自动驾驶测试评估体系综述

保丽霞,吴金友,王秋兰,季 楠,王凡婷

(1.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司,上海 200125;2.吉林大学,吉林 长春 130000)

1 自动驾驶测试场地建设

目前,自动驾驶汽车正在从研发阶段转向在特定应用场所下的大规模实验和试用阶段,随着自动驾驶系统的不断发展,产生了很多新的测试需求。因此,建立完备的自动驾驶测试体系将有效推动智能网联汽车产业发展[1]。

自动驾驶车辆测试是验证和判断自动驾驶系统在响应过程中是否能够正确识别交通设施和参与者,并时刻遵守交通规则的测试。传统的整车测试主要测试单车性能。与传统的车辆测试不同,自动驾驶车辆测试的评价对象是一个强耦合的人-车-环境-任务系统,因此,使用针对传统车辆的测试方法很难满足对自动驾驶汽车性能测试的需求。随着自动驾驶技术的不断发展,各国围绕自动驾驶测试相关工作进行了大量研究。目前,自动驾驶车辆测试两大方法分别是仿真测试和道路测试[2]。仿真测试主要通过搭建仿真测试平台,测试自动驾驶汽车各个系统的功能,是自动驾驶系统测试的第一步[3]。基于道路的测试最接近真实环境的测试,是验证自动驾驶功能的必要步骤,也是自动驾驶汽车商业化的必备条件。自动驾驶测试评价体系研究和统一标准规范的建立,对于提升我国自动驾驶汽车研究水平具有重要意义。

鉴于目前自动驾驶汽车测试技术缺乏全面系统的总结,围绕国内外自动驾驶测试场地的建设情况、自动驾驶测试场景、测试方法、测试评价原则等进行了系统的总结。

2 自动驾驶测试场地建设

自动驾驶汽车大规模上路之前必须经过自动驾驶道路测试,在自动驾驶测试过程中可以评估测试车辆的性能并发现在测试中可能存在的风险,从而进行算法后续优化与系统功能提升,最大限度地提高自动驾驶车辆的安全性。

道路测试是基于真实的交通场景进行的测试,测试结果可信度较高,因此得到了业界的广泛重视。测试场地能够提供最接近开放道路的交通环境,方便探索在仿真测试中忽略的车辆在行驶过程中可能出现的各种问题。

2.1 国外自动驾驶测试场地

国外早在20世纪就开始重视自动驾驶汽车的发展,美国、日本等国家相继出台了支持自动驾驶汽车的研发和测试的政策,并投入大量资金建设无人驾驶测试场[4-7]。

美国已经建成多个无人驾驶示范区,其中,作为全球第一个自动驾驶汽车测试场M-city已于2015年建成,并引发广大关注[8]。2016年,英国政府计划在部分现有自动驾驶汽车检测中心的基础上,重点建设检测设施集群。另外,瑞典、日本、新加坡等都在推进自动驾驶测试场地建设工作[4]。如表1所示。

表1 国外主要自动驾驶测试场

2.2 国内自动驾驶测试场地

我国的测试试验场和示范区的建设仍处在不断学习的阶段,但是布局已经较为完整。许多企业都在努力加快智能网联汽车的示范应用,并且推进自动驾驶车辆的商业化落地,目前上海、北京、重庆等地都已建立了智能网联测试示范区[9],每个示范区都有自己的特点和侧重,如表2所示。

3 自动驾驶测试场景

3.1 测试场景要素划分

由于自动驾驶技术的发展带来了测试需求的增加,学者们开始研究自动驾驶测试场景的构建。Geyer等人[12]详细阐述了自动驾驶测试场景构成元素定义及场景的分类。Menzel等人[13]对情景一词进行了更详细的分类,将场景划分为功能场景、逻辑场景和具体场景。德国PEGASUS项目[14]专门分析了自动驾驶汽车不同阶段的测试需求,针对测试场景的构建,提出了六层分层模型,分别是道路层、交通设施层、临时操作层、目标层、环境层和数据通讯层。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)构建了自动驾驶车辆测试场景的框架。赵祥模等人[15]将自动驾驶测试场景环境要素分为动态环境要素和静态环境要素。

通过对以往研究的分析,一般来说,自动驾驶测试场景是一定时间和空间范围内车辆运行设计域(Operational Design Domain,ODD)元素、目标和时间探测与响应(Object and Event Detection and Response,OEDR)元素和自车元素构成[16]。

3.2 国内典型测试场景库案例

自动驾驶场景库是指由不同测试需求构建的测试场景组成的数据库。国内目前有很多公司已经开始建立自己的场景库以供测试研究,如表3所示。

4 自动驾驶测试方法

4.1 测试方法简介

自动驾驶测试场景的建设和功能划分与车辆测试方法密不可分,目前自动驾驶测试方法主要分为仿真测试、封闭场地测试和开放道路测试,通常对车辆的测试采用“多支柱法”,即通过仿真测试、封闭场地测试和开放道路测试等多种测试方法对车辆依次进行功能测试[17]。

自动驾驶仿真测试指的是通过计算机还原尽可能真实的自动驾驶车辆运行场景,从而方便对车辆各个系统和车辆整体进行测试[18]。研究人员通过分析研究仿真测试的结果,测试与验证自动驾驶各个系统和算法的有效性。仿真测试的主要优点是测试场景设置灵活,场景覆盖率高、安全,有利于提高测试效率,降低测试成本。

自动驾驶道路测试,包括封闭场地测试和开放道路测试。虽然现阶段大多数的测试工作仍以仿真测试为主,自动驾驶汽车的测试工作90%由仿真测试完成,但是仿真测试并不能完全取代实际道路测试,自动驾驶车辆需要进行道路测试来实现其最终测试。

4.2 典型场景下自动驾驶车辆测试实例

鉴于目前的自动驾驶仿真测试方法已经相当成熟,各国都在积极推进自动驾驶场地测试以加快无人驾驶车辆的商业化落地。

(1)封闭场地测试

2021年度,国家智能汽车与智慧交通(京冀)示范区亦庄基地为20余家国内外测试主体提供了测试服务,总测试时长超过3 100 h,封闭测试场全年测试里程近5.54万km。

①基础功能测试

以感知功能测试为例,当前被测自动驾驶车辆大多数是通过激光雷达、毫米波雷达和摄像头来实现感知功能,主要测试被测车辆对周围车辆、行人、障碍物等的识别性能。本文总结了2019～2021年自动驾驶车辆在封闭测试场内对其前方不同物体的最大感知距离,如表4所示。根据表中数据可知随着自动驾驶车辆系统的升级,车辆整体感知性能逐渐提高,对物体的感知距离逐年增加。

表4 2019～2021年封闭试验场向前最大感知距离优化方案对比

②整车测试

测试自动驾驶车辆的整车性能首先需要对于车辆在不同工况下的操作能力进行测试。2021年,北京封闭测试场测试的自动驾驶车辆在交通标线、曲线行驶、直角弯道、变更车道、通过人行横道线、会车、路口左转、路口右转等项目通过率都达到了100%[19]。其次,通过车辆在封闭场地指定线路进行驾驶来评估自动驾驶车辆的动态驾驶性能与行驶稳定性。通过对测试结果的分析,现阶段发现的问题主要包括定位精度不够、某些工况下变道策略不合理等。

③试运营验证测试

在正式对车辆进行开放道路测试之前,一些车辆选择在封闭测试场内进行试运营来测试车辆行驶整个过程的性能。例如,2021年北封闭示范区就开展了无人巴士和无人配送车的运营测试。在一些常见场景下对无人巴士的基础功能进行测试验证,比如接客落客、与乘客的交互等。无人配送车测试场景,主要包括对配送车的远程操控、最后一公里配送的测试。测试结果表明,仍存在许多问题需要解决,例如在紧急制动时刻车辆如何能确保乘客的安全等。

(2)实际道路测试

①试运营载人测试

截止2021年底,北京市载人测试里程累计超过251万km,参与载人试运营测试的志愿者超过30万人次[20]。随着运营规模的扩大,用户对自动驾驶车辆的接受程度逐渐提高,并且在自动驾驶车辆载人体验过后,用户对自动驾驶车辆运营的满意度普遍较高,但仍需重点关注自动驾驶车辆运营模式、驾驶安全、舒适度等问题。

②道路测试关键脱离情况

自动驾驶关键脱离是指自动驾驶车辆因系统故障、策略缺陷、超出设计运行域等原因,车辆控制权限切换为人类驾驶员的事件,是道路测试的重点测试项目。2021年北京市场地测试中自动驾驶车辆脱离场景占比情况如表5所示,车辆脱离原因类型占比情况如表6所示。

表5 车辆脱离场景占比

根据表中数据可以看出,车辆脱离情况大多发生在变道场景中,并且,目标物占用车道、道路施工等因素是车辆脱离的主要原因。这主要是因为自动驾驶车辆在行驶过程中需严格执行交通法规,上述原因使得自动驾驶车辆失去合规的通行路线不得不请求人类接管车辆,人类驾驶员通常会临时越过交通规则约束使车辆正常运行。为解决此类问题,未来还要从法律法规、权责划分方面出发提出相应的解决方案。

5 自动驾驶测试评价原则

对自动驾驶车辆的评价主要从安全性、准确性、及时性和顺畅性四个方面进行。

安全性原则:提高道路安全和驾驶效率是自动驾驶车辆的主要目的。因此,安全性能直接影响到自驾车辆的性能评估结果。安全性是测试中的一票否决项。此处的安全不应只关注本车是否可通过相应措施尽量降低风险,同样需要关注本车的相应措施是否会严重影响交通流,造成外界其他交通参与者与本车产生危险。

准确性原则:准确性是指自主车辆能否准确地执行相关的驾驶行为,自车的驾驶行为不会对其他交通参与者造成过度的影响,甚至造成碰撞事故。它应该满足其他交通参与者的一般期望,不对交通速度产生负面影响,不使其他驾驶参与者对其行为产生混淆,不影响道路安全。

及时性原则:及时性是指自主车辆是否能根据实时路况执行相关的驾驶行为,而不影响其他交通参与者。这一内容主要通过主观测试方法来评估。

顺畅性原则:顺畅性是指自动驾驶汽车能否顺利地、无障碍地完成相关驾驶行为,不被其他交通参与者频繁打断,或频繁地、不合理地退出自动驾驶模式,要求驾驶员接管。

舒适性原则:舒适性指的是自动驾驶车辆在行驶过程中尽量保持平稳,减少加减速的频率。

6 结 论

作为一个新兴发展发向,自动驾驶汽车涉及较多的技术领域,应用场景复杂多变,尤其是自动驾驶汽车在面临不确定事件时风险较大。本文基于现有的自动驾驶测试标准与研究。

总体来说,目前自动驾驶测试在场景构建、测试方法、测试标准方面都取得了一定的进展,但是仍然处于研究的初级阶段,未来的研究方向主要放在车路协同与自动驾驶车辆交互测试、连续出行场景下自动驾驶车辆应用效果测试以及路侧智能设施数据提供能力测试等方面,实地验证自动驾驶车辆各个环节的性能,从而推动智能网联技术生态体系的打造。

此外,在自动驾驶测评规范方面,未来的发展方向应着眼于建立健全测试的标准和法规,制定自动驾驶汽车运行安全、能力测试标准,加快我国自动驾驶技术的发展与落地。