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摘要

本白皮書討論了自動(dòng)代客泊車 (AVP) 系統(tǒng)的發(fā)展，以及制定詳盡的測(cè)試場(chǎng)景并在所有可能的條件下驗(yàn)證 AVP 系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。本文還強(qiáng)調(diào)了開發(fā)自動(dòng)代客泊車功能的若干關(guān)鍵需求。

簡(jiǎn)介

乘用車的自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)將成為首批進(jìn)入市場(chǎng)的“無人駕駛” 車輛應(yīng)用之一。這些系統(tǒng)的推廣將有助于減少交通擁堵，優(yōu)化現(xiàn)有停車位的使用情況，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，助力駕駛員輕松駕駛。AVP 系統(tǒng)的發(fā)展需要管理安全性并確保提供可靠的解決方案，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的交通狀況并綜合考慮由于狹窄的停車位、障礙物、車輛動(dòng)力學(xué)、天氣和其他干擾造成的各種情況。本白皮書基于 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商資助的研究和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹開發(fā)自動(dòng)代客泊車功能的一些關(guān)鍵要求：?  一個(gè)精準(zhǔn)的虛擬框架，用于測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)和算法，并確定需進(jìn)行進(jìn)一步物理驗(yàn)證的一組簡(jiǎn)化關(guān)鍵場(chǎng)景?  集成在可用的實(shí)體系統(tǒng)和車輛框架中?  持續(xù)滿足功能、性能和安全需求。

需求和測(cè)試場(chǎng)景

我們需要定義一套完整的測(cè)試場(chǎng)景來驗(yàn)證 AVP 系統(tǒng)。這些場(chǎng)景在很大程度上取決于環(huán)境（停車場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、車輛產(chǎn)線終端等），這些環(huán)境將作為用例來推動(dòng)系統(tǒng)的需求。測(cè)試場(chǎng)景包括正常情況和故障情況（例如傳感器故障或傳感器信號(hào)的噪聲）。初始場(chǎng)景直接來源于需求和預(yù)期場(chǎng)景，系統(tǒng)必須在其中成功運(yùn)行。

每種場(chǎng)景都應(yīng)考慮大量的條件和參數(shù)。例如，執(zhí)行停車操作時(shí)，應(yīng)考慮：1) 本車輛的開始和結(jié)束位置增量；2) 車輛方向（例如，與道路方向平行或成不同角度，向著停車位的左側(cè)或右側(cè)）；3) 引入其他行為者（例如行人和車輛）。每個(gè)場(chǎng)景還需要定義車輛在不同子場(chǎng)景下的反應(yīng)（例如，在行人過馬路時(shí)停下來等待）。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了車輛電氣和/ 或電子系統(tǒng)的功能安全性，并支持安全相關(guān)條件的定義。然而，它無法像 AVP那樣完全解決更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛問題。AVP 系統(tǒng)可能會(huì)在非故障條件下造成危險(xiǎn)情況，對(duì)其他行為者造成傷害。要解決這一缺陷，可以應(yīng)用 ISO/PAS 21448（預(yù)期功能的安全性 (SOTIF) 分析）， 以確保不存在 ISO 262626 第 3部分所列危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 (HARA) 未識(shí)別出的“技術(shù)安全需求缺失”。系統(tǒng)- 理論流程分析 (STPA) 則針對(duì)可能導(dǎo)致識(shí)別潛在危險(xiǎn)（“已知不安全” 情況）的外部事件和內(nèi)部流程控制操作。STPA 方法以結(jié)構(gòu)化的方式獲取安全需求并確定測(cè)試用例。這種方法豐富了初始安全需求和測(cè)試用例集，而這可能是使用傳統(tǒng)危險(xiǎn)分析技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。AVP 驗(yàn)證和確認(rèn)的場(chǎng)景可以通過不同的來源來確定，包括現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、公共文獻(xiàn)、真實(shí)駕駛數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)庫(kù)等。測(cè)試用例的生成流程是迭代、遞歸的：在整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)流程中都需要修改測(cè)試場(chǎng)景。借助虛擬框架，我們可以基于眾多參數(shù)組合對(duì)這些用例進(jìn)行測(cè)試，從而識(shí)別控制戰(zhàn)略失敗的給定場(chǎng)景中最關(guān)鍵的組合或?qū)嵗?。這種基于數(shù)值優(yōu)化（使用 HEEDS ? 設(shè)計(jì)探索和優(yōu)化）的方法是由西門子工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，可以對(duì)控制戰(zhàn)略進(jìn)行微調(diào)，重點(diǎn)關(guān)注最相關(guān)的實(shí)例。

STPA 針對(duì)可能導(dǎo)致識(shí)別潛在危險(xiǎn)的外部事件和內(nèi)部流程控制操作。此方法以結(jié)構(gòu)化的方式獲取安全需求并確定測(cè)試用例

虛擬框架

虛擬框架有助于在大量測(cè)試條件下驗(yàn)證系統(tǒng)性能。借助這一框架，用戶能夠：

?  根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法評(píng)估一組傳感器（類型、數(shù)量、位置）以準(zhǔn)確識(shí)別駕駛場(chǎng)景

?  在實(shí)際駕駛條件下檢查系統(tǒng)的行為

?  測(cè)試并驗(yàn)證控制戰(zhàn)略和算法

?  識(shí)別關(guān)鍵場(chǎng)景的可管理子集，以進(jìn)行系統(tǒng)的物理驗(yàn)證和確認(rèn)

虛擬框架有助于在大量測(cè)試條件下驗(yàn)證系統(tǒng)性能
西門子 Simcenter ? 工程和咨詢服務(wù)已將此框架應(yīng)用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動(dòng)駕駛汽車開發(fā)的先前和當(dāng)前項(xiàng)目中。需要擁有足夠保真度的模型以確保車輛、AVP 系統(tǒng)和環(huán)境的真實(shí)表現(xiàn)。還應(yīng)考慮車輛動(dòng)力學(xué)，因?yàn)樗鼤?huì)影響系統(tǒng)的性能。其中可能包含多種保真度。在 Simcenter ?Amesim ? 軟件中，車輛離散分布，自由度有限（例如自由度為 15 ）。這是一種高效計(jì)算的方法，需要了解底盤的物理參數(shù)。如果不適用于這一情況，則開發(fā)一種逆向工程方法，根據(jù)在車輛上進(jìn)行的一系列測(cè)試來識(shí)別這些參數(shù)。輪胎也是一個(gè)關(guān)鍵部件，在低速停車時(shí)尤其重要。Simcenter Tire MF-Swift 模型提供了可以與 Amesim 車輛模型結(jié)合使用的解決方案。Simcenter ? Prescan360 是用來代表靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的解決方案，允許使用不同保真度的傳感器模型，并定義和管理大量場(chǎng)景和條件。該框架與控制算法接口相連，并允許在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的測(cè)試用例。Simcenter Engineering 已為各種 ADAS 和自動(dòng)功能開發(fā)了感知、路徑規(guī)劃和控制算法。對(duì)于 AVP 而言，諸如 Hybrid A* 這樣的圖形搜索方法在大多數(shù)情況下都能成功找到合適的路徑。結(jié)合基于優(yōu)化的方法，上述圖形搜索算法可以推廣到多部車輛同時(shí)進(jìn)行的分布式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中。關(guān)鍵情況下的碰撞避讓問題可以采用模型預(yù)測(cè)控制(MPC) 或其他基于模型的控制算法來解決，也可以結(jié)合基于人工智能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，向經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員學(xué)習(xí)，提高控制精度。最后，“學(xué)習(xí)控制” 已被應(yīng)用于重復(fù)場(chǎng)景的情況，如家庭或公寓停車。事實(shí)證明，它可以迭代提高控制性能（跟蹤、時(shí)間、燃油經(jīng)濟(jì)性和其他性能因素），同時(shí)確保滿足安全需求。

用于停車的混合 A* 路徑規(guī)劃算法示例

混合現(xiàn)實(shí)測(cè)試

APV 系統(tǒng)的開發(fā)人員必須驗(yàn)證系統(tǒng)可以處理運(yùn)行時(shí)面臨的極度復(fù)雜的環(huán)境和條件。其中包括大量無法在現(xiàn)實(shí)世界中全部測(cè)試的測(cè)試條件，例如各種行為者、車輛和行人。使用上述框架的虛擬測(cè)試有助于管理大量場(chǎng)景下的系統(tǒng)驗(yàn)證?？梢栽谌杭蛟浦型瓿蛇@一大規(guī)模測(cè)試。為了縮小虛擬測(cè)試和現(xiàn)實(shí)測(cè)試之間的差距，該框架進(jìn)行了擴(kuò)展，可以在所謂的混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試和仿真組合，從而在實(shí)體系統(tǒng)可用時(shí)立即進(jìn)行集成。在歐盟資助的ENABLE-S3 項(xiàng)目中，西門子和電裝公司合作進(jìn)行了一項(xiàng)混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，以演示這一方法。在此實(shí)驗(yàn)中，一輛真實(shí)的汽車在空停車場(chǎng)中行駛。虛擬框架中則引入了虛擬行為者（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)車輛）。車輛傳感器檢測(cè)到虛擬行為者，就好像它們真實(shí)存在一樣。這為設(shè)置各種測(cè)試場(chǎng)景提供了更大的靈活性，同時(shí)在實(shí)體車輛上“安裝” 真實(shí)系統(tǒng)。西門子已經(jīng)進(jìn)行了其他類型的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)。認(rèn)證機(jī)構(gòu)也計(jì)劃在車輛認(rèn)證流程中加入混合現(xiàn)實(shí)測(cè)試。

基于運(yùn)行試驗(yàn)的車輛動(dòng)力學(xué)模型逆向工程流程

結(jié)論

本白皮書討論了 AVP 系統(tǒng)的發(fā)展，以及制定詳盡的測(cè)試場(chǎng)景并在所有可能的條件下驗(yàn)證 AVP 系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)討論了場(chǎng)景定義的流程，以確保覆蓋范圍最大化。隨后提出了一個(gè)虛擬框架，根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)流程的多種情況，通過仿真來驗(yàn)證系統(tǒng)。最后，本白皮書探討了將現(xiàn)實(shí)和虛擬測(cè)試集成到混合現(xiàn)實(shí)框架中的問題。借助這一功能，開發(fā)人員可以管理針對(duì)如此多情況的物理驗(yàn)證的需求，并將最終驗(yàn)證限制在數(shù)量較少的若干關(guān)鍵情況中。

包含實(shí)體車輛和虛擬靜態(tài)/ 動(dòng)態(tài)行為者 (*) 的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)

參考信息? “Mixed reality testing of multi-vehicle coordination in an automated valet parking environment” Accepted to the 21st IFAC – (International Federation of Automatic Control) World Congress in Berlin, Germany, July 12-17, 2020

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