余卓平：全球智能网联汽车试验场发展现状与建设建议

本文为同济大学汽车学院余卓平教授课题组（刘天洋，余卓平，熊璐，张培志）发表在 2017 年 1 月出版的《汽车技术》上关于智能网联汽车测试基地的综述文章《智能网联汽车试验场发展现状与建设建议》。文章介绍了欧美已建成的几家智能网联汽车试验场的发展情况，着重分析了国外几个专用智能网联汽车试验场的概况、特点以及测试要素，主要包括：

美国密歇根州 Mcity 试验场；
美国弗吉尼亚 Smart Road 试验场
瑞典 AstaZero 试验场；
英国 Mira City Circuit 试验场。

以上述测试场作为参考，并结合我国智能网联汽车发展现状与交通特色，余教授等提出了我国智能网联汽车试验场应以分段建设为核心思想，从道路环境、配套基础设施、辅助测试设备、网联汽车测试等方面进行建设的建议。

前言

智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、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]。

在智能网联汽车的开发中，完善的测试评价体系是支撑开发的必备条件。受控封闭测试场地作为测评体系中的一个重要设施，承担着智能网联汽车技术研究、模块开发、性能验证等多项功能，是智能网联汽车开发工作的重要组成部分，得到了世界产业界和学术界越来越多的重视。

与传统汽车试验场测试不同 [2~3]，智能网联汽车的测试重点是考核车辆对交通环境的感知及应对能力，是面向车-路、车-人、人-车-路等耦合系统的测试。V2X 通信技术的引入使得智能网联汽车的测试内容也由「端」（车辆）变成了云、管、端三方面发展。因此，为了支撑智能网联汽车的技术研究和产品开发，必须建设专用的汽车试验场。

尽管目前有一些国外学者提出了针对网联汽车和驾驶辅助系统的测试方法 [4~6]，也有一些针对智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）和先进驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems，ADAS）的测试标准 [7~9]，但是整体上对智能网联汽车，尤其是自动驾驶汽车的测试还没有一套完整成熟的测评体系，所以对专用试车场的建设规范和功能定义，目前也没有统一的标准。为此，针对国外智能网联汽车试验场的研究发展现状进行分析，以对我国规划建设该类试验场提供借鉴。


国外典型智能网联汽车试验场分析

由于西方国家对于智能网联汽车的研究开展较早、技术日臻成熟，所以也较早认识到了建设智能网联汽车专用试车场的必要性。如，美国相继在密歇根州建设了 Mcity [10~11] 试验场；在硅谷以北的 Concord 建设了GoMentum Station [12] 等封闭试验场；改造了部分高速公路路段，建设 Smart Road 测试路段 [13~14]，并正在进一步建设 Willow Run 等改良后的试验场。

欧盟制定了智能汽车发展路线图，将智能网联汽车作为重点发展方向之一，建设了 AstaZero [15~16] 等智能汽车试验场，西班牙 Applus IDIADA 公司和英国 Horiba Mira 公司等也对传统的汽车试验场进行改造，以应对智能网联汽车的测试需要。


美国密歇根 Mcity 试验场

Mcity 试验场是由美国密歇根大学主导、密歇根州交通部支持建设的无人驾驶虚拟之城，位于美国密歇根州安娜堡市，占地约 13 万平方米，斥资 1000 万美元，于 2015 年正式投入运营，是世界上第一座针对测试无人驾驶汽车技术而打造的模拟小镇，其构造如图 1 所示 [10]。福特公司率先在 Mcity 试验场测试了其无人驾驶版本的 Fusion 车型。


图1 Mcity 试验场俯视图

作为世界上第一座针对智能网联汽车的专用试验场，其设计特色之一就是采用强化试验的思想 [17] 进行智能车测试，多种道路突发状况可以集中发生，因此，每公里的测试路程能够代表真实环境中几十甚至几百公里的行程。

Mcity 试验场另一特色是柔性化设计理念，即道路无固定标线，可以随时更改车道布置。多种交通元素（如建筑外墙、假人等）可以移动，交通标志也可以随时根据试验要求进行更换，而且还预留了巨大、平整的沥青路面区域用于设计和布置已有场地中未包含的场景，如大型停车场等。这样可以极大地方便测试者按需调整测试场景，进而大大降低后期升级成本。

Mcity试验场由多种路面和道路元素构成，包含水泥、柏油、仿真砖等铺装路面，以及泥土、碎石等非铺装路面。在试验区内，随处可见交通标志、车道线、信号灯、人行横道、指示牌、减速带等道路元素，也包括生活中出现频率较低的隧道、环岛、交通管制区、施工区等道路元素。

在城市场景中，它有可移动的房屋外墙，墙体材料均取自真实建筑，如玻璃、砖、木头、铝乙烯等，用于模拟传感器对于不同材料的不同反馈。它还有多种停车位可供选择，如侧方停车、倒车入库和斜对角停车等。在市中心区域设置有邮箱、消防栓、候车椅、计时码表等自动驾驶车辆在真实世界中会遇到的道路元素，用于测试它们的应对状况。


图 2 Mcity 试验场模拟城市测试场景


图 3 Mcity 试验场模拟隧道测试场景

Mcity 试验场部分测试场景如图 2 和图 3 所示。Mcity 试验场除可以模拟日常行车场景（循线行驶、通过各类路口、斜坡、环岛等）外，还特别设计了一些用于测试传感器和整车控制算法的场景，如：

用于测试传感器信号被削弱、遮蔽和延迟时对自动驾驶车辆的影响设置的人造树荫区域、隧道等；
用于测试全球定位系统（Global Positioning System，GPS）精度的正南北、正东西方向的道路；
用来测试图像处理系统性能的贯穿整个测试场的照明设施，以及配有不同发光源和故意做旧的道路标牌等。


瑞典 AstaZero 试验场

AstaZero 试验场是欧洲现有最大的智能汽车试验场，始建于 2014 年，由瑞典 SP 技术研究所和查尔姆斯理工大学运营。该试验场总面积为 200 万平方米，其中铺装路面 25 万平方米。AstaZero 试验场的测试内容涵盖面较广，包括车辆动力学测试、驾驶员行为测试、V2V & V2I 功能测试、功能可靠性测试、通信技术测试等 [15]。

AstaZero 试验场是由传统汽车试验场改造而成，其最大优势就是具备完整的测试功能，尤其是为测试部分 ADAS 场景提供了必备的模拟设备，包括假人以及大型动物模型、可远程控制的气球车、道路护栏与交通标志等。图 4 为 AstaZero 试验场模拟大型动物场景。


图 4 AstaZero 试验场模拟大型动物场景

AstaZero 试验场由多车道测试区域、4 个街区组成的城市区域、高速道路测试区域、农郊道路和主试验中心等组成。通过不同区域的组合可以模拟几乎全部道路交通模式及场景。测试场地实现了 WiFi 信号全覆盖，同时可为各种设施提供电力及光纤信号。

AstaZero 试验场的典型测试场景包括车道变换、侧向超车、十字路口交汇、无光照和局部照明、高速变道、高速避障、高速定位与导航、紧急躲避隐蔽障碍物、规避其它交通参与者等。


美国弗吉尼亚 Smart Road 试验场

弗吉尼亚智能道路项目始于 20 世纪 80 年代，由弗吉尼亚理工大学交通学院负责运营和管理。它是一条长约 9.17 km 限制进入的高速公路，目前已经建成了 3.5 km 双车道公路。迄今为止，在这条智能道路上进行的研究项目已经超过 1800 项，同时 Smart Road 也是美国北部唯一一条能够能够测试自动驾驶、网联技术与智慧交通系统的道路 [14]。


图 5 美国 Smart Road 试验区天气模拟系统

Smart Road 试验场最具特色的便是天气模拟系统。如图 5 所示，该试验场中 75 个天气塔可以产生雨、雪和雾。天气塔中的水来源于一个容量为 189 万升的水箱，它们可以在适宜的天气环境下在 0.8 km 的道路范围内产生特定的天气，如雨量为 2~64 mm/h 的降雨天气，能见度在 3~91 m 范围内变化的雾天，以及雪量为 102 mm/h 的降雪天气。

Smart Road 试验场的照明和能见度检测系统也处于优势地位。试验场内配有可变照明设施来研究照明技术对传感器的影响，可以复现 95% 的国家公路照明系统，采用了变间距设计，光源有包括发光二极管模块在内的多种灯具头可选。能见度测试系统包括静态和动态两个路段，用于测试路面标记和其它对象的可见性。以上设施对于测试自动驾驶车辆在复杂环境中的表现具有重要意义。

弗吉尼亚理工大学交通学院设置了控制中心统筹安排各项测试与研究，并提供全天 24 h 监控。控制中心可以通过监控摄像机直接或间接地观测道路交通情况和驾驶员表现。控制中心内的调度员可根据情况操纵照明和天气系统，并控制各类设施的访问权限。


英国 Mira City Circuit 试验场

City Circuit 试验场由英国著名汽车测试服务商 Mira 公司修建，该试验场是世界上面积最大、综合性最高的独立试车场之一，坐落在英国腹地米德兰，占地约 304 万平方米，共有 24 个环路，全长超过 95 km。该试验场分为 9 个区域，可分别用于传统车辆测试以及智能交通和网联车辆的测试，提供了一个完全可重复、安全的「现实版实验室」环境。

City Circuit 试验场的最大特色在于其在网联汽车测试方面提供的基础设施与服务。在无线通信和访问权限限制方面的设施如下：

私人的 GSM/GPRS 网络，具有 12BTS 单元，带有独立的供电和通道分配；
扩展的 Vodafone（英国电信企业沃达丰）3G 网络，建有 3 座本地基站；
WiFi接入点网络，有 6 个受控的 IEEE、802.11a/b/g/n 发射点；
ITSG5/IEEE 802.11p（5.9 GHz用于 V2X 通讯），建有 6 个受控的基础设施点，提供 ETSI CAM 支持。


图 6 Mira City Circuit 试验场 3D 动作捕捉设备

City Circuit 试验场在跟踪定位以及监控方面也处于领先地位，有如下设施：

由 RTK-GPS 提供误差矫正服务，设置有 2 座本地基站；
稳定且持续开启的 4G NOW 无线网；
在主交叉路口周边按车流方向放置毫米级精度和高帧率的摄像头，提供地面实况 3D 动作捕捉，如图 6 所示。


其它典型试验场概况

美国加州 GoMentum Station 试验场建于 2014 年，由康特拉科斯塔交通管理局运营，总面积达 850 万平方米，拥有 32 km 铺装公路和街道，其中约 11 km 用作无人驾驶车辆高速测试[12]。

美国 Castle Air Force base 试验场建于 2011 年，由谷歌运营，总面积为 24.3 万平方米。该试车场可用于简单的无人驾驶车辆的测试。

美国密歇根州 Willow Run 试验场某种程度上是 Mcity 的升级版本，计划于 2018 年完工，总面积为 136 万平方米，由密歇根州政府、联邦政府以及其它利益相关者出资运营，将会成为一个功能完备、场景齐全的智能网联汽车试车场。


对比分析

纵观国外现有成熟的智能网联汽车试验场，主要集中在美国和欧盟，各试验场面积、功能、场地特征、场景设置及运营模式等不尽相同，对比结果如表 1 所列。

表 1 国外主要智能网联汽车试验场对比


由表 1 可知，试验场场地面积各不相同，如同在美国的试验场占地面积最高相差 65 倍。更大的面积意味着场景数量更多、布置更加灵活，而且有足够的空间安排高速路段以测试更高车速。

试验场的功能各有侧重，如：
Mcity 试验场注重柔性化设计与强化试验方法；
AstaZero 试验场测试功能全面，提供了 ADAS 部分场景测试；
Smart Road 试验场强调天气与照明环境模拟；
Mira City Circuit 试验场则在网联汽车测试领域独树一帜，提供了模拟信号遮蔽和各类 V2X 通信设施。

在智能车测试评价体系尚不完善的情况下，以上试验场可为后来者提供极具价值的参考。


国内智能网联汽车试验场建设建议

我国智能网联汽车发展虽然起步较晚，但是近些年也取得了一定成绩。如 2016 年 4 月，长安睿骋在国内高速公路上实现了 SAE（Society of Automotive Engineers）定义的无人驾驶标准三级水平的自动驾驶测试，行程长达 2000 km [18]。

除此之外，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，国防科技大学研发了 CITAVT-IV [21] 型视觉导航自主车等具备 SAE 三级或以下自动驾驶功能的智能网联汽车，标志着我国在该领域最新、最尖端的成果。

基于我国在智能网联汽车研发领域的进展，为支撑《中国制造 2025》战略实施，通过「互联网+」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网联汽车试验场来支撑研发、保障安全、促进合作。当前，上海、重庆、深圳、常熟等地都在规划建设相应试车场，如重庆中国汽车研究院股份有限公司的 i-VISTA 试验场一期工程基于公司内原有道路进行改建，布置了网联汽车测试设备，已于 2016 年 11 月建成投入使用。

鉴于目前我国智能网联汽车研发水平仍集中在 SAE 标准三级及以下的自动驾驶，从时效性和实用性的角度考虑，专用试验场的建设应本着「两步走」的原则：

从短期来看，智能网联汽车的测试和评估还将集中在 SAE 三级及以下，尤其是对 ADAS 等自动驾驶系统子功能、子模块的验证，试验场在这一阶段承担的角色是提供一个封闭受控、满足标准化和部分非标准化驾驶辅助系统测试场景的环境。
从长远来看，我国在智能网联汽车领域的研发已趋向于 SAE 更高级别，预计在十年内部分机构有能力开发出完全自动驾驶车辆。

为满足最新科研成果的测试需求，专用试验场在后续建设过程中应逐步丰富场景，提升环境复杂度，满足 SAE 标准三级及以上自动驾驶系统的测试需求。借鉴国外已有成熟的智能网联汽车试验场建设经验，从测试环境和测试设施的角度，对我国智能网联汽车试验场建设提出以下建议。

a. 道路环境方面

国外现有的试车场大多是铺装路面与非铺装路面相组合，少数由于场地面积限制只提供铺装路面。基于 SAE标准三级及以下自动驾驶和 ADAS 系统测试需求，我国试验场建设在第一阶段可以暂时只规划建设有铺装路面的高速道路和城市道路，满足驾驶辅助系统测试需求。后续在场地面积和条件允许的情况下，应采取铺装路面与非铺装路面相结合的方式来进行建设，通过道路形态的多样性来测试复杂多变的道路特征对高度智能化车辆行驶过程的影响。

b. 配套基础设施

为降低改造成本，提升设施利用率和使用周期，我国的试验场建设应本着柔性化的理念，早期提供一定的基础设施支持，并为未来丰富场景预留空间。

c. 辅助测试设备

我国试验场除引入假人、自行车、气球车等其它道路参与者，针对中国特色的道路情况，如电动自行车这一交通参与者，可以自行研发相应的模拟测试设备，评价智能网联汽车对中国路况的适应程度。

天气也是影响智能网联汽车表现的一个重要因素，考虑到天气模拟器的建设和运营维护成本较大，该类设施可以在第 2 阶段加入试验场，在前期预留相应接口和空间，但不作为主要功能建设，待场地运行平稳、资金充裕后，可以在改扩建过程中逐渐加入相关设施。

d. 网联功能测试

我国试验场应支持欧美目前主流的 V2X 通讯设备，如 DSRC 等。从数据传输与储存的角度考虑，应在整个试车场区域实现无线网络和 4G 网络全覆盖，并对专有网络加密，保证测试信息安全。

为了精确定位，测试场地应布置差分 GPS 基站，同时加入对北斗导航系统的支持。


结束语

随着智能网联汽车技术的发展，美国和欧洲一些发达国家的机构率先将目光着眼于智能网联汽车的测试，建设了一部分智能网联汽车专用试验场。尽管目前国内尚无建成的同类试验场，但是一些大型企业与高校已经发布信息，在未来几年内开工建设智能网联汽车专用试验场。

本文在总结国外已建成并有代表性的几个智能网联汽车试验场各自特色的基础上，结合我国智能网联汽车技术的发展现状及测试需求，提出了以分段建设为核心思想，从道路环境、配套设施、测试设备和网联汽车测试等方面建设同类试验场的建议。

参考文献