2.2　汽车自动驾驶仿真测试系统架构

汽车自动驾驶的产品开发周期一般从概念设计开始，以算法研发为主，历经反复的系统测试，到最后评测机构的安全可靠性验证与评价等。自动驾驶算法实现的功能性及稳健性，系统实现的功能、性能，特别是安全可靠性等都需要大量的可重复、高覆盖、强随机、大边界的测试用例或场景，以及评测机构以安全可靠性为目标的评价或准入验证。此外，汽车自动驾驶系统的环境感知、决策规划、控制执行等诸多系统，其功能与性能要求也各不相同，都是决定仿真测试系统架构的关键因素。

面向汽车自动驾驶的仿真测试技术一般包括物理建模、环境模拟与数值仿真等。环境模拟包括道路、交通及天气、光照等模拟，以及相对应的各类环境传感器建模，是汽车自动驾驶仿真技术的重要特点，也是与传统汽车模拟仿真技术相比较的主要区别和挑战所在。汽车自动驾驶仿真测试系统架构既体现仿真测试技术的特点，也反映仿真测试系统的功能组成及其相互关联，如图2-2所示。

图2-2　汽车自动驾驶仿真测试架构

仿真测试需求是仿真测试系统的重要前提，也是决定仿真测试场景选择、仿真测试方法和工具，以及仿真测试评价指标或标准的重要依据。仿真测试场景是仿真测试的重要输入，其质量和适用性是决定仿真测试与评价效果和质量的关键因素。仿真测试规范、流程、标准等是仿真测试实现标准化、规范化和自动化的基础条件，而仿真测试平台是开展仿真测试、支撑仿真测试需求定义、支撑仿真测试流程和仿真测试评价的重要工具。

2.2.1　仿真测试需求

仿真测试需求的定义是决定仿真测试技术的重要前提。一方面，汽车自动驾驶仿真测试需求首先源于其系统或产品需求，即被测对象的功能与性能要求，包括自动驾驶感知系统的功能与性能、决策规划系统的功能与性能、控制执行系统的功能与性能等，以及作为系统整体的安全性、可靠性和舒适性等要求；另一方面，被测对象产品化过程中不同阶段对测试有着不同的需求，如概念设计阶段、系统研发阶段、产品验证阶段等。

仿真测试需求是构建仿真测试场景的重要依据，也是核查或验证系统是否满足产品设计需求的关键，有别于道路测试，其互补性和独特性也是决定使用何种测试技术的重要考虑因素。

仿真测试需求也是设计并检验仿真测试场景或场景库的质量及适用性、仿真测试平台或工具的效率及实用性、仿真测试评价标准体系的合理性及指导性等的重要依据。

2.2.2　仿真测试平台

汽车自动驾驶的测试是其产品“V”模式研发的重要组成部分，即以需求为驱动、基于模型的开发方法，自顶向下分解设计、自底向上集成验证；借助模拟仿真技术，并通过软硬件等多物理体在环和人在回路等技术提升仿真测试的置信度，高效、安全、高质量地打通产品开发从概念构思到原型开发，再到产品定型的整个研发周期，如图2-3所示。

图2-3　“V”模式下的产品研发与测试验证

模拟仿真是基于模型开发方法的重要技术手段。一方面，在产品构思、系统设计与分解过程中，可以利用软件模拟仿真平台大大加快产品前期的开发与迭代进度，不仅迭代效率高，而且成本低；另一方面，随着子系统或零部件硬件的完成，可以利用硬件在环仿真进一步提高仿真置信度，加快产品验证进度，这里的“硬件”可以广泛地包括汽车电子控制器、制动器或转向器等底盘系统、动力和动力传动系统等。最后，可以利用驾驶模拟器实现人在回路的模拟仿真，加速对拟定型产品的主客观评价。

模拟仿真技术建立在对物理世界高精度模拟和对数学方程高效数值仿真的基础之上。一方面，通过纯离线（软件）仿真、实时软硬件在环（或多物理体在环）仿真，以及包含驾驶员的人在回路仿真等仿真方法或驾驶模拟器等平台，借助于图形化或方框图建模语言、代码自动生成、快速原型等工具和理念，形成支持汽车自动驾驶系统开发的仿真测试工具链，以大幅度降低对实车测试的要求，也为实车测试与验证奠定关键的基础，如图2-4所示。

图2-4　“V”模式下的模拟仿真技术

仿真测试平台是支撑汽车自动驾驶技术与产品测试的重要基础。一方面，在产品研发的初级阶段，对仿真测试的模型精细度和仿真实时性要求均可适当降低，使得基于仿真软件平台的测试有其高效、快速和低成本优势；另一方面，随着产品研发进入原型和定型阶段，对仿真测试的模型精细度和仿真实时性要求也不断提高，使得基于多物理体在环、人在回路的实时仿真平台的测试具有其精确、逼真，并部分替代实车测试的效率、成本和安全优势。

产品研发初始阶段一般可以通过纯软件离线仿真（Offline Simulation）的形式进行开发与测试。其仿真平台一般包括环境模型（道路、交通、气象等模型）、车辆模型及车载环境传感器模型等，同时还包括运行自动驾驶算法的计算平台。如图2-5所示为诸多类似仿真测试平台之一。仿真测试的快捷性与便利性是非实时纯软件平台的特色与优势。

图2-5　汽车自动驾驶仿真测试软件平台

基于模拟仿真技术的仿真测试还可进一步支持实时软硬件在环、车辆在环（SiL/HiL/ViL）和驾驶员在环（DiL）等多物理体在环实时仿真测试。通过实时硬件等多物理体在环仿真，不断提升模拟仿真系统的置信度，实现模拟仿真系统与实车系统的衔接过渡，以提高仿真平台下汽车自动驾驶技术与产品的开发效率和质量。

如图2-6所示为典型的实时仿真环境下的汽车自动驾驶测试平台之一，与其他诸多平台相似，该平台包含支撑仿真测试场景的环境模型、传感器模型、车辆动力学模型，以及相对应的多物理体在环仿真与驾驶模拟器系统等。

图2-6　汽车自动驾驶实时仿真测试平台