自动驾驶汽车运行安全性测试评价体系研究

本文通过简述美国、日本、欧洲等地区关于自动驾驶汽车测试和应用情况，开展了适用于我国的自动驾驶汽车安全性测试的需求分析，并借鉴国外的测试方案，提出一套自动驾驶汽车运行安全性测评体系，为自动驾驶汽车安全上路提供保障。

本文来自 2017 年 12 月 15 日出版的《中国公共安全（学术版）》，作者是公安部交通管理科学研究所的程晨、孙巍、潘汉中范和志翔。


自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统等的协同合作，使车辆具备智能的环境感知能力，能够自动地分析汽车行驶的安全及危险状态，让汽车按照人的意志到达目的地，最终实现替代人操作的目的 [1]。

自动驾驶系统作为一个复杂的多部件构成的系统，为了保障自动驾驶汽车生产准入环节与上公共道路测试的安全，对其安全性的测试具有很大的挑战。目前，自动驾驶汽车的运行安全测试在国内外都还处于探索阶段，标准和体系的制定都在进行中，尽管目前有国外学者提出了针对自动驾驶系统各驾驶辅助系统的测试方法，也有一些针对智能交通系统和先进驾驶辅助系统的测试标准，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试评价体系 [2]。

1. 国内外自动驾驶汽车的测评现状

自动驾驶是汽车产业与人工智能、物联网、高性能计算等新一代信息技术深度融合的产物，是当前全球汽车与交通出行领域智能化和网联化发展的主要方向，已成为各国争抢的战略制高点 [3]。在大规模商用化之前，需要在可控的真实环境中进行大量试验，以保障公共出行安全。从自动驾驶测试技术国际发展情况来看，美国与欧洲多国走在自动驾驶产业发展前端，积极推动自动驾驶的测评工作，日本、新加坡等国跟随其后，利用国家的优势技术，积极开展自动驾驶测评。

在路面测试方面，美、德、日均积极推动，以作为自动驾驶汽车应用的基础。

美国在州层面积极进行自动驾驶立法，截至 2017 年，16 个州通过相关法案或行政令，明确测试条件和要求，允许企业在州层面展开路面测试；
德国政府于 2015 年已允许在连接慕尼黑和柏林的 A9 高速公路上开展自动驾驶汽车测试项目，交通运输部门于 2017 年 3 月向柏林的 Diginet-PS 自动驾驶试点项目发放补贴，用于开发处理系统并提供自动驾驶的实时交通信息；
日本 Nissan 公司已经在东京、硅谷和伦敦测试了旗下的自动驾驶汽车 LEAF，积累安全测试记录 [4]。

在试验场建设与示范方面，美国、欧盟以及我国自动驾驶测试和示范园区的规模正在不断扩大，相关的自动驾驶示范应用也逐步开展，瑞典、日本、新加坡等国家也在进行封闭测试区或示范园区的建设。

美国的自动驾驶测试场建设相对领先，2015 年 7 月，全球首个自动驾驶封闭测试区 Mcity 正式建设完成，同时美国各州也根据产业需求不断开展测试场地建设，2017 年 1 月，由美国交通部批准的自动驾驶试验场已增长至 10 余家，美国各个测试基地在运营方面也多鼓励机构与组织间建立合作伙伴关系，以便更好利用各方资源；
在欧洲，瑞典是自动驾驶汽车测试的代表国家之一，2014 年 8 月，位于布罗斯的 AstaZero 道路安全测试区域正式投入运营，这里的测试工作主要是研究如何通过技术手段来避免事故的发生；
英国也积极推进网联和自动驾驶汽车的测试活动，其测试设施集群位于英国汽车产业核心区域，主要侧重于是封闭测试区+可控公路+城市道路的测试场地建设；
日本的自动驾驶工作紧随欧美的步伐，于 2016 年 2 月启动建设 JARI 自动驾驶试验场，主要有 3 片区域，包括恶劣环境测试区域、城市道路测试区域和多目的测试区域，目前测试场地还未建成。

在我国，相关部委、省市人民政府的相关部门也在积极推进自动驾驶测试基地的建设。2015 年 9 月，工业和信息化部、浙江省人民政府签署《工业和信息化部浙江省人民政府关于基于宽带移动互联网的职能汽车、智慧交通应用示范合作框架协议》，选定杭州市西湖区云栖小镇和桐乡乌镇开展具体项目的试点工作[4]。2016 年 6 月，工业和信息化部在上海开展智能网联汽车试点示范。2016 年 11 月，江苏省政府、工业和信息化部、公安部提出在无锡共建国家智能交通综合测试基地，推进自动驾驶测试工作 [5]。以上测试场地在建设过程中也充分利用各地地形、气候差异，以期实现差异化发展，为自动驾驶汽车测试提供运行环境，促进自动驾驶汽车产业化的快速发展。

2. 自动驾驶汽车测评需求分析

自动驾驶汽车是现在业内人士谈论的热点，也是未来汽车的发展方向之一。随着人工智能、传感器检测等核心技术的突破和完善以及整体可靠性的提升，自动驾驶车辆上公共道路行驶与商用化也逐渐成为可能。为了保障自动驾驶汽车能安全上路，一方面应从自动驾驶系统的技术要求出发，分析其技术功能；一方面应从自动驾驶系统的安全性角度出发，研究自动驾驶汽车上路后会存在的安全性问题，从而提出对自动驾驶汽车运行安全性测试的需求，确定测试评价的范围。

2.1典型自动驾驶系统的构成

自动驾驶汽车从根本上改变了传统的驾驶行为，主要表现在驾驶方式由人工转向智能，实现这一特征的典型自动驾驶系统由感知、决策和执行三大模块组成：

2.1.1 环境感知模块

自动驾驶汽车是通过不同种类的传感器来感知环境信息。其中，摄像头、激光雷达、毫米波雷达以及工业相机用于获取环境信息，全球定位系统（GPS）用于获取车身状态的信息，最后通过逻辑算法提炼出有用的数据信息进行整合，作出精确的感知。

2.1.2 行为决策模块

自动驾驶汽车在正确感知环境信息之后，会根据获取的路网信息、交通环境信息以及车身行驶状态信息，生成遵守交通规则的安全文明驾驶的驾驶行为决策，行为决策包括对行驶轨迹的规划，对行驶速度和位置的设置等。

2.1.3 运动执行模块

自动驾驶汽车的运动执行模块会根据行为决策模块对驾驶行为的设定，对油门、刹车、方向盘和变速杆发送控制命令，控制自动驾驶汽车的运行。

2.2 自动驾驶汽车运行安全潜在问题

当前，国内外少数企业着手开始自动驾驶汽车的研发、测试以及试运行，从反映的情况看，自动驾驶汽车运行安全性存在的潜在安全隐患如下：

2.2.1 安全行车规则方面

与传统汽车的驾驶人一样，对自动驾驶汽车的测试也要明确自动驾驶系统对安全常识和通行规则的认知程度。安全行车规则中主要包括提前预警、严守交规、保持车距、精准感知、正确判断和安全车速等要素。

自动驾驶汽车的运行是在处于「混行」状态的公共道路上的，若自动驾驶系统没有进行完整的深度学习，未明确安全行车规则或未实现类人驾驶，则会影响到其他人类驾驶人对自动驾驶汽车行车行为的判断，从而引发交通安全问题。

2.2.2 技术水平方面

自动驾驶作为汽车产业的一项新兴技术，技术方面仍存在着很多不确定的因素。自动驾驶汽车的技术水平主要体现在三个方面：

第一是功能的完备性。目前，部分车企已经陆续推出车道保持、自动变道、自动泊车、智能巡航等智能驾驶功能，随着技术的智能化水平提高，智能驾驶的功能将越来越多，这些智能驾驶的功能的组合最终将实现自动驾驶，若在自动驾驶汽车运行的过程当中某些功能模块不能正常工作或失灵，将会造成无法设想的后果；
第二是性能的灵敏性。自动驾驶汽车的驾驶人被计算机系统与各式各样的高精摄像头与传感器所取代，一旦传感器灵敏度不高，行人识别错了，路线规划不正确，也会引发严重的交通安全问题。
第三是应急处置能力。自动驾驶汽车上应配备应急系统，设计应急预案，模拟人类的应急反应系统，在发生危险行为驾驶的情况下启动应急预案，避免交通事故的发生，证明自动驾驶比人类驾驶更安全。

2.2.3 信息安全方面

网联化技术给汽车的发展带来很多可能性，但一同到来的还有网络信息的安全隐患问题 [6]。信息安全隐患涉及到两个方面，其一是计算机软件本身的架构设计，软件代码是否存在安全漏洞；另一方面是安全信息的交互和认证，通信协议的设计是否能在保证安全的条件下实时、快速地响应。

2.2.4 安全监管方面

面对以上各方面的交通安全隐患，当前，国家还没有制定统一的监管规范，缺乏针对性的标准，没有确定的评价方法，个别企业违规上路试车，引发社会争论，因此，应加紧推动构建安全监管机制。

2.3 自动驾驶汽车运行安全性测评需求分析

在汽车电子行业，技术从不成熟到成熟，从试验阶段到大规模商业化，都需要进行大量的测试与评价。对于自动驾驶的测评，从技术属性角度，需要验证的是自动驾驶系统是否具备类人的驾驶技能，是否能满足预期的要求。

自动驾驶尤其是 L3 及以上级别的自动驾驶汽车，与现存的高级辅助驾驶系统（ADAS）相比，最大的不同在于从单一功能、单一节点的控制变成了复杂功能，多节点的一体化控制 [7]。需要感知系统、决策系统和控制系统的正确协同配合。从可靠性角度，对自动驾驶汽车的测评是为了使其在公共道路安全可靠地运行，各国的道路交通都具有一定的复杂性，不确定场景多。同时，恶劣天气，极端路况等突发事件也会给自动驾驶汽车的运行带来极大的挑战。

因此，要验证的是自动驾驶汽车能否在任何情况下都保证安全运行。在量产之前，一方面需要进行长期大量的试验，另一方面还要验证在极端环境下车辆是否能正常运行。综合以上两点，对自动驾驶的安全性测评是必不可少的。

3. 自动驾驶汽车运行安全性测评体系框架

自动驾驶产业最迫切的需求是有一个公认的、综合平台能够提供上路准许试验验证、安全可靠试验验证、互联互通试验验证、产品研发试验验证等服务[8]。目前国内启动了智能网联汽车示范验证基地项目，但仍然缺乏专门为自动驾驶汽车整车测试评价的机构和测评环境。

作为公安部交通管理部门，提出以下自动驾驶汽车运行安全性测评体系架构。

3.1 测评体系设计原则

对自动驾驶汽车的测试评价与对普通汽车的测试评价有所不同，测评体系的设计应遵循以下几个原则：

科学性原则：测试评价需要依据自动驾驶技术的原理，提出适用于我国道路交通环境和具体国情的测评体系，测试范围明确，逻辑明晰，测试方法科学。
适应性原则：自动驾驶测试属于不确定场景条件测试，对测评框架的设计应具备较强的适应性和可调整性。
全面性原则：应能够从不同方面不同层次对自动驾驶系统的全部属性进行剖析，设计测试用例和测评指标。
可操作性原则：所有的科研成果应能通过实际的验证，测试体系的建立应为测试场景和测试场地的建设提供参考。

3.2 测试场景设计

自动驾驶汽车在中国难上路的原因是交通环境复杂，意外状况频繁且不可预测。为了确保对自动驾驶系统功能和运行安全性的全面考察，我们将自动驾驶测试场景的设计分为三大类：

基于自动驾驶实现机理层面，分别对自动驾驶汽车的感知、决策、控制和效果 4 个环节设计测试场景，开展针对性测试；
基于自动驾驶汽车本身安全驾驶性能层面，可分为驾驶适应性测试、驾驶技能测试和驾驶安全意识测试等；
基于实际道路交通形态层面，结合中国道路交通的特点，研究交通事故和事件的种类，分析交通事件的成因，通过模拟交通事故和事件的元素，再现场景，进行测试。

同时，对于测试场景的设计，测试场地的建设是必要条件。可分为封闭性测试场测试、半封闭性测试场测试，开放性测试场测试几大类，设计适应与不同测试场地的测试用例。例如，封闭性测试场测试时，可分为虚拟场景测试和实物场景测试，其中，虚拟场景可包含视频信号模拟、雷达信号模拟和卫星定位信号模拟等几个方面。测试用例的设计要保证其多样化，以保障其符合自动驾驶系统的复杂性和特殊性，确保对自动驾驶系统功能的全面覆盖。

3.3 自动驾驶汽车运行安全性测试项目与内容

3.3.1 基础理论

根据自动驾驶汽车的自动化程度进行分类，针对车辆的类型和特点进入模拟测试环境进行理论测试，包括对法律法规的明确程度，对交通信号的识别以及安全行车与文明驾驶常识等。

目前，为了推动自动驾驶的发展，相关部门正在对《中国人民共和国道路交通安全法》以及《道路交通安全法实施条例》进行修改和修正。要使自动驾驶汽车能够上公共道路安全行驶，

首先是要验证其对道路安全法律法规的明确程度，例如对灯光和喇叭的正确使用、交叉路口通行规则、车道变更规则、跟车与限制超车规则、铁路道口及渡口通行规则，避让行人和非机动车等；
其次是要验证自动驾驶汽车对交通信号识别的准确度，交通信号包括道路交通信号灯、道路交通标志标线、交通警察手势等；
最后是要保证自动驾驶汽车上公共道路运行后，不给现有其他机动车带来不必要的麻烦，要验证其是否具备对安全驾驶的常识，包括避让特种车辆和道路养护作业车辆、停车规范，高速公路安全行驶和高速公路故障车处置等。

3.3.2 技能测评

目前，为了确保公共道路的安全性，在自动驾驶上公共道路测试前，还需要建立大量与实际场景相关联的测试系统和测试场景来支持这些功能的运行，来考察自动驾驶汽车功能的正确性和性能的可靠性。

此部分测评应重点考核自动驾驶汽车对综合交通场景的认知能力，主要包括城市道路环境、城郊道路环境、高速快速通行道路。可提供较长的组合道路测试环境，自动驾驶汽车在检测的过程中应该能识别障碍物、混合交通信号、行驶信息、并可以完成自主鸣笛加减速、正确识别交通基础设施和交通现象等。并且可以根据预先设置的起始点与运行路线，安全完成车辆的智能通行。主要考察的指标有识别试听觉信息信号的个数与准确度、决断的反应时间、指定任务的完成情况。具体可以包括认知目标个数、行驶过程车速、位置变化信息、以及时间及行驶行为等。

3.3.3 交互测评

自动驾驶汽车是以交互为主的试验验证体系，边界复杂多变。广义上，车联网就是车与一切事物联系的网络（V2X），通过车辆自组网及多种异构网络之间的互联，实现车与车、车与其运行的道路设施、车与云端管理系统以及车与人之间的互通互联，从而实现交通管理的智能化和车辆智能化，并能为驾驶者提供动态信息服务的网络系统。

交互测评的重点是考核车辆对交通环境的感知及应对能力，是面向车-车、车-路、车-人、人-车-路等耦合系统的测试 [9-11]。因此需要建立一个适应人-车-路的全新测试评价体系。车联网的通信还要防止数字黑客的攻击，安全应是自动驾驶汽车行业的重要考虑因素。自动驾驶汽车依靠车辆与车辆（V2V）的交流以及车辆与基础设施（V2I）的连接，维护这些通道以及电子邮件、电话、短信、上网和定位数据等乘客个人电子通信的安全至关重要。

3.3.4 综合评判与监管

综合以上测试内容执行完成之后，被测的自动驾驶系统应对测评进行反馈。搭建自动驾驶汽车运行安全性测试实施平台与监管系统，采集实时的测试数据与环境数据，回访分析自动驾驶的系统行为，评价指标计算，生成综合评判报告，判定是否满足颁发上公共道路测试牌证的要求。

最后，在综合评判结果通过后，还需对上公共道路测试的车辆进行监督与管理，在发生事故时，及时采集车辆信息，进行系统分析，为使自动驾驶汽车上公共道路行驶规范化以及文明驾驶的应用示范打下基础。

4. 结论

本文通过对自动驾驶汽车的测试和应用情况的分析，对自动驾驶测试现存安全性问题思考，研究自动驾驶汽车「驾驶人」的安全驾驶技能和自动驾驶汽车安全准入的关键要求，建立自动驾驶运行安全性测试评价体系，推动自动驾驶汽车测试的规范化，支持和应对我国自动驾驶行业的发展，为提高自动驾驶系统的安全性和自动驾驶汽车安全测评服务提供保障，为建立全国性的自动驾驶汽车的安全管理体系提供参考。

推动自动驾驶汽车测试平台的建设，搭建适应我国道路行驶的自动驾驶汽车运行安全性测试平台，以便对该类车辆的使用性、可靠性、通信安全性作出科学、有效的评估。

参考文献

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[2] 刘天洋，余卓平，熊璐等.智能网联汽车试验场发展现状与建设建议[J].汽车技术，2017，(01):07-11
[3] 孟海华，江洪波，汤天波. 全球自动驾驶发展现状与趋势(上) [J].华东科技，2014:66-68
[4] 朱宏任. 实施中国制造2025战略促进汽车智能化发展[J].时代汽车，2015(10)，17(2):27-30
[5] 自动驾驶产业发展现状及趋势[EB/OL].
http://baijiahao.baidu.com/s?id=1569290501668065&wfr=spider&for=pc.html，2017-06-05.
[6]少英. 谷歌自动驾驶汽车拟“上路”[J]. 广东交通，2012(3):59
[7]自动驾驶车在真正落地前还要经过一次驾照考试[EB/OL].
http://auto.sina.com.cn/zz/sh/2017-08-06/detail-ifyitayr9097512.shtml，2017-08-06
[8]何承坤，宋娟，周唯. 汽车自动驾驶测评方法研究[J].工业技术创新2016(2):108-114
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[10]詹姆斯•玛尼卡，理查德•多布斯，迈克尔•崔，展望2025： 决定未来经济的12大颠覆技术[R]. 麦肯锡，2013
[11]BARBARESSO J，CORDAHI G，GARCIA D，et al.，USDOT’s Intelligent Transportation Systems (ITS) ITS Strategic Plan 2015-2019 [R]. US Department of Transportation，Intelligent Transportation Systems，Joint Program Offce，2014