智能汽车试验场发展现状及其建设建议

戴植毅，黄妙华

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430070)

自1866年德国工程师卡尔·本茨造出第一辆装有0.89马力汽油机的三轮车，汽车已有了百余年的发展历史。在此期间，汽车行业的研究方向也产生了巨大的转变，随着计算机技术的快速发展，汽车智能化已成为当今的主流发展方向。智能汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器和执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与 X(人、车、路、后台等)智能信息交换共享，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶，并最终可替代人来操作的新一代汽车[1]。

为顺应时代的发展趋势，越来越多的汽车公司以及IT行业巨头加大了对智能汽车的研发力度，以实现终极的智能化——无人驾驶。在此期间有不少公司取得了不错的成果，例如1995年三菱汽车向日本市场推出了首款自适应巡航控制系统(adaptive cruise control, ACC)[2]，2003年丰田开始将自动泊车系统(automatic parking system, APS)正式安装到部分普锐斯上[3]以及近几年新兴的V2X车联网技术[4]等。德国大陆集团指出，先进驾驶辅助系统(advanced driver assistance systems, ADAS)技术正逐渐从高端车向中低端车渗透，预计到2020年，全球ADAS市场规模将达80亿欧元[5]；而美国电气和电子工程师协会(IEEE)预测,至2040年,自动驾驶车辆所占的比例将达到75%[6]。这些无疑都证明了未来一段时间内，汽车发展的主流方向就是汽车智能化，并逐渐由智能化最终实现无人驾驶[7]。

在汽车智能化的进程中，各大公司及汽车厂商更多的是将焦点集中在智能化所带来的技术难题[8]上，而对智能汽车测试这一环节的投入就明显较少。目前，国外亦仅是出台了少量的智能车测试标准，如关于智能交通系统(intelligent transportation system, ITS)的测试标准[9]，关于先进驾驶辅助系统ADAS的测试方法及标准[10-11]，相配套的智能车场地建设规范和测试功能，业界各研究学者未能达成统一的观点。针对这一问题，有必要对已经有的智能车试验场的场地状况和测试功能进行梳理整合，同时将国内智能车试验场与国外的进行对比分析，发现各自的优劣，为以后的试验场建设提供宝贵的建议。

1 国外典型智能车试验场分析

由于西方国家对智能汽车的研究起步较早，目前的技术日臻完善，因此对智能汽车测试这一领域也日益重视。现有的主要智能车试验场集中在美国、英国、瑞士、德国、韩国及日本，中国的智能车试验场目前多是处于规划建设阶段，未能有真正投入使用的，具体的试验场分布情况及各试验场名称如图1所示。

图1 全球试验场分布

1.1 美国Mcity试验场

美国目前走在智能车辆测试的最前沿，除了主流车企在开展测试之外，谷歌等IT公司也在进行测试[12]。2016年11月美国交通部DOT发起了“自动驾驶试验场试点计划”，并为此开展了“自动驾驶试验场竞赛”，以学术机构、州交通部、城市、私营公司以及多方组成的合作伙伴等为运营主体的60座试验场提交了申请。2017年1月19日，交通部公布的竞赛结果，指定了10座自动驾驶试验场，围绕安全测试和部署的主题，形成实践共同体，以加快自动驾驶安全部署的流程。这10座试验场的名称及所在城市如图2所示，其中位于密西根州安娜堡市的Mcity试验场是世界上第一座针对测试无人驾驶汽车技术而打造的试验场,该试验场由美国密歇根大学主导、密歇根州交通部共同合作建设，占地面积约为13万平方米，斥资1 000万美元，于2015年正式投入运营，其实际场地如图3所示[13]。

图3 Mcity试验场俯视图

Mcity作为美国第一个专门针对智能汽车测试而建造的试验场，其最显著的特点就是真实性。智能汽车实际的运行环境是极其复杂的，不仅是行驶的道路多种多样，周围相应的驾驶环境也是变化的。而Mcity试验场就尽可能地保证了真实环境的这种复杂性和多样性，整个试验场的试验道路总长约为0.5 km，囊括了市区道路、乡村道路、高速道路等多样化的测试道路。 试验场主要的道路包括 304 m的直道、十字路口、桥梁、隧道、环岛和开放区域；路面材料包括沥青、砂砾、砖石、水泥和泥土；整个试验区含有2 车道、3 车道、4 车道3种不同的道路状况。

除了多样的试验道路，Mcity试验场内设置了许多的环境障碍物用以测试智能汽车的安全性，其中包括红绿灯、行人、路牌、路边便道和长椅、模拟的建筑，甚至还有模拟的建筑工地。

同时，未来汽车的智能化离不开信息化，新兴的车联网技术、V2X技术以及GPS技术等都要求汽车能有较好的实时信号，因此Mcity还设置了金属桥、隧道和林荫道等场景，用以测试智能车辆在信号传输不佳或者屏蔽的情况下车辆运行状况。同时，智能汽车尤其是最终的无人驾驶汽车，其感知部分的传感器如雷达和摄像头易受外界干扰，故试验场还设置了由可移动拆卸式的活动面板搭建而成的模拟建筑物，其材料均取材于实际的建筑材料，包括了金属、塑料、砖、玻璃和木头等，由此可以测试实际环境下周围事物对传感器信号产生干扰时汽车行驶的可靠性。在此基础上，Mcity允许研究人员模拟联网智能汽车和自动驾驶智能汽车可能面临的最严峻挑战环境，包括智能汽车在城市和郊区可能遇到的最小问题，如路牌被涂鸦污损、车道标记褪色等。Mcity的部分实验场景如图4和图5所示。

图4 Mcity测试行人避雷技术

图5 Mcity模拟隧道测试场景

1.2 瑞典AstaZero安全技术综合试验场

AstaZero安全技术综合试验场是世界上第一个面向未来道路安全的全面测试环境，该试验场耗资5亿瑞典克朗，位于瑞典哥德堡市附近，总占地面积约200万平方米，于2014年8月21日正式投入使用，实际试验场如图6所示[14]。AstaZero的测试环境包括一条5.7 km的农村公路车道，一个有4个建筑物和街道区的城市区域，一个多车道交通和一个用于高速测试的高速公路。所有的道路均由WiFi链接，同时为各种设施提供电力及光纤信号以满足测试地区车辆与基础设施的通信。

图6 AstaZero试验场俯视图

AstaZero试验场的首要任务是测试防止事故发生的主动安全系统，试验场内设置有各种定制的测试环境，如拥挤的城市道路、高速公路、多车道并行路况、环岛以及交叉路口等场景，以测试V2X技术。AstaZero试验场的另外一项重要功能是成为未来安全技术的研发平台。在这里，通过与大学以及行业机构的合作，沃尔沃汽车将进行自动驾驶技术的研发和测试，目前该试验场在判断驾驶员是否疲劳或注意力分散方面的研究已经取得重大进展。

AstaZero试验场其最终的目标是实现“零伤亡”，为此AstaZero还提供了整个站点的仿真，在现实生活中测试开始之前，测试可以在虚拟环境中预先运行，该仿真系统由瑞典国家公路运输研究所(VTI)开发。同时，测试场地的交通控制中心对现场不同测试车辆的位置进行了精确定位，在实际测试中如发生紧急状况，可以立即中止测试[15]。图7为模拟遇到野生动物的突发场景。

图7 路遇野生动物场景

1.3 英国Mira City Circuit试验场

Mira City Circuit试验场是知名英国汽车工业研究协会(motor industry research association，简称Mira)承建的世界上最大的综合性汽车试验场，位于英国腹地的米德兰，总面积约为304万平方米，试验道路总长约为95 km，整个园区大致分为9个试验区，可进行15大类的汽车项目研究，其中包括了传统的汽车性能测试项目以及智能车测试项目，实际场地如图8所示。

图8 Mira City Circuit试验场俯视图

Mira City Circuit试验场的最大特点是在无线通信测试方面有完善的测试基础设施与服务，主要设施如下：

(1)IEEE 802.11p(分布在欧洲和北美的V2V和V2I的5.9 GHz频段)；

(2)IEEE 802.11a/b/g / n(WiFi)；

(3)GSM / GPRS / 4G蜂窝网络；

(4)地面真相定位(3D运动捕捉系统)；

(5)RTK-GPS；

(6)GNSS拒绝；

(7)4G无线网格；

(8)集中控制系统。

Mira City Circuit试验场基于上述的通信设备以及其他的基础设施，可模拟现实世界各种状况：

(1)车对车(V2V)和车对基础设施(V2I)通信；

(2)模拟大量移动通信流量；

(3)通信访问和拒绝；

(4)城市交通管理与控制；

(5)高级导航服务；

(6)地面实况3D动作捕捉；

(7)城市峡谷模拟。

可验证的合作系统如下：

(1)高级驾驶员辅助系统；

(2)合作主动安全；

(3)路标检测；

(4)交叉口安全系统；

(5)自动车系统；

(6)司机行为。

1.4 其它典型试验场

位于美国加利福尼亚州的Gomentum Station试验场隶属于康特拉考斯特交通管理局，是一个主要用于测试网联自主车辆的场地。该试验场建于2014年，是由一座废弃的美国海军基地改建而成，占地面积约为850万平方米，拥有32 km铺装公路和街道，其中约11 km用作无人驾驶车辆的高速测试[16]。网络引导车辆测试界面如图9所示。

韩国京畿道地区计划于2017年建设世界第一条真实环境下的无人驾驶汽车道——板桥无人驾驶道路。该车道全长约2 km，为双向四车道，无人驾驶汽车通过GPS系统和自身电子传感器来感知红绿灯、其他车辆以及周围地形等情况，以实现与一般汽车共同行驶。

图9 网络引导车辆测试

美国陆军阿伯丁测试中心位于马里兰州，成立于1917年10月20日,是美国历史最悠久的兵器试验中心。近几年阿伯丁试验场开拓的在网络化战车测试方面取得基础成果，于2012年10月完成了对CS13网络化战车车队的安全隐患暴露测试，确保了战车的战场安全性。

1.5 对比分析

总结已有的智能车试验场，较为成熟的试验场集中分布在欧美区域，尤以美国的试验场数量最多，而亚洲在智能车试验场方面还是处于起步建设阶段。不同的试验场其侧重测试内容、场景布置等都有其各自的特点，如表1所示。

表1 国外试验场对比

由表1可知，最小的试验场Mcity面积为13万平方米，最大的Gomentum Station为850万平方米，两者相差64倍，但实际测试功能方面未有显著差别，故在智能车试验场设计中，实际的物体环境应当借鉴Mcity活动面板的柔性化设计，以提高场地使用效率；英国的Mira City Circuit试验场在以前传统实验厂基础上新增智能车测试区，使整个试验场成为一个综合性测试场；各个试验场在针对智能车辆网络安全测试都有相应的测试区，这是智能汽车网络化大背景下的必然产物，因此对信号干扰、信号消失的测试必不可少。上述讨论可作为未来建设智能汽车试验场的建议。

2 国内智能汽车试验场现状及建议

我国智能汽车虽起步较晚，但在进入21世纪之后进入了高速发展期，湖南大学、北京理工大学、上海交通大学、清华大学等重点高校加大了在智能汽车尤其是无人驾驶方面的研究，2011年7月国防科技大学研发的红旗Q3无人驾驶车完成从长沙至武汉286 km的路测[17]；2015年8月宇通大型客车在完全开放的道路环境下完成国内首次自动驾驶试验，共行驶32.6 km；2015年12月百度无人驾驶汽车完成北京开放高速路的自动驾驶测试；2016年4月长安睿骋成功完成2 000 km超级无人驾驶测试[18]。此外，清华大学研发了代号为“THMR-v”的智能车[19]，北京理工大学研发了BIT[20]智能车等，均可在SAE三级或以下道路实现自动驾驶功能。

我国在智能网联汽车研发领域已取得了不错的进展，作为《中国制造2025》战略的一部分，实现我国汽车产业的转型升级，我国也急需建设专用的智能汽车试验场来支撑研发、保障安全、促进合作。目前根据国家战略部署，北京、上海、重庆、杭州、常熟等地也已陆续开始投入智能汽车试验场的建设，2016年6月上海“国家智能网联汽车试点示范区” 封闭测试区正式开园运营；2016年11月重庆“i-VISTA”一期试验场正式投入使用；其余各个试验场处于初期建设阶段。

鉴于我国目前智能汽车实现无人驾驶只能在SAE三级或以下的道路实现，故在专用试验场建设方面可实行“两步走”战略。前期建设的试验场主要针对ADAS等辅助自动驾驶子系统、系统模块的测试，为实验测试提供相应的实验环境，道路主要集中为SAE三级以下；而随着未来智能汽车逐步实现完全的无人驾驶，相应的后期试验场则应逐步升级试验道路，提升实验的场地复杂性，丰富周围事物的多样性，提升实验环境的真实性。参考国外已有的成熟试验场的建设经验，对国内的智能汽车试验场建设提出如下建议：

(1)车辆行人交互。国外如Mcity试验场为封闭模拟的测试场，只具有特定的交通场景和有限的交通车辆，难以通过车辆或行人的交互来重现或模拟实际交通状况。故在“两步走”战略的第二步阶段，需规划有开放性区域，实现车与车、车与人(假人)等的真正互动，模拟或重现真实交通的复杂性。

(2)试验场景柔性化。参考Mcity的场景设计，其城市街区的建筑物采用可灵活搭建的建筑面板搭建而成，这样针对测试需求可布置出相应的试验场景，提高场景布置的灵活性，提升设施利用率和使用周期。

(3)网络安全测试。目前国外试验场在网络安全方面主要侧重于功能稳定性的测试，如V2X技术在隧道、金属桥梁等信号被屏蔽处的测试；无人驾驶车辆在林荫、强光等对传感器产生干扰下的稳定性。对于黑客攻击之类的网络自身风险并未考虑，全球目前仅于2016年1月发布了首部汽车网络安全标准SAEJ3061[21]，故国内试验场在前期规划阶段可参考此标准，做好相应的规划。

3 结论

随着智能汽车的快速发展，欧美国家开始着眼于智能汽车专用试验场的建设，也已经建成了多个成熟的试验场。目前虽然国内未能拥有完善的智能汽车专用试验场，但部分高校和企业已经开始合作一同建造试验场。笔者总结了国外典型的智能汽车试验场的各自特点，分析对比国内现状，以车辆测试环境、试验场景和网络安全为核心，对未来国内建设智能汽车试验场提出了一些有益的建议。

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