關鍵詞：車輛；自動駕駛；仿真測試；微觀交通流

0 前言

車輛自動駕駛作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，是提高出行效率、緩解交通擁堵的新手段。由于駕駛行為的危險性，自動駕駛必須保證極高的安全性和穩(wěn)定性才能被大眾接納。相關研究顯示，為了保證自動駕駛汽車的可靠性，使之能夠應對公共道路上發(fā)生的所有狀況，需要數(shù)億甚至數(shù)千億的測試里程，這靠實車測試顯然是不可能完成的［1］。在此背景下，仿真測試以其成本低廉、安全性高、場景靈活、可編輯等優(yōu)點成為自動駕駛測試過程中必要的開發(fā)和驗證手段。

現(xiàn)階段的自動駕駛仿真測試方法可分為基于場景的測試方法和基于里程的測試方法，其中前者又可分為預先設定的場景測試和具有一定隨機性的交通流場景測試。主流自動駕駛仿真軟件中的交通參與者大多隨機生成且不可互動，與真實交通場景相差較大。本文建立了微觀交通流模型和評價體系，并與專業(yè)的自動駕駛仿真軟件聯(lián)合仿真，可同時保證車輛動力學和交通流的精度，有助于提高測試的真實性，驗證并優(yōu)化自動駕駛算法。

1 自動駕駛仿真測試

仿真測試作為自動駕駛?cè)еJ證法的第一環(huán)，具有功能性、性能性、安全性、穩(wěn)定性和魯棒性等多方面技術優(yōu)勢，是推動自動駕駛技術研究、保障自動駕駛安全可靠、促進自動駕駛終端不斷迭代的有效技術手段。自動駕駛仿真測試涉及自動駕駛、模擬仿真、物理傳感器、測試評價等多學科多領域，涉及行駛環(huán)境模擬、環(huán)境傳感器建模、車輛動力學建模等技術和一體化模擬仿真技術等技術。

1. 1 行駛環(huán)境模擬技術

車輛行駛在真實世界里，處于路網(wǎng)、光照、交通和溫濕度等復雜成分組成的環(huán)境中，實時受到聲、光、電、熱等周邊環(huán)境的影響。行駛環(huán)境不僅是影響汽車行駛性能和安全性能的重要因素，也是影響車載傳感器感知功能的重要因素。行駛環(huán)境模擬技術旨在將這些周邊環(huán)境影響因素轉(zhuǎn)換為計算機的電壓信號和芯片間的二進制流。

1. 2 環(huán)境傳感器建模技術

自動駕駛系統(tǒng)常用的環(huán)境傳感器包括各類相機、毫米波雷達、激光雷達、定位設備和無線通信設備等，這些傳感器的建模都需要根據(jù)底層物理原理來進行仿真，如根據(jù)雷達電磁波發(fā)射、傳播、反射和接收的物理機理建模，可以在仿真中體現(xiàn)出天氣、地表雜波和干擾等環(huán)境因素對毫米波雷達的影響。環(huán)境傳感器一般包括檢測單元和信號處理單元，兩者分別輸出原始信號和檢測信號，如圖1 所示。

1. 3 車輛動力學建模技術

車輛動力學是自動駕駛仿真測試的基礎，包括對汽車底盤（制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)）、動力總成（發(fā)動機/電機、變速箱、差速器等）和輪胎等部件進行的研究。準確的車輛動力學模型可以反映出車輛真實的運動狀態(tài)，以及在動力性、舒適性和操控性等方面的表現(xiàn)。

1. 4 一體化模擬仿真技術

自動駕駛的研發(fā)涉及軟硬件開發(fā)、系統(tǒng)設計與分解、測試與驗證等多個環(huán)節(jié)，不同的環(huán)節(jié)要求導致仿真往往建立在不同的平臺上，存在時鐘不同步、數(shù)據(jù)不兼容等問題。因此需要建立一個兼容離線和實時、軟件模擬和硬件在環(huán)、虛擬仿真和實車測試的無縫工具鏈，以支撐自動駕駛?cè)芷诘男枨蟆?/p>

針對不同階段的測試對象，自動駕駛仿真測試方案也不同，分為模型在環(huán)測試（MIL）、軟件在環(huán)測試（SIL）、硬件在環(huán)測試（HIL）和整車在環(huán)測試（VIL）。通過逐步引入真實車輛的硬件和輸入輸出（IO）接口，可以使仿真在低成本和小場地的條件下愈發(fā)貼近實車表現(xiàn)，但行駛環(huán)境始終需要模擬。預設場景根據(jù)專家經(jīng)驗和相關標準構(gòu)建，覆蓋了法規(guī)場景、事故場景、自然采集場景等類別，逐漸擴充為場景庫，而交通流場景目前的研究和應用還處于初級階段。

2 交通流模型與評價指標

2. 1交通流模型

片段式的預設場景中對于對手車的行為和軌跡固定，要求被測車輛完成某項特定目標或任務，適用于特定功能的測試和驗證。當路網(wǎng)結(jié)構(gòu)或交通參與者情況較為復雜時，如立交橋場景、行人和非機動車場景等，交通參與者制定軌跡不僅存在工作量巨大，而且難以體現(xiàn)真實情況下的交通博弈情況，仿真可信度難以得到保障。同時，為了驗證自動駕駛仿真測試過程中的編隊駕駛能耗、編隊駕駛效率，以及連續(xù)場景測試，需要在交通流場景中引入更專業(yè)的交通流仿真模型。

自20 世紀30 年代 Greenshields 提出交通流速度與密度關系模型后，包括車輛跟隨模型、變道模型、交通波理論在內(nèi)的交通流核心理論相繼確立并持續(xù)發(fā)展直至今。從空間和時間的角度可以把交通流模型劃分為微觀交通流、中觀交通流和宏觀交通流，從3 個尺度上定義了交通流的時空特征［2］。微觀交通流仿真的本質(zhì)在于駕駛行為建模，通過機理解讀，剖析人類駕駛行為并建立解析模型，與自動駕駛車輛具有直接互動，需要進行特殊建模。

利用交通流仿真軟件VISSIM 的接口進行二次開發(fā)，嵌入自研的交互性微觀交通流模型。該模型支持主車周圍一定范圍內(nèi)背景車的擬人化駕駛，如橫向偏離的隨機性、借道超車和加塞等駕駛行為。動態(tài)高精度仿真區(qū)域如圖2 所示。由圖2 可見，場景內(nèi)分為高分辨率區(qū)域和低分辨率區(qū)域，高分辨率區(qū)域半徑為Rin，低分辨率區(qū)域半徑為Rout，Rin 與Rout 限定了高、低分辨率區(qū)之間的緩沖區(qū)域，主車周圍高分辨率區(qū)域內(nèi)車輛應用擬人化微觀交通流模型，低分辨率區(qū)域內(nèi)車輛應用常規(guī)微觀交通流模型，以此兼顧仿真效率和測試效果。

除了以跟隨、變道和橫向超車等行為來模擬真實駕駛操作外，交通流模型還在5 個方面支持自動駕駛仿真測試：① 提供大量隨機的選擇，以反映交通運行的真實情況，如車型和車輛以泊松分布輸入，速度和加速度在區(qū)間內(nèi)隨機選擇，而隨機種子的設置可以使仿真具有可復現(xiàn)性；② 可設置隨機的駕駛錯誤行為和出現(xiàn)比例，如誤判交通標志和信號燈、偏離車道中心線等，以此來模擬真實駕駛情況；③ 公共交通、非機動車和行人具有更專業(yè)的模型，模擬具有中國特色的機動車和非機動車混行交通場景特點；④ 可設置立交橋、換乘樞紐、停車場等特色場景；⑤ 可設置沖突區(qū)域通行規(guī)則、路權(quán)等概念。

2. 2 評價指標體系

交通狀態(tài)會隨時空遷移，如不同路段在不同時間上的交通流是截然不同的，因此微觀交通流模型需要有一系列可調(diào)參數(shù)來改變交通表現(xiàn)，如車輛起止點（OD）、車輛跟隨安全距離、平均車速流量密度、換道間距和概率等。利用場景采集車、無人機等方式采集并提取了真實交通流及其特征后，對交通流模型參數(shù)進行標定以擬合真實交通流。因此，評價仿真中的交通流模型與真實交通流特征的一致性也需要一個評價指標體系。

評價指標體系應滿足以下要求：① 覆蓋宏觀和微觀評價指標，確保交通流的擬合是全尺度的擬合，如以本車被加塞次數(shù)、變道間距等指標評價微觀模型，以平均行車速度、感知密度等指標評價宏觀模型；② 針對微觀交通流模型及自動駕駛的專門評價指標。本文所提出的評價交通流模型與現(xiàn)實貼合程度的評價指標體系如圖3 所示。

3 微觀交通流模型在自動駕駛仿真測試中的應用

微觀交通流模型的載體是交通流仿真軟件VISSIM，自動駕駛仿真的載體是帶有場景和車輛動力學的仿真軟件，如dSPACE、VTD 等。本文選擇dSPACE 作為自動駕駛車輛的仿真軟件，通過VISSIM 和dSPACE 的聯(lián)合仿真實現(xiàn)微觀交通流在自動駕駛仿真測試中的應用，兩者的耦合結(jié)構(gòu)如圖4 所示。由圖4 可見，通過將dSPACE 主從車相對位置的速度信號接出，與VISSIM 的駕駛模擬器接口對接，可以實現(xiàn)交通流環(huán)境車輛和自動駕駛仿真車輛的信息交互。

3. 1 靜態(tài)地圖同步

聯(lián)合仿真需要完全一致的靜態(tài)地圖，包括路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、路面高程、道路坐標、信控信號、公共交通等動靜態(tài)信息，因此需要針對2 個軟件分別適配路網(wǎng)。選取符合OPENX 系列標準的OpenDrive 格式地圖作為基礎。VISSIM 可導入xodr 文件，并以此為地圖繪制路網(wǎng)；自研格式轉(zhuǎn)換工具可將路網(wǎng)文件轉(zhuǎn)換為dSPACE 支持的格式，精修后與地圖達到一致。圖5 為某個復雜路口的地圖同步效果。

3. 2 車輛信息同步

主車信息由自動駕駛仿真軟件計算生成，背景車信息由交通流仿真軟件計算生成，兩者通過中間接口進行信息同步。VISSIM 提供了串行通信接口（COM）、應用程序接口（API）和駕駛模擬器接口這3 種可編程接口。其中COM 采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，可進行預處理和后處理數(shù)據(jù)、控制仿真流程、綁定控制算法、訪問路網(wǎng)對象的所有特征屬性等工作，支持多種編程語言，直接以腳本形式運行。API需以C 或C++ 語言編程，且程序需生成為動態(tài)鏈接庫，并在軟件中選中。API 支持外接駕駛員模型、外部信號控制機、車輛排放計算模型、外部行人模型、外部收費定價計算模型等計算模型，以增強VISSIM 的仿真能力。

駕駛模擬器接口專門用于和設計車輛動力學、通信性能、傳感器仿真等領域的專業(yè)軟件進行聯(lián)合仿真，包括路網(wǎng)中車輛信息和信號燈配時方案等。dSPACE 擁有完整的生態(tài)鏈，提供一系列軟件完成自動駕駛仿真的所有工作，運行編譯后的Simulink模型。

將Simulink 模型和交通流仿真軟件中主車和從車的位置、速度、路段、信號燈等信號分別接出，以用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）包的形式相互發(fā)送和接收，并在下一個仿真步長內(nèi)對車輛狀態(tài)進行更新。

3. 3 仿真頻率同步

交通流仿真軟件的仿真頻率一般小于自動駕駛仿真軟件，為保持仿真同步性，應對仿真頻率做出調(diào)整。一般的聯(lián)合仿真頻率耦合會采用主從原則，浪費部分性能以保證實時性。VISSIM 仿真步長精度可達0.05 s，該項目中通過插值算法更新步長信息，使交通流仿真步長和主車保持一致。某復雜路口和高速公路的微觀交通流模型和自動駕駛測試聯(lián)合仿真分別如圖6 和圖7 所示。在復雜路口和高速公路2種路況中聯(lián)合仿真運行良好，交通流背景車輛與主車存在超車、加塞等動態(tài)交互。

4 結(jié)語

本文開發(fā)了一套可交互的微觀交通流模型，針對單車在真實交通場景下行駛時的特征表現(xiàn)提出了評價指標體系，并分析了交通流模型和自動駕駛仿真軟件間的數(shù)據(jù)鏈路，通過聯(lián)合仿真的形式實現(xiàn)微觀交通流模型在自動駕駛車輛仿真測試中的應用。該方案可為自動駕駛測試提供貼近真實情況的交通環(huán)境，使車輛動力學、行駛環(huán)境和傳感器都具有更高的置信度。交通流仿真符合自動駕駛安全性、可靠性的測試需求和高快速路示范運營的法規(guī)趨勢，有助于提高自動駕駛系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。