dSPACE：自動(dòng)駕駛仿真——從SIL到HIL到云仿真

dSPACE提供從準(zhǔn)備階段、仿真階段到驗(yàn)證階段的一站式端到端的仿真驗(yàn)證工具鏈，幫助客戶完成仿真內(nèi)容。

dSPACE自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)高級(jí)經(jīng)理張子恒表示，dSPACE云仿真方案的大規(guī)模仿真核心是仿真，SIMPHERA的主要優(yōu)點(diǎn)包括SIMPHERA通過了ISO26262認(rèn)證，并可用于SOTIF測(cè)試；可部署在公有云，私有云，混合云及本地服務(wù)器上；大規(guī)模集群測(cè)試，覆蓋數(shù)以萬計(jì)的測(cè)試場(chǎng)景；輕量化網(wǎng)頁(yè)版操作界面無需軟件的安裝，隨時(shí)隨地完成測(cè)試部署和監(jiān)控，方便跨地域團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行仿真；開放的API接口支持CI/CD開發(fā)流程及自動(dòng)化測(cè)試。SIMPHERA的工作流程包括創(chuàng)建、導(dǎo)入和集成，完成部署和調(diào)試，進(jìn)行集群測(cè)試和數(shù)據(jù)測(cè)試。

張子恒 | dSPACE自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)高級(jí)經(jīng)理

以下為演講內(nèi)容整理：

dSPACE是一家來自德國(guó)的家族企業(yè)，成立于1988年，在行業(yè)有超過三十年的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也是一家做電機(jī)電控起家的公司。dSPACE是硬件在環(huán)（HIL）及快速原型領(lǐng)域的世界第一。截止到2023年初，出貨量在五萬臺(tái)左右。dSPACE在全球有超過2400名員工，其中70%-80%都是工程師和軟件專家，dSPACE以技術(shù)為導(dǎo)向，深耕行業(yè)三十年，一直在與時(shí)俱進(jìn)。

dSPACE端到端的仿真驗(yàn)證工具鏈

dSPACE自動(dòng)駕駛端到端解決方案從前期開始做數(shù)據(jù)采集，通過快速原型系統(tǒng)、代碼生成、場(chǎng)景生成及仿真、基于場(chǎng)景的測(cè)試，以及數(shù)據(jù)標(biāo)注、數(shù)據(jù)回放測(cè)試、SIL及HIL測(cè)試、網(wǎng)聯(lián)測(cè)試，完成法規(guī)測(cè)試驗(yàn)證，以及下線檢測(cè)及傳感器測(cè)試、定期測(cè)試，全程陪伴客戶完成自動(dòng)駕駛功能的開發(fā)。

圖源：嘉賓演講材料

基于路采數(shù)據(jù)去做訓(xùn)練和驗(yàn)證，會(huì)有非常多的corner case并不能被完全覆蓋。就需要用仿真來完成部分訓(xùn)練和驗(yàn)證。自動(dòng)駕駛的仿真根據(jù)被測(cè)對(duì)象或者開發(fā)階段的不同，可以分為軟件在環(huán)仿真、硬件在環(huán)仿真及云仿真。軟件在環(huán)仿真，就是針對(duì)軟件系統(tǒng)或自動(dòng)駕駛軟件包做相關(guān)的測(cè)試；下一步是硬件在環(huán)仿真，此時(shí)軟件已經(jīng)被部署在硬件控制器上，就需要對(duì)控制器做相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證；云仿真是為了加速多節(jié)點(diǎn)并發(fā)仿真速率測(cè)試。無論是SIL、HIL還是云仿真，dSPACE所有的工具鏈和軟件都可以進(jìn)行復(fù)用，也是dSPACE獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)?？梢詷O大的提高客戶工作效率及開發(fā)速度。

dSPACE 端到端的仿真驗(yàn)證工具鏈將分為三個(gè)階段，準(zhǔn)備階段、仿真階段及驗(yàn)證階段。

在準(zhǔn)備階段是做場(chǎng)景仿真，場(chǎng)景有以下的三種獲取方式，第一種方式是可以通過dSPACE的場(chǎng)景編輯工具M(jìn)odelDesk做場(chǎng)景編輯，生成所需要的場(chǎng)景，好處是只需要編輯就可以獲取任意需要的場(chǎng)景，劣勢(shì)是由于工作量大導(dǎo)致效率不會(huì)很高，因?yàn)樾枰謩?dòng)搭建場(chǎng)景；第二種方式是可以基于真實(shí)路采數(shù)據(jù)做場(chǎng)景生成，基于標(biāo)注好的數(shù)據(jù)，做場(chǎng)景描述和生成，也可以泛化出各種各樣的數(shù)據(jù)完成后面的測(cè)試；第三種方式是通過市面上的場(chǎng)景內(nèi)容提供商，提供這種open系列的格式。比如OpenDRIVE 和 OpenSCENARIO的導(dǎo)入，dSPACE支持場(chǎng)景庫(kù)導(dǎo)入場(chǎng)景編輯工具中，只需要對(duì)這個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行編輯或進(jìn)行后續(xù)泛化，就可以使用了。

接下來是仿真環(huán)節(jié)。首先是車輛和交通流模型，dSPACE的ASM在業(yè)內(nèi)有非常悠久的歷史，現(xiàn)在各大主機(jī)廠都有用ASM做車輛模型、動(dòng)力學(xué)模型和底盤模型，也得到了很多認(rèn)證和認(rèn)可。ASM準(zhǔn)確性非常高，以車輛動(dòng)力學(xué)模型為例，dSPACE會(huì)提供多動(dòng)力、多自由度的車輛動(dòng)力學(xué)模型，超過了26個(gè)自由度，與此同時(shí)，車輛的不同類型，比如小車、大巴、中巴等都可以做相關(guān)仿真?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)和圖像對(duì)比看出具備準(zhǔn)確性。

圖源：嘉賓演講材料

完成動(dòng)力學(xué)仿真后，接下來就是做傳感器仿真。自動(dòng)駕駛傳感器仿真具有特殊性，不能只仿真目標(biāo)列表的數(shù)據(jù)，而是需要做物理級(jí)建模，去仿真?zhèn)鞲衅鞯脑紨?shù)據(jù)。因此傳感器的物理模型表現(xiàn)就需要在仿真里體現(xiàn)，外界環(huán)境的改變，包括下雨、光線不好都會(huì)對(duì)仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)生交互和影響。

圖源：嘉賓演講材料

完成傳感器仿真后，就需要考慮仿真環(huán)節(jié)的最后一步，待測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)待測(cè)對(duì)象的不同，或測(cè)試不同的階段，可以把待測(cè)對(duì)象分為不同的種類，比如做SIL時(shí)，待測(cè)對(duì)象就是自動(dòng)駕駛軟件包或算法，做HIL的待測(cè)對(duì)象則是真實(shí)的控制器。

SIL是對(duì)自動(dòng)駕駛的算法或軟件做相關(guān)測(cè)試，是比較早期的測(cè)試，在這種沒有硬件的情況下，就需要真實(shí)的模擬控制器的行為。dSPACE提供了虛擬ECU的選項(xiàng)，就是將真實(shí)的控制器進(jìn)行虛擬化，將控制器里的runtime或基礎(chǔ)軟件層進(jìn)行虛擬化，讓早期SIL中待測(cè)對(duì)象的行為與真實(shí)控制器的行為盡量保持一致，仿真才是準(zhǔn)確的。對(duì)于不同種類的控制器，包括AUTOSAR（CP ,AP）、NON-AUTOSAR、ROS、 Apollo都可以進(jìn)行虛擬化。

圖源：嘉賓演講材料

以CP AUTOSAR為例，分為上層應(yīng)用層、RTE層，及下層基礎(chǔ)軟件層。控制器虛擬化就會(huì)虛擬出MCAL里與硬件的交互，以及OS里的時(shí)間調(diào)度。其他的則是客戶真實(shí)的代碼。也就是后面做測(cè)試需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。

dSPACE提供不同級(jí)別的控制器虛擬化選項(xiàng)，從第一級(jí)別、第二級(jí)別到第三級(jí)別。

圖源：嘉賓演講材料

AP AUTOSAR虛擬化的過程同樣會(huì)補(bǔ)足虛擬操作系統(tǒng)，上面所有的代碼都是客戶真實(shí)的待測(cè)對(duì)象。

dSPACE還提供了另一種選項(xiàng)叫做SystemDesk，客戶只需要提供其描述文件，就可以進(jìn)行虛擬控制器的一鍵生成，完成后仿真部分就全部結(jié)束了。dSPACE提供了自動(dòng)化的測(cè)試工具來做自動(dòng)化測(cè)試。

無論是SIL或是HIL，所有的軟件工具鏈都是剛才展示的這一系列軟件，從前期的場(chǎng)景仿真、車輛動(dòng)力學(xué)仿真、傳感器仿真，到后面的自動(dòng)化的測(cè)試，所有的軟件工具鏈都是通用的。對(duì)于HIL來說有兩點(diǎn)不同，第一是因?yàn)榇郎y(cè)對(duì)象是真實(shí)控制器，就不需要再做ECU的虛擬化；第二是剛才展示的一系列軟件的運(yùn)行平臺(tái)要從純軟件的SIL平臺(tái)切換成硬件SIL的運(yùn)行平臺(tái)。就可以完成從SIL到HIL的無縫切換。

dSPACE云仿真方案

云仿真和SIL、HIL是一脈相承的。為什么要做云仿真技術(shù)？因?yàn)樽詣?dòng)駕駛的長(zhǎng)尾效應(yīng)，會(huì)有千千萬萬的待測(cè)案例出現(xiàn)。如果用HIL做測(cè)試，一次只能跑一個(gè)測(cè)試用例，如果需要多個(gè)測(cè)試用例并行去跑，就是一筆非常大的投資。所以dSPACE引入了云仿真技術(shù)。

圖源：嘉賓演講材料

SIMPHERA具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，SIMPHERA是市面上為數(shù)不多通過ISO26262認(rèn)證，并可用于SOTIF測(cè)試的軟件；可部署在公有云，私有云，混合云及本地服務(wù)器上；大規(guī)模集群測(cè)試，覆蓋數(shù)以萬計(jì)的測(cè)試場(chǎng)景；輕量化網(wǎng)頁(yè)版操作界面無需軟件的安裝，隨時(shí)隨地完成測(cè)試部署和監(jiān)控，方便跨地域團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行仿真；開放的API接口支持CI/CD開發(fā)流程及自動(dòng)化測(cè)試。

SIMPHERA的工作流程也是三個(gè)階段，準(zhǔn)備、仿真及驗(yàn)證階段。SIMPHERA的區(qū)別主要在于準(zhǔn)備階段，其車輛動(dòng)力學(xué)仿真、傳感器仿真、虛擬ECU等都是在仿真階段完成的。SIMPHERA在第一步準(zhǔn)備階段就需要完成創(chuàng)建、導(dǎo)入和集成；仿真階段主要是將它部署在云上做一次測(cè)試用例的跑通，去確保其整個(gè)環(huán)境或整個(gè)設(shè)置是正確的；驗(yàn)證階段，驗(yàn)證階段就是去做大規(guī)模的集群測(cè)試，輸出基于python的報(bào)告，可以通過REST-API進(jìn)行修改，然后完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析、調(diào)試，及反饋更新等。

以低級(jí)別的L2級(jí)別仿真測(cè)試用例，因?yàn)長(zhǎng)2級(jí)別的仿真測(cè)試一般專注于規(guī)控測(cè)試，所以在做傳感器仿真時(shí)不需要仿真原始的傳感器數(shù)據(jù)，只需要仿真目標(biāo)列表的數(shù)據(jù)，將車輛動(dòng)力學(xué)、虛擬的ECU全部打包到一個(gè)Docker里面進(jìn)行相關(guān)仿真就可以。如果是高級(jí)別的自動(dòng)駕駛仿真，例如感知追蹤測(cè)試，就需要消耗相關(guān)的GPU資源了，在云上的GPU會(huì)做相關(guān)的資源分配，然后將其封裝成三個(gè)不同的Docker做相關(guān)仿真。

dSPACE基于AEB的邏輯場(chǎng)景測(cè)試，是將真實(shí)數(shù)據(jù)生成測(cè)試場(chǎng)景，進(jìn)行AEB測(cè)試。通過不同速度的測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試。HIL完成一個(gè)測(cè)試用例需要15秒，如果要做120條測(cè)試用例的執(zhí)行消耗時(shí)間會(huì)非常多，如果做云上仿真，一分鐘就可以完成120條測(cè)試用例的執(zhí)行并輸出相關(guān)的報(bào)告。如果需要更快的測(cè)試用例，只需要分配更多的仿真節(jié)點(diǎn)就可以了。因?yàn)樵粕系挠?jì)算資源是無限的。

HIL一直是dSPACE的強(qiáng)項(xiàng)。SIMPHERA的概念就是希望萬物互聯(lián)，萬物上云，用云仿真去加速SIL和HIL的仿真速度，更好更快的為主機(jī)廠和客戶朋友進(jìn)行服務(wù)。

dSPACE希望助力更多的客戶和主機(jī)廠完成仿真驗(yàn)證及測(cè)試，也希望dSPACE能助力行業(yè)，幫助自動(dòng)駕駛更快更好的落地。

（以上內(nèi)容來自dSPACE自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)高級(jí)經(jīng)理張子恒于2023年6月15-16日在2023第六屆自動(dòng)駕駛與人機(jī)共駕論壇發(fā)表的《自動(dòng)駕駛仿真：從SIL到HIL到云仿真》主題演講。）