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自動(dòng)駕駛仿真的挑戰(zhàn)

當(dāng)前已經(jīng)有越來(lái)越多的組織機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)到自動(dòng)駕駛仿真的重要性。但想讓仿真充分發(fā)揮價(jià)值，依然面臨著許多挑戰(zhàn)。解決其中的大部分挑戰(zhàn)也構(gòu)成了自動(dòng)駕駛仿真工程師的日常工作。

附贈(zèng)自動(dòng)駕駛學(xué)習(xí)資料和量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)：鏈接

Reality?gap

Gap1：仿真對(duì)物理現(xiàn)實(shí)的表現(xiàn)是不充分的。舉個(gè)典型例子，在針對(duì)感知系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯，是否需要保證渲染圖像/點(diǎn)云和現(xiàn)實(shí)世界的高度一致性？由仿真合成的圖像/點(diǎn)云等用于訓(xùn)練對(duì)應(yīng)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是否能有效提高性能？

保持高度一致性需要非常高的成本。為了規(guī)避較高成本，目前也有一部分相關(guān)研究工作。典型的如百度的AADS（虛實(shí)結(jié)合）、谷歌的SurfelGAN（以GAN為代表的一系列工作）等。

**Gap2：**考慮所有相關(guān)的物理現(xiàn)象很有挑戰(zhàn)性。舉部分典型例子，簡(jiǎn)單車輛模型如果沒(méi)有包含輪胎模型，在較高速度下如何考慮轉(zhuǎn)向以及加減速等行為？如何建模隨機(jī)過(guò)程(如信號(hào)噪聲)并將這些模型作為一個(gè)整體集成到仿真中？如何將V2X仿真與物理地形仿真集成在一起？

解決這些問(wèn)題，要開(kāi)源節(jié)流。例如，感知渲染做不好，從工程的角度，可以考慮把仿真重心放在決策規(guī)劃和控制上，而感知測(cè)試的重心可暫時(shí)放在回放型仿真上，這算節(jié)流?；蛘叻抡婀こ處熆稍谝延械膅ap下，通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，以及一些交叉驗(yàn)證手段來(lái)覆蓋掉gap，這算開(kāi)源。

總的來(lái)說(shuō)，若系統(tǒng)在仿真環(huán)境和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境之間的表現(xiàn)差異太大，必須仔細(xì)分析造成差異的關(guān)鍵矛盾。如果該矛盾在短期內(nèi)因?yàn)榭陀^原因不能解決，則需果斷調(diào)整重心。仿真非常有用，但不是測(cè)試過(guò)程的萬(wàn)能藥，為了仿真而仿真是沒(méi)什么意義的。

Complexity?&?Lack?&?Business

復(fù)雜性表征在兩個(gè)方面。其一，自動(dòng)駕駛軟件本身的多樣性；其二，單個(gè)仿真軟件的功能復(fù)雜性以及針對(duì)特定系統(tǒng)和特定軟件開(kāi)發(fā)仿真接口的復(fù)雜性。

當(dāng)前的自動(dòng)駕駛仿真軟件確實(shí)很多了。VTD、Prescan、51Simone、Panosim、CARLA、Airsim、Lgsvl、DeepDrive、Carsim、CarMaker、rFPro；甚至Matlab/Simulink、GTA-5、Gazebo都可用于自動(dòng)駕駛仿真。每個(gè)仿真軟件都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，如果面對(duì)具體測(cè)試需求不斷切換要使用的模擬器，無(wú)疑會(huì)增加很多學(xué)習(xí)成本。此外，面向同一被測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)不同自動(dòng)駕駛仿真軟件，往往需要開(kāi)發(fā)不同的仿真接口，這也需要較高的時(shí)間成本。如此之多的仿真套件也不利于工程師日常維護(hù)，進(jìn)而在開(kāi)展工程級(jí)別的大規(guī)模仿真測(cè)試會(huì)有較多掣肘。

如果有一款足夠完美的自動(dòng)駕駛仿真軟件是不是就一勞永逸了呢？話雖如此，但實(shí)際情況沒(méi)這么簡(jiǎn)單。

首先，從功能來(lái)說(shuō)，目前很難說(shuō)有一款公認(rèn)的足夠完美的自動(dòng)駕駛仿真軟件。大部分軟件都還不能同時(shí)支持以下列舉的全部功能：

由于可能破壞物理引擎的穩(wěn)定性無(wú)法提供高于實(shí)時(shí)的模擬速度； 不支持高效的無(wú)GUI運(yùn)行(headless?execution)模式進(jìn)而影響自動(dòng)化測(cè)試等； 建?；趶?fù)雜多維真實(shí)交通行為的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景時(shí)需要較高數(shù)據(jù)成本以及專業(yè)知識(shí)； 構(gòu)建大規(guī)模真實(shí)、異構(gòu)靜態(tài)場(chǎng)景時(shí)需要較高時(shí)間成本； 適配多種場(chǎng)景語(yǔ)言（或者說(shuō)，將場(chǎng)景編碼為場(chǎng)景語(yǔ)言）時(shí)，需要較高的時(shí)間成本； 不支持多agent聯(lián)合仿真以及跨多臺(tái)機(jī)器仿真會(huì)話有效分發(fā)； 不支持大規(guī)模場(chǎng)景（整個(gè)市區(qū)級(jí)）（此需求合理性有待討論）； 其他待補(bǔ)充

不可否認(rèn)，對(duì)有些自動(dòng)駕駛仿真領(lǐng)域的深耕玩家而言，以上功能都已直接間接得開(kāi)發(fā)成熟。但在實(shí)際進(jìn)行研發(fā)時(shí)，還必須考慮軟件使用的經(jīng)濟(jì)成本、所用數(shù)據(jù)安全性、仿真與基礎(chǔ)架構(gòu)的契合度（與數(shù)據(jù)閉環(huán)的契合度）。

因此部分機(jī)構(gòu)還是會(huì)去獨(dú)立開(kāi)發(fā)完善一個(gè)仿真系統(tǒng)。此時(shí)，以上提到的相應(yīng)功能開(kāi)發(fā)也正是自動(dòng)駕駛仿真工程師可能的部分日常工作。

Reproducibility

**可復(fù)現(xiàn)性，某種角度上也叫仿真結(jié)果的確定性，包括兩個(gè)方面，由仿真到現(xiàn)實(shí)的可復(fù)現(xiàn)性和仿真本身的可復(fù)現(xiàn)性。需要注意的是，**前者是可復(fù)現(xiàn)性的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要通過(guò)精心處理Reality?gap?解決，這里只是說(shuō)說(shuō)相對(duì)容易被忽略的后者。

MIL、SIL、HIL、VIL，無(wú)論是哪種仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果都可能存在一定噪聲。表現(xiàn)在采用同一組場(chǎng)景，重復(fù)運(yùn)行多次，評(píng)價(jià)指標(biāo)值會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)作為CPS系統(tǒng)的一種，相應(yīng)的仿真結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)是正常的。由于波動(dòng)出現(xiàn)的原因受眾多較難追溯的因素影響（線程不穩(wěn)定性、信息傳輸幀率、指標(biāo)本身的高度非線性），因此需要精確建模噪聲并定量分析的可能性較小。一種可行方法是通過(guò)多次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，采用平均值等統(tǒng)計(jì)處理手段嘗試定性解決這個(gè)問(wèn)題。

在一定程度上保障了系統(tǒng)的可復(fù)現(xiàn)性，就可以知道對(duì)代碼所做的更改是否修復(fù)了問(wèn)題，進(jìn)而有利于測(cè)試自動(dòng)化和CI，規(guī)避假陰性和假陽(yáng)性的結(jié)果。

在可復(fù)現(xiàn)性的相關(guān)方面，商業(yè)仿真軟件應(yīng)有更大的優(yōu)勢(shì)。

CI

在CI中集成仿真是大勢(shì)所趨。但其會(huì)受到以下特性影響。

模擬器可靠性。CI的挑戰(zhàn)之一是仿真軟件本身的可靠性。在自動(dòng)化中使用仿真軟件時(shí)，可能有意外的崩潰、時(shí)間和同步問(wèn)題。

接口穩(wěn)定性。自動(dòng)駕駛仿真軟件接口的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)自動(dòng)化過(guò)程產(chǎn)生重大影響，因?yàn)椴灰恢碌?、不穩(wěn)定的、脆弱的仿真軟件接口可能會(huì)導(dǎo)致客戶端應(yīng)用程序出現(xiàn)故障。這里需要做大量的工程工作，來(lái)不斷開(kāi)發(fā)并維護(hù)仿真接口。

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