張 微，李鑫慧，吳學易，唐風敏， 郭 蓬，何 佳

（1.工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心，北京 100001；2.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 概述

近年來，隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的持續(xù)增長，人們對于汽車的功能要求也越來越高。因此，智能化作為汽車的主要發(fā)展趨勢，受到越來越多廠商的關注，在不久的將來，汽車會實現自動駕駛，但是隨著汽車自動化駕駛程度的不斷提高，如何高效地測試和驗證自動駕駛汽車系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和實現完全自動駕駛的智能算法已經成為至關重要的一個環(huán)節(jié)。

有報告指出，自動駕駛軟件開發(fā)是自動駕駛最重要的環(huán)節(jié)之一。對于汽車廠商而言，自動駕駛仿真系統(tǒng)可以作為技術開發(fā)人員的工具箱，來幫助實現產品的穩(wěn)定性和安全性。目前看來，自動駕駛車輛測試可分為兩類：實車測試和虛擬仿真測試。虛擬仿真測試就是借助于計算機開發(fā)的自動駕駛仿真軟件進行測試，具有無安全風險、測試速度快、成本低等優(yōu)點，尤其是在自動駕駛產品開發(fā)的早期階段，自動駕駛仿真技術就顯得尤為重要［1］。

2 自動駕駛仿真技術

2.1 自動駕駛技術仿真方法

自動駕駛仿真平臺，和其他的仿真平臺一樣，必須盡可能地與真實場景相似。它需要通過數學建模的方式將真實世界進行數字化還原和泛化，使仿真平臺正確、可靠、真實，測試結果可信度高。

目前普遍認為，自動駕駛系統(tǒng)是基于傳感器搭載的環(huán)境感知系統(tǒng)對車輛周圍的環(huán)境進行感知，并根據所獲得的信息，通過車載設備控制車輛的速度和轉向，使車輛能夠安全可靠快速行駛，以最佳的方式到達目的地。自動駕駛汽車的3大關鍵技術是環(huán)境感知、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行機構，如圖1所示。

自動駕駛仿真技術的原理就是在仿真軟件所搭載的場景內，用算法代替真實控制器，再結合傳感器仿真等技術，完成對算法的測試和驗證。一個完整的自動駕駛仿真平臺需要包括多個功能，如圖2所示。算法與仿真平臺相結合并形成一個閉環(huán)，從而進行持續(xù)迭代的狀態(tài)。

2.2 自動駕駛仿真測試系統(tǒng)

自動駕駛仿真技術落地應用，需要結合汽車行業(yè)普遍采用的基于計算機模型的控制器開發(fā)“V”模式，其含義是快速應用開發(fā) （Rapid Application Development，RAD），如圖3所示，目的是為了改善早期軟件開發(fā)使用的模型中的錯誤。

自動駕駛仿真測試平臺主要包括動態(tài)案例仿真、車輛動力學仿真、傳感器仿真、虛擬場景等，如圖4所示，描述了仿真平臺的典型軟件架構，對自動駕駛仿真測試的驗證與精度評估主要就是對仿真系統(tǒng)架構內各個模塊的評估和對整體框架的評估［2］。

圖1 自動駕駛汽車系統(tǒng)

圖2 自動駕駛仿真系統(tǒng)模塊

圖3 V-cycle

3 自動駕駛仿真環(huán)境搭建技術

3.1 場景庫的構建

自動駕駛虛擬場景庫作為智能網聯(lián)研發(fā)的基礎之一，在很大程度上決定了系統(tǒng)工作的范圍。它主要是由虛擬靜態(tài)場景和虛擬動態(tài)場景構成，并能滿足測試需求。

圖4 仿真系統(tǒng)典型架構

虛擬靜態(tài)場景通常包括：交通元素 （交通燈與交通標志牌）、道路 （車道線、中心線和路面材質等）、交通參與者 （行人、機動車和非機動車）、道路周邊元素 （路燈、廣告牌、建筑物、垃圾箱、綠化帶）等。

虛擬動態(tài)場景主要包括：機動車仿真、交通管理控制仿真和行人與非機動車仿真等。

通常從3個方面來構建自動駕駛虛擬場景庫。

1）確定單個虛擬場景的數據存儲方式和標準。除了國際通用數據格式，其它相關企業(yè)也積極開發(fā)符合自動駕駛場景特點的其他數據格式。

2）構建單個自動駕駛測試虛擬場景。在符合數據標準的基礎上，整合靜態(tài)和動態(tài)場景為虛擬場景的數據格式，并將該場景的關鍵信息存儲。

3）建立自動駕駛虛擬場景庫。根據測試需求，總結所需的靜態(tài)場景和動態(tài)場景特征，在采集的虛擬場景中根據特征選取適當場景作為場景庫的組成部分，將選取的虛擬場景存儲到數據庫中，為了便于場景快速檢索與提取，將與測試需求高度相關的特征標簽作為數據庫檢索項。

3.2 仿真

自動駕駛仿真系統(tǒng)中的仿真內容包括車輛動力學仿真和傳感器仿真。

1）車輛動力學仿真

在自動駕駛仿真系統(tǒng)中，車輛動力學仿真在實現系統(tǒng)閉環(huán)起著關鍵的作用。通過仿真對車輛的各個模塊進行測試及查找問題，可以完成在特殊場景下的復雜測試。

在車輛動力學仿真中，燃油經濟性、動力學、安全性、機動性和舒適性等作為其研究和評價的重要指標。

仿真端接收自動駕駛系統(tǒng)的控制模塊給出的控制信號（油門、剎車等），仿真端生成并更新后的車輛位姿狀態(tài)和底盤總線參數，并輸出給自動駕駛的各個模塊。仿真端也直接對車輛的各個模塊進行控制 （轉向、制動等），自動駕駛的控制模塊通過車輛動力學仿真，規(guī)劃出車輛位置、速度等，并發(fā)出合理的控制信號。

利用控制設計仿真軟件Matlab的Simulink模塊，搭建車輛的動力學模型從而實時仿真。通過專業(yè)的車輛動力學仿真軟件如CarSim、CarMaker和VI-Grade等建立的模型，有效地提高了計算速度，減少參數，能夠表征低頻的車輛運動。

2）傳感器仿真

目前傳感器仿真主要是通過激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、GPS（全球定位系統(tǒng)）、慣導、超聲波雷達和V2X（車用無線通信技術）等進行。

激光雷達仿真是通過參考真實激光雷達的掃描方式，模擬每一條真實雷達射線的發(fā)射，與場景中所有物體求交。它要求：場景中物理模型與原始模型基本完全一致、場景資源的物理材質要合適。激光雷達的仿真結果通過局域網傳輸給自動駕駛系統(tǒng)，生成帶反射強度的點云和障礙物真值信息 (位置、朝向、速度和類型等)。

攝像頭仿真是基于環(huán)境物體的幾何空間信息構建對象的具有顏色和光學屬性的三維模型。它要求：能夠支持更改攝像頭外參、內參、畸變參數，模擬各種天氣情況和障礙物的真值信息等。通過網絡，攝像頭的仿真結果能夠實時地傳遞到自動駕駛系統(tǒng)中，并可以用來對象檢測和訓練其他計算機視覺算法等。

毫米波雷達仿真是在已知視場角和分辨率信息的情況下，發(fā)射一系列虛擬連續(xù)調頻毫米波到不同方向，并接收目標的反射信號。它要求：在物理級仿真中要有高精密硬件模擬器的支持，在信號級仿真中使用軟件模擬真實雷達回波信號，并直接對信號處理。毫米波雷達仿真要求：支持更改毫米波雷達安裝位置和參數等。

GPS仿真要求在實際的仿真條件下支持更改 GPS位置以及GPS噪聲模型參數。GPS仿真可以得到主車的速度、航向和經緯度。

慣導仿真要求支持對主車的加速度和角速度進行仿真。在GPS信號丟失時，慣導仿真仍可以得到主車的位置、航向角和速度等信息。

超聲波雷達仿真要求支持更改超聲波雷達安裝位置和角度等，超聲波雷達仿真可以實時地返回障礙物的距離。

V2X傳感器仿真通過實際V2X設備信息建立一個虛擬的具有動態(tài)交通流的車載OBU信息的傳感器網。在每一幀主車都能獲取想要的V2X設備數據。

3.3 分布式并行計算架構

在仿真系統(tǒng)進行仿真時，一方面仿真系統(tǒng)需要訪問大量的數據，利用CPU和GPU資源對數據進行再處理并還原等操作，而這往往對計算機儲存和計算能力有一定的要求。另一方面在提高計算機的硬件性能的情形下，在按照真實時間進行模擬仿真時，計算機不能消耗其全部的性能。如果能充分利用硬件性能優(yōu)勢，模擬效率將會大大提高。

分布式框架可以在一定程度上提升計算機的存儲和計算能力。目前應用廣泛的分布式框架有Hadoop、Storm和Spark等。它將計算和儲存任務進行拆分到多個機器上，多臺機器相互連接，讓每一臺進行承擔一部分的儲存和計算任務，并且讓所有機器協(xié)同進行數據的同步和接收。這樣做能夠降低單個機器的性能需求，降低單個節(jié)點成本并提高整體的計算能力和儲存能力，從而使得大規(guī)模仿真任務得以實現。

在計算機存儲能力一定的情況下，通過使計算機模擬的速度以高于真實時間的速率進行仿真來充分利用硬件優(yōu)勢。仿真節(jié)點按照更高的頻率進行仿真時，可以在更短的時間內完成仿真任務，在這個過程中，為了保證仿真結果的一致性，要求各個仿真節(jié)點的加速程度必須保持一致。為了同時滿足動態(tài)時間和數據一致性的需求，虛擬時間可以使節(jié)點之間保持同步，根據當前仿真任務的完成情況來控制整個系統(tǒng)的運轉速度，既能保證每一個節(jié)點能夠順利完成任務又能保證整個系統(tǒng)的數據保持一致性。

4 自動駕駛仿真軟件現狀

4.1 自動駕駛仿真軟件的發(fā)展

隨著ADAS和自動駕駛的快速發(fā)展，自動駕駛仿真軟件的發(fā)展也經歷了幾個階段。早期的仿真測試軟件主要是以動力學仿真為主，用來對整車的動力、穩(wěn)定性、制動等進行仿真，如CarSim。而伴隨著ADAS功能的開發(fā)，輔助ADAS功能的仿真測試軟件開始出現，主要關注在功能的驗證方面，比如Prescan。隨著以Waymo為代表、以L4級別自動駕駛為目標的初創(chuàng)公司的成立和取得突破性進展，陸續(xù)出現了一批高真實感虛擬環(huán)境重建的仿真測試平臺。目前市場上現有的仿真軟件各有各的特點和優(yōu)勢，同時搭建一個完整的仿真系統(tǒng)也需要多個軟件之間的配合［3］。

4.2 自動駕駛仿真軟件介紹

在這里列出一些典型的自動駕駛仿真軟件，CarSim是被廣泛應用的強大的動力學仿真軟件，被各大主機廠和供應商所采用。Carmaker是德國IPG公司推出的動力學、ADAS和自動駕駛仿真軟件。Prescan是由Tass International研發(fā)的一款ADAS測試仿真軟件，2017年8月被西門子收購。Vissim是德國PTV公司提供的一款世界領先的微觀交通流仿真軟件。VTD是德國VIRES公司開發(fā)的一套用于ADAS，主動安全和自動駕駛的完整模塊化仿真工具鏈。RightHook是一家成立于美國加州的初創(chuàng)公司，為自動駕駛行業(yè)提供仿真解決方案。AAI是一個成立于柏林的初創(chuàng)公司，其目標是復制真實世界，模擬所有道路使用者和環(huán)境因素。Waymo的Carcraft可以使用在真實世界里駕駛的回放數據進行測試，用來驗證算法的改進，還可以構建全新的虛擬場景進行測試。

5 自動駕駛仿真技術展望

隨著自動駕駛和智能網聯(lián)汽車行業(yè)的發(fā)展，自動駕駛仿真技術在自動駕駛研發(fā)過程中將發(fā)揮越來越重要的作用。未來自動駕駛車輛需要進行全系統(tǒng)完整的仿真，同時也需要進行更多維度的測試與評價，與此同時，這需要仿真軟件提供更高維度的虛擬場景與更完善的測評體系。除此之外，自動駕駛仿真技術還可以在交通行為的管理和監(jiān)管，交通規(guī)則的技術評估，交通事故的責任判定等方面發(fā)揮仿真的作用。自動駕駛仿真技術還可以協(xié)助建立一個包括自動駕駛的典型工況和邊緣案例的通用數據庫，供中國使用，還可以與其他國家和地區(qū)進行數據信息共享，最終達到自動駕駛系統(tǒng)技術的普適性。