數(shù)字孿生技術(shù)在自動駕駛測試領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：

研究數(shù)字孿生技術(shù)在自動駕駛測試領(lǐng)域的應(yīng)用。旨在構(gòu)建高度開放的數(shù)字孿生自動駕駛測試平臺，結(jié)合仿真測試工具、通信設(shè)備、真實(shí)測試車輛等功能單元，形成豐富的測試驗(yàn)證環(huán)境，支持各類自動駕駛解決方案和算法驗(yàn)證測試，具備在有限資源條件下開展虛擬復(fù)雜場景的自動駕駛實(shí)車測試驗(yàn)證能力。提供一種全新的自動駕駛整車測試方法。

1.數(shù)字孿生技術(shù)介紹

1.1 數(shù)字孿生概念介紹

數(shù)字孿生（digital twin）的概念最初由Grieves教授于2003年在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出[1]，并被定義為三維模型，包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接。全球著名的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續(xù)兩年 (2016年和2017年)將數(shù)字?jǐn)伾袨楫?dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一[2]，2017年12月8日中國科協(xié)智能制造學(xué)會聯(lián)合體在世界智能制造大會上將數(shù)字孿生列為了世界智能制造十大科技進(jìn)展之一。

數(shù)字孿生的宏觀概念是指：是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對象的數(shù)字模型，通過實(shí)測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測物理實(shí)體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對象生命周期內(nèi)的決策。[1]

總結(jié)上述定義的理解要點(diǎn)為：數(shù)字孿生是仿真應(yīng)用的延伸和發(fā)展，不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界的實(shí)時(shí)信息，更要反過來實(shí)時(shí)驅(qū)動物理世界。

本文結(jié)合自動駕駛測試，給出數(shù)字孿生在自動駕駛測試中的狹義定義：車輛處于真實(shí)的測試場地環(huán)境當(dāng)中，同時(shí)將車輛通過數(shù)字通信等技術(shù)，建模映射到虛擬空間內(nèi)，之后在虛擬空間內(nèi)通過構(gòu)建不同的復(fù)雜交通環(huán)境，將有關(guān)信號通過仿真器進(jìn)行仿真生成，然后發(fā)送給實(shí)際道路中的車輛。車輛接收到信號之后，對信號進(jìn)行分析判斷，進(jìn)而決策規(guī)劃到形成控制信號發(fā)送到底盤，執(zhí)行控制動作，車輛動作反饋回虛擬空間，從而達(dá)到對自車的決策規(guī)劃和控制執(zhí)行系統(tǒng)的考核能力。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的主流應(yīng)用

根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的廣義定義，其不僅是映射物理世界，更需要接收物理世界的反饋信息，進(jìn)而反過來驅(qū)動物理世界。這個(gè)過程的應(yīng)用程度即數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的成熟度，對應(yīng)“數(shù)化、互動、先知、先覺、共智”。[1]

數(shù)字孿生的概念最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，美國國防部最早提出將數(shù)字孿生技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時(shí)分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等，示意如圖1。

圖1航天數(shù)字孿生模型示意

數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)4.0體系中扮演著重要的角色，主要應(yīng)用包括“產(chǎn)品數(shù)字化孿生”、“生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化孿生”和“設(shè)備數(shù)字化孿生”。在數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動下 ,將傳統(tǒng)的預(yù)測性維護(hù)方法由被動響應(yīng)轉(zhuǎn)型為主動服務(wù)的轉(zhuǎn)變過程,為中國制造業(yè)由“生產(chǎn)型制造”向“服務(wù)型制造”轉(zhuǎn)變提供支撐。[3]

數(shù)字孿生技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合特性在智能網(wǎng)聯(lián)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，主要包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車開發(fā)制造、智能工廠平臺等工業(yè)應(yīng)用和數(shù)字孿生自動駕駛測試應(yīng)用。其中，在開發(fā)制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用形式主要是產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模、智慧生產(chǎn)線設(shè)計(jì)運(yùn)行等方面。

2.自動駕駛測試評價(jià)方法分析

自動駕駛汽車行業(yè)發(fā)展迅速，但其開發(fā)階段的產(chǎn)品驗(yàn)證方法仍然與現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車保持很大程度的一致。其測試方法主要有：軟/硬件在環(huán)測試、封閉場地測試、開放道路測試。三種方法各有優(yōu)劣，任意一個(gè)部分并不能很好的保證測試效果。未來對自動駕駛汽車的檢驗(yàn)檢測將會是軟硬件在環(huán)+封閉場地測試+實(shí)車路試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的模式。

現(xiàn)有測試方法的優(yōu)劣對比分析如下表1。

表1 測試評價(jià)方法優(yōu)劣分析

隨著自動駕駛汽車技術(shù)不斷發(fā)展、交通場景日益復(fù)雜，如上現(xiàn)有測試方法在自動駕駛測試實(shí)踐中顯現(xiàn)出不足，具體表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

1)測試場景碎片化不符合實(shí)際使用情況。汽車自動駕駛是一個(gè)連續(xù)行為，貼合實(shí)際使用的驗(yàn)證必須需要廣闊的空間開展連續(xù)場景驗(yàn)證，若在真實(shí)物理空間中實(shí)現(xiàn)，花費(fèi)的成本與時(shí)間不可接受；

2)復(fù)雜交通場景搭建的難度大、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大，如隧道、多車沖突、預(yù)期功能安全場景等；

3)軟硬件在環(huán)測試依賴車輛動力學(xué)模型，模型難以復(fù)現(xiàn)真實(shí)車輛動力學(xué)，其精度對測試有較大影響；

4)真實(shí)封閉場地建設(shè)成本高，且建成后不能適應(yīng)自動駕駛技術(shù)快速變化的測試需求；

5)開放道路中的交通參與物、交通流等不易復(fù)現(xiàn)，不便開展大量的重復(fù)測試；

數(shù)字孿生技術(shù)在自動駕駛汽車測試領(lǐng)域具備其特殊的應(yīng)用價(jià)值，可解決現(xiàn)有測試方法的不足，現(xiàn)就數(shù)字孿生技術(shù)如何在自動駕駛測試評價(jià)領(lǐng)域應(yīng)用提出一種可行方案。

3.數(shù)字孿生自動駕

駛測試評價(jià)方法研究

基于數(shù)字孿生技術(shù)的自動駕駛測試評價(jià)方法，核心在于數(shù)字孿生技術(shù)，其關(guān)鍵特點(diǎn)是“虛實(shí)結(jié)合”，將真實(shí)車輛動力學(xué)和虛擬復(fù)雜交通場景緊密聯(lián)系，并在測試過程中實(shí)時(shí)交互，即時(shí)生成評價(jià)結(jié)果。

此種方法相比上述現(xiàn)有測試方法，其優(yōu)勢在于：

1）場景設(shè)置連續(xù)且可定制，貼合實(shí)際使用的連續(xù)行駛場景；

2）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景的快速搭建和自動駕駛測試，節(jié)約場地建設(shè)成本；

3）不需要動力學(xué)模型，基于實(shí)際路面和車輛動態(tài)進(jìn)行評價(jià)，測試結(jié)果更貼合實(shí)際；

4）所有測試基于數(shù)字試驗(yàn)場，可快速適應(yīng)自動駕駛技術(shù)升級帶來的新的測試需求；

5）測試效率高、場景可復(fù)現(xiàn)、可拓展性好，可平臺上云實(shí)現(xiàn)海量仿真測試；

現(xiàn)從方案框架體系、硬件方案、關(guān)鍵難點(diǎn)、應(yīng)用預(yù)期四個(gè)方面對此方案進(jìn)行介紹。

3.1 方案體系框架

概念方案從數(shù)字孿生技術(shù)“虛實(shí)結(jié)合”的關(guān)鍵特點(diǎn)出發(fā)，主要包含數(shù)字孿生體、測試開展、評價(jià)等三個(gè)維度，構(gòu)成數(shù)字孿生自動駕駛測試評價(jià)體系的主線，如下圖2。

數(shù)字孿生落地應(yīng)用的首要任務(wù)是創(chuàng)建應(yīng)用對象的數(shù)字孿生模型[4],即形成數(shù)字孿生體。其構(gòu)建及實(shí)時(shí)信息交互是本方案的關(guān)鍵，需要將現(xiàn)實(shí)世界中的試驗(yàn)場地、試驗(yàn)對象、測試場景等數(shù)字化，形成孿生的數(shù)字試驗(yàn)場、數(shù)字試驗(yàn)對象、數(shù)字測試場景，使兩者成為互通的數(shù)字孿生體。

測試的工作機(jī)理：數(shù)字被測對象與真實(shí)被測對象孿生對應(yīng)并受真實(shí)被測對象驅(qū)動→數(shù)字測試場景下發(fā)給真實(shí)被測對象→真實(shí)被測對象的決策執(zhí)行動作回傳給數(shù)字被測對象→數(shù)字被測對象在數(shù)字測試場內(nèi)完成動作→在數(shù)字測試場中采集數(shù)據(jù)并完成測試評價(jià)。

圖2 數(shù)字孿生測試評價(jià)體系概念圖

為實(shí)現(xiàn)上述數(shù)字孿生自動駕駛測試概念，對其體系構(gòu)成進(jìn)行如下設(shè)計(jì)，詳細(xì)如下圖3。主要包含數(shù)字孿生測試設(shè)備（仿真平臺、數(shù)據(jù)下發(fā)和采集設(shè)備）、真實(shí)被測對象、評價(jià)分析、展示平臺4大部分。

圖3 數(shù)字孿生測試評價(jià)體系構(gòu)成圖

以一臺自動駕駛汽車為被測對象，陳述系統(tǒng)工作過程：仿真平臺運(yùn)行虛擬試驗(yàn)場、車輛傳感器模型、測試場景，形成一個(gè)或多個(gè)自動駕駛測試場景（如十字路口通行場景），通過注入設(shè)備將場景信息下發(fā)至自動駕駛汽車的控制器，自動駕駛汽車根據(jù)自身算法對十字路口信息進(jìn)行處理，發(fā)出決策信號（如減速通過），車輛執(zhí)行決策（如制動減速，緩慢通過路口）；

該車輛的動作數(shù)據(jù)通過車端安裝的動態(tài)測量設(shè)備實(shí)時(shí)采集并上傳至仿真平臺用于驅(qū)動虛擬的自動駕駛汽車模型，在仿真平臺的場景中標(biāo)注車輛動態(tài)數(shù)據(jù)；評價(jià)分析模塊對車輛動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于評價(jià)維度和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行車輛行為評價(jià)；車端、路端視頻監(jiān)控設(shè)備信息以及仿真平臺畫面?zhèn)鬏斨琳故酒脚_。通過多樣的接口與用戶交互，呈現(xiàn)測試過程和結(jié)果。

結(jié)合主、客觀評價(jià)數(shù)據(jù)庫，對自動駕駛車輛的功能表現(xiàn)進(jìn)行多維度分析。評價(jià)指標(biāo)基于國際、國內(nèi)通用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為基礎(chǔ)，融合積累的大量實(shí)際測試數(shù)據(jù)，從安全性、智能度、舒適性、可靠性四個(gè)關(guān)鍵維度進(jìn)行綜合設(shè)定。

結(jié)合當(dāng)前技術(shù)成熟度，對數(shù)字孿生自動駕駛測試評價(jià)體系方案的開展分三階段進(jìn)行，如下表2所示。在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋度低、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不穩(wěn)定的情況下，開展車端下發(fā)方案建設(shè)，通過車載數(shù)字孿生測試設(shè)備與車輛控制器直連注入，保證單車測試能力；在5G網(wǎng)絡(luò)成熟并穩(wěn)定的情況下，開展網(wǎng)絡(luò)下發(fā)方案建設(shè)，可減少車端設(shè)備數(shù)量、降低單車設(shè)備成本、提高測試規(guī)模和效率；前兩個(gè)階段研究成熟后，開展擴(kuò)展應(yīng)用，如數(shù)字孿生仿真平臺上云、傳感器動力學(xué)模型校準(zhǔn)等應(yīng)用。

表2 技術(shù)方案開展階段規(guī)劃

基于上述概念方案，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的硬件布局方案，如下圖4、圖5所示。硬件配置方案分車端下發(fā)和網(wǎng)絡(luò)下發(fā)兩種，對應(yīng)表2所示的前兩個(gè)階段。

3.2 方案硬件布局

車載下發(fā)方案主機(jī)及相關(guān)設(shè)備均安裝在被測車輛上，通過注入設(shè)備及硬線與被測車輛控制器相連接，實(shí)現(xiàn)信息的交互。

網(wǎng)絡(luò)下發(fā)方案的主機(jī)在試驗(yàn)室內(nèi)或者云端，通過網(wǎng)絡(luò)形式（5G/V2X）下發(fā)至車載設(shè)備，接收轉(zhuǎn)換之后，完成注入和信息交互。

圖4 車端下發(fā)方案

圖5 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)方案

3.3 方案關(guān)鍵難點(diǎn)

在本方案中，信息交互技術(shù)是決定數(shù)字孿生能否真正實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的關(guān)鍵難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面： 3.3.1場景注入多車型通用性的問題 自動駕駛汽車控制器接口協(xié)議、算法語言等百家爭鳴，對一種場景格式的識別程度可能存在不同，場景注入在多種車型上的通用性是必須考慮的問題。本方案嘗試采取兩種方式進(jìn)行解決：一是對外開放，即參考主流通信協(xié)議將場景注入格式標(biāo)準(zhǔn)化，并將關(guān)鍵的注入參數(shù)明確化，讓被測對象主動進(jìn)行適配接收。二是開發(fā)多個(gè)注入模板，即針對各大協(xié)議、廠商等，研究制定多個(gè)適用的場景注入格式模板，盡可能提升場景注入的快速適用性。 3.3.2信息傳輸時(shí)延導(dǎo)致交互不實(shí)時(shí)的問題 自動駕駛車速越高，信息傳輸時(shí)延帶來的影響越大，例如當(dāng)被測車輛以60 km/h的車速通過A點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)虛擬測試場景下發(fā)動作，信息傳輸時(shí)延100 ms，虛擬測試場景到達(dá)被測車輛時(shí)車輛已經(jīng)超過A點(diǎn)約1.7 m，這使得數(shù)字場景與真實(shí)場景在同一時(shí)刻存在較大的位置差異，這對自動駕駛安全性功能測試來講誤差不可接受。在數(shù)字孿生技術(shù)方案實(shí)施時(shí)，需要從兩方面同時(shí)著手來解決此問題：一是盡可能降低傳輸時(shí)延，如采用硬線直連、采用5G通信等；二是在仿真平臺采用同步技術(shù)彌補(bǔ)時(shí)延帶來的誤差。 3.3.3測試效率提升的問題 隨著自動駕駛行業(yè)蓬勃發(fā)展，自動駕駛汽車開發(fā)測試需求必將是大批量的、需要的測試場景更是海量的。若采用每臺車輛匹配一套數(shù)字孿生測試系統(tǒng)的方式，為達(dá)到海量場景測試，需要使用多套系統(tǒng)并進(jìn)行長時(shí)間累積測試。所以在選擇數(shù)字孿生仿真平臺時(shí)必須考慮未來拓展應(yīng)用，具備布署云端的能力，實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)支持多車同時(shí)測試、云端海量場景仿真等應(yīng)用。

3.4 應(yīng)用預(yù)期

虛擬仿真測試技術(shù)被列為測試方法三支柱之一，從敏捷開發(fā)、高適應(yīng)性、批量測試方面具備獨(dú)到的優(yōu)勢。數(shù)字孿生技術(shù)的突破性應(yīng)用，可以解決現(xiàn)有仿真測試真實(shí)性欠缺的問題、降低對測試場地和交通參與者的依賴、提高對自動駕駛需求場景的響應(yīng)速度，為自動駕駛汽車提供一種全新的高效、安全、可不斷升級的測試方法。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)字孿生模型對物理實(shí)體的仿真預(yù)測準(zhǔn)確度會越來越高[5]。例如對毫米波傳感器模型精確度的提升，可以將某一真實(shí)目標(biāo)物的毫米波雷達(dá)特性模型化，通過數(shù)字孿生測試的方式測試真實(shí)車輛控制器對此模型輸入后的響應(yīng)，再比對真實(shí)車輛面對此真實(shí)目標(biāo)的測試數(shù)據(jù)，對毫米波雷達(dá)模型進(jìn)行精確度的優(yōu)化。 數(shù)字孿生技術(shù)還可以幫助實(shí)現(xiàn)自動駕駛邏輯策略的實(shí)時(shí)優(yōu)化，此優(yōu)化特指使自動駕駛行為更貼近人的駕駛行為。系統(tǒng)配備AR頭顯，引入駕駛員在環(huán)概念，可實(shí)時(shí)向駕駛員顯示當(dāng)前車輛正在經(jīng)歷的數(shù)字孿生測試場景，可實(shí)時(shí)對比自動駕駛控制行為與駕駛員意向控制行為的差異，輸出分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而幫助優(yōu)化自動駕駛邏輯策略。 預(yù)期數(shù)字孿生自動駕駛測試評價(jià)方案在自動駕駛汽車研發(fā)測試、認(rèn)證檢測、產(chǎn)品準(zhǔn)入、競品對標(biāo)、綜合評價(jià)、動力學(xué)模型校驗(yàn)、傳感器模型校驗(yàn)等方面具備廣闊的應(yīng)用前景。 本文主要從微觀層面介紹數(shù)字孿生在自動駕駛整車測試領(lǐng)域的應(yīng)用，從宏觀維度來看，數(shù)字孿生技術(shù)在測試系統(tǒng)領(lǐng)域也具備重要的應(yīng)用意義，例如測試區(qū)數(shù)字化管理、測試體系監(jiān)管調(diào)度平臺等。

總 結(jié)

本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)和自動駕駛測試評價(jià)技術(shù)，研究數(shù)字孿生技術(shù)在自動駕駛測試領(lǐng)域的應(yīng)用方案，形成一種可實(shí)施的系統(tǒng)架構(gòu)，提出一種新型、高效、安全的虛實(shí)相結(jié)合的實(shí)車在環(huán)測試方法，并對數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)、解決方案要點(diǎn)進(jìn)行了說明，可為數(shù)字孿生技術(shù)的同類應(yīng)用提供參考，以達(dá)到更好開展數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的目的。

審核編輯 ：李倩