【技术产品】国内自研智能网联虚实结合测试解决方案

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吴贤斌,51WORLD 仿真平台物理仿真组车联网负责人

 

“高效构建网联车辆虚拟试验场,加速车路协同高级驾驶落地”汽车产业正在经历百年未有之大变局,电动化、智能化、网联化和共享化是未来汽车产业发展的主要趋势。

如今,汽车的电动化已经取得了阶段性的进展,接下来应把网联化、智能化放到更加重要的位置。现阶段,各车企城市示范区大规模开展自动驾驶测试验证和示范应用,并逐步探索无人驾驶汽车商业化运营。但总体来看,全球自动驾驶发展仍然处在初级阶段:L2 级别自动驾驶汽车已逐步发展至商业化落地,但市场渗透率和应用规模仍然较小;L3、L4 及以上等级自动驾驶仍以试验和区域性示范为主。目前,总体运行场景有限,而构建自动驾驶测试场需要大量的人力和财力成本,且构造场景并不能真实还原实际道路状态,这些痛点也制约着自动驾驶的进一步发展。51WORLD 智能网联测试场基于自研的自动驾驶仿真平台 51Sim-One,将地图场景构建、交通流生成、车辆动力学仿真、车辆及路侧传感器仿真、SIL 和 HIL 测试于一体,全方位覆盖自动驾驶仿真感知、决策和控制算法验证各个环节。

自动驾驶目前有单车智能自动驾驶和车路协同自动驾驶两种技术路线。51Sim-One 兼具上述两种方案的仿真测试,下面以某“智能网联汽车综合测试示范区”为例介绍,如何在仿真环境中构建智能网联车路协同虚拟测试场。

 

从单车智能到车路协同

单车智能会通过车上安装的传感器来完成对周围环境的探测和定位功能。计算决策在一方面,将传感器数据进行分析处理,实现对目标的识别;另一方面,则进行行为预测和全局路径规划、局部路径规划和即时动作规划,决定车辆当前及未来的运行轨迹。

控制执行则主要包括车辆的运动控制以及人机交互,决定每个执行器如电机、油门、刹车等控制信号。单车智能发展面临这一些局限性,其安全依然面临着巨大挑战、长尾问题限制了车辆可运行设计域、需要车辆安装多种高昂的传感器其经济性问题还未得到充分解决。在当前自动驾驶能力条件下,还无法找到安全性、可运行区域限制和经济性的平衡点,需要从本质上提升自动驾驶的能力。

而车路协同则是通过信息交互协同、协同感知和协同决策控制极大程度上拓展单车的感知范围、提升感知能力,并通过 RSU 和路侧 MEC 将道路智能化,从根本上解决单车智能自动驾驶的技术瓶颈。通过车载单

元和路侧单元的结合,提供给单车更多冗余信息,保证驾驶安全。

 

车路协同自动驾驶是一个由低至高的发展过程,主要包括三个阶段:

(1)信息交互系统,车辆 OBU 与路侧 RSU 进行直连通信,实现车辆与道路的信息交互与共享;

(2)协同感知,路侧传感器和车载传感器信息的共享;

(3)协同决策控制,利用车侧和路侧的感知信息和通过路侧决策部分实现对整个道路车辆以及其他基础设施的控制,提高交通运行效率和安全性。车路协同和单车智能自动驾驶不是两个独立的部分,他们相辅相成,共同完成自动驾驶车辆的上路。从组成上来看,车路协同包括单车智能的车辆和智能的道路。智能道路需要路侧传感器(毫米波雷达、摄像头、激光雷达等);路侧通信单元(RSU、蜂窝基站);路侧边缘计算设施(MEC、云平台);路侧 RTK(GNSS校正);路侧标牌、信号灯以及其控制单元。

 

从虚拟仿真到硬件在环测试

为了保证驾驶的安全高效进行,各个国家和地区都开发了丰富的自动驾驶道路侧试环境。然而,实际道路侧试需要较多的硬件资源,不仅花费巨大同时还存在一定的事故风险,如搭建一个拥堵场景,就需要大量

车辆参与,同时弱势交通参与者参与测试也存在较大事故风险,而通过部署 51Sim-One 仿真环境就可以容易高效经济解决该问题。51Sim-One V2X 提供 3 种 V2X 测试方案,包括 SIL 测试方案、HIL 测试方案以及 VIL 测试方案。在 SIL 环境下,用户可以通过 51Sim-One 提供的 API接口,获取虚拟场景中的主车和对手车,以及主车与路侧 RSU 的相互通信的 V2X 信息(包含 BSM,RSI,RSM,SPAT,MAP 等),从而训练自己的决策控制算法。在 HIL 环境下,用户可以通过 51Sim-One 提供的 API接口,获取虚拟场景中的主车和对手车,以及主车与路侧 RSU 的相互通信的 V2X 信息(包含 BSM,RSI,RSM,SPAT 等),再把该信息发送到测量设备(如 RSCMW500)后,测量设备可以把 V2X 信息转换成 PC5电磁波信号,最终发送给 OBU 或者 RSU 接收,从而可以测试或者训练 OBU 或者 RSU 的决策控制算法。

 

V2X 车路协同 SIL 仿真

51Sim-OneV2X 仿 真 结 合 其 自 身 的 优 势, 利 用WorldEditor 编辑和还原 opendrive 格式的城市道路信息,利用 SCENARIOEditor 和交通流仿真软件在路网信息的基础上生成车辆、行人、信号灯等动态信息,

提供丰富的路侧和车载传感器资源。这些资源都是 V2X要收发的数据信息必要组成。

51Sim-One 在 应 用 层 上 根 据 CSAE 标 准《 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(2017,2020)》开发,提供除近场支付以外的其他 16个应用场景,提供便捷的案例自定义编辑功能。

在 应 用 层 消 息 方 面, 提 供 基 本 的 DataElement、DataFrame 和 Message,包括 BSM 消息、RSI 消息、路侧安全信息 RSM、信号灯信息 SPAT 以及 MAP 信息。

提供车辆的标准案例仿真,综合考虑车辆所在环境的车辆、建筑、天气状况,支持输出基于 4G/5G 网络的仿真的数据传输率情况,通过 API 接口访问原生的 ASN.1编码的 V2X 二进制数据。此案例展示了一个 51Sim-One V2X 场景。对于场景中的每辆车、行人可设置其 OBU 的开关状态,用于产生基本安全消息(BSM);配置路侧毫米波雷达、激光雷达、摄像头、融合传感器与路侧 RSU 以及各传感器之间的连接关系,根据路侧传感器的感知信息生成路侧安全消息(RSM);根据信号灯的预配置时序生成信号灯相位消息(SPAT);根据 OpenDrive 地图及其提供的HDMap API 接口生成地图消息(MAP);根据 51SimOne 场景案例编辑功能,编辑特殊状态及特殊区域触发器,结合 HDMap API 获取的道路标牌、限速信息生成路侧消息(RSI)。

 

V2X 车路协同 HIL 测试

V2X HIL 虚实结合测试提供了一种更加简单高效经济的V2X HIL 测试方法,它将虚拟仿真与硬件结合,通过虚拟仿真场景可以简单高效的构建 V2X 标准定义的各种复杂场景,包括对手车,红绿灯,道路施工,积水,拥堵,以及车辆故障等。

此示意图中,HIL 测试环境下只需要一个无线综测仪CMW500( 模拟 OBU 或者 RSU) 和一个 GNSS 信号模拟器 SMBV100,以及 51Sim-One 仿真系统就可以搭建一个完整的测试环境,大大降低测试成本,简化测试流程,并提高测试效率。

如 51Sim-OneV2X HIL 示 意 图 所 示,51Sim-One 仿 真系统会把对手车或者其他路况信息通过 CAN 或者以太网口发送给无线综测仪(如 RS CMW500);同时51Sim-One 仿真系统将主车的经纬度实时发送给 GNSS模拟器。无线综测仪将收到的 V2X 信息转换成 PC5 电磁波发送给被测 OBU;GNSS 模拟器会把收到的经纬度转换成GPS 电磁波信号发送给被测 OBU 进行经纬度定位。最终判断被测 OBU 的决策控制算法是否合理。

V2X 车路协同 VIL 测试

车路协同 VIL 测试,其被测实体为配置了 OBU 传感器的整车。被测车辆会接收到来自对手车辆和 RSU 发出的相关 V2X 数据,再经过整车决策算法,验证整车在车联网场景下,决策控制算法是否合理。如V2XOBUVIL 测试示意图所示,上半部分为实际测试场地,为开阔测试场地,路面上不需要对手车和路面(障碍物,危险区域,行人)相关信息的参与;下半部分为部署在服务器端的 51Sim-One 虚拟仿真场景。通过虚拟场景构建对手车、车流、障碍物、危险区域和行人,再通过以太网把相关 V2X 消息发送给辅助 OBU或者 RSU,辅助 OBU 或者 RSU 将以太网接收到 V2X消息转化成 PC5 电磁波发送给被测车辆,从而验证被

测车辆的驾驶决策行为符合需求。

 

从国家示范区到 51Sim-One HIL/VIL 测试

上海某智能网联汽车示范区内包含城市、郊区、高速公路等场景,能为从事自动驾驶研发测试的企业提供集港口与机场、产业区与城市生活区、高速公路与城市 / 乡村道路为一体的测试环境,甚至还能模拟下雨天

气。不只是乘用车,包括商用车以及工程车等不同类型的车辆也能在临港示范区进行测试。目前该范区已经接入包括大唐、华为、海康、大华等提供的 OBU、RSU、摄像头、路灯以及信号机,结合路侧 MEC 封装 V2X 相关消息,具有一定的能力测试单车智能与车路协同的相关场景。但是各自接口都相对隐秘,没有统一的接口,调试与二次开发相对困难。51Sim-One 从建图(道路、车道)、美术资源、路口信号灯,全方位还原该示范区,将测试场的整车测试,完整的复制到仿真环境中。基于罗德施瓦茨与 NI 的信号源、GNSS 模拟器,结合 51Sim-One 的 HIL 测试功能,可以在一定程度上完成场地测试的大部分功能。自动驾驶仿真测试是自动驾驶测试的重要测试手段,它部署简单、可以大规模批量测试、场景还原与泛化能力强、可根据判定规则生成对应的测试报告、可案例回放不断迭代算法性能。

但是,针对自动驾驶的模拟仿真测试也存在一些问题:仿真实时性、物理级模型的的建模、各个车厂不同接口的定制化需求等。针对以上模拟仿真测试的各种问题 51Sim-One 都提供了解决方案,并且提供了更加开放的仿真接口。智能网联示范区所部署的各种复杂软硬件、提供的有限接口、各家的独立性,各个硬件的部署、升级都有一定的限制,产品的升级也不能及时部署。对 V2X 车路协同测试而言,51Sim-One 提供了一整套成熟的 HIL测试方案,大大降低各种成本,提高测试效率,加快迭代速度从而加速车路协同自动驾驶的商业化落地。随着相关技术的成熟和普及,车路协同自动驾驶的各个环节,包括国家标准、数据隐私、法律法规、个人的接受程度等,都变得更加完善,而中国的自动驾驶行业也将迈入新时代。

 

 

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