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自动驾驶封闭测试场地建设技术研究与实践

发布日期:2020-08-15

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作者:王润民 1,2,张心睿 1,王由道 1,张雷 1,2,朱宇 

1.长安大学 交通运输部认定自动驾驶封闭场地测试基地(西安),陕西 西安 7100182.长安大学 实验室与设备管理处,陕西 西安 710018


摘 要:自动驾驶封闭场地测试是自动驾驶开放道路测试及自动驾驶汽车大规模市场化应用的必要前提,近年来国内外开展了大量的自动驾驶封闭测试场地建设工作。文章围绕自动驾驶封闭场地测试,首先系统总结分析了国家交通运输部发布的《自动驾驶封闭测试场地建设技术指南(暂行)》的主要内容及典型测试场地的建设要求,然后面向场地构建应用阐述了长安大学车联网与智能汽车试验场的建设实践,*后针对现有测试场地及建设技术难以满足多种技术形式的自动驾驶汽车的测试需求提出了相应的解决思路。


引言 


自动驾驶测试是自动驾驶汽车产品定型及大规模市场化应用前的必要前提,如美国兰德公司表示自动驾驶汽车需要数亿公里的测试来验证其安全性和可靠性优于传统汽车[1]。自动驾驶测试可以充分的发现自动驾驶汽车功能及性能中存在的风险,从而便于利用算法优化、功能安全、预计功能安全分析等去降低这些风险场景数量或控制风险,把自动驾驶汽车安全的已知安全区域尽量扩大。


从测试手段区分,目前业界将自动驾驶测试分为软件仿真测试、硬件在环测试、实车测试三种[2]。实车测试又分为开放道路测试和封闭场地测试两种方式,其中开放道路测试指的是自动驾驶汽车在真实的社会道路上按测试人员的指令进行自主感知、路径规划与运动控制,测试人员通过测试数据及测试车辆的表现评价自动驾驶汽车的性能;封闭场地测试指的是在受控可封闭的真实场地中利用模拟交通参与者(假人、假车等)和真实交通要素(道路、标志、标线、天气、网络等)搭建各类受控可重复的交通场景对自动驾驶汽车的驾驶行为进行测试。


其中实车测试因为是直接利用真实的交通场景进行测试,测试结果*为可信,所以实车测试得到了业界的广泛重视[3]。如早在 2014 年,谷歌无人汽车就已获批上路测试。然而有真实交通参与者(行人、自行车、机动车)的道路试验的风险较高,易引发交通事故,此外难以保证同一个场景的重复性,为实车测试增加了难度。如 2018 年 Uber 改装的自动驾驶汽车在美国亚利桑那州坦佩市试验时,与一横穿道路的推自行车行人发生碰撞,造成行人死亡。


为了促进、规范自动驾驶的开放道路测试工作,工信部、公安部、交通运输部于 2018 年 月联合发布《智能网联汽车道路测试管理规范(试行)》,对自动驾驶汽车开放道路测试申请、审核、管理以及测试主体、测试驾驶人和测试车辆要求等进行规范。该规范要求自动驾驶汽车必须先在构建有各种实际交通场景的封闭测试场地内按相关标准进行一定里程和时长的训练,并经过系统性的测试和考核后方能上路,即封闭场地的技术试验与安全性测试评价是自动驾驶汽车上路测试前必不可少的环节[5]。这是因为利用封闭场地可以实现在受控的风险中对自动驾驶汽车进行*贴近开放交通环境的测试,加速探索和优化技术成熟度尚未达到满足推广应用要求的自动驾驶汽车在运行过程中出现的各种技术问题,确定测试车辆能够可靠运行的交通场景,提升自动驾驶的安全性和可靠性[4];此外,通过封闭场地测试,测试员或安全员可以有充分的时间熟悉被测车辆的自动驾驶操作规程、测试方法和危险状态下的接管方式,以便能熟练的开展开放道路测试。


2015 年以来,我国多个省、市的有关单位在工业和信息化部、公安部、交通运输部及地方政府的支持下建设个多个自动驾驶封闭或半开放的测试场地,先期开展了各种不同等级的自动驾驶或 ADAS 的测试验证工作,为自动驾驶封闭测试场地的构建、测试方法的研究和测试系统的研发及应用积累了大量的经验。但从整体来看,因目前没有完善的自动驾驶测试理论体系及标准规范可以参考,故一直没有形成系统的自动驾驶汽车封闭测试场地建设方法,相关的标准、规范也存在缺位问题,没有形成标准化的适用于自动驾驶研发测试、训练评估与开放道路测试能力评价所需的测试场地,难以满足自动驾驶测试验证的需求。


针对上述问题,我国交通运输部于 2018 年组织相关领域的专家编制完成《自动驾驶封闭场地建设技术指南(暂行)》(以下称“《技术指南》”),并于同年 月正式发布,这是国家层面出台的第一部关于自动驾驶封闭测试场地建设技术的规范性文件,旨在规范自动驾驶封闭测试场地建设要求,指导各地各单位开展自动驾驶封闭场地建设,更好地服务封闭场地测试工作及自动驾驶技术发展[6]。并同期首次认定了三家自动驾驶封闭场地测试基地(北京:交通部公路交通试验场、西安:长安大学车联网与智能汽车试验场、重庆:重庆机动车强检试验场)。


然而自动驾驶封闭测试场地的构建方兴未艾,在国内外都没有完全可靠、成熟的经验可供参考,此外自动驾驶技术特别是其涉及的智能网联技术、车路协同技术的日新月异,在不断地改变着自动驾驶的形态和特性[7],因此 2018 年发布的《技术指南》还属于一种概括性及过渡性的指导意见,在后续的封闭场地建设及测试实践中仍需不断的补充、细化、完善。本文以作者参与《技术指南》、《关于促进道路交通自动驾驶发展的指导意见》(交通部组织起草,待发布)、《陕西省车联网(智能网联汽车)产业发展指导意见》等部委、省市文件的编制经验为基础,以及所在的交通运输部认定自动驾驶封闭测试场地(西安)的建设及测试实践经验为补充,系统地分析了《技术指南》涉及到的场地建设内容及典型测试场地的建设要求,阐述了长安大学车联网与智能汽车试验场的建设实践,提出了自动驾驶封闭场地优化建设意见。


1 《技术指南》主要内容分析 


《技术指南》充分考虑了封闭测试场地的建设规模和可操作性,包括场地要求、通信要求、供电要求和其它要求四个方面。在场地要求方面,除了对场景测试的连续性、测试区域的安全防护及对周围环境的噪声、空气污染的影响进行要求外,重点对测试场地的类型和各类场地的建设规范(如场地可选取的位置、路宽、路段组合、交通标线及交通标志类型、坡度、交通参与者及其他交通附属物)进行了约束,共涉及测试场地 22 种。考虑到《技术指南》的可操作性及封闭测试场地建设的易行性,《技术指南》未对不同公路及道路等级、各类路面材质、不同类型的交叉口等对自动驾驶功能测试影响较小的因素进行详细的分类和严格的约束;此外自动驾驶测试场景多种多样、无法穷尽,因此各类场景对应的设施、设备也不能穷举,基于上述考虑,《技术指南》中的各类测试设备、测试设施也以测试自动驾驶的安全性为主。


在通信要求方面,《技术指南》要求封闭测试场地应具备全覆盖、低时延的各类路侧车联网通信设备(含 5GLTE-VDSRC 等),以满足提供必要的车联网及车路协同应用服务;能够提供高精度的定位服务(北斗或 GPS),满足被测自动驾驶汽车的功能应用需求和测试设备的运行需求。此外还对路侧的有线、无线通信,全场的无线电通讯,面向数据存储与测试监管的数据中心、监管中心的配套提出了相应的要求。


除此之外,《技术指南》还在“供电要求”、“其他要求”部分对封闭测试场供电结构、建筑物及构筑物防雷设计、全场高清监控系统、测试安全缓冲区、测试状态提示及警示系统、消防及急救等安全设备、给排水设施、可控场地照明系统等各方面配套系统的建设提出了不同的要求。


基于《技术指南》,相关机构只要利用必要的道路环境和测试设备即可完成封闭测试场地的搭建,完成一定数量的自动驾驶功能测试项目。大大降低了自动驾驶封闭测试场地建设的难度,在利用基础测试场地保证自动驾驶测试质量的同时,间接促进了全国封闭测试场地的建设,提高了我国自动驾驶封闭场地测试的规模,有助于推进了自动驾驶产业高质量发展。 


表 1 《技术指南》中规定的测试场地名称及用途分类



2 封闭测试场地建设实践 


长安大学车联网与智能汽车试验场是在长安大学汽车综合性能试验场(全国高校唯一的 级汽车试验场)的基础上,进行电子化、信息化、智能化改造完成的,是我国面向自动驾驶与车路协同场地研究及测试的重要基地。占地 423 亩,建有 2.4km 的汽车高速环形跑道,1.1km 直线试车道,1.3 万平方米的操纵稳定性试验广场,五种可靠性强化典型试验道路,三种低附着系数路面等专用汽车试验道路设施。于 2018申请并获批为交通运输部自动驾驶封闭场地测试基地(西安),相关测试场地及标志、标线的部署如图 所示。



图 1 长安大学车联网与智能汽车试验场测试场地部署情况 


在测试基地的构建过程中,除按照《技术指南》的要求开展实际测试场地和场景的搭建外,还基于各实际场地,构建了能够*大程度模拟真实测试场地的虚拟测试场景,以便于开展基于虚实结合的自动驾驶平行测试,加速自动驾驶测试进程。部分虚、实测试场地如图 所示。



 (a) 自动转向“S”型路线测试场地 (b) 停车让行测试场地



(c) 信号灯识别与响应测试场地 (d) 隧道模拟测试场地 

图 2 虚实结合的自动驾驶封闭测试场地 


封闭场地构建及运行过程中,作者所在的研究团队还对车联网技术、自动驾驶测试评价技术、自动驾驶封闭测试场景及场地构建方法、基于 V2X 的网络化智能路侧系统集成、自动驾驶封闭测试环境气象模拟等开展了大量的研究,并在此基础上建设了全场覆盖的 LTE-VDSRCWiFi4G-LTE 异构车联网通信系统、网联智能交通信号控制系统、基于 EUHT 的自动驾驶测试数据采集系统、全场的视频监控系统、厘米级的 UWB 定位系统、3D 高精度数字化地图、测试场高清视频记录与数字化管理系统等多种测试系统;联合有关机构研发或集成了自动驾驶测试数据采集车、自动驾驶行人模拟测试平台、气球车等测试工具,形成了系列化的自动驾驶封闭场地测试技术链和工具链;并在研究自动驾驶封闭场地测试方法的基础上,编制了《长安大学自动驾驶封闭场地测试规程》,从测试场地、测试装备、测试规范等多方面构建了较为完整的自动驾驶封闭场地测试体系。


3 自动驾驶封闭测试场地发展展望 


为了尽快推动我国自动驾驶封闭测试场地的建设,现有的《技术指南》主要覆盖了城市道路测试场景和少量高速公路或快速干道场景,主要面向的测试对象为以单车智能为主要技术实现方式的自动驾驶汽车,主要针对自主式自动驾驶汽车功能测试的需求,此外测试场地功能较为单一,实际上难以满足目前多种技术形式的、不同自动驾驶等级的自动驾驶汽车及智能网联汽车的实车测试需求。针对上述问题,本文围绕自动驾驶封闭测试场地的建设与测试实施提出以下建议:


1)基于高速公路的封闭测试场地构建


业界普遍认为,自动驾驶将首先在高速公路环境下得到应用。因此高速运行条件下的自动驾驶功能和性能测试是自动驾驶极限工况测试的重要环节,然而受政府土地政策的约束和基于封闭场地建设成本的考虑,现有的绝大多数封闭测试场地没有真实的高速公路测试环境。利用简单的模拟搭建难以构建出高速公路分向行驶、全部控制出入、高时速、跨线立交、桥隧结合的特点。无法满足自动驾驶在高速工况下的测试需求。针对上述问题,我国各级政府、相关企业可利用高速公路老旧路、复线,采取半封闭或封闭的方式规划建设自动驾驶高速公路封闭测试场地;对于技术相对稳定、成熟的自动驾驶汽车的测试,可以在车流量较少、车道数量较多的高速公路规划一条或几条自动驾驶专业测试车道,以应对自动驾驶在高速公路环境下的测试需求。



2)车联网与车路协同测试场地构建


随着车联网技术的发展及自动驾驶汽车非视距感知需求的不断增长,网联化成为自动驾驶发展的必由之路。因此车联网及车路协同功能及性能测试是自动驾驶测试的必要环节。已建和新建的封闭测试场地应有计划的建设涵盖各类车联网通信设施、路侧交通控制设施、典型测试装备的车联网与车路协同测试场地。支持开展如不同的车联网通信设备、不同的车联网通信协议、不同增益及类型的车联网通信天线、不同的车联网应用及算法在各类典型交通场景、无线信道环境、定位环境下的车联网功能与性能测试。


3)柔性化测试场地构建


建设要素齐全、功能完整、可灵活配置、可持续发展的封闭测试环境是众多自动驾驶封闭测试场地的建设目标,然而受可利用土地资源的约束,如果为每一个或几个测试场景配套一块测试场地,将使得封闭测试场可利用场景大大减少。因此应基于自然驾驶数据及交通事故数据,提取封闭测试场的基元场景,基于常发事故点的特征分析和自动驾驶元功能的测试需求,研究基于多测试实体的柔性化测试要素提取方法,探索封闭测试环境场景优化布局及组合方法,基于研究成果,合理的进行测试设施的部署,实现单一测试场地的快速复用,从而构建规模可扩展、粒度可变化、场景可重构的自动驾驶封闭测试场地。


4 结语 


测试是保障自动驾驶汽车安全性和推动自动驾驶汽车产业快速发展的重要环节,其中道路测试与软件仿真测试、硬件在环测试是*重要的自动驾驶测试技术之一,而封闭场地测试通过在受控的场地内搭建各类可重复的交通场景进行测试,能够显著加速测试进程、减少测试风险,是自动驾驶开放道路测试前必不可少的过程。本文围绕自动驾驶封闭测试场地的建设,系统地总结分析了交通运输部发布的《自动驾驶封闭场地建设技术指南(暂行)》,并面向应用,阐述了长安大学车联网与智能汽车试验场的建设实践,*后基于测试方法的研究结果、测试场地的建设实践提出了自动驾驶封闭测试场地的发展建设思路。


参考文献

[1] 朱冰,张培兴,赵健,.基于场景的自动驾驶汽车虚拟测试研究进展[J].中国公路学报, 2019, 32(06): 1-19.

[2] 邓晓峰,王润民,徐志刚,.我国智能网联汽车测试及示范基地发展现状[J].汽车工业研究, 2019(01): 6-13.

[3] 余卓平,邢星宇,陈君毅.自动驾驶汽车测试技术与应用进展[J].同济大学学报(自然科学版), 2019, 47(04): 540-547. 

[4] Zhao D, Lam H, Peng H, et al. Accelerated Evaluation of Automated Vehicles Safety in Lane Change Scenarios Based on Importance Sampling Techniques[J].IEEE Transactions on Intelligent Trans -portation Systems, 2016. 

[5] 中华人民共和国工业和信息化部,中华人民共和国公安部,中华人民共和国交通运输部.智能网联汽车道路测试管理规范(试行)[Z].2018-4-3.

[6] 中华人民共和国交通运输部办公厅.自动驾驶封闭测试场地建设技术指南(暂行)[Z]. 2018-5-22. 

[7] 赵晓华,陈雨菲,李海舰,.面向人因的车路协同系统综合测试及影响评估[J].中国公路学报,2019,32(06):248-261.



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