智能網聯汽車車載智能計算平臺仿真測試評價

劉 洋，楊 宏

（中國電子技術標準化研究院，北京 100007）

0 引 言

汽車正向著電動化、智能化、網聯化、共享化的“新四化”推進。隨著智能化能力要求的提升，車輛需要具備高速、可靠、安全的計算能力，其本身已經逐漸變為一臺新型移動智能終端。車載智能計算平臺正是車輛的“大腦”，是車輛計算能力的集中體現。

面對更加復雜的功能需求，現階段車載智能計算平臺通常采取新型電子電氣架構，以域控制器（Domain Control Unit, DCU）為核心，集成車輛電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、車載攝像頭、超聲波雷達、毫米波雷達、車載通信終端（On Board Unit, OBU）等智能電子終端以及相關軟件。但外部環境的復雜性、不可預知性以及系統本身的穩定性，都對車載智能計算平臺的安全帶來了巨大的挑戰。因此在產品落地前需要對其進行大量測試，保障其在各種環境、狀態及突發事件下都能夠正常運行。

在實際測試中，傳統的以整車功能性能驗證為主的測試評價方式已越來越無法滿足智能化車輛測試驗證的要求。實際路測成本高昂、效率低下，仿真測試具有較大優勢。一方面，仿真測試成本低，通過軟件可構建復雜多樣的虛擬交通場景，且具有很高的重復性和自動化程度，提高了測試效率，易于發現和定位問題；另一方面，一些實際路測中難以實現的極限工況或偶然概率事件，可以仿真模擬，極大擴展了測試的覆蓋范圍。此外，仿真測試可以在車輛上路前盡量減少錯誤，一定程度上提高了實際路測的安全性。仿真測試符合當前V型開發模式理念，使測試驗證貫穿車載智能計算平臺開發周期，使系統在快速開發迭代的情況下保證驗證的充分性，極大提高了研發效率、降低了研發成本[1-4]。

通常，車載智能計算平臺仿真測評包括3個層面：對系統算法和軟件進行測試驗證，即軟件在環（Software in-the-Loop, SIL）仿真測試；對系統軟硬件進行半實物仿真測試，即硬件在環（Hardware in-the-Loop, HIL）仿真測試；在車輛實際道路測試前，對裝配了系統的整車進行仿真測試，即整車在環（Vehicle in-the-Loop, VIL）仿真測試[5-7]。

1 軟件在環

軟件在環可對車載智能系統算法和軟件進行閉環仿真測試，覆蓋底層軟件算法及上層應用軟件等，實現對車載智能計算平臺的感知、定位、規劃、控制等功能的仿真測試驗證。軟件在環通常采用場景模擬仿真，驗證系統在特定場景下能否正確應對。對于軟件在環而言，關鍵技術和模塊主要包括場景構建和生成、傳感器模擬、車輛動力學模擬、事件監測和判定。

1.1 場景構建和生成

測試場景的構建是仿真測試的重要環節，其多樣性、覆蓋性和典型性將極大影響測試結果。場景構建要包括道路、交通設施等在內的靜態場景，以及場景的天氣、光照等因素。由于仿真場景的復雜多變，人工手動建模很難滿足大批量場景搭建的需求，因此通常通過高精度地圖自動生成靜態道路場景。

除靜態道路場景模擬，更重要的是模擬復雜場景下的障礙物和交通參與者行為，實現動態場景仿真。動態場景可以描述為一個場景下各種障礙物及其組件的行為組合。根據不同類型的需求，障礙物通常可以分為靜態障礙物、固定軌跡障礙物及帶有限定智能行為的障礙物。

1.2 傳感器模擬

傳感器是車載智能計算平臺中感知世界的工具，是支持智能駕駛的重要功能組件。傳感器模擬能將大部分智能駕駛車端系統功能模塊并入閉環，實現更完整全面的測試驗證。

傳感器仿真通常是對其實時數據進行模擬。主流傳感器主要包含激光雷達、超聲波雷達、攝像頭及慣性測量單元IMU。在仿真過程中，需優化仿真器，使其能夠實現實時數據輸出。相較于傳統仿真器僅支持離線模擬的特性，實時系統具有更高的效率和更好的用戶體驗，所見即所得。

1.3 車輛動力學模擬

車輛動力學仿真模擬方案在業界較為成熟，可以沿用經典的內燃機模型和輪胎模型，以API的形式提供多種車輛操控方式。

1.4 事件監測和判定

在大規模仿真測試中，使用人工監視大量車輛的行為十分困難。因此仿真測試需要具備車輛行為監測功能，自動監視目標測試系統行為是否符合預期。

在總結大量實地場景測試及仿真測試經驗的基礎上，可以抽象出一批通用系統測試結果判定條件，從而形成完整的行為監測功能。但由于測試系統判定條件會隨著用戶需求不斷增加，該功能需要具有高可擴展性，同時要避免功能耦合，將每一種被抽象出來的行為監視組件作為一個獨立的邏輯實體，邏輯實體之間不相關且監視條件嚴格正交。在這種情況下，可以提高行為監視組件添加與移除的便捷性，降低系統負擔，提高需求響應速度。

2 硬件在環

硬件在環是通過實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象，可以同時支持硬件、底層軟件和應用層軟件的仿真測試。對域控制器的仿真測試是該環節的關鍵。

從安全性、可行性和成本合理性三方面考慮，硬件在環已成為自動駕駛整車開發流程中非常重要的一環，在檢驗檢測中也將發揮重要作用。

硬件在環主要內容：仿真系統將真實或虛擬的傳感數字信號輸入到域控制器中；域控制器進行規劃和控制計算，輸出線控信號；仿真系統接收線控信號后更新虛擬車輛狀態和仿真結果，并將仿真結果反饋至域控制器。硬件在環整體框架如圖1所示。

圖1 硬件在環整體框架

硬件在環關鍵技術是對傳感器的仿真。現今多傳感器融合是車載智能計算平臺主流方案之一，既可以是同類型多個傳感器融合，也可以是不同類型的傳感器融合。

（1）攝像頭仿真。攝像頭仿真通常有2種實現方式，一是利用真實視頻在視頻暗箱中播放給真實攝像頭；二是通過攝像頭射頻注入模塊（CSM）直接將交通場景圖像信息傳輸給圖像處理單元，代替真實攝像頭檢測交通場景。

（2）毫米波雷達仿真。毫米波雷達仿真主要通過空饋方式把接收的射頻信號進行下變頻處理后傳遞給厘米波分系統，按照系統注入的目標參數實時進行距離模擬、速度模擬和RCS模擬，并把模擬信號傳遞給毫米波分系統的上變頻模塊。經上變頻后，實時生成相應的目標仿真回波，再發送給車用毫米波雷達。

（3）超聲波雷達仿真。采用超聲波回波模擬設備（超聲波測試盒），將真實超聲波傳感器與聲音換能器布置在其中。障礙物的距離信息由仿真軟件發送到聲音換能器，聲音換能器形成的超聲波由超聲波傳感器傳遞到控制單元。

（4）激光雷達仿真。由于很難實現對真實激光雷達環境的仿真，因此通常在交通仿真場景中設定理想激光雷達，并設置真實參數，配置交通仿真場景中靜態和動態交通參與者表面的吸收率和反射率，同時配置交通仿真環境中的環境數據，使得理想激光雷達輸出更貼合在真實交通環境中檢測到的點云數據。

此外，由于車輛網聯化程度的加深，對于V2X信號的仿真也成為重要的技術分支。

3 整車在環

整車在環目前主要應用于駕駛輔助系統ADAS復雜功能測試驗證。其誕生是為了整合虛擬仿真技術與常規道路試驗，以實現克服已知傳統實車道路測試的局限。整車在環測試中，一輛真車將被“嵌入”至一個虛擬交通環境中（包含交通場景、交通標志、道路等）。

與實際路測相比，整車在環極大節約了成本，降低了測試風險，增強了測試的復現性，在硬件在環基礎上提高了被測控制器測試結果的精確度，彌補了實際路測與硬件在環測試之間的差距。此外，整車在環還可復用軟件在環和硬件在環測試的測試場景。

整車在環主要內容：仿真系統構建虛擬環境，輸入真實車輛智能計算平臺；車輛探測到虛擬障礙物后將相關信息傳遞給控制器；控制器進行分析決策后制定控制策略，實現車輛轉向、制動等操作。

整車在環測試系統主要分為2部分：實物部分和仿真部分。其中虛擬仿真設備包含上位機、實時仿真器等；實物部分包含被測車輛的攝像頭、超聲波傳感器、毫米波雷達等傳感器和駕駛操作的接口適配單元。

就場地而言，整車在環可以分為2類：封閉試驗場整車在環和暗室轉鼓整車在環。封閉試驗場可實現測試車輛橫、縱向極限場景測試，但在做高速試驗時對場地尺寸要求較大，因此封閉試驗場整車在環主要用于中低速極限場景測試；高速縱向極限場景可在暗室轉鼓整車在環中實現。此外，暗室轉鼓整車在環仿真測試可以模擬交通極端擁堵條件下高密度V2X通信環境、城市峽谷等通信信號多徑傳輸環境、高速條件下通信信號的多普勒頻移等特殊的極限通信環境。這些場景幾乎不可能在室外進行模擬，一方面，大部分智能網聯汽車相關試驗頻率均受國家無線電頻譜管理部門的管控，禁止隨意向自由空間發射；另一方面，向自由空間泄漏的電磁波會對實際電磁環境產生污染，影響正常工作的設備的使用安全。

4 結 語

在智能網聯車輛算法研發、系統測試和安全驗證3個測試階段中，仿真已成為必不可少的手段，這已是國內外業界的共識。目前，國內外也在陸續開展利用仿真方式進行車輛檢驗檢測的試驗，并已開展標準法規的預研工作。除仿真手段的革新外，場景數據庫的設計也是仿真測試的重中之重。傳統基于路測數據、現有事故數據庫和人工創建的有限場景測試方式已遠遠不能滿足使用要求，如何創建一個具有高度覆蓋率的場景數據庫、快速產生大量適用性強的新場景將是一個持續的課題。