自動(dòng)駕駛仿真，究竟在仿什么？

在使用智能駕駛的時(shí)候，你肯定關(guān)心這套系統(tǒng)的安全性吧？算法搭載到實(shí)車之前，是怎樣測(cè)試驗(yàn)證的呢？

幾個(gè)月前，我們做過一期游戲引擎進(jìn)入智能汽車產(chǎn)業(yè)的視頻。前些天，我們又和一家做虛擬世界的公司交流了一個(gè)有意思的話題——智能駕駛仿真。

智能駕駛系統(tǒng)正式量產(chǎn)上車前，仿真系統(tǒng)就是測(cè)試、驗(yàn)證的第一個(gè)考場(chǎng)。

駕駛仿真究竟是啥？

歡迎來到智車星球，今天，我們就來聊一聊推動(dòng)智能駕駛技術(shù)不斷迭代的背后功臣——智能駕駛仿真。

在說仿真前，我們先說說另一個(gè)概念——數(shù)字孿生。

它是什么意思，維基百科的解釋倒也不晦澀，更簡(jiǎn)單粗暴些去理解，數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。

比如經(jīng)典游戲《塞爾達(dá)傳說》，就可以看作是一個(gè)數(shù)字孿生世界。

關(guān)于數(shù)字孿生的起源有很多版本，在可以查到的資料中，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)宇航局都是數(shù)字孿生概念提出者。空軍實(shí)驗(yàn)室希望解決老舊飛機(jī)的健康診斷與預(yù)測(cè)問題，降低飛機(jī)運(yùn)維成本、提高利用率。宇航局則希望解決太空探測(cè)運(yùn)載工具的健康診斷與預(yù)測(cè)問題。

領(lǐng)域不同，但有兩個(gè)很關(guān)鍵的相同點(diǎn)——

1、對(duì)于數(shù)字孿生的提出是問題驅(qū)動(dòng)，而不是技術(shù)驅(qū)動(dòng)的。

2、目的都是為了大幅有效地降低成本。

這點(diǎn)很好理解，畢竟，要驗(yàn)證一款新設(shè)計(jì)的火箭能否順利升空，不能先制造出好幾個(gè)反復(fù)發(fā)射驗(yàn)證，那樣不僅研發(fā)周期過長(zhǎng)，成本還會(huì)高到離譜，就算是敢放大煙花的馬斯克也不敢這么隨便造。

回過頭來看智能駕駛，不光有驗(yàn)證成本的問題，還有人身安全的問題，必須盡量確保自身安全，且不會(huì)對(duì)道路上的其他人造成傷害，因此，在一個(gè)虛擬的驗(yàn)證環(huán)境先驗(yàn)證，就非常重要。

那么，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，都需要哪些核心技術(shù)？

首先是建模、渲染，將三維模型處理得更加貼近現(xiàn)實(shí)生活，呈現(xiàn)出與實(shí)物類似的質(zhì)感，然后就是仿真，是的，終于要講到這個(gè)視頻的主角了，它其實(shí)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的核心技術(shù)之一。

如果說數(shù)字孿生是《塞爾達(dá)傳說》構(gòu)建的虛擬世界，仿真就是玩家在游戲中進(jìn)行的各種探險(xiǎn)活動(dòng)。玩家可以選擇不同的路徑、采取不同的策略，與游戲世界中的角色互動(dòng)，完成各種任務(wù)和挑戰(zhàn)。仿真過程模擬了真實(shí)世界中的行為和情景，玩家可以通過在游戲中的實(shí)驗(yàn)、觀察、決策來獲得游戲世界的成功。

具體到智能駕駛仿真，是建立車輛模型，同時(shí)將車輛行駛場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化還原，建立盡可能接近真實(shí)世界的系統(tǒng)模型，這樣通過軟件仿真就可對(duì)智能駕駛系統(tǒng)和算法進(jìn)行測(cè)試。

仿真流程大概是這樣，搭載初始版本算法的智能駕駛車輛在仿真系統(tǒng)行駛，系統(tǒng)會(huì)模擬各種道路工況，當(dāng)算法響應(yīng)不符合預(yù)期時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)時(shí)的日志進(jìn)行保存，研發(fā)人員會(huì)針對(duì)這些問題予以分析解決，并在仿真的支持下復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證，從而進(jìn)行算法的迭代，提升可靠性。

那么仿真究竟要仿什么？要構(gòu)造怎樣的輸入？

首先是還原與真實(shí)世界一致的交通靜態(tài)元素，比如道路、交通標(biāo)志、護(hù)欄、樹木、建筑等等。當(dāng)前，大多數(shù)智能駕駛仿真軟件或平臺(tái)都采用使用三維建模軟件創(chuàng)建“素材庫”，利用高精地圖的矢量化圖形對(duì)道路要素進(jìn)行重建，然后再利用專業(yè)軟件添加建筑、樹木、地形等其他靜態(tài)要素。

△圖片來自51Sim

有了靜態(tài)環(huán)境，還要有動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的生成包括兩方面：一是微觀的行人、車輛、天氣；二是宏觀的交通流場(chǎng)景構(gòu)建。

如何自動(dòng)化生成合乎現(xiàn)實(shí)邏輯的交通參與者，是一個(gè)難點(diǎn)。

同時(shí)，天氣變化、光照變化等動(dòng)態(tài)要素，需要嚴(yán)格遵循現(xiàn)實(shí)世界的物理規(guī)律，在這里，游戲引擎就能發(fā)揮重要的作用，其在場(chǎng)景渲染、物理引擎等真實(shí)場(chǎng)景模擬的能力上，比傳統(tǒng)仿真軟件強(qiáng)大許多。

△圖片來自51Sim

因此，很多最新的智能駕駛仿真平臺(tái)，均是基于游戲引擎開發(fā)，比如微軟AirSim、騰訊TAD Sim，51sim等，都是基于Unreal引擎開發(fā)。對(duì)游戲引擎感興趣的朋友，請(qǐng)點(diǎn)擊：當(dāng)游戲引擎“卷”進(jìn)電動(dòng)車，奇妙的事發(fā)生了 | 智車星球，視頻鏈接我們也放到文章結(jié)尾了，歡迎收看。

說完了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境模塊，我們?cè)賮砜纯磦鞲衅髂K。

傳感器作為智能駕駛車輛的“眼睛”，用于感知外部環(huán)境、發(fā)現(xiàn)并分類障礙物、預(yù)測(cè)速度，協(xié)助精確定位車輛周圍的環(huán)境等。

從仿真角度看，無論哪種傳感器，理論上都可以從以下三個(gè)不同的層級(jí)仿真：對(duì)物理信號(hào)進(jìn)行仿真、對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行仿真以及對(duì)傳感器目標(biāo)進(jìn)行仿真。

攝像頭直接仿真攝像頭檢測(cè)到的光學(xué)信號(hào)，雷達(dá)直接仿真聲波和電磁波信號(hào)就是物理信號(hào)仿真，原始信號(hào)仿真是把傳感器探測(cè)單元拆掉，因?yàn)樵诳刂齐娍厍度胧较到y(tǒng)中有專門的數(shù)字處理芯片，可以直接仿真數(shù)字處理芯片的輸入單元。傳感器目標(biāo)仿真，即傳感器感知和決策如果是分為兩個(gè)不同層級(jí)的芯片來做，那么可以將傳感器檢測(cè)的理想目標(biāo)直接仿真到?jīng)Q策層算法輸入端。一般來說，通過軟件仿真的方式達(dá)到目標(biāo)級(jí)仿真，提供真值是比較容易做到的，而原始信號(hào)，尤其是物理信號(hào)的仿真，則需要使用大量的仿真設(shè)備，相對(duì)比較復(fù)雜。

在車輛仿真中發(fā)展最早也最完善的部分，就是動(dòng)力學(xué)模塊。在智能駕駛仿真過程中，需要借助車輛的動(dòng)力學(xué)模型，來對(duì)決策、控制算法進(jìn)行客觀的評(píng)估。

傳統(tǒng)的商業(yè)仿真軟件在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，一般將實(shí)際測(cè)試車輛的車體模型、輪胎模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型等都參數(shù)化，根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模塊配置合適參數(shù)，從而模擬測(cè)算車輛在智能駕駛系統(tǒng)操控下的能力和極限。

除了以上提到的智能駕駛仿真主要模塊外，還有高精地圖、仿真接口等模塊，每個(gè)模塊都有一些需要解決的關(guān)鍵仿真問題。

總的來說，如何讓模擬數(shù)據(jù)具有現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)性和豐富性是最大的挑戰(zhàn)，目前，智能駕駛仿真對(duì)真實(shí)測(cè)試的可替代性仍然面臨一些質(zhì)疑，相信隨著體系標(biāo)準(zhǔn)的完善、技術(shù)的迭代，仿真會(huì)為智能駕駛推進(jìn)帶來更大的助力。

后續(xù)我們還將推出相關(guān)內(nèi)容聊一聊智能駕駛仿真的標(biāo)準(zhǔn)建立、代表企業(yè)等，如果你有其他感興趣的點(diǎn)，歡迎留言告訴我們。