智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載智能計(jì)算平臺(tái)仿真測試評價(jià)

劉 洋，楊 宏

（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007）

0 引 言

汽車正向著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的“新四化”推進(jìn)。隨著智能化能力要求的提升，車輛需要具備高速、可靠、安全的計(jì)算能力，其本身已經(jīng)逐漸變?yōu)橐慌_(tái)新型移動(dòng)智能終端。車載智能計(jì)算平臺(tái)正是車輛的“大腦”，是車輛計(jì)算能力的集中體現(xiàn)。

面對更加復(fù)雜的功能需求，現(xiàn)階段車載智能計(jì)算平臺(tái)通常采取新型電子電氣架構(gòu)，以域控制器（Domain Control Unit, DCU）為核心，集成車輛電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、車載攝像頭、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、車載通信終端（On Board Unit, OBU）等智能電子終端以及相關(guān)軟件。但外部環(huán)境的復(fù)雜性、不可預(yù)知性以及系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性，都對車載智能計(jì)算平臺(tái)的安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此在產(chǎn)品落地前需要對其進(jìn)行大量測試，保障其在各種環(huán)境、狀態(tài)及突發(fā)事件下都能夠正常運(yùn)行。

在實(shí)際測試中，傳統(tǒng)的以整車功能性能驗(yàn)證為主的測試評價(jià)方式已越來越無法滿足智能化車輛測試驗(yàn)證的要求。實(shí)際路測成本高昂、效率低下，仿真測試具有較大優(yōu)勢。一方面，仿真測試成本低，通過軟件可構(gòu)建復(fù)雜多樣的虛擬交通場景，且具有很高的重復(fù)性和自動(dòng)化程度，提高了測試效率，易于發(fā)現(xiàn)和定位問題；另一方面，一些實(shí)際路測中難以實(shí)現(xiàn)的極限工況或偶然概率事件，可以仿真模擬，極大擴(kuò)展了測試的覆蓋范圍。此外，仿真測試可以在車輛上路前盡量減少錯(cuò)誤，一定程度上提高了實(shí)際路測的安全性。仿真測試符合當(dāng)前V型開發(fā)模式理念，使測試驗(yàn)證貫穿車載智能計(jì)算平臺(tái)開發(fā)周期，使系統(tǒng)在快速開發(fā)迭代的情況下保證驗(yàn)證的充分性，極大提高了研發(fā)效率、降低了研發(fā)成本[1-4]。

通常，車載智能計(jì)算平臺(tái)仿真測評包括3個(gè)層面：對系統(tǒng)算法和軟件進(jìn)行測試驗(yàn)證，即軟件在環(huán)（Software in-the-Loop, SIL）仿真測試；對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行半實(shí)物仿真測試，即硬件在環(huán)（Hardware in-the-Loop, HIL）仿真測試；在車輛實(shí)際道路測試前，對裝配了系統(tǒng)的整車進(jìn)行仿真測試，即整車在環(huán)（Vehicle in-the-Loop, VIL）仿真測試[5-7]。

1 軟件在環(huán)

軟件在環(huán)可對車載智能系統(tǒng)算法和軟件進(jìn)行閉環(huán)仿真測試，覆蓋底層軟件算法及上層應(yīng)用軟件等，實(shí)現(xiàn)對車載智能計(jì)算平臺(tái)的感知、定位、規(guī)劃、控制等功能的仿真測試驗(yàn)證。軟件在環(huán)通常采用場景模擬仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)在特定場景下能否正確應(yīng)對。對于軟件在環(huán)而言，關(guān)鍵技術(shù)和模塊主要包括場景構(gòu)建和生成、傳感器模擬、車輛動(dòng)力學(xué)模擬、事件監(jiān)測和判定。

1.1 場景構(gòu)建和生成

測試場景的構(gòu)建是仿真測試的重要環(huán)節(jié)，其多樣性、覆蓋性和典型性將極大影響測試結(jié)果。場景構(gòu)建要包括道路、交通設(shè)施等在內(nèi)的靜態(tài)場景，以及場景的天氣、光照等因素。由于仿真場景的復(fù)雜多變，人工手動(dòng)建模很難滿足大批量場景搭建的需求，因此通常通過高精度地圖自動(dòng)生成靜態(tài)道路場景。

除靜態(tài)道路場景模擬，更重要的是模擬復(fù)雜場景下的障礙物和交通參與者行為，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場景仿真。動(dòng)態(tài)場景可以描述為一個(gè)場景下各種障礙物及其組件的行為組合。根據(jù)不同類型的需求，障礙物通?？梢苑譃殪o態(tài)障礙物、固定軌跡障礙物及帶有限定智能行為的障礙物。

1.2 傳感器模擬

傳感器是車載智能計(jì)算平臺(tái)中感知世界的工具，是支持智能駕駛的重要功能組件。傳感器模擬能將大部分智能駕駛車端系統(tǒng)功能模塊并入閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)更完整全面的測試驗(yàn)證。

傳感器仿真通常是對其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。主流傳感器主要包含激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、攝像頭及慣性測量單元IMU。在仿真過程中，需優(yōu)化仿真器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出。相較于傳統(tǒng)仿真器僅支持離線模擬的特性，實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有更高的效率和更好的用戶體驗(yàn)，所見即所得。

1.3 車輛動(dòng)力學(xué)模擬

車輛動(dòng)力學(xué)仿真模擬方案在業(yè)界較為成熟，可以沿用經(jīng)典的內(nèi)燃機(jī)模型和輪胎模型，以API的形式提供多種車輛操控方式。

1.4 事件監(jiān)測和判定

在大規(guī)模仿真測試中，使用人工監(jiān)視大量車輛的行為十分困難。因此仿真測試需要具備車輛行為監(jiān)測功能，自動(dòng)監(jiān)視目標(biāo)測試系統(tǒng)行為是否符合預(yù)期。

在總結(jié)大量實(shí)地場景測試及仿真測試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以抽象出一批通用系統(tǒng)測試結(jié)果判定條件，從而形成完整的行為監(jiān)測功能。但由于測試系統(tǒng)判定條件會(huì)隨著用戶需求不斷增加，該功能需要具有高可擴(kuò)展性，同時(shí)要避免功能耦合，將每一種被抽象出來的行為監(jiān)視組件作為一個(gè)獨(dú)立的邏輯實(shí)體，邏輯實(shí)體之間不相關(guān)且監(jiān)視條件嚴(yán)格正交。在這種情況下，可以提高行為監(jiān)視組件添加與移除的便捷性，降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高需求響應(yīng)速度。

2 硬件在環(huán)

硬件在環(huán)是通過實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來模擬受控對象，可以同時(shí)支持硬件、底層軟件和應(yīng)用層軟件的仿真測試。對域控制器的仿真測試是該環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。

從安全性、可行性和成本合理性三方面考慮，硬件在環(huán)已成為自動(dòng)駕駛整車開發(fā)流程中非常重要的一環(huán)，在檢驗(yàn)檢測中也將發(fā)揮重要作用。

硬件在環(huán)主要內(nèi)容：仿真系統(tǒng)將真實(shí)或虛擬的傳感數(shù)字信號(hào)輸入到域控制器中；域控制器進(jìn)行規(guī)劃和控制計(jì)算，輸出線控信號(hào)；仿真系統(tǒng)接收線控信號(hào)后更新虛擬車輛狀態(tài)和仿真結(jié)果，并將仿真結(jié)果反饋至域控制器。硬件在環(huán)整體框架如圖1所示。

圖1 硬件在環(huán)整體框架

硬件在環(huán)關(guān)鍵技術(shù)是對傳感器的仿真。現(xiàn)今多傳感器融合是車載智能計(jì)算平臺(tái)主流方案之一，既可以是同類型多個(gè)傳感器融合，也可以是不同類型的傳感器融合。

（1）攝像頭仿真。攝像頭仿真通常有2種實(shí)現(xiàn)方式，一是利用真實(shí)視頻在視頻暗箱中播放給真實(shí)攝像頭；二是通過攝像頭射頻注入模塊（CSM）直接將交通場景圖像信息傳輸給圖像處理單元，代替真實(shí)攝像頭檢測交通場景。

（2）毫米波雷達(dá)仿真。毫米波雷達(dá)仿真主要通過空饋方式把接收的射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理后傳遞給厘米波分系統(tǒng)，按照系統(tǒng)注入的目標(biāo)參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行距離模擬、速度模擬和RCS模擬，并把模擬信號(hào)傳遞給毫米波分系統(tǒng)的上變頻模塊。經(jīng)上變頻后，實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的目標(biāo)仿真回波，再發(fā)送給車用毫米波雷達(dá)。

（3）超聲波雷達(dá)仿真。采用超聲波回波模擬設(shè)備（超聲波測試盒），將真實(shí)超聲波傳感器與聲音換能器布置在其中。障礙物的距離信息由仿真軟件發(fā)送到聲音換能器，聲音換能器形成的超聲波由超聲波傳感器傳遞到控制單元。

（4）激光雷達(dá)仿真。由于很難實(shí)現(xiàn)對真實(shí)激光雷達(dá)環(huán)境的仿真，因此通常在交通仿真場景中設(shè)定理想激光雷達(dá)，并設(shè)置真實(shí)參數(shù)，配置交通仿真場景中靜態(tài)和動(dòng)態(tài)交通參與者表面的吸收率和反射率，同時(shí)配置交通仿真環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)，使得理想激光雷達(dá)輸出更貼合在真實(shí)交通環(huán)境中檢測到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

此外，由于車輛網(wǎng)聯(lián)化程度的加深，對于V2X信號(hào)的仿真也成為重要的技術(shù)分支。

3 整車在環(huán)

整車在環(huán)目前主要應(yīng)用于駕駛輔助系統(tǒng)ADAS復(fù)雜功能測試驗(yàn)證。其誕生是為了整合虛擬仿真技術(shù)與常規(guī)道路試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)克服已知傳統(tǒng)實(shí)車道路測試的局限。整車在環(huán)測試中，一輛真車將被“嵌入”至一個(gè)虛擬交通環(huán)境中（包含交通場景、交通標(biāo)志、道路等）。

與實(shí)際路測相比，整車在環(huán)極大節(jié)約了成本，降低了測試風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了測試的復(fù)現(xiàn)性，在硬件在環(huán)基礎(chǔ)上提高了被測控制器測試結(jié)果的精確度，彌補(bǔ)了實(shí)際路測與硬件在環(huán)測試之間的差距。此外，整車在環(huán)還可復(fù)用軟件在環(huán)和硬件在環(huán)測試的測試場景。

整車在環(huán)主要內(nèi)容：仿真系統(tǒng)構(gòu)建虛擬環(huán)境，輸入真實(shí)車輛智能計(jì)算平臺(tái)；車輛探測到虛擬障礙物后將相關(guān)信息傳遞給控制器；控制器進(jìn)行分析決策后制定控制策略，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等操作。

整車在環(huán)測試系統(tǒng)主要分為2部分：實(shí)物部分和仿真部分。其中虛擬仿真設(shè)備包含上位機(jī)、實(shí)時(shí)仿真器等；實(shí)物部分包含被測車輛的攝像頭、超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)等傳感器和駕駛操作的接口適配單元。

就場地而言，整車在環(huán)可以分為2類：封閉試驗(yàn)場整車在環(huán)和暗室轉(zhuǎn)鼓整車在環(huán)。封閉試驗(yàn)場可實(shí)現(xiàn)測試車輛橫、縱向極限場景測試，但在做高速試驗(yàn)時(shí)對場地尺寸要求較大，因此封閉試驗(yàn)場整車在環(huán)主要用于中低速極限場景測試；高速縱向極限場景可在暗室轉(zhuǎn)鼓整車在環(huán)中實(shí)現(xiàn)。此外，暗室轉(zhuǎn)鼓整車在環(huán)仿真測試可以模擬交通極端擁堵條件下高密度V2X通信環(huán)境、城市峽谷等通信信號(hào)多徑傳輸環(huán)境、高速條件下通信信號(hào)的多普勒頻移等特殊的極限通信環(huán)境。這些場景幾乎不可能在室外進(jìn)行模擬，一方面，大部分智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)試驗(yàn)頻率均受國家無線電頻譜管理部門的管控，禁止隨意向自由空間發(fā)射；另一方面，向自由空間泄漏的電磁波會(huì)對實(shí)際電磁環(huán)境產(chǎn)生污染，影響正常工作的設(shè)備的使用安全。

4 結(jié) 語

在智能網(wǎng)聯(lián)車輛算法研發(fā)、系統(tǒng)測試和安全驗(yàn)證3個(gè)測試階段中，仿真已成為必不可少的手段，這已是國內(nèi)外業(yè)界的共識(shí)。目前，國內(nèi)外也在陸續(xù)開展利用仿真方式進(jìn)行車輛檢驗(yàn)檢測的試驗(yàn)，并已開展標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的預(yù)研工作。除仿真手段的革新外，場景數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)也是仿真測試的重中之重。傳統(tǒng)基于路測數(shù)據(jù)、現(xiàn)有事故數(shù)據(jù)庫和人工創(chuàng)建的有限場景測試方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，如何創(chuàng)建一個(gè)具有高度覆蓋率的場景數(shù)據(jù)庫、快速產(chǎn)生大量適用性強(qiáng)的新場景將是一個(gè)持續(xù)的課題。