格式, 利用具體場景編譯器實現(xiàn)功能場景至具體場景文件的自動化生成。然后, 該技術基于決策規(guī)劃系統(tǒng)場景測試的需求, 利用仿真軟件實現(xiàn)自動化仿真。最后, 基于自動化測試技術與加速測試方法相結合, 構建場景加速測試技術。

1 . 結構化場景模型定義

第3 章提到了基于要素劃分的六層場景本體模型和基于抽象層級劃分的三層場景模型, 為了實現(xiàn)決策規(guī)劃系統(tǒng)的自動化測試, 需要分別對三層場景進行結構化定義, 以實現(xiàn)逐層細化的自動化生成方法。功能場景以語義形式描述,為保證功能場景的結構化, 基于六層場景本體模型定義面向決策規(guī)劃系統(tǒng)的功能場景。針對決策規(guī)劃系統(tǒng)的測試需求, 其必需的輸入為第一層的道路拓撲結構、第二層的交通環(huán)境信號、第三層的臨時障礙物和第四層的交通參與者等信息(包括自車在內的靜態(tài)和動態(tài)交通參與者的位置與動作信息)。基于此, 在自動化測試技術中, 面向決策規(guī)劃系統(tǒng)測試的功能場景定義為一定道路拓撲結構和交通環(huán)境信號條件下的自車與其他障礙物以及交通參與者的不同位置和動作的組合。

邏輯場景將功能場景涉及的要素抽象為多個參數(shù),并定義其取值范圍,由此形成參數(shù)空間。為保證邏輯場景與功能場景對場景要素定義方面的一致性,對邏輯場景的結構化描述基于六層場景本體模型對各層要素的定義。針對決策規(guī)劃系統(tǒng),各層級要素及相關參數(shù)見表5-18。

表5-18 面向決策規(guī)劃系統(tǒng)的場景各層級要素及相關參數(shù)

對于交通參與者層中的動作參數(shù),由于不同交通參與者動作特征不同,首先對自車和其他交通參與者的動作類別進行劃分并給出相應參數(shù),見表5-19。目前,有關車輛動作類別的分析已有較多研究,其中智能汽車所有動作可視為在全局路徑規(guī)劃下基于環(huán)境感知和自車狀態(tài)所做的決策規(guī)劃結果,統(tǒng)一稱為自動駕駛動作,對應參數(shù)為全局路徑規(guī)劃所需的目的地坐標。基于Rigolli對駕駛員動作的分解[21],可以將人類駕駛汽車動作分為加速、減速、勻速、左換道、右換道、左轉、右轉等原子動作。其中,換道和轉彎的相關動作模型多基于軌跡和時間[22],由于軌跡種類較多,可根據(jù)仿真軟件具體設定,故采用持續(xù)時間作為統(tǒng)一的動作參數(shù)。其中,勻速動作對應速度參數(shù),加/減速動作離散為多段勻加/減速過程,對應參數(shù)為加/減速度和持續(xù)時間。此外,由于非車輛的交通參與者(如行人或動物)的行為自由度較高,難以對其動作特征進行建模,故將其動作視為多段直線行駛,劃分為勻速和變速動作。

表5-19 交通參與者層級要素及相應參數(shù)

具體場景即測試用例,是仿真執(zhí)行的基礎,對邏輯場景定義的每個參數(shù),在其設定范圍內取定一個值,即構成具體場景。OpenX系列標準格式為仿真測試具體場景提供了完整的描述方案,其中OpenDRIVE標準描述了場景的靜態(tài)部分(如道路拓撲結構、交通標志標線等);OpenSCENARIO標準描述了場景的動態(tài)部分,即交通參與者的行為及交通信號燈的相位變化等。目前OpenDRIVE、OpenSCENARIO已成為大部分自動駕駛仿真軟件支持的靜態(tài)地圖格式和動態(tài)場景格式,例如CARLA、VTD等。因此采用OpenDRIVE、OpenSCENARIO格式作為具體場景的結構化定義。OpenDRIVE格式的文件結構如圖5-34所示,分為三大類:Header、Roads和Junction,其中Header定義地圖的投影方式,Roads定義道路的幾何形狀、車道分組等,Junction定義交叉口的道路連接情況。OpenSCENARIO格式的文件結構如圖5-35所示,分為三大類:RoadNetwork、Entities、Storyboard,其中RoadNetwork定義動態(tài)場景依賴的靜態(tài)地圖即OpenDRIVE文件,Entities定義場景中的各對象,Storyboard定義各對象的初始狀態(tài)(包括位置、速度等)及動作序列(包括動作及觸發(fā)條件)。

基于上述各層場景的結構化定義,各級場景之間的映射關系如下:從功能場景轉化至邏輯場景,僅需將功能場景涉及的各要素映射為相應的參數(shù)類型即可。從邏輯場景轉化至具體場景,不僅需對各參數(shù)類型進行具體取值,還需將場景轉化為機器可讀的格式,以被仿真軟件執(zhí)行。因此,本節(jié)面向決策規(guī)劃系統(tǒng)必需的場景輸入要素,構建場景自動化生成方法。由于針對特定系統(tǒng)的場景測試中,靜態(tài)場景相對單一固定,故下面將在OpenDRIVE靜態(tài)場景確定的基礎上,實現(xiàn)OpenSCENARIO格式的場景文件自動化生成。

圖5-34OpenDRIVE格式的文件結構

圖5-35OpenSCENARIO格式的文件結構

2. 自動化測試功能實現(xiàn)

接下來介紹自動化測試功能的具體實現(xiàn)方法,開發(fā)過程在仿真軟件VTD上進行。自動化測試功能實現(xiàn)分為兩步:首先需要基于各層場景的映射關系,對應最底層的具體場景文件格式,利用具體場景編譯器實現(xiàn)功能場景至具體場景文件的自動化生成;然后,基于決策規(guī)劃系統(tǒng)場景測試的需求,利用VTD,基于其提供的仿真控制協(xié)議(SimulationControlProtocal,SCP)和實時數(shù)據(jù)總線(RuntimeDataBus,RDB)實現(xiàn)自動化仿真。控制協(xié)議方面,該技術結合相應的SCP啟動和結束仿真的消息定義,實現(xiàn)場景的自動化運行;實時數(shù)據(jù)方面,該技術基于RDB提供的各類消息,實現(xiàn)測試過程中數(shù)據(jù)的自動化提取、計算與輸出。

(1)場景自動化生成

實現(xiàn)場景的自動化生成是實現(xiàn)自動化測試的第一步。由于基于可擴展標記語言格式的OpenSCENARIO格式較為底層,對應的文件描述過于復雜,人工編寫OpenSCENARIO格式的場景文件耗時長、效率低。因此,該技術基于三級場景模型定義了更高級簡易的接口來連接語義級別的功能場景與OpenSCENARIO格式的具體場景,使用了基于OpenSCENARIO格式的場景編譯器,實現(xiàn)自動駕駛仿真場景文件的自動化生成。編譯器原理如圖5-36所示,分為人為定義和自動化解析兩部分。

圖5 -36 編譯器原理

人為定義部分,該自動化測試技術基于三層場景逐級細化的特點,對應OpenSCENARIO格式,定義了基于JSON格式的場景描述規(guī)范。主要的場景描述規(guī)范含義及對應OpenSCENARIO層級見表5-20,與OpenSCENARIO格式中Init節(jié)點和Story節(jié)點分開編寫不同,該技術定義的場景規(guī)范借鑒了面向對象編程的思想。以交通參與者為例,將同一交通參與者的初始化和動作序列作為該交通參與者的屬性,歸于子層級的鍵值對中,從而減少場景編寫的工作量,同時使得對交通參與者的描述更連續(xù),場景更易被理解。需要注意的是,自動駕駛汽車的初始位置需依據(jù)車道位置、初始相對縱向距離結合地圖文件確定位置,其他交通參與者也可基于車道位置、初始相對縱向距離進行設定。

表5-20 場景描述規(guī)范含義及對應OpenSCENARIO層級

(2)場景自動化仿真

下面介紹場景的自動化仿真方法,主要包括場景自動化執(zhí)行/結束及數(shù)據(jù)自動化傳輸?shù)?/span>。

根據(jù)應用側重不同,現(xiàn)有的自動駕駛仿真軟件主要分為三類,即傳統(tǒng)車輛仿真軟件、機器人仿真軟件、專用自動駕駛仿真軟件。其中,傳統(tǒng)車輛仿真軟件側重于動力學模擬,往往用于控制算法的開發(fā)。機器人仿真軟件可以提供豐富的數(shù)據(jù)仿真接口,但對自動駕駛場景模型的支持不足。相較之下,專用自動駕駛仿真軟件在場景模型以及仿真接口的適配方面都能提供良好的支持。本節(jié)使用VTD搭建自動化場景測試仿真平臺。

在選定仿真軟件的基礎上,進一步對VTD的上層控制和底層數(shù)據(jù)的通信接口進行分析。通信接口方面,VTD共包含私有接口和公共接口兩大類。其中私有接口用于VTD內部組件的通信,公共接口用于外部與VTD各組件的通信。因此該技術基于VTD的公共接口,實現(xiàn)場景的自動化仿真。VTD公共接口架構如圖5-37所示,接口間采用的通信協(xié)議分為仿真控制協(xié)議(SCP)和運行數(shù)據(jù)總線(RDB)協(xié)議,兩類消息均可實現(xiàn)與VTD內部組件和外部用戶之間的消息通信,但具體通信內容不同,分別能夠實現(xiàn)上層控制和底層數(shù)據(jù)的通信。

基于SCP和RDB協(xié)議,實現(xiàn)圖5-38所示的場景自動化仿真流程,分為客戶端和仿真軟件兩部分,具體流程為:以場景文件為輸入,首先,客戶端基于SCP,發(fā)送啟動指令至仿真軟件,場景開始運行。然后,運行過程中,客戶端基于RDB協(xié)議,提取仿真軟件的實時數(shù)據(jù),計算相應指標。最后,客戶端基于SCP,發(fā)送結束指令至仿真軟件。同時,客戶端基于RDB協(xié)議計算的數(shù)據(jù),輸出相應測試結果,再啟動運行下一個場景。如此循環(huán),實現(xiàn)自動化仿真流程。

3. 自動化測試技術應用

本節(jié)根據(jù)上述的場景自動化生成方法和自動化仿真方法,結合5.2節(jié)中提出的基于場景的自動化測試框架,介紹自動化測試技術在加速測試方法中的應用———自動化加速測試工具。

該自動化加速測試工具分為上位機和下位機兩部分。其中上位機負責設置、發(fā)布測試任務,接收測試結果,實現(xiàn)與用戶的交互,下位機負責測試場景的運行及仿真數(shù)據(jù)的計算。上位機的圖形用戶界面(GUI)分為配置模塊、運行模塊和分析模塊三部分,如圖5-39所示。配置模塊界面主要負責場景參數(shù)和仿真參數(shù)的設置,其中場景參數(shù)包括場景模板文件選擇、泛化參數(shù)選擇及相應參數(shù)范圍設置等,仿真參數(shù)包括單個仿真場景運行時長設置、場景評價指標選擇、仿真數(shù)據(jù)計算頻率設置等。運行模塊界面主要負責優(yōu)化算法的選擇與啟停、自動化程序的選擇與啟停、任務進度可視化等。分析模塊主要負責加速測試結果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

圖5-39 上位機的GUI

工具運行流程如圖5-40所示。第一,在上位機的配置管理的GUI中設置場景參數(shù)和仿真參數(shù)。第二,基于場景參數(shù)設置,通過任務管理的GUI選擇并啟動優(yōu)化算法,調用相應的參數(shù)采樣模塊,輸出具體場景參數(shù)至場景自動化生成模塊,生成具體場景文件用于場景仿真。第三,基于仿真參數(shù)設置和第二步生成的場景文件,調用場景仿真模塊中的客戶端,通過與仿真軟件的數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)場景自動化仿真與結果計算。最后,輸出測試結果,基于相應的評價標準得到帶有安全或危險標簽的場景集,用于被測系統(tǒng)的安全性分析。

圖5-40 工具運行流程

下面是一個利用自動化加速測試工具進行加速測試的例子,如圖5-41所示。首先在配置模塊定義了一個切出的邏輯場景,其次對相關參數(shù)進行泛化,完成相關參數(shù)配置。然后啟動運行模塊,工具便會自動進行1000輪測試并記錄測試結果。最后在分析模塊可對測試結果進行自動分析。

圖5 -41 自動化加速測試工具運行實例

本書首先立足于整體現(xiàn)狀對智能汽車測試體系架構進行綜述， 并針對測試技術的發(fā)展趨勢和整個核心技術進行詳細描述；然后， 針對測試體系中每一測試過程的概念、核心思想、關鍵技術、測試方法、發(fā)展趨勢等進行詳細描述。

本書可供智能汽車設計人員及測試人員閱讀使用， 也可供車輛工程專業(yè)及相關專業(yè)師生閱讀參考。

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作者簡介：

陳君毅,2009年畢業(yè)于同濟大學汽車學院,獲工學博士學位,任職于同濟大學汽車學院?長期從事自動駕駛汽車測試與評價方向研究工作,先后主持和參與國家級?省部級項目共11項,并與華為?路特斯?上汽大眾?蔚來等企業(yè)開展了深度校企合作研究?近5年,在國內外學術期刊和國際會議上共發(fā)表SCI/EI檢索論文近30篇,其中以第一作者或及通訊作者發(fā)表的為20余篇;申請發(fā)明專利30余項(已授權7項)?擔任SAE汽車安全和網(wǎng)絡安全技術委員會秘書?功能安全和預期功能安全分委會主席;是自動駕駛測試場景國際標準(ISO3450X)支撐專家組成員,以及CAICV聯(lián)盟預期功能安全工作組核心成員;擔任《汽車工程》和《汽車工程學報》青年編委委員,IEEE Transactions on Intelligent Vehicles?Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering?《中國公路學報》?《汽車工程》?IEEE Intelligent Transportation Systems Conference?IEEE Intelligent Vehicles Symposium等國內外期刊和國際會議審稿人,曾于多項國際學術會議擔任分論壇主席?

版權信息:

智能汽車測試技術 / 陳君毅等著. -- 北京 : 機械工業(yè)出版社, 2025. 5. -- (智能汽車關鍵技術叢書).ISBN 978-7-111-77871-4 Ⅰ. U467 中國國家版本館CIP數(shù)據(jù)核字第2025X8D229號

本書由機械工業(yè)出版社出版，本文經(jīng)出版方授權發(fā)布。