智能网联汽车预期功能安全测试评价关键技术

本书对各国智能网联汽车预期功能安全的相关政策、法规、标准、专利等前沿动态进行了调研与分析, 介绍了中国特色智能网联汽车预期功能安全场景库建设思路与建设现状, 探索了感知算法、决策算法、感知系统、定位系统、HMI 系统、控制系统的性能局限和功能不足触发条件、评价体系与测试方法等, 总结了针对具备典型的高、中、低速自动驾驶功能的高速巡航系统、城市巡航系统、自主代客泊车系统的功能定义与危害分析、量化评价、测试方法等内容。本书对于促进我国在智能网联汽车预期功能安全方面的研究和智能网联汽车行业的发展、培养汽车安全相关的专业人才具有重要的意义。

本书可供汽车行业、交通行业等行业人士参考阅读, 也适合在校本科、研究生、博士生及相关学历的从业者使用。

李骏，中国工程院院士，清华大学教授，中国汽车工程学会理事长。1989年毕业于吉林工业大学（现吉林大学），同年进入中国一汽集团长春汽车研究所工作，2000年后历任中国一汽技术中心总工程师、技术中心主任、集团公司副总工程师、中国一汽股份有限公司总工程师职务， 2018年3月入职清华大学车辆学院工作。曾获得国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，国家技术发明奖二等奖1项，中国汽车工业科技进步特等奖3项、一等奖2项，国家机械工业科技进步一等奖2项、二等奖1项，省部级一等奖1项，2012年荣获何梁何利科学与技术创新奖,2018年获FISITA杰出贡献奖。

王长君，公安部道路交通安全研究中心主任，研究员，博士生导师，道路交通集成优化与交通安全国家工程实验室主任。1985年毕业于南京工学院（现东南大学）无线电工程系，进入公安部交通管理科学研究所工作，1990年至1991年公派加拿大安大略省运输部进修学习，2020年调至公安部道路交通安全研究中心工作。兼任中国道路交通安全协会会长、中国智能交通协会副理事长。

程洪，电子科技大学机器人研究中心教授，人机智能技术与系统教育部工程研究中心主任，国家万人计划科技创新领军人才。主要研究领域为人工智能与机器人，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金项目共计10余项，编写教材与学术专著3部，发表论文120篇（其中SCI论文50余篇），授权专利80项，吴文俊人工智能科技进步奖一等奖1项。

王红，清华大学车辆与运载学院副研究员、智能出行所副所长，入选2020年中国科协青年人才托举工程。长期致力于自动驾驶决策与预期功能安全领域的研究工作，近五年在汽车领域高水平学术期刊及会议发表论文六十余篇。近年来主持或作为骨干参与研究项目十余项。目前担任CAICV-智能网联汽车预期功能安全工作组执行副组长及中国汽车工程学会青年工作委员会副秘书长职务，主要学术兼职包括IEEE Transactions on Vehicular Technology副主编，IEEE Transactions on Intelligent Vehicles副主编,Engineering 青年通讯专家、Automotive Innovation科学编辑等。

张玉新，吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室副教授。主要研究方向为智能运载工具安全系统工程，尤其是自动驾驶功能安全和预期功能安全。吉林大学系统工程博士后，合作导师为陈虹教授；吉林大学与加州大学伯克利分校车辆工程联合培养博士，师从郭孔辉院士与 Karl J Hedrick院士。国际标准ISO26262/21448/3450X 工作组成员， SAE J3187/UL4600/OpenX 标准工作组技术代表， SAE 自动驾驶安全技术委员会委员/论文主席/编委。依托国家自然科学基金、工信部及企业合作等项目，开展高级别自动驾驶系统安全领域的研究和实践。

陈君毅，博士，同济大学汽车学院讲师，硕士生导师。主要研究领域为自动驾驶系统仿真测试、自动驾驶汽车预期功能安全、自动驾驶汽车智能性和舒适性评价。主持和参与的国家十三五和十四五重点研发项目、国家自然基金项目，省部级项目及企业合作项目共计20余项，发表论文30余篇，申请发明专利20余件。

李红，国家智能网联汽车创新中心预期功能安全部部长，工学博士，高级工程师。主要研究领域为智能汽车安全驾驶分析、开发、测试验证等技术，承担或参与、省市级重点研发项目多项，发表论文10余篇，申报专利10余项，成果转化多项，为中国智能网联汽车产业创新联盟预期功能安全工作组秘书长及国内外多家期刊审稿人。

本书由中国工程院院士、清华大学教授、中国汽车工程学会理事长李骏，公安部道路交通安全研究中心主任王长君，电子科技大学机器人研究中心教授程洪主编

本书对于促进我国在智能网联汽车预期功能安全方面的研究和智能网联汽车行业的发展、培养汽车安全相关的专业人才具有重要的意义

图书特色

调研与分析了各国智能网联汽车预期功能安全的相关政策、法规、标准、专利等前沿动态

介绍了中国特色智能网联汽车预期功能安全场景库建设思路与建设现状

探索了感知算法、决策算法、感知系统、定位系统、HMI系统、控制系统的性能局限和功能不足触发条件、评价体系与测试方法等

总结了针对具备典型的高、中、低速自动驾驶功能的高速巡航系统、城市巡航系统、自主代客泊车系统的功能定义与危害分析、量化评价、测试方法等内容

智能网联汽车已成为全球汽车产业转型升级的重要战略方向。智能网联汽车的出现将对提升行车安全、改善交通环境效率、实施低碳出行产生巨大作用。回顾发展自动驾驶的初衷是降低94%驾驶人为失误导致的交通事故, 然而自动驾驶汽车在发展过程中仍存在感知、度量以及验证技术方面的难题, 又为人类带来新的交通事故。近年来多次严重交通事故暴露了预期功能安全问题的严峻性。自2016 年5 月以来, 已经发生多起车辆在辅助驾驶模式下与白色货车相撞的事故, 其中一种可能原因是感知系统错将白色车厢识别成了天空。此外, 近年来多次出现的辅助驾驶“幽灵感知” 事件(如进入隧道后感知到旁边有公交车驶过、在无人墓地感知到周围有行人走动等), 以及2021 年发生的车辆在城市领航状态下与高速公路养护车的碰撞事故。诸如此类, 均由于自动驾驶系统的性能局限与功能不足及合理可预见的人员误用, 属于典型的预期功能安全问题。智能汽车的预期功能安全问题如同新能源电动汽车的电池着火问题, 对人民生命财产安全至关重要。

当前国内外对智能网联汽车预期功能安全的研究尚处于起步阶段, 主要集中在讨论研究范畴及对内涵的理解, 本书主要介绍了智能网联汽车、预期功能安全的基本概念以及预期功能安全的研究现状, 并重点阐述了我国对算法级、部件级以及整车级预期功能安全测试评价进行的探索与研究, 本书的主要内容如下图所示。

本书主要基于中国智能网联汽车产业创新联盟智能网联汽车预期功能安全工作组的工作内容进行的扩展, 在此感谢清华大学、国汽(北京) 智能网联汽车研究院有限公司、公安部道路交通安全研究中心、中国汽车工程研究院股份有限公司、公安部交通管理科学研究所、电子科技大学、北京地平线机器人技术研发有限公司、中汽研汽车检验中心(天津) 有限公司、吉林大学、同济大学、上海交通大学、北京航空航天大学、中国一汽集团、合肥工业大学、浙江吉利汽车研究院有限公司、清华大学苏州汽车研究院、纽劢科技(上海) 有限公司、上海禾赛科技有限公司、禾多科技(北京) 有限公司、东风汽车集团有限公司、长安汽车股份有限公司、上海测迅汽车科技有限公司、广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院、千寻位置网络有限公司、安徽江淮汽车集团股份有限公司、上海机动车检测认证技术研究中心有限公司、华为技术有限公司、国汽智控(北京) 科技有限公司、上海智能网联汽车技术中心有限公司、重庆大学、北京理工大学、北京汽车股份有限公司、泛亚汽车技术中心有限公司、中国信息通信研究院、上海淞泓智能汽车科技有限公司、ANSYS 中国、北京航迹科技有限公司为本书的编写做出的贡献。

编　者

前　言

第1 章 概　述

1. 1　智能网联汽车简介/ 001

1. 1. 1　智能网联汽车的基本概念/ 001

1. 1. 2　智能网联汽车安全基础/ 004

1. 2　智能网联汽车预期功能安全基础概论/ 005

1. 2. 1　预期功能安全活动基本流程/ 005

1. 2. 2　预期功能安全研究面临的挑战/ 007

第2 章 预期功能安全国内外研究现状

2. 1　相关政策与标准/ 010

2. 1. 1　政策与法规/ 010

2. 1. 2　标准与规范/ 012

2. 2　预期功能安全测试评价相关技术研究现状/ 013

2. 2. 1　预期功能安全分析及风险评估/ 013

2. 2. 2　预期功能安全验证与确认/ 016

2. 2. 3　预期功能安全测试评价/ 023

第3 章 中国特色预期功能安全场景库研究

3. 1　预期功能安全场景架构/ 025

3. 1. 1　预期功能安全场景总体架构设计/ 025

3. 1. 2　预期功能安全静态场景七层架构/ 026

3. 1. 3　预期功能安全动态场景架构/ 029

3. 2　预期功能安全场景库建设思路/ 030

3. 2. 1　预期功能安全场景库建设方法/ 031

3. 2. 2　预期功能安全场景库场景管理/ 031

3. 2. 3　预期功能安全场景库用途/ 033

3. 3　预期功能安全场景库建设现状/ 033

3. 3. 1　分地域中国特色预期功能安全场景收集/ 033

3. 3. 2　预期功能安全测试用例生成/ 03

第4 章 算法级与部件级智能网联汽车预期功能安全测试评价研究

4. 1　感知系统预期功能安全探索与实践/ 036

4. 1. 1　感知系统预期功能安全研究现状/ 037

4. 1. 2　感知系统局限性与触发条件分析/ 048

4. 1. 3　感知系统预期功能安全评价体系研究/ 069

4. 1. 4　感知系统预期功能安全测试方法研究/ 082

4. 1. 5　感知系统性能局限改进措施研究/ 091

4. 2　感知算法预期功能安全探索与实践/ 093

4. 2. 1　感知算法局限性与触发条件分析/ 093

4. 2. 2　感知算法评价体系研究/ 095

4. 2. 3　感知算法预期功能安全测试方法研究/ 098

4. 2. 4　感知算法性能局限改进措施研究/ 101

4. 3　决策算法预期功能安全探索与实践/ 102

4. 3. 1　决策算法局限性与触发条件分析/ 103

4. 3. 2　决策算法测试评价场景研究/ 107

4. 3. 3　决策算法评价体系研究/ 112

4. 3. 4　决策算法预期功能安全测试方法研究/ 116

4. 4　定位系统预期功能安全探索与实践/ 119

4. 4. 1　定位系统局限性与触发条件分析/ 119

4. 4. 2　定位系统评价体系研究/ 123

4. 4. 3　定位系统预期功能安全测试方法研究/ 130

4. 4. 4　定位系统性能局限改进措施研究/ 139

4. 5　HMI 系统预期功能安全探索与实践/ 140

4. 5. 1　HMI 系统局限性与触发条件分析/ 141

4. 5. 2　HMI 系统评价体系研究/ 150

4. 5. 3　HMI 系统预期功能安全测试方法研究/ 151

4. 5. 4　HMI 系统性能局限改进措施研究/ 154

4. 6　控制系统预期功能安全探索与实践/ 155

4. 6. 1　控制系统局限性与触发条件分析/ 156

4. 6. 2　控制系统评价体系研究/ 161

4. 6. 3　控制系统预期功能安全测试方法研究/ 162

4. 6. 4　控制系统性能局限改进措施研究/ 166

第5 章 整车级智能网联汽车预期功能安全测试评价研究

5. 1　城市巡航系统预期功能安全探索与实践/ 168

5. 1. 1　功能定义与危害分析/ 169

5. 1. 2　典型场景选取/ 171

5. 1. 3　数据采集/ 174

5. 1. 4　量化评价体系/ 176

5. 1. 5　测试规程/ 177

5. 2　高速公路巡航系统预期功能安全探索与实践/ 181

5. 2. 1　功能定义与危害分析/ 181

5. 2. 2　典型场景选取与采集/ 186

5. 2. 3　数据采集/ 187

5. 2. 4　量化评价体系/ 187

5. 2. 5　测试规程/ 189

5. 3　自主代客泊车系统预期功能安全探索与实践/ 192

5. 3. 1　功能定义与危害分析/ 192

5. 3. 2　典型场景选取/ 199

5. 3. 3　数据采集/ 200

5. 3. 4　量化评价体系/ 202

5. 3. 5　测试规程/ 203

第6 章 总结与展望 207

附　录

附录A　预期功能安全相关专利汇总/ 209

附录B　静态场景要素七层架构具体信息/ 217

附录C　预期功能安全共享场景库部分测试用例展示/ 225

附录D　感知系统触发条件清单/ 232

附录E　感知系统触发条件与基础场景/ 235

附录F　感知系统预期功能安全测试用例清单/ 241

附录G　城市巡航系统预期功能安全典型测试用例/ 244

常用缩写词/ 251

参考文献/ 253