自動駕駛汽車是一種對安全性有極高要求的人工智能應用，但軟件都有漏洞，尋找那些可能導致致命危險的漏洞是至關(guān)重要的。來自弗吉尼亞大學和哥倫比亞大學的幾位研究者提出了一種自動測試深度神經(jīng)網(wǎng)絡自動駕駛汽車的方法 DeepTest，可以對自動駕駛系統(tǒng)進行更加全面的測試評估。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）近來的進展推動了 DNN 驅(qū)動的自動汽車的發(fā)展，這些汽車使用了相機、激光雷達等傳感器，無需人類干預也能自己駕駛。包括特斯拉、通用、福特、寶馬和 Waymo/谷歌在內(nèi)的最主要的制造商都正在研發(fā)和測試不同類型的自動汽車。包括加利福尼亞、德克薩斯和紐約在內(nèi)的美國多個州的立法者已經(jīng)通過了新的法規(guī)，以便加速在他們的道路上測試和部署自動汽車的進程。

但是，盡管 DNN 成績斐然，但就像傳統(tǒng)的軟件一樣，往往會表現(xiàn)出不正確的或非預期的極端案例行為，這些行為可能會導致潛在的致命撞車。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些涉及到自動駕駛汽車的車禍，包括一起出現(xiàn)了死亡的事故。對 DNN 驅(qū)動的汽車的大多數(shù)已有的測試技術(shù)都嚴重依賴于人工收集的不同駕駛條件下的測試數(shù)據(jù)，隨著測試條件的增多，這種收集方法的成本也會變得非常高昂。

在這篇論文中，我們設計、實現(xiàn)和評估了 DeepTest。這是一個系統(tǒng)性的測試工具，可用于自動檢測 DNN 驅(qū)動的汽車可能導致致命碰撞的錯誤行為。首先，我們的工具經(jīng)過設計可以自動生成測試案例，這種生成利用了駕駛環(huán)境的真實變化，比如雨、霧、光照條件等。通過生成能最大化激活神經(jīng)元數(shù)量的測試輸入，DeepTest 系統(tǒng)性地對 DNN 邏輯的不同部分進行了探索。在 Udacity 自動駕駛汽車挑戰(zhàn)賽中三個表現(xiàn)最好的 DNN 上，DeepTest 發(fā)現(xiàn)了不同現(xiàn)實駕駛條件（比如模糊、雨、霧等）下的數(shù)千種錯誤行為，其中很多都可能導致致命碰撞。

表 1：涉及自動汽車的真實事故案例

圖 1：DeepTest 在 Chauffeur DNN 中找到的一個危險的錯誤行為

圖 2：一個基本的自動駕駛汽車 DNN 以相機、光檢測和測距傳感器（激光雷達）、紅外傳感器為輸入，然后輸出轉(zhuǎn)向角度、剎車決策和加減速決策。這里給出的 DNN 本質(zhì)上是對的功能的建模，其中 θ 表示邊的權(quán)重，而 σ 是激活函數(shù)。右邊給出的是單個神經(jīng)元所執(zhí)行的計算的詳情。

圖 3：（上圖）一個簡化的 CNN 架構(gòu)，其中輸入圖像的左上部分是一個卷積核。然后同樣的過濾器（帶有相同權(quán)重的邊）會在整個輸入空間上移動，然后計算邊的權(quán)重和互連的神經(jīng)元的輸出之間的點積。（下圖）一個簡化的 RNN 架構(gòu)，它的隱藏層中存在循環(huán)。右邊展開的版本展示了這種循環(huán)可以如何讓該 RNN 在處理了一個輸入序列（即圖像）之后，根據(jù)這些圖像預測出要轉(zhuǎn)向的角度。

算法 1：用于結(jié)合圖像轉(zhuǎn)換的貪婪搜索，以增加神經(jīng)元覆蓋率

表 3：（左圖）用于評估 DeepTest 的 DNN 的細節(jié)。（右圖）這個 DNN 的輸出是調(diào)整自動駕駛汽車向前行駛的轉(zhuǎn)向角度。Udacity 自動駕駛汽車的最大轉(zhuǎn)向角度為 +/- 25 度。

圖4：由 DeepTest 使用合成圖像檢測到的錯誤行為的示例圖。原始圖像中的箭頭用藍色表示，而合成圖像中的箭頭是紅色的。