一文读懂自动驾驶仿真测试技术现状

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引言

什么是自动驾驶仿真测试

虚拟仿真技术是汽车研发、制造、验证测试等环节不可或缺的技术手段，能有效缩短技术和产品开发周期，降低研发成本；随着汽车智能化、网联化趋势的发展，虚拟仿真技术有了更大的发挥空间，比如自动驾驶系统的仿真测试验证；虚拟仿真测试是实现高阶自动驾驶落地应用的关键一环，具备自动驾驶功能的车辆必须经过大量的虚拟仿真测试以及实车路测之后才能商用化；

自动驾驶汽车商用化需经历的三个测试阶段：仿真测试、封闭场地测试、开放道路测试。

自动驾驶仿真测试：主要是以数学建模的方式将自动驾驶的应用场景进行数字化还原，建立尽可能接近真实世界的系统模型，无需实车直接通过软件进行仿真测试便可达到对自动驾驶系统及算法的测试验证目的。

仿真测试包括以下几种类型：模型在环仿真（MIL）— 软件在环仿真（SIL）— 硬件在环仿真（HIL）— 整车在环仿真（VIL）

自动驾驶系统开发V字流程

自动驾驶仿真测试的必要性

实车道路测试面临的问题：

据美国兰德公司研究：一套自动驾驶系统至少需要通过110亿英里的驾驶数据来进行系统和算法的测试验证才能达到量产的条件；因此单纯依靠实车路测极难完成这一目标，并且实车路测还存在以下问题：

道路测试周期长，成本高，效率低
覆盖的场景工况有限，尤其是对于“corner case”，很难复现
对于一些极端的危险场景，道路测试安全性无法保障

仿真测试的优势：

测试场景配置灵活，场景覆盖率高；
测试过程安全，且对于一些“corner case”能够进行复现再测试
可实现自动测试和云端加速仿真测试，有利于提升测试效率和降低测试成本

实车测试与仿真测试方案对比

备注：● 真实 ○ 虚拟 ◎ 虚拟或部分真实 数据参考：中国汽车工程研究院

三者之间的关系

仿真测试、封闭场地测试、开放道路测试三者之间互相补充，形成测试闭环，共同促进自动驾驶车辆的研发和标准体系建立：

1）仿真测试结果可以在封闭场地和开放道路进行测试验证；

2）通过道路测试得出的危险场景，将会反馈到仿真测试中，便可有针对性的去调整设定场景和参数空间；

3）仿真测试和封闭场地测试的最终结果要进行综合评价，基于评价结果不断地去完善评价准则和测试场景库。

仿真测试、封闭场地测试、道路测试形成闭环促进研发及标准建立（资料来源- i-VISTA）

自动驾驶仿真测试的重要构成：场景库、仿真平台、评价体系；其中，场景库是基础，仿真平台是核心，评价体系是关键；三者紧密耦合，相互促进：场景库的建设需要仿真平台和评价体系作为指导，仿真平台的发展进化需要场景库和评价体系作为支撑，而评价体系的建立和完善也需要以现有的场景库和仿真平台作为参考基础；接下来笔者将从场景库、仿真平台、评价体系这三个重要方面依次展开来介绍。

一、场景库

1.1 什么是测试场景，包含哪些核心要素？

自动驾驶测试场景定义：自动驾驶汽车与其行驶环境各组成要素在一段时间内的总体动态描述，要素组成由所期望检验的自动驾驶汽车的功能决定；（定义引自：中汽协团体标准-自动驾驶系统功能测试第7部分 – 仿真测试）简言之，场景可以被视为是自动驾驶汽车行驶场合与驾驶情景的有机组合。具有场景无限丰富、极其复杂、难以预测、不可穷尽等特点。

测试场景要素：测试车辆自身要素以及外部环境要素；外部环境要素又包括：静态环境要素、动态环境要素、交通参与者要素、气象要素等。

测试场景要素划分

1.2 什么是场景库？场景库中测试场景的数据来源？

场景库定义：满足某种测试需求的一系列自动驾驶测试场景构成的数据库。场景库能够完成从场景数据的管理到场景测试引擎的桥接，实现从场景的自动产生、管理、存储、检索、匹配，到最后注入测试工具。

场景库包含4种典型测试场景（中汽中心基于数据来源不同的一种分类方法）：自然驾驶场景、危险工况场景、标准法规场景、参数重组场景。

四种典型测试场景

测试场景的数据来源主要包括三大部分：真实数据、模拟数据以及专家经验

1）真实数据：即现实世界真实发生的，经过传感器采集到或以其它形式被记录保存下来的真实场景数据，包括自然驾驶数据、交通事故数据、路侧单元监控数据、封闭场地测试数据以及开放道路测试数据等；

2）模拟数据：主要包括驾驶模拟器数据和仿真数据；前者是利用驾驶模拟器进行测试得到的场景要素信息；后者是自动驾驶系统或车辆在虚拟仿真平台上进行测试得到的场景要素信息。

3）专家经验数据：基于专家的仿真测试经验总结归纳出来的场景要素信息，其中标准法规就是专家经验数据的典型代表。

测试场景数据来源

备注：测试场景数据来源参考《自动驾驶系统功能测试第7部分：仿真测试（征求意见稿）》

1.3 场景库的搭建流程

搭建流程：

确定单个虚拟场景的数据存储方式与标准
构建单个自动驾驶虚拟测试场景
在众多的虚拟测试场景中根据特征标签选取适当场景作为场景库的组成部分

自动驾驶测试场景构建流程（图片参考：中汽数据有限公司）

自动驾驶研发测试与场景库的搭建形成闭环：测试场景库的搭建，能有效驱动自动驾驶的研发测试工作，自动驾驶的研发测试反过来也能够为场景库提供反馈意见，丰富场景库。

1.4 国内场景库发展现状

现状分析：

场景库的数据格式标准制定涉及国家多个部委，由于缺乏有效沟通协调机制，标准制定落后市场进展，故当前数据库的建设处于各自为战的状态；
场景库数据格式标准不统一，全国统一的场景库很难形成，进而又影响到了自动驾驶仿真评价、认证体系的建立。

国内典型场景库介绍

附表1. 中国典型场景库介绍

1）中汽数据有限公司 – 自建场景库

场景库覆盖范围：自然驾驶场景库（1228种）、功能安全场景库（110种）、V2X场景库、危险事故场景库（206种）、中国特有交通法规场景库（82种）、和预期功能安全场景库（70种）等。

a. 自然驾驶场景库

基于中国不同道路拓扑结构、交通基础设施、环境条件、车辆信息的动静态要素特征，从不同维度对数据库进行分类构建和更新迭代：

地域覆盖 - 北京、天津、上海等重点城市
工况覆盖 - 高速、城市、乡村、停车场等重点领域
环境覆盖 - 晴天、雨天、雪天、雾霾等多种天气
建立了可适用24项ADAS测试的功能场景库、逻辑场景库

b. 功能安全场景库

基于场景ODD元素重组、虚拟仿真场景复现、关键场景仿真验证等技术手段研发功能安全场景库
遵照ISO26262标准，对ADAS系统功能安全危害-ASIL风险等级提供有据可依的量化评估方案

功能安全场景库生成过程：

第一步：参考ODD分类的国际标准，对驾驶区域、天气、光线等7大类场景要素以及30类子要素进行排列与重组，进而形成体系化功能场景库；

第二步：将上述功能场景，基于真实路采场景数据，调整相关参数范围从而得到相应的逻辑场景，最后在仿真软件中搭建驾驶场景与周边环境，形成所需的复现场景；

第三步：在仿真验证软件中，激活ADAS功能，对复现场景下的电子电气失效展开仿真验证，并对产生的风险进行评估，根据公式计算出严重度（S）、暴露度（E）和可控性（C），最后根据ISO26262标准最终确定ASIL风险等级。

c. V2X 场景库

根据LTE-V终端及DSRC终端应用层开发经验以及《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》中的场景要求进行场景库构建
从数据安全、通信安全、控制安全、身份安全等四个方面进行V2X场景数据积累研究
建立了V2X 测试场景库创建流程，形成测试用例3500条

2）中国汽车工程研究-自建场景库

场景库数据来源：标准法规、交通事故、人工经验以及自然驾驶数据。

场景库生成方案：场景数据采集、场景分类提取、场景数据标注、场景聚类、场景重构、虚拟场景转化等。

场景库V2.0生成方案（来源-中国汽车工程研究院）

中国典型场景库V2.0：

参考德国PEGASUS项目的场景分类体系及ASAM推出的OpenDRIVE 和OpenSCENARIO仿真格式
包括标准法规场景1000例、经验式场景3000+例、重构场景5万+例、事故场景150+例

2020年12月，“中国典型场景库”在V2.0版本的基础上升级到V3.0：

在2.0版本的基础上，新增了典型事故场景、自动驾驶事故场景和预期功能安全场景三大板块
涵盖总计20余项自动驾驶功能；总量大于10万例的OpenX标准格式场景文件
为了便于企业的自动驾驶技术开发，把场景库分为基础、初级、中级、高级四个模块等级

四个等级场景包（数据来源-中国汽研官网）

3）百度 – 自建场景库

涵盖场景类型：

法规标准场景：满足基本的标准法规要求
危险工况场景：保证自动驾驶的安全性
能力评估场景：评价自动驾驶能力

典型场景类型数量：200种左右

涵盖：不同的道路类型、障碍物类型、道路规划、红绿灯信号

测试场景数据来源：自然驾驶路采数据、交通数据库、人工经验等。

测试场景基于生成方案的不同又分为：Logsim场景和Worldsim场景，目前总共提供了 220 个Worldsim场景和 17个Logsim场景。

a. Logsim：由路测数据提取的场景，提供复杂多变的障碍物行为和交通状况，场景充满不确定性

b. Worldsim：由人为预设的障碍物行为和交通灯状态构成的场景，场景简单

4）腾讯– 自建场景库

路测实采数据积累：截止到2020年，已经积累了超过50万公里交通场景数据。

涵盖场景类型：车辆避撞能力、交通合规性、行为能力、视距影响下交叉路口车辆冲突避免、碰撞预警、紧急制动、危险变道、无信号交叉口通行、行人横穿等方面。

典型场景类型数量：1000种左右

场景生成方案：通过Agent AI能力，可以自由生成各种随机的驾驶场景

二、仿真平台

2.1 仿真平台典型架构

仿真平台一般包括仿真框架、物理引擎和图形引擎；其中仿真框架是平台软件平台的核心，支持传感器仿真、车辆动力学仿真、通信仿真、交通环境仿真等；

1）传感器仿真：支持支持摄像头、激光雷达、毫米波雷达以及GPS/IMU等传感器仿真；

2）车辆动力学仿真：基于多体动力学搭建的模型，将包括转向、悬架、制动、I/O硬件接口等在内的多个真实部件进行参数化建模，进而实现车辆模型运动过程中的姿态和运动学仿真模拟；

3）交通场景仿真：包括静态场景还原和动态场景仿真两部分，静态场景还原主要通过高精地图和三维建模技术来实现；

动态场景仿真既可通过把真实路采数据经过算法抽取后，再结合已有高精地图进行创建，也可通过对随机生成的交通流基于统计学的比例，经过人工设置相关参数后自动生成复杂的交通环境;

例如可模拟自动驾驶汽车在现实世界中可能遇到的极端情况和危险情况，从模拟暴雨和暴雪等恶劣的天气条件到较弱的光线照明，再到周围车辆的危险操作等；

4）V2X仿真（通信仿真）：支持创建真实或虚拟传感器插件，使用户能够创建特殊的V2X传感器；既可以用来测试V2X系统，又可生成用于训练的合成数据；

仿真平台典型架构（图片参考-2019自动驾驶仿真技术蓝皮书）

2.2 国内典型自动驾驶仿真平台

附表2. 国内典型自动驾驶仿真平台信息梳理

注：√- 有此功能 ×-无此功能 — Unknown

1）浙江天行健智能科技 – Panosim

平台类型：面向汽车自动驾驶技术与产品研发的一体化仿真与测试平台

平台特点：

支持实时在线仿真：MIL/SIL/HIL/VIL
支持ADAS技术与产品的开发与测试
支持驾驶模拟体验与人机共驾系统的研发与测试
支持感知、规划、决策、控制算法研发与测试
高置信度车辆动力学模型：对标CarSim，支持27自由度复杂动力学模型

2）51WORLD – 51Sim-One

平台类型：覆盖自动驾驶全流程的一体化集成的仿真测试平台

平台特点：

可实现多传感器仿真、交通流与智能体仿真、感知与决策仿真、自动驾驶行为训练等功能
可扩展的并行分布式仿真架构，可部署在单机、私有云和公有云环境
支持实时在线仿真：HIL/DIL
自动驾驶数字孪生评价测试
平台内置了一系列场景库和测试案例库
软件平台提供Python、C++、ROS、OSI等API接口
支持多车协同互动：平台支持接入多个测试系统，包括自动和手动驾驶系统

3）腾讯 – TAD Sim

平台类型：基于虚幻引擎打造的虚实结合、线上线下一体化的仿真测试平台

平台特点：

集成了游戏引擎、三维重建技术、车辆动力学模型、虚实一体交通流等技术
游戏技术的应用可实现场景的几何还原、逻辑还原及物理还原
一套系统满足全栈算法使用需求：能够完成从感知到决策规划，再到控制的全算法闭环仿真测试验证
一套系统满足MIL/SIL/HIL/VIL使用需求，覆盖了完整的汽车V字开发流程
内置高精地图，支持全国高速和快速路仿真

4) 沛岱（上海）技术有限公司– Pilot-D GaiA

平台类型：基于德国自动驾驶仿真核心技术所研发的仿真测试平台

平台特点：

提供高保真的环境传感器仿真：激光雷达、毫米波雷达以及摄像头仿真等
提供C++和MATLAB接口，适配于不同的车辆和系统
提供三个版本的软件解决方案：Standard版-单机解决方案，NET版-云计算和互动测试解决方案，RT版-提供HIL和VIL仿真测试
支持交互式自动驾驶仿真：同一虚拟场景下，多台主机（车辆）进行互联仿真测试
提供基于VR/MR/AR的驾驶员模拟

2.3 国外典型仿真测试平台

附表3. 国外典型自动驾驶仿真平台信息梳理

注：√- 有此功能 ×-无此功能 — Unknown

1）西门子 – PreScan

类型：以物理模型为基础的传统汽车仿真平台

平台特点：

仿真流程主要分为四个步骤：搭建场景、添加传感器、添加控制系统、运行仿真
可在开环、闭环以及离线和在线模式下运行
支持导入 OpenDrive 格式的高精地图
支持与第三方动力学软件联合仿真，如CarSim、dSPACE ASM、 VI-Grade、AmeSIM等
支持与其它类型第三方的软件的联合仿真，如Matlab& Simulink，MOMO & Logitech 转向操纵台、dSPACE / 控制台、HIL工具（ETAS、dSPACE 、Vector、OpalRT等）
支持基于云端布置大规模仿真

2）MSC Software – VTD

类型：传统汽车仿真平台

平台特点：

支持从SIL 到 HIL 和 VIL 的全周期开发流程
支持与第三方的工具和插件联合仿真
平台的功能和存储支持开放格式：OpenDrive, OpenCRG和OpenScenario
仿真流程主要分三个步骤：路网搭建，动态场景配置，仿真运行

——提供图形化的交互式路网编辑器 Road Network Editor (ROD)，在构建路网仿真环境的时候，可以同步生成OpenDrive高精地图

—— 对于动态场景构建，提供了图形化的交互式场景编辑器 Scenario Editor

3）德国IPG – CarMaker

类型：以传统动力学仿真为基础优势发展起来的自动驾驶仿真平台

平台特点：

支持与第三方软件进行联合仿真：ADAMS、 AVLCruise、 rFpro 等
包括道路、交通环境、车辆、驾驶员的闭环仿真系统

—— IPG Road：可以模拟多车道、十字路口等多种形式的道路，并可通过配置 GUI生成锥形、圆柱形等形式的路障

—— IPG Traffic：提供丰富的交通对象模型，如车辆、行人、路标、交通灯、道路施工建筑等

—— IPG Driver：提供可自学习的驾驶员模型

支持高精地图的导入/导出

—— 支持从HERE HD Live Maps导入地图数据

—— 支持ROAD5和OpenDrive 格式导出地图数据

支持在高性能计算 (HPC) 集群上并行执行大量测试目录
支持在Docker容器中运行，具有良好的可移植性和可扩展性

4）英伟达- Drive Constellation

类型：基于虚幻引擎开发，由两台服务器构成的自动驾驶仿真平台

平台构成：

a.第一台服务器硬件构成：由8个英伟达RTX Turing GPU

作用：运行DRIVE Sim软件来模拟仿真自动驾驶车辆上的传感器数据（包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达、IMU和GNSS）以及驾驶场景数据；

b.第二台服务器硬件构成：自动驾驶车辆目标AI ECU

作用：用于处理第一台服务器传输过来的模拟数据，如传感器仿真数据

平台特点：

较高真实度：作为一种实时的硬件在环解决方案，可以测试和验证与将来会搭载在自动驾驶车辆中完全相同软件和硬件系统
云仿真工作流：在无缝的端到端工作流中执行自动驾驶测试。用户可以远程访问 DRIVE Constellation 并将模拟场景提交给云端的车辆测试车队，然后进行可视化测试并以较快的速度给出评估结果
可扩展性：该平台支持在数据中心进行大规模部署，能够并行运行各种仿真测试；且在DRIVEConstellation平台中的每一英里的测试都包含感兴趣事件（特殊工况），能够在很短的时间内完成数月或数年的测试
完整的反馈回路：第一台服务器运行 DRIVE Sim 软件，该软件模拟仿真驾驶场景以及自动驾驶车辆上产生的传感器数据。然后将模拟仿真的传感器数据发送到第二台服务器上进行数据处理，最后第二台服务器再将驾驶决策信号输出给第一台服务器，因此便形成了一个仿真闭环

英伟达- DriveConstellation 仿真平台（来源-英伟达官网）

5）微软 – AirSim

类型：建立在虚幻引擎（Unreal Engine）上的无人机及自动驾驶开源仿真平台

平台特点：

建立在虚幻引擎（Unreal Engine）上的无人机及自动驾驶模拟研究项目，能够打造出高逼真的交通环境，实现车辆及传感器仿真模拟
完成车辆建模测试：AirSim包含车辆模拟、城市道路场景，并提供可简化编程的API以及即插即用的代码
快速构建丰富场景：AirSim 可提供详细的 3D 城市街景，包括交通信号灯、公园、湖泊、工地等丰富的场景
AI 研究平台：AirSim 提供包括 C++ 和 Python 等多语言的API 接口。使用者可同时使用 AirSim 和众多机器学习工具。主要用于测试深度学习、计算机视觉和自主车辆的端到端的强化学习算法

6）巴塞罗那自治大学（联合丰田研究院和英特尔实验室） – CARLA

类型：基于虚幻引擎开发，采用服务器和多客户端架构的开源平台

平台特点：