戴植毅，黃妙華

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430070)

自1866年德國工程師卡爾·本茨造出第一輛裝有0.89馬力汽油機的三輪車，汽車已有了百余年的發(fā)展歷史。在此期間，汽車行業(yè)的研究方向也產(chǎn)生了巨大的轉(zhuǎn)變，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，汽車智能化已成為當(dāng)今的主流發(fā)展方向。智能汽車是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器和執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)車與 X(人、車、路、后臺等)智能信息交換共享，具備復(fù)雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能，可實現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，并最終可替代人來操作的新一代汽車[1]。

為順應(yīng)時代的發(fā)展趨勢，越來越多的汽車公司以及IT行業(yè)巨頭加大了對智能汽車的研發(fā)力度，以實現(xiàn)終極的智能化——無人駕駛。在此期間有不少公司取得了不錯的成果，例如1995年三菱汽車向日本市場推出了首款自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(adaptive cruise control, ACC)[2]，2003年豐田開始將自動泊車系統(tǒng)(automatic parking system, APS)正式安裝到部分普銳斯上[3]以及近幾年新興的V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]等。德國大陸集團(tuán)指出，先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance systems, ADAS)技術(shù)正逐漸從高端車向中低端車滲透，預(yù)計到2020年，全球ADAS市場規(guī)模將達(dá)80億歐元[5]；而美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)預(yù)測,至2040年,自動駕駛車輛所占的比例將達(dá)到75%[6]。這些無疑都證明了未來一段時間內(nèi)，汽車發(fā)展的主流方向就是汽車智能化，并逐漸由智能化最終實現(xiàn)無人駕駛[7]。

在汽車智能化的進(jìn)程中，各大公司及汽車廠商更多的是將焦點集中在智能化所帶來的技術(shù)難題[8]上，而對智能汽車測試這一環(huán)節(jié)的投入就明顯較少。目前，國外亦僅是出臺了少量的智能車測試標(biāo)準(zhǔn)，如關(guān)于智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation system, ITS)的測試標(biāo)準(zhǔn)[9]，關(guān)于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，相配套的智能車場地建設(shè)規(guī)范和測試功能，業(yè)界各研究學(xué)者未能達(dá)成統(tǒng)一的觀點。針對這一問題，有必要對已經(jīng)有的智能車試驗場的場地狀況和測試功能進(jìn)行梳理整合，同時將國內(nèi)智能車試驗場與國外的進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)各自的優(yōu)劣，為以后的試驗場建設(shè)提供寶貴的建議。

1 國外典型智能車試驗場分析

由于西方國家對智能汽車的研究起步較早，目前的技術(shù)日臻完善，因此對智能汽車測試這一領(lǐng)域也日益重視?，F(xiàn)有的主要智能車試驗場集中在美國、英國、瑞士、德國、韓國及日本，中國的智能車試驗場目前多是處于規(guī)劃建設(shè)階段，未能有真正投入使用的，具體的試驗場分布情況及各試驗場名稱如圖1所示。

圖1 全球試驗場分布

1.1 美國Mcity試驗場

美國目前走在智能車輛測試的最前沿，除了主流車企在開展測試之外，谷歌等IT公司也在進(jìn)行測試[12]。2016年11月美國交通部DOT發(fā)起了“自動駕駛試驗場試點計劃”，并為此開展了“自動駕駛試驗場競賽”，以學(xué)術(shù)機構(gòu)、州交通部、城市、私營公司以及多方組成的合作伙伴等為運營主體的60座試驗場提交了申請。2017年1月19日，交通部公布的競賽結(jié)果，指定了10座自動駕駛試驗場，圍繞安全測試和部署的主題，形成實踐共同體，以加快自動駕駛安全部署的流程。這10座試驗場的名稱及所在城市如圖2所示，其中位于密西根州安娜堡市的Mcity試驗場是世界上第一座針對測試無人駕駛汽車技術(shù)而打造的試驗場,該試驗場由美國密歇根大學(xué)主導(dǎo)、密歇根州交通部共同合作建設(shè)，占地面積約為13萬平方米，斥資1 000萬美元，于2015年正式投入運營，其實際場地如圖3所示[13]。

圖3 Mcity試驗場俯視圖

Mcity作為美國第一個專門針對智能汽車測試而建造的試驗場，其最顯著的特點就是真實性。智能汽車實際的運行環(huán)境是極其復(fù)雜的，不僅是行駛的道路多種多樣，周圍相應(yīng)的駕駛環(huán)境也是變化的。而Mcity試驗場就盡可能地保證了真實環(huán)境的這種復(fù)雜性和多樣性，整個試驗場的試驗道路總長約為0.5 km，囊括了市區(qū)道路、鄉(xiāng)村道路、高速道路等多樣化的測試道路。 試驗場主要的道路包括 304 m的直道、十字路口、橋梁、隧道、環(huán)島和開放區(qū)域；路面材料包括瀝青、砂礫、磚石、水泥和泥土；整個試驗區(qū)含有2 車道、3 車道、4 車道3種不同的道路狀況。

除了多樣的試驗道路，Mcity試驗場內(nèi)設(shè)置了許多的環(huán)境障礙物用以測試智能汽車的安全性，其中包括紅綠燈、行人、路牌、路邊便道和長椅、模擬的建筑，甚至還有模擬的建筑工地。

同時，未來汽車的智能化離不開信息化，新興的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、V2X技術(shù)以及GPS技術(shù)等都要求汽車能有較好的實時信號，因此Mcity還設(shè)置了金屬橋、隧道和林蔭道等場景，用以測試智能車輛在信號傳輸不佳或者屏蔽的情況下車輛運行狀況。同時，智能汽車尤其是最終的無人駕駛汽車，其感知部分的傳感器如雷達(dá)和攝像頭易受外界干擾，故試驗場還設(shè)置了由可移動拆卸式的活動面板搭建而成的模擬建筑物，其材料均取材于實際的建筑材料，包括了金屬、塑料、磚、玻璃和木頭等，由此可以測試實際環(huán)境下周圍事物對傳感器信號產(chǎn)生干擾時汽車行駛的可靠性。在此基礎(chǔ)上，Mcity允許研究人員模擬聯(lián)網(wǎng)智能汽車和自動駕駛智能汽車可能面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)環(huán)境，包括智能汽車在城市和郊區(qū)可能遇到的最小問題，如路牌被涂鴉污損、車道標(biāo)記褪色等。Mcity的部分實驗場景如圖4和圖5所示。

圖4 Mcity測試行人避雷技術(shù)

圖5 Mcity模擬隧道測試場景

1.2 瑞典AstaZero安全技術(shù)綜合試驗場

AstaZero安全技術(shù)綜合試驗場是世界上第一個面向未來道路安全的全面測試環(huán)境，該試驗場耗資5億瑞典克朗，位于瑞典哥德堡市附近，總占地面積約200萬平方米，于2014年8月21日正式投入使用，實際試驗場如圖6所示[14]。AstaZero的測試環(huán)境包括一條5.7 km的農(nóng)村公路車道，一個有4個建筑物和街道區(qū)的城市區(qū)域，一個多車道交通和一個用于高速測試的高速公路。所有的道路均由WiFi鏈接，同時為各種設(shè)施提供電力及光纖信號以滿足測試地區(qū)車輛與基礎(chǔ)設(shè)施的通信。

圖6 AstaZero試驗場俯視圖

AstaZero試驗場的首要任務(wù)是測試防止事故發(fā)生的主動安全系統(tǒng)，試驗場內(nèi)設(shè)置有各種定制的測試環(huán)境，如擁擠的城市道路、高速公路、多車道并行路況、環(huán)島以及交叉路口等場景，以測試V2X技術(shù)。AstaZero試驗場的另外一項重要功能是成為未來安全技術(shù)的研發(fā)平臺。在這里，通過與大學(xué)以及行業(yè)機構(gòu)的合作，沃爾沃汽車將進(jìn)行自動駕駛技術(shù)的研發(fā)和測試，目前該試驗場在判斷駕駛員是否疲勞或注意力分散方面的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展。

AstaZero試驗場其最終的目標(biāo)是實現(xiàn)“零傷亡”，為此AstaZero還提供了整個站點的仿真，在現(xiàn)實生活中測試開始之前，測試可以在虛擬環(huán)境中預(yù)先運行，該仿真系統(tǒng)由瑞典國家公路運輸研究所(VTI)開發(fā)。同時，測試場地的交通控制中心對現(xiàn)場不同測試車輛的位置進(jìn)行了精確定位，在實際測試中如發(fā)生緊急狀況，可以立即中止測試[15]。圖7為模擬遇到野生動物的突發(fā)場景。

圖7 路遇野生動物場景

1.3 英國Mira City Circuit試驗場

Mira City Circuit試驗場是知名英國汽車工業(yè)研究協(xié)會(motor industry research association，簡稱Mira)承建的世界上最大的綜合性汽車試驗場，位于英國腹地的米德蘭，總面積約為304萬平方米，試驗道路總長約為95 km，整個園區(qū)大致分為9個試驗區(qū)，可進(jìn)行15大類的汽車項目研究，其中包括了傳統(tǒng)的汽車性能測試項目以及智能車測試項目，實際場地如圖8所示。

圖8 Mira City Circuit試驗場俯視圖

Mira City Circuit試驗場的最大特點是在無線通信測試方面有完善的測試基礎(chǔ)設(shè)施與服務(wù)，主要設(shè)施如下：

(1)IEEE 802.11p(分布在歐洲和北美的V2V和V2I的5.9 GHz頻段)；

(2)IEEE 802.11a/b/g / n(WiFi)；

(3)GSM / GPRS / 4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)；

(4)地面真相定位(3D運動捕捉系統(tǒng))；

(5)RTK-GPS；

(6)GNSS拒絕；

(7)4G無線網(wǎng)格；

(8)集中控制系統(tǒng)。

Mira City Circuit試驗場基于上述的通信設(shè)備以及其他的基礎(chǔ)設(shè)施，可模擬現(xiàn)實世界各種狀況：

(1)車對車(V2V)和車對基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信；

(2)模擬大量移動通信流量；

(3)通信訪問和拒絕；

(4)城市交通管理與控制；

(5)高級導(dǎo)航服務(wù)；

(6)地面實況3D動作捕捉；

(7)城市峽谷模擬。

可驗證的合作系統(tǒng)如下：

(1)高級駕駛員輔助系統(tǒng)；

(2)合作主動安全；

(3)路標(biāo)檢測；

(4)交叉口安全系統(tǒng)；

(5)自動車系統(tǒng)；

(6)司機行為。

1.4 其它典型試驗場

位于美國加利福尼亞州的Gomentum Station試驗場隸屬于康特拉考斯特交通管理局，是一個主要用于測試網(wǎng)聯(lián)自主車輛的場地。該試驗場建于2014年，是由一座廢棄的美國海軍基地改建而成，占地面積約為850萬平方米，擁有32 km鋪裝公路和街道，其中約11 km用作無人駕駛車輛的高速測試[16]。網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)車輛測試界面如圖9所示。

韓國京畿道地區(qū)計劃于2017年建設(shè)世界第一條真實環(huán)境下的無人駕駛汽車道——板橋無人駕駛道路。該車道全長約2 km，為雙向四車道，無人駕駛汽車通過GPS系統(tǒng)和自身電子傳感器來感知紅綠燈、其他車輛以及周圍地形等情況，以實現(xiàn)與一般汽車共同行駛。

圖9 網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)車輛測試

美國陸軍阿伯丁測試中心位于馬里蘭州，成立于1917年10月20日,是美國歷史最悠久的兵器試驗中心。近幾年阿伯丁試驗場開拓的在網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)車測試方面取得基礎(chǔ)成果，于2012年10月完成了對CS13網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)車車隊的安全隱患暴露測試，確保了戰(zhàn)車的戰(zhàn)場安全性。

1.5 對比分析

總結(jié)已有的智能車試驗場，較為成熟的試驗場集中分布在歐美區(qū)域，尤以美國的試驗場數(shù)量最多，而亞洲在智能車試驗場方面還是處于起步建設(shè)階段。不同的試驗場其側(cè)重測試內(nèi)容、場景布置等都有其各自的特點，如表1所示。

表1 國外試驗場對比

由表1可知，最小的試驗場Mcity面積為13萬平方米，最大的Gomentum Station為850萬平方米，兩者相差64倍，但實際測試功能方面未有顯著差別，故在智能車試驗場設(shè)計中，實際的物體環(huán)境應(yīng)當(dāng)借鑒Mcity活動面板的柔性化設(shè)計，以提高場地使用效率；英國的Mira City Circuit試驗場在以前傳統(tǒng)實驗廠基礎(chǔ)上新增智能車測試區(qū)，使整個試驗場成為一個綜合性測試場；各個試驗場在針對智能車輛網(wǎng)絡(luò)安全測試都有相應(yīng)的測試區(qū)，這是智能汽車網(wǎng)絡(luò)化大背景下的必然產(chǎn)物，因此對信號干擾、信號消失的測試必不可少。上述討論可作為未來建設(shè)智能汽車試驗場的建議。

2 國內(nèi)智能汽車試驗場現(xiàn)狀及建議

我國智能汽車雖起步較晚，但在進(jìn)入21世紀(jì)之后進(jìn)入了高速發(fā)展期，湖南大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等重點高校加大了在智能汽車尤其是無人駕駛方面的研究，2011年7月國防科技大學(xué)研發(fā)的紅旗Q3無人駕駛車完成從長沙至武漢286 km的路測[17]；2015年8月宇通大型客車在完全開放的道路環(huán)境下完成國內(nèi)首次自動駕駛試驗，共行駛32.6 km；2015年12月百度無人駕駛汽車完成北京開放高速路的自動駕駛測試；2016年4月長安睿騁成功完成2 000 km超級無人駕駛測試[18]。此外，清華大學(xué)研發(fā)了代號為“THMR-v”的智能車[19]，北京理工大學(xué)研發(fā)了BIT[20]智能車等，均可在SAE三級或以下道路實現(xiàn)自動駕駛功能。

我國在智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)領(lǐng)域已取得了不錯的進(jìn)展，作為《中國制造2025》戰(zhàn)略的一部分，實現(xiàn)我國汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，我國也急需建設(shè)專用的智能汽車試驗場來支撐研發(fā)、保障安全、促進(jìn)合作。目前根據(jù)國家戰(zhàn)略部署，北京、上海、重慶、杭州、常熟等地也已陸續(xù)開始投入智能汽車試驗場的建設(shè)，2016年6月上?！皣抑悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車試點示范區(qū)” 封閉測試區(qū)正式開園運營；2016年11月重慶“i-VISTA”一期試驗場正式投入使用；其余各個試驗場處于初期建設(shè)階段。

鑒于我國目前智能汽車實現(xiàn)無人駕駛只能在SAE三級或以下的道路實現(xiàn)，故在專用試驗場建設(shè)方面可實行“兩步走”戰(zhàn)略。前期建設(shè)的試驗場主要針對ADAS等輔助自動駕駛子系統(tǒng)、系統(tǒng)模塊的測試，為實驗測試提供相應(yīng)的實驗環(huán)境，道路主要集中為SAE三級以下；而隨著未來智能汽車逐步實現(xiàn)完全的無人駕駛，相應(yīng)的后期試驗場則應(yīng)逐步升級試驗道路，提升實驗的場地復(fù)雜性，豐富周圍事物的多樣性，提升實驗環(huán)境的真實性。參考國外已有的成熟試驗場的建設(shè)經(jīng)驗，對國內(nèi)的智能汽車試驗場建設(shè)提出如下建議：

(1)車輛行人交互。國外如Mcity試驗場為封閉模擬的測試場，只具有特定的交通場景和有限的交通車輛，難以通過車輛或行人的交互來重現(xiàn)或模擬實際交通狀況。故在“兩步走”戰(zhàn)略的第二步階段，需規(guī)劃有開放性區(qū)域，實現(xiàn)車與車、車與人(假人)等的真正互動，模擬或重現(xiàn)真實交通的復(fù)雜性。

(2)試驗場景柔性化。參考Mcity的場景設(shè)計，其城市街區(qū)的建筑物采用可靈活搭建的建筑面板搭建而成，這樣針對測試需求可布置出相應(yīng)的試驗場景，提高場景布置的靈活性，提升設(shè)施利用率和使用周期。

(3)網(wǎng)絡(luò)安全測試。目前國外試驗場在網(wǎng)絡(luò)安全方面主要側(cè)重于功能穩(wěn)定性的測試，如V2X技術(shù)在隧道、金屬橋梁等信號被屏蔽處的測試；無人駕駛車輛在林蔭、強光等對傳感器產(chǎn)生干擾下的穩(wěn)定性。對于黑客攻擊之類的網(wǎng)絡(luò)自身風(fēng)險并未考慮，全球目前僅于2016年1月發(fā)布了首部汽車網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)SAEJ3061[21]，故國內(nèi)試驗場在前期規(guī)劃階段可參考此標(biāo)準(zhǔn)，做好相應(yīng)的規(guī)劃。

3 結(jié)論

隨著智能汽車的快速發(fā)展，歐美國家開始著眼于智能汽車專用試驗場的建設(shè)，也已經(jīng)建成了多個成熟的試驗場。目前雖然國內(nèi)未能擁有完善的智能汽車專用試驗場，但部分高校和企業(yè)已經(jīng)開始合作一同建造試驗場。筆者總結(jié)了國外典型的智能汽車試驗場的各自特點，分析對比國內(nèi)現(xiàn)狀，以車輛測試環(huán)境、試驗場景和網(wǎng)絡(luò)安全為核心，對未來國內(nèi)建設(shè)智能汽車試驗場提出了一些有益的建議。

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