摘要
以自动驾驶接管案例数据为基础,辨析接管干预类型及其与场景要素的关系,构建自动驾驶路测信任接管、避险接管及优化接管3类险态场景;通过搭建CARLA‒SUMO联合仿真平台,以反事实推断方法还原险态场景,利用路测实际数据训练自动驾驶车辆模型,并推演险态场景下自动驾驶运行状况,从安全、效率、舒适度等维度提出自动驾驶智能行驶水平评价指标。分析表明,反事实推断方法在实现自动驾驶路测险态场景推演方面具有优异表现;同类险态场景下自动驾驶小客车智能行驶水平优于卡车;不同类险态场景的场景要素差异性显著,且相较于其他类型接管场景,避险接管场景自动驾驶智能行驶水平更为可靠。
为抢占自动驾驶科技制高点,世界各国均大力推动自动驾驶道路测试(路测
相关研
本文基于自动驾驶路测实际接管干预数据,分析接管干预过程中的交通参与者、车辆、道路、交通环境等要素,通过联合仿真平台构建险态场景,利用反事实推断方法推演不接管干预的险态场景下自动驾驶车辆的驾驶表现,最后通过不同场景不同类型车辆的案例分析验证所提出模型与方法的有效性。
接管干预:为优化自动驾驶车辆的驾驶行为或避免发生事故,安全员对自动驾驶车辆的人工干预操作。险态场景:自动驾驶智能水平不足引发自动驾驶系统脱离情景下的危险场景。本文基于前序研
通过目标群体指数(target group index,TGI)构建各场景要素和3类险态场景之间的关系。TGI指数可体现各场景要素在不同类险态场景中的典型表现,以占比优势的变量水平作为此类场景的特
(1) |
式中:为场景要素m类特征在n类险态场景下的目标群体指数; 为场景要素m类特征在n类险态场景下出现频率; 为场景要素m类特征在所有险态场景下出现频率。
基于OpenCDA全栈式架

图1 自动驾驶道路测试险态场景数据流示意图
Fig. 1 Data flow for risky scenarios of autonomous driving road testing
基于实测数据中车辆运行特征标定车辆参数,自动驾驶和人工驾驶车辆的参数设置如
设置对象 | 对应模块 | 参数对象 | 属性 |
---|---|---|---|
自动驾驶 车辆 | 感知 |
摄像头 激光雷达 |
摄像头数量:3个 激光雷达:32线,水平视野,旋转频率20 Hz,每秒激光点数100 000,最高角度10°,最低角度-30° |
决策控制 | DQN算法 | 奖励信号:朝目标行驶的速度和距离,碰撞统计,与人行道重叠与否,与对面车道重叠的加权和 | |
人工驾驶 车辆 | 跟驰 | IDM模型 |
最小车距:2.5 m;加速度:2.6 m· |
换道 | LC2013 | 小客车尺寸:宽1.8 m,长5.0 m,高1.5 m;比例系数:4 |
通过反事实推断方法,将场景要素特征矩阵作为内生自变量X,是否接管干预作为外生自变量U,是否发生事故作为因变量Y。是否发生事故受内生自变量X和外生自变量U共同影响,则有
(2) |
式中:、 分别为内生自变量和外生自变量系数; 为相关系数;为常数。
通过构建未观测变量来表征内生自变量X和外生自变量U之间的关系,则(2)可变换为
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式中: 为未观测变量相关系数。
反事实推断方法示意如

图2 反事实推断方法示意图
Fig. 2 Schematic diagram of counterfactual analysis
基于反事实推断结果进行推演并评价,从安全、效率及舒适度3方面评价自动驾驶智能行驶水平。
提出以智能行驶速度差和智能行驶速度差异率作为效率评价指标。智能行驶速度差指自动驾驶车辆的推演行驶速度与同场景路测人工接管后行驶速度差值,其值越大则推演的智能行驶效率提升越高。
(6) |
式中:为仿真推演中自动驾驶车辆速度; 为同场景路测人工接管后车辆速度。
智能行驶速度差异率表征效率提升比例,即
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选取纵向加速度、横向加速度、纵向急动度和横向急动度作为舒适度评价指标。纵向加速度体现在车辆的前进方向中,如果在加减速过程中纵向加速度较小,转换平滑,则说明舒适性较高。
(8) |
式中:为数据采集时间差;为时间内的纵向车速差。绝对值均值越大,表明其舒适度越差。
自动驾驶车辆在转弯时,如果加速度较小,则说明其自动驾驶舒适性比较高。
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式中:为时间内的横向车速差。绝对值均值越大,表明其舒适度越差。
参考美国国家公路与运输协
急动度指车辆加速和减速时的突变程度,加速度猛烈变化会导致舒适度下
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式(
路测数据来源于2021至2022年间自动驾驶城市道路测试,包括自动驾驶车辆和周边车辆轨迹数据、安全员监测视频数据和感知摄像头视频数据等。对多源数据进行标准化处理,并修复数据质量问
对避险接管、信任接管、优化接管3类险态场景下场景要素进行TGI指数计算,结果如
场景要素 | 要素特征 | 避险 接管 | 信任 接管 | 优化 接管 | 场景要素 | 要素特征 | 避险 接管 | 信任 接管 | 优化 接管 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
安全员精神 状态 | 谨慎 | 133.1 | 96.1 | 74.3 |
道路 平整度 | 平整 | 118.4 | 98.9 | 94.0 |
正常 | 75.4 | 111.6 | 61.6 | 一般 | 67.8 | 124.1 | 123.1 | ||
放松 | 78.1 | 51.7 | 108.5 | 坡度 | 无坡度 | 100.9 | 100.5 | 98.2 | |
安全员 动作 | 踩油门加速 | 65.9 | 86.6 | 162.3 | 有坡度 | 0 | 0 | 400.0 | |
踩踏板制动 | 146.1 | 98.1 | 55.8 |
中央分隔带 类型 | 物理隔离 | 105.8 | 95.1 | 104.2 | |
转动方向盘 | 95.1 | 123.5 | 97.8 | 中间划线 | 86.6 | 111.3 | 90.2 | ||
双手放置方向盘后无其他操作 | 97.4 | 100.6 | 101.4 |
交通流 情况/ (pcu· | <20 | 79.7 | 99.1 | 122.7 | |
车辆 速度 | 不变 | 88.0 | 103.1 | 105.7 | [20,150) | 69.6 | 125.8 | 97.5 | |
加速 | 53.0 | 76.6 | 198.2 | [150,300) | 94.5 | 112.4 | 100.5 | ||
减速 | 166.8 | 74.7 | 0 | [300,600) | 115.8 | 88.2 | 108.9 | ||
测试 区域 | 快速路 | 113.2 | 125.7 | 135.9 | ≥600 | 146.9 | 97.5 | 57.2 | |
城市道路 | 118.7 | 92.6 | 96.6 |
周边车辆 状况 | 无车辆 | 64.0 | 112.6 | 131.3 | |
厂区道路 | 45.9 | 139.8 | 70.6 | 周边车超车 | 127.9 | 92.6 | 65.7 | ||
路段 | 直线段 | 122.3 | 96.6 | 105.0 | 周边车变道 | 108.0 | 111.5 | 69.3 | |
合流主线 | 100.5 | 146.4 | 75.6 | 周边车制动 | 125.7 | 94.2 | 64.5 | ||
分流主线 | 81.0 | 78.0 | 166.4 | 其余状况 | 100.2 | 86.5 | 66.7 | ||
匝道 | 77.2 | 55.7 | 217.9 |
周边车辆 数量 (安全车距内) | 0 | 60.2 | 98.1 | 145.0 | |
曲线段 | 124.7 | 90.0 | 96.0 | 1 | 123.0 | 107.0 | 61.5 | ||
交叉口 | 96.9 | 120.8 | 58.8 | 2 | 112.3 | 81.7 | 86.5 | ||
收费口 | 86.8 | 125.4 | 59.4 | 3 | 127.9 | 61.6 | 153.2 | ||
限速/ (km· | ≤40 | 91.0 | 80.3 | 84.9 | 天气 | 晴天 | 126.7 | 126.7 | 93.2 |
(40,80) | 33.9 | 161.3 | 207.1 | 多云 | 94.7 | 87.4 | 121.9 | ||
≥80 | 107.6 | 94.5 | 103.9 | 阴天 | 92.0 | 122.8 | 102.0 | ||
车道数 | 2 | 90.7 | 75.2 | 159.4 | 下雨 | 23.8 | 96.1 | 122.3 | |
3 | 98.9 | 136.0 | 28.8 | 雾或霾 | 91.2 | 97.5 | 103.9 | ||
4 | 123.3 | 121.2 | 94.2 | 日夜状况 | 日间 | 86.3 | 108.7 | 95.4 | |
设施整体 情况 | 良好 | 135.2 | 100.0 | 94.7 | 夜间 | 125.2 | 83.9 | 108.3 | |
中 | 103.7 | 88.9 | 119.8 |
直接碰撞 风险 | 是 | 219.4 | 89.4 | 0 | |
差 | 36.8 | 141.8 | 75.6 | ||||||
标志标线 | 充分 | 106.7 | 98.7 | 119.4 | 否 | 40.1 | 105.3 | 150.2 | |
一般 | 82.9 | 100.5 | 90.3 |
避险接管的场景要素以高交通量等动态要素为主,存在直接冲突且易于识别,安全员需要快速调整以保证安全;信任接管的场景要素以合流主线、复杂设施整体情况等静态要素为主,没有直接发生冲突但存在潜在风险,安全员对车辆发起接管主要为了防止未观测到的潜在风险发生。而优化接管的场景要素相对单一,且整体要素特征较好,接管目的是优化效率。基于TGI分析结果得到各险态场景典型画像如
场景要素 | 避险接管 | 信任接管 | 优化接管 | ||
---|---|---|---|---|---|
安全员 | 安全员精神状态 | 谨慎 | 正常 | 放松 | |
安全员动作 | 进行制动并不断观测后视镜 |
转动方向盘 或双手放置方向盘但无操作 | 加速并观测后视镜 | ||
测试车 | 车辆速度 | 减速 | 减速或不变 | 加速 | |
交通及环境要素 | 测试区域 | 城市路及快速路 | 快速路或厂区道路 | 快速路 | |
路段 | 曲线段、直线段 | 交叉口、合流主线及收费口 | 匝道、分流主线 | ||
限速/(km· | ≥80 | [40,80) | [40,80) | ||
车道数 | ≥4 | ≥3 | 2 | ||
道路设施情况 | 设施整体情况 | 良好 | 差 | 中 | |
标志标线 | 充分 | 一般 | 充分 | ||
道路平整度 | 平整 | 一般 | 一般 | ||
坡度 | 无坡度 | 无坡度 | 有坡度 | ||
中央分隔带类型 | 物理隔离 | 中间划线 | 物理隔离 | ||
交通流情况/(pcu· | ≥300 | [20,300) | <20 | ||
周边车辆状况 | 周边车辆超车或前方车辆制动 | 无车辆或周边车辆变道 | 无车辆 | ||
周边车辆数量(安全车距内) | ≥3 | (0,3) | 0 | ||
天气状况 | 阴天 | 晴天 | 多云或雨天 | ||
日夜状况 | 夜间 | 日间 | 夜间 | ||
碰撞风险 | 是否存在碰撞风险 | 是 | 否 | 否 |
避险接管与信任接管场景下的接管干预存在必要性,而优化接管不论接管目的还是场景画像均体现不出接管干预的绝对必要性。本文主要面向避险接管与信任接管场景进行仿真推演和智能行驶水平评价。
以避险与信任接管两类险态场景下的场景要素及接管干预前的实测数据作为仿真场景构建中场景属性值进行输入。初始设置:信任接管场景下,自动驾驶车辆行驶在快速路最左侧车道,当前车道前方存在低速行驶车辆,右侧相邻车道存在并行车辆以及前方存在较高速行驶的车辆;避险接管场景下,自动驾驶车辆行驶在快速路最左侧车道,周边与前方均有多辆人工驾驶车辆。仿真场景中不设置安全员接管操作,由自动驾驶车辆以自动驾驶模式行驶全程。参数设置:仿真步长0.05 s。仿真测试结果输出数据包括每一次具体场景测试中碰撞的有无、自动驾驶车辆和环境车辆的20 Hz实时坐标、速度、加速度、角度等。
自动驾驶路测中车辆在快速路主路行驶,经过合流段被安全员接管并平稳通过。在反事实推断过程中,自动驾驶小客车在交汇中变道后平稳行驶过合流区,但自动驾驶卡车避让失败并与人工车辆发生了碰撞(

图3 信任接管场景中车辆合流处示意图
Fig. 3 Diagram of vehicle confluence in trust takeover scenario

图4 信任接管场景中车辆速度
Fig. 4 Vehicle speed results in trust takeover scenario
自动驾驶路测中快速路车流量较高,当车辆前方存在低速车辆或周边车辆超车时,安全员会发起接管并制动以平稳行驶。在反事实推断过程中,自动驾驶小客车与卡车两种车型均安全驶过该路段(

图5 避险接管场景中车辆仿真推演示意
Fig. 5 Diagram of vehicle confluence in risk avoidance takeover scenario

图6 避险接管场景中车辆速度
Fig. 6 Vehicle speed results in risk avoidance takeover scenario

图7 信任接管场景安全度评价分项指标
Fig. 7 Safety evaluation index in trust takeover scenario

图8 信任接管场景效率度评价分项指标
Fig. 8 Efficiency evaluation index in trust takeover scenario

图9 信任接管场景舒适度评价分项指标
Fig. 9 Comfort evaluation index in trust takeover scenario

图10 避险接管场景安全度评价分项指标
Fig. 10 Safety evaluation index in risk avoidance takeover scenario

图11 避险接管场景效率度评价分项指标
Fig. 11 Efficiency evaluation index in risk avoidance takeover scenario

图12 避险接管场景舒适度评价分项指标
Fig. 12 Comfort evaluation index in risk avoidance takeover scenario
本研究分析自动驾驶路测安全员接管干预情景并辨析险态场景,以实测数据驱动,构建自动驾驶路测险态场景OpenCDA联合仿真推演架构,并提出自动驾驶智能行驶水平评价指标。分析表明:
(1)自动驾驶路测险态场景的要素特征存在显著差异性,主要分为信任接管、避险接管及优化接管。
(2)针对安全员接管干预导致车辆轨迹数据出现断点和缺失的问题,以自动驾驶实测数据驱动,基于自动驾驶车辆在对应险态场景中不接管运行的反事实推断方法开展仿真推演,可较好的地实现自动驾驶险态场景下建模与评价。
(3)融合自动驾驶路测实际数据与险态场景仿真推演,从安全、效率、舒适度等多维度评价自动驾驶路测险态场景下智能行驶水平,可综合表征自动驾驶车辆的实际智能行驶水平。
研究成果可为提升自动驾驶路测评价的可解释性和有效性提供支撑,具有较好的实际应用价值。后续研究中,将进一步扩展数据和仿真的覆盖度;同时,随着车辆学习算法的提升与开源,可基于不同等级(L0~L5)自动驾驶车辆的道路测试数据,定量化评价各等级自动驾驶车辆的智能行驶水平。
作者贡献声明
涂辉招:总体架构,研究方法,结果讨论,论文润色。
刘建泉:研究方法,思路梳理,结果分析,结论总结。
卫雨桐:研究思路,指标确定,研究方法,论文润色。
王万锦:数据处理,模型构建,实证分析,文献综述。
郭静秋:数据处理,平台搭建,研究方法,结果讨论。
汪 敏:仿真分析,平台搭建,模型验证,文献综述。
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