自動(dòng)駕駛汽車如何進(jìn)行仿真測(cè)試，實(shí)際效果如果？

說到仿真測(cè)試大家可能會(huì)覺得陌生，不過其原理其實(shí)已經(jīng)被廣泛采用。比如某人想要開車從北京去上海，但是不知道需要多長(zhǎng)時(shí)間，于是他做了這樣的估算：

北京到上海距離s=1200km，開車時(shí)速v=120km/h，那么需要的時(shí)間為t=s/v=10h;考慮到不是全程高速、中間可能會(huì)休息，假設(shè)平均時(shí)速v’=80km/h會(huì)更合理，于是需要的時(shí)間為t=s/v’=15h。

通過這個(gè)例子，我們可以體會(huì)到兩點(diǎn)：

仿真即是通過一組公式模仿真實(shí)世界，或者說使用一個(gè)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化替代真實(shí)世界;

數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜度越高，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)世界越相近，但是建模難度越高、計(jì)算速度越慢。

1.2、自動(dòng)駕駛汽車的仿真測(cè)試的不同手段

我們首先考慮真實(shí)世界的情況，自動(dòng)駕駛汽車在開放道路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以用下圖來(lái)表示：

自動(dòng)駕駛車輛主要由傳感器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成(當(dāng)然這主要是指自動(dòng)駕駛部分，車身、底盤等傳統(tǒng)車輛部分暫且不提)，駕駛員駕駛車輛在不同的道路、交通和天氣環(huán)境下接受測(cè)試。當(dāng)然高級(jí)別的自動(dòng)駕駛不需要駕駛員，所以圖中用虛線表示。

自動(dòng)駕駛汽車在真正商業(yè)化應(yīng)用前，需要經(jīng)歷大量的道路測(cè)試才能達(dá)到商用要求。采用路測(cè)來(lái)優(yōu)化自動(dòng)駕駛算法耗費(fèi)的時(shí)間和成本太高，且開放道路測(cè)試仍受到法規(guī)限制，極端交通條件和場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)困難，測(cè)試安全存在隱患。

因此，基于場(chǎng)景庫(kù)的仿真測(cè)試是解決自動(dòng)駕駛研發(fā)測(cè)試挑戰(zhàn)的主要路線。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試不同于傳統(tǒng)的汽車整車或零部件試驗(yàn)，更多的是參照軟件開發(fā)和測(cè)試的模型和流程。V模型是廣泛在軟件開發(fā)和測(cè)試中使用流程，V模型要求在開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行不同階段的開發(fā)同時(shí)，測(cè)試團(tuán)隊(duì)編制對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例，并在開發(fā)階段完成后立即進(jìn)行測(cè)試。這就要求在集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試等暫無(wú)完整產(chǎn)品樣件的情況下，就開始進(jìn)行測(cè)試。

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開發(fā)過程中，越早發(fā)現(xiàn)問題則修正問題的成本越低。在開發(fā)的早期，就建立起測(cè)試驗(yàn)證的手段，快速高效的發(fā)現(xiàn)和解決開發(fā)過程中的問題，可以有效減低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率。

自動(dòng)駕駛車輛的自動(dòng)駕駛部分主要由傳感器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成，駕駛員駕駛車輛在不同的道路、交通和天氣環(huán)境下接受測(cè)試。仿真測(cè)試就是模擬真實(shí)的駕駛環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，因此會(huì)對(duì)照真實(shí)世界，搭建模擬場(chǎng)景，也就是仿真測(cè)試平臺(tái)，一般由交通場(chǎng)景模塊、傳感器模塊、車輛動(dòng)力學(xué)模塊和測(cè)試管理模塊構(gòu)成。如下圖所示：

交通場(chǎng)景模塊用于模擬車輛運(yùn)行的外部世界;傳感器模塊用于模擬車輛上安裝的各種傳感器，從而獲得交通場(chǎng)景的狀態(tài);車輛動(dòng)力學(xué)模塊用于模擬車輛本身對(duì)自動(dòng)駕駛算法控制的響應(yīng)，特別是對(duì)加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向的響應(yīng)。測(cè)試管理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)以上三個(gè)部分組成的仿真測(cè)試環(huán)境的管理，保證仿真測(cè)試的效果和效率。一方面，對(duì)測(cè)試流程進(jìn)行管理，另一方面，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2.自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試流程

完整的自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試可以分為仿真工具開發(fā)、仿真工具集成、測(cè)試場(chǎng)景開發(fā)和仿真測(cè)試執(zhí)行等工作。

仿真工具開發(fā)

由于仿真工具開發(fā)難度較大，且模塊的功能有較明顯分隔，目前仿真工具一般由多家公司提供。比如VTD、PreScan是常用的場(chǎng)景和傳感器模仿真軟件，CarSim是常用的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，ECU-TEST是常用的測(cè)試管理工具。

仿真工具集成

仿真工具集成包含兩個(gè)方面的工作：(1)根據(jù)測(cè)試需要選擇合適的測(cè)試工具并將其集成為完整的仿真測(cè)試環(huán)境;(2)將被測(cè)算法與仿真測(cè)試環(huán)境集成，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測(cè)試。

測(cè)試場(chǎng)景開發(fā)

測(cè)試場(chǎng)景開發(fā)工作的一個(gè)關(guān)鍵問題是：如何保證仿真測(cè)試的場(chǎng)景覆蓋度?這需要針對(duì)自動(dòng)駕駛算法的設(shè)計(jì)運(yùn)行域詳細(xì)而系統(tǒng)的進(jìn)行測(cè)試場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。充分考慮道路、周圍車輛的位置和運(yùn)動(dòng)、傳感器感知局限和自車狀態(tài)等等不同方面的影響。在場(chǎng)景設(shè)計(jì)完成后，需要在仿真環(huán)境下搭建。

仿真測(cè)試執(zhí)行

仿真測(cè)試執(zhí)行包含兩個(gè)方面的工作：(1)對(duì)測(cè)試場(chǎng)景庫(kù)的維護(hù)和針對(duì)不同算法或功能合適的測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試;(2)在測(cè)試完成后，整理并提供清晰的測(cè)試報(bào)告，并提供測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為算法團(tuán)隊(duì)的改進(jìn)提供有效支撐。

3.自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試方法

基于模型的設(shè)計(jì)方法的不同階段，分別采用MIL/SIL/PIL/HIL(MIL，Modelin the Loop：模型在環(huán)測(cè)試;SIL，Softwarein the Loop：軟件在環(huán)測(cè)試;PIL，Processorin the Loop：處理器在環(huán)測(cè)試;HIL，Hardwarein the Loop：硬件在環(huán)測(cè)試)等測(cè)試方法，有效的對(duì)嵌入式代碼進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。如果被測(cè)對(duì)象僅僅是開發(fā)階段的算法，那只使用MIL/SIL就可以;如果被測(cè)對(duì)象是要在實(shí)車使用的控制器，那可能需要一套HIL設(shè)備提前進(jìn)行測(cè)試、提前發(fā)現(xiàn)問題。仿真測(cè)試常用的工具有的CarSim、CarMaker、VTD和PreScan等等。

虛擬仿真技術(shù)是汽車研發(fā)、制造、驗(yàn)證測(cè)試等環(huán)節(jié)不可缺少的技術(shù)手段，可以極大縮短技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)周期，有效降低研發(fā)成本。隨著汽車網(wǎng)聯(lián)化、智能化的加速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)有了更大的發(fā)揮空間，越來(lái)越多的數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化功能得以開發(fā)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的仿真測(cè)試技術(shù)便是其中之一。

傳統(tǒng)的汽車仿真測(cè)試以車輛動(dòng)力學(xué)仿真測(cè)試為主，模擬車輛對(duì)駕駛員、道路表面信息以及空氣動(dòng)力學(xué)輸入的響應(yīng)。而現(xiàn)在我們談?wù)摰摹白詣?dòng)駕駛仿真測(cè)試”則將仿真范圍擴(kuò)大到車輛傳感器所能探測(cè)到的周邊一切行駛環(huán)境，包括：道路表面、交通標(biāo)志牌、紅綠燈、交通參與者及參與者行為、天氣情況和路面光照等各種情況。

總的來(lái)說，自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試主要是以數(shù)字建模的方式構(gòu)建出與真實(shí)世界盡可能一致的車輛行駛場(chǎng)景，讓自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在一系列仿真的場(chǎng)景庫(kù)中實(shí)現(xiàn)駕駛感知、決策規(guī)劃、控制等算法的閉環(huán)測(cè)試驗(yàn)證

自動(dòng)駕駛虛擬仿真測(cè)試按照開發(fā)流程和測(cè)試方式可以分為：模型在環(huán)(MIL)、軟件在環(huán)(SIL)、硬件在環(huán)(HIL)和實(shí)車在環(huán)(VIL)/駕駛員在環(huán)(DIL)。

1)模型在環(huán)(Model-in-the-loop，簡(jiǎn)稱MIL)

在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研發(fā)初期，需要對(duì)所建立的算法模型進(jìn)行仿真測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果的反饋不斷優(yōu)化模型設(shè)計(jì)。在這一階段，不涉及任何實(shí)際要素，全部在虛擬的電子世界中進(jìn)行。

2)軟件在環(huán)(Software-in-the-loop，簡(jiǎn)稱SIL)

在完成模型在環(huán)測(cè)試后，需要將算法模型轉(zhuǎn)換為代碼。軟件在環(huán)測(cè)試就是將生成的代碼和算法模型進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以保證輸出結(jié)果的一致性。

3)硬件在環(huán)(Hardware-in-the-loop，簡(jiǎn)稱HIL)

硬件在環(huán)階段的測(cè)試對(duì)象是汽車各零部件的控制器系統(tǒng)，通過將實(shí)際的零部件控制器與仿真硬件模擬出的被控對(duì)象相連，以高效率、低成本的方式對(duì)控制器的功能進(jìn)行全面的、動(dòng)態(tài)的測(cè)試。

4)實(shí)車在環(huán)(Vehicle-in-the-loop，簡(jiǎn)稱VIL)

將通過硬件在環(huán)測(cè)試的各零部件系統(tǒng)集成到真實(shí)車輛中，并通過仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)模擬道路、交通場(chǎng)景以及傳感器環(huán)境，讓真實(shí)車輛在仿真環(huán)境中完成整車級(jí)功能安全測(cè)試。近日，軟件所軟件工程中心自動(dòng)駕駛測(cè)試團(tuán)隊(duì)在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全性違規(guī)檢測(cè)方面取得進(jìn)展。該研究提出了基于多目標(biāo)遺傳算法的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真測(cè)試方法，能夠有效生成對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的挑戰(zhàn)場(chǎng)景，暴露自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性缺陷，并支持對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的連續(xù)、長(zhǎng)距離測(cè)試，提高仿真測(cè)試執(zhí)行效率。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是高度復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)，其所處的運(yùn)行環(huán)境高度復(fù)雜且多變，會(huì)面臨許多無(wú)法預(yù)見的情況，系統(tǒng)安全性尤為重要。目前的自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試方法存在搜索成本高、測(cè)試效率低，生成場(chǎng)景挑戰(zhàn)性不足、相似度高等問題，難以對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行充分全面的測(cè)試。

針對(duì)此問題，團(tuán)隊(duì)提出一種基于多目標(biāo)遺傳算法的自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試方法MOSAT，首先基于原子性的駕駛行為(如跟車、變道、加/減速)，構(gòu)建對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具有強(qiáng)干擾性的復(fù)合行為;然后采用多目標(biāo)遺傳算法，綜合考慮自動(dòng)駕駛車輛的擾動(dòng)程度、預(yù)計(jì)碰撞時(shí)間、場(chǎng)景多樣性三個(gè)目標(biāo)，選擇關(guān)鍵度高的測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行變異，生成更多對(duì)抗性強(qiáng)、多樣性高的測(cè)試場(chǎng)景;最后通過時(shí)空持續(xù)的仿真行駛環(huán)境，交替執(zhí)行多個(gè)搜索進(jìn)程，支持對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的連續(xù)、長(zhǎng)距離測(cè)試。MOSAT在L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)百度Apollo中發(fā)現(xiàn)了11種不同類型的安全違規(guī)行為，較之現(xiàn)有的自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試方法，在相同的道路和行駛條件下，多發(fā)現(xiàn)了6種類型的安全違規(guī)行為;場(chǎng)景生成與運(yùn)行的時(shí)間消耗、和發(fā)現(xiàn)的安全性違規(guī)場(chǎng)景的差異度，也顯著優(yōu)于現(xiàn)有的自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試方法。

相關(guān)成果以“MOSAT: Finding Safety Violations of Autonomous Driving Systems Using Multi-Objective Genetic Algorithm”為題被軟件工程領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議ESEC/FSE 2022錄用。該論文第一作者為博士生田浩翔，通訊作者為研究員吳國(guó)全、葉丹。該研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。