無人駕駛汽車測試方案的深入思考

　　本文是作者在TRC國際交通大會上的報(bào)告節(jié)選，探討了無人車存在的一些問題及其測試方法。

　　1.為什么要進(jìn)行無人車測試

　　首先考慮到的原因是避免事故。

　　最近關(guān)于特斯拉汽車自動模式導(dǎo)致的一起致命車禍將熱衷于無人車的粉絲的激情迅速拉到冰點(diǎn)。

　　下圖是CBS電視臺給出的交警初步報(bào)告，直路飛速行駛的Tesla毫無減速攔腰撞到了一輛白色重卡的拖車，比頭圖

　　給出的示例還要慘烈，駕駛艙當(dāng)時(shí)被削平，前進(jìn)數(shù)十米后離開路面，撞擊數(shù)個(gè)圍欄，旋轉(zhuǎn)后停下。駕駛員當(dāng)場斃命

　　，只剩那個(gè)手持的播放器還穩(wěn)健地播放著哈利波特。就像文章開頭所說的，駕駛員溜號了，而傳感器中的攝像頭其

　　實(shí)看到了一個(gè)大白板而已，毫米波安裝太低而超聲檢測距離太近，然后就有了Tesla官方博客所說的“Mobileye把卡

　　車當(dāng)成了藍(lán)天白云，毫米波把卡車當(dāng)成了路牌，發(fā)生了嚴(yán)重事故，被NHTSA調(diào)查（可能會召回）。”

　　（圖中紅車是特斯拉，藍(lán)車是大卡車）

　　那么Google無人車的情況是不是要好一些呢？好像情況也不太樂觀。

　　以下是美國加州DMV公布的自2014年10月以來發(fā)生的15起無人車事故，其中12起是Google公司的無人車引起的。

　　最近一次發(fā)生在山景城，一輛Google無人車為了避免與前方障礙物發(fā)生相撞，變道時(shí)與后方的一輛公家車相撞。

　　Nissan May 10， 2016

　　Google April 28， 2016

　　Google April 7， 2016

　　Google February 14， 2016

　　Cruise Automation January 8， 2016

　　Google November 2， 2015

　　Google August 20， 2015

　　Google July 1， 2015

　　Google June 18， 2015

　　Google June 4， 2015

　　Google May 30， 2015

　　Google April 27， 2015

　　Google April 7， 2015

　　Google February 26， 2015

　　Delphi October 14， 2014

　　其次是保證極端條件下無人車傳感器的可靠性。

　　我們知道無人車最重要的三種類型的傳感器分別為：3D激光雷達(dá)，毫米波，視覺傳感器。但是這些傳感器在雨天、

　　霧天、冰雪天氣或者夜間其性能將大打折扣，無法精確感知周圍環(huán)境中的動態(tài)和靜態(tài)物體，是無法保證車輛行駛安

　　全的。

　　最后一個(gè)原因是防止駭客攻擊將是無人車永遠(yuǎn)面臨的課題。

　　Jonathan Petit， principal scientist at software security company Security Innovation， discovered that a laser

　　pointer could interfere with the laser ranging （Lidar） systems that most self-driving cars rely on to navigate.

　　The Lidar system creates a 3D map and allow the car to ‘see’ potential hazards by bouncing a laser beam

　　off obstacles.

　　Jonathan Petit認(rèn)為一根激光筆就可以干擾無人車的激光測距系統(tǒng)。他和Path的Steven shladover博士分析了無

　　人車潛在的被攻擊風(fēng)險(xiǎn)，列出了12種無人車可能被攻擊的對象。

　　2.可以從現(xiàn)有傳統(tǒng)的汽車測試經(jīng)驗(yàn)中學(xué)到什么？

　　2.1現(xiàn)有的汽車室內(nèi)臺架測試是怎么做的？

　　傳統(tǒng)的汽車室內(nèi)檢測是在室內(nèi)臺架上模擬道路行駛條件，讓汽車的車輪行駛在自由滾筒上，通過反力制動方式

　　檢測車輛的制動力，還可以模擬車輛的運(yùn)行工況檢測車輛的排放和油耗性能。在汽車室內(nèi)檢測設(shè)備中有兩項(xiàng)偉

　　大的發(fā)明，一個(gè)是反力式制動實(shí)驗(yàn)臺、另外一個(gè)是測功機(jī)。前者可以將汽車制動轂上的制動力轉(zhuǎn)換為電機(jī)定子

　　與轉(zhuǎn)子之間的扭力。后者可以將汽車發(fā)動機(jī)的輸出功率轉(zhuǎn)換為電渦流制動器輸出的力矩和滾筒速度，實(shí)現(xiàn)W=F*V

　　的測量。這兩項(xiàng)發(fā)明從60年代問世以來，在全世界各地應(yīng)用推廣，成為汽車檢測的利器，也使得汽車檢測由”眼觀、

　　耳聽、鼻嗅、手摸“式的人工測量變成高效科學(xué)的機(jī)器化測量。汽車室內(nèi)檢測大大縮短了過去必須在道路進(jìn)行的道

　　路試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了檢測的流水化和自動化，提高了效率，保證了汽車的安全性能。

　　2.2 現(xiàn)有的無人車競賽是如何進(jìn)行無人車測試的？

　　無人車競賽是世界各國進(jìn)行無人車技術(shù)測試的一種重要手段，比較知名的無人競賽有：美國國防部高級研究計(jì)

　　劃局（DARPA）舉辦的“GRAND Challenge”比賽，德國軍方組織歐洲陸地機(jī)器人競賽和中國國家自然基金委組織的“未

　　來挑戰(zhàn)”無人駕駛車比賽。無人車競賽主要是通過設(shè)置一些程序化的比賽項(xiàng)目和比賽路線，讓無人車自主完成過交叉

　　口，避撞行人，超車，指定位置停車，過立交橋等任務(wù)，記分規(guī)則為將不同項(xiàng)目計(jì)不同的分值，完成任務(wù)則得分，

　　失敗不得分甚至扣分，然后除以總時(shí)間，以此進(jìn)行排序。這些任務(wù)涉及到了環(huán)境感知，路徑規(guī)劃，高精度定位，自

　　主決策等多層次的任務(wù)。無人車競賽這種方式促進(jìn)了參賽方不斷地進(jìn)行技術(shù)積累，超越自我，同時(shí)也提供了一個(gè)同

　　臺獻(xiàn)技、交流合作的平臺，同時(shí)還是一個(gè)無人車人才培養(yǎng)的平臺，隨著無人車競賽的難度不斷加大，無人車新技術(shù)

　　也不斷涌現(xiàn)，讓無人車朝著商用化的目標(biāo)一步步邁進(jìn)。

　　2.3無人車道路試驗(yàn)

　　在無人車實(shí)驗(yàn)中，Google公司最熱衷于道路試驗(yàn)，因?yàn)榈缆吩囼?yàn)最真實(shí)，最可靠，遇到的一切場景將是無人車未來

　　必須面臨的場景。因此Google公司進(jìn)行了約170萬英里的無人駕駛道路試驗(yàn)，在各種道路上進(jìn)行測試，包括高速公路，

　　城市擁擠道路，舊金山的九曲十八彎，沙漠道路，大學(xué)校園，可以說能想象到的道路都進(jìn)行了測試，目前Google公司

　　統(tǒng)計(jì)的無人車事故率為每10萬英里0.6起，已經(jīng)非常接近人類的記錄，即每10萬英里0.3起。

　　2.4 蘭德公司對無人車的質(zhì)疑

　　美國蘭德公司是一家全球知名的顧問公司，經(jīng)常給美國國會提供全球各國軍事實(shí)力對比報(bào)告。這一次蘭德公司針對無人、車的應(yīng)用前景也發(fā)布了一份將近300頁的白皮書。在該白皮書中提出了三個(gè)問題：

　　1）How many miles would autonomous vehicles have to be driven without failure to demonstrate that their

　　failure rate is below some benchmark？This provides a lower bound on the miles that are needed.However，

　　autonomous vehicles will not be perfect and failureswill occur.（無人車至少要無故障地行駛多少公里才能證明

　　其事故率低于某個(gè)指標(biāo)，這只是提供了一個(gè)下界，并不能說明無人車100%精確或者故障不會發(fā)生）

　　2）How many miles would autonomous vehicles have to be driven to demonstrate their failure rate to a

　　particular degree of precision？

　　（無人車至少要無故障地行駛多少公里才能證明其事故率的精度是可信的，比如：10萬英里的事故率是0.3，那么第二

　　個(gè)10萬英里會不會還是0.3？第100個(gè)呢？）

　　3）How many miles would autonomous vehicles have to be driven to demonstrate that their failure rate is

　　statisticallysignificantly lower than the human driver failure rate？（無人車至少要無故障地行駛多少公里才能證明

　　其在統(tǒng)計(jì)意義上是比人工駕駛安全的呢？）

　　蘭德公司通過簡單的統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行了估算，結(jié)論如下：

　　該報(bào)告指出：1）達(dá)到1.09死亡人數(shù)/1億英里的事故率，需要測試12.5年（365天40mile的速度無間斷測量）；2）事故率精度達(dá)到95%，上下20%方差，需要測試400年；3）以95%的概率，第二類假設(shè)80%可能性的前提下，無人車的性能超過人工駕駛性能的20%，需要測試500年。

　　蘭德公司指出：道路試驗(yàn)無法測試出無人車的潛在危險(xiǎn)，必須進(jìn)行方法上的創(chuàng)新，從無人車各個(gè)部件和軟件的源頭設(shè)計(jì)測試規(guī)則，才能保證無人車這項(xiàng)技術(shù)，可以為人類造福，才能管控?zé)o人車不但演變過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3.關(guān)于無人車測試方法的設(shè)想

　　3.1一種多層次的無人車測試框架

　　在現(xiàn)有的測試基礎(chǔ)上，我們提出了一種多層次的無人車測試框架，將無人車的測試分為5個(gè)層次，分別為：1、元功能測試；2、封閉環(huán)境中極端條件下測試；3、基于虛擬現(xiàn)實(shí)和硬件在換仿真測試；4、隨機(jī)道路抽取測試；5、用戶培訓(xùn)和應(yīng)用技能測試

　　3.2元功能測試

　　元功能是指無人車的功能分解后，不能再進(jìn)行分解的功能。包括無人車的定位功能，環(huán)境識別功能，動作執(zhí)行功能，

　　速度控制公路，路徑規(guī)劃，綜合決策功能等，任何一項(xiàng)功能判斷其是否為元功能，則首先判斷其是否能被分解。

　　3.3封閉環(huán)境中極端條件下測試

　　極端條件下測試是對無人車各項(xiàng)綜合功能的極限測試，是測試95%常態(tài)以外很少出現(xiàn)，但是又是致命的極端條件下的測試，包括各種惡劣天氣，惡劣光線條件、惡意交通行為干擾等等，這類測試是保證無人車可靠性能的關(guān)鍵。

　　3.4基于虛擬現(xiàn)實(shí)和硬件在環(huán)仿真測試

　　道路試驗(yàn)雖然可以測試無人車在商用環(huán)境中的性能，但是其費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且并不能窮舉所有的道路環(huán)境情況和交通事件。如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將道路環(huán)境和交通事件錄制在數(shù)據(jù)庫中，采用回放的方式輸入到無人車的傳感器接口中，通過判斷無人車在不同道路環(huán)境條件下的動作執(zhí)行正確率來評估無人車的智能將是一件非常有趣的事情。同時(shí)，利用該項(xiàng)技術(shù)可以在無人車機(jī)器人與老司機(jī)之間展開一場人機(jī)大戰(zhàn)，將一種綜合的，不可以定量化的比賽搬到室內(nèi)。更可怕的事實(shí)是這輛無人車將偷師老司機(jī)，通過深度學(xué)習(xí)來訓(xùn)練自己。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該方法可以進(jìn)行測試環(huán)境的語義壓縮，在道路試驗(yàn)中，80%的道路是平坦的，筆直的，10%是有驚無險(xiǎn)的，只有10%是挑戰(zhàn)無人車智能的，在虛擬的測試環(huán)境中，是可以對這20%的環(huán)境和條件進(jìn)行壓縮出現(xiàn)的，因此其挑戰(zhàn)性更大。好比天上一日，地下一年。

　　3.5隨機(jī)道路抽取測試

　　在完成基于VR的測試后，還要防止“秀才紙上談兵，光說不練”的尷尬，是騾子是馬，需要出來遛一遛。通過前期的測試結(jié)果，設(shè)計(jì)一定算法，抽取一定的實(shí)際道路樣本對無人車弱項(xiàng)進(jìn)行測試，這樣才能保證其“實(shí)踐能力”。

　　3.6用戶培訓(xùn)和應(yīng)用技能測試

　　在完成無人車自身測試的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行無人車用戶的專門培訓(xùn)和測試，這樣才能保證用戶在緊急事件發(fā)生的情況下從容應(yīng)對。

　　4.已完成的工作

　　4.1網(wǎng)聯(lián)汽車與無人車綜合測試試驗(yàn)場

　　在長安大學(xué)趙祥模教授的帶領(lǐng)下，本課題組已完成了全國高校唯一的人車路環(huán)境綜合測試場的電子化、智能化改造用于網(wǎng)聯(lián)汽車和無人車的測試。整個(gè)試驗(yàn)場具有以下5個(gè)特點(diǎn)：

　　1） 5種無線網(wǎng)絡(luò)（4G-LTE、LTE-V，Wi-Fi，DSRC，EUHT）的全覆蓋；

　　2） 自建地面高精度定位基站，定位精度30cm，可實(shí)現(xiàn)全試驗(yàn)場無死區(qū)全覆蓋；

　　3） 建設(shè)有便利的交通設(shè)施（龍門架、相機(jī)、檢測線圈、交叉口信號控制系統(tǒng)、交通標(biāo)志、光纖網(wǎng)絡(luò)）；

　　4） 多種不同形式的路面（0.1-0.9不同附著系數(shù)路面）和道路形式（高速環(huán)道、入口并線、交叉口）；

　　5） 全部電子化的設(shè)施管理。

　　4.2網(wǎng)聯(lián)汽車與無人車開發(fā)

　　開發(fā)了3輛無人車，2輛全自動無人汽車。

　　長安大學(xué)趙祥模教授課題組開發(fā)的無人車暢游長大校園！http://v.youku.com/v_show/id_XMTY0NDI3MjQ0OA==.html

　　5.結(jié)論