基于LTE-V2X車路協(xié)同技術(shù)仿真驗(yàn)證方法的研究

胡鑫 姜君 苑壽同

摘要

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是我國戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)支持領(lǐng)域。車路協(xié)同技術(shù)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的重要應(yīng)用方向和基礎(chǔ)支撐。車路協(xié)同仿真驗(yàn)證技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)智能化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及示范應(yīng)用開展的重要保障。分析了車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展的重要意義，研究了車路協(xié)同系統(tǒng)整體組成，軟件仿真、硬件在環(huán)仿真以及整車在環(huán)仿真驗(yàn)證的仿真架構(gòu)、設(shè)計方案及常用工具，提出了車路協(xié)同系統(tǒng)驗(yàn)證在協(xié)議一致性及應(yīng)用功能驗(yàn)證層面存在的問題，總結(jié)了車路協(xié)同系統(tǒng)驗(yàn)證方法的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞

智能網(wǎng)聯(lián)汽車;車路協(xié)同;軟件仿真;硬件在環(huán)仿真

0 前言

車路協(xié)同系統(tǒng)（CVIS）是基于車際網(wǎng)、傳感探測技術(shù)獲取車輛和道路信息，并通過車車、車路信息交互和共享，實(shí)現(xiàn)車輛和交通基礎(chǔ)設(shè)施之間的智能協(xié)同感知與配合，從而達(dá)到優(yōu)化交通系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標(biāo)[1]。車路協(xié)同是車聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用方向和技術(shù)支撐。當(dāng)前，基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的車路協(xié)同技術(shù)正處于規(guī)?；瘻y試和驗(yàn)證階段，技術(shù)人員依托智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范區(qū)及車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)，在全國范圍內(nèi)開展了圍繞標(biāo)準(zhǔn)制定、研發(fā)測試、示范應(yīng)用、商業(yè)落地等活動，對該技術(shù)進(jìn)行了探索。車路協(xié)同技術(shù)在大規(guī)模實(shí)際商業(yè)化推廣應(yīng)用之前，需要在實(shí)際的道路交通場景下進(jìn)行廣泛的測試，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。但這些測試場景成本高，具有一定危險性，重復(fù)性較差。因此，測試評價是開展車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用不可或缺的重要環(huán)節(jié)，也是車聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及裝備進(jìn)行大規(guī)模部署，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用的重要手段[2]。盡管現(xiàn)場操作測試和大規(guī)模部署已經(jīng)在進(jìn)行，但是LTE-V2X車聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和性能評估仍然需要進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

1 車路協(xié)同系統(tǒng)仿真技術(shù)

車路協(xié)同系統(tǒng)包括車端、路端及云端。其中，車端主要是指安裝在車輛上的車載終端，可以實(shí)時獲取車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與路端、云端通過通信網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)。路端是指安裝在激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、邊緣計算單元、路側(cè)單元等設(shè)備的具備感知、處理和決策能力的智能化路側(cè)系統(tǒng)。云端是指可以實(shí)時采集車輛、道路及設(shè)備數(shù)據(jù)的云控平臺。車路協(xié)同仿真技術(shù)重點(diǎn)模擬的是車端與路端的信息交互及應(yīng)用場景的實(shí)現(xiàn)。車路協(xié)同系統(tǒng)仿真屬于多系統(tǒng)仿真，涉及交通仿真、信息交互、測試、驗(yàn)證等問題?；诜抡骝?yàn)證目的不同，車路協(xié)同系統(tǒng)可以分為軟件仿真、硬件在環(huán)仿真和整車在環(huán)仿真。

1.1 軟件仿真

軟件仿真是新技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和迭代的重要手段。車路協(xié)同軟件仿真驗(yàn)證可以對車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行快速驗(yàn)證。車路協(xié)同軟件仿真一般由交通仿真和通信仿真組成。交通仿真器主要用于生成逼真的車輛運(yùn)行軌跡，并將其用于網(wǎng)絡(luò)仿真器的輸入。常見的交通仿真器軟件有SUMO、PRESCAN、CARSIM、VISSIM、TRANSIM等。網(wǎng)絡(luò)仿真器主要用于實(shí)現(xiàn)面向車聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議棧，包括節(jié)點(diǎn)之間的交通數(shù)據(jù)傳輸、接收，以及后臺負(fù)載、路由、鏈路和信道進(jìn)行報文級別的仿真。網(wǎng)絡(luò)仿真器包括QualNet、NS-2、NS-3、OPNET、OMNeT++等。

SCHILLER[3]提出了使用車載隨意移動網(wǎng)絡(luò)（VANET）的模擬方法進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)及功能驗(yàn)證。RIEBL[4]使用OMNeT++網(wǎng)絡(luò)仿真工具搭建車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信模擬環(huán)境，采用SUMO軟件提供車輛運(yùn)動軌跡。技術(shù)人員通過這種測試環(huán)境可以模擬各種交通場景，并用于評估交通狀況對通信信道的負(fù)載情況。但是，該測試環(huán)境與供應(yīng)商提供的不同智能交通設(shè)備之間的兼容性欠佳。MATH等[5]針對交通密度和應(yīng)用需求這2個層面，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)模擬器（NS-3）和交通模擬器（SUMO）聯(lián)合仿真環(huán)境，對公路場景進(jìn)行了仿真。CHOUDHURY[6]設(shè)計了可以進(jìn)行通信協(xié)議和應(yīng)用程序的仿真環(huán)境，其中主要分為3個部分：交通仿真器使用的是VISSIM軟件;網(wǎng)路仿真器使用的是NS-3;應(yīng)用算法模塊采用的是MATLAB軟件。這種仿真環(huán)境是基于純軟件模擬，無法對物理通信過程進(jìn)行測試，只能進(jìn)行應(yīng)用程序的核心算法及功能測試驗(yàn)證。軟件仿真驗(yàn)證環(huán)境搭建較為容易，且其成本低，功能可擴(kuò)展性強(qiáng)。但是，如果建立的模型與實(shí)際環(huán)境差異較大，僅依靠交通仿真模型和信息通信模型進(jìn)行仿真，仿真驗(yàn)證的結(jié)果可能會出現(xiàn)錯誤。

1.2 硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真在傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域中使用廣泛，同樣也適用于車路協(xié)同系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。車路協(xié)同硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證向被測設(shè)備（DUT）提供車聯(lián)網(wǎng)仿真驗(yàn)證環(huán)境。NIRAV等[7]提出了OMNeT++HIL仿真的路由框架，檢測OMNeT++的實(shí)時行為，重點(diǎn)測試了當(dāng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)溟_始改變時的場景。鐘源[8]提出了基于Q-Paramics的交通環(huán)境搭建方法，并深入研究了針對功能測試、場景測試及全生命周期的車聯(lián)網(wǎng)仿真需求。第3代合作伙伴計劃（3GPP）提供了基于測試和測試控制表示法第3版（TTCN-3）與硬件系統(tǒng)模擬器相結(jié)合的測試系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)模擬器相當(dāng)于1個完全可控的通信設(shè)備，技術(shù)人員可以根據(jù)測試用例通過自動或手動模擬通信過程對被測設(shè)備進(jìn)行全面測試。WANG等[9]通過通信設(shè)備取代網(wǎng)絡(luò)模擬器，構(gòu)建實(shí)際的仿真架構(gòu)，其主要是由GNSS模擬器、V2X通信模塊、V2X仿真平臺、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）模擬器及通信接口組成。整個仿真架構(gòu)根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的不同分為2類，分別為由V2X仿真平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，并結(jié)合了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的模擬器數(shù)據(jù)及CAN模擬器數(shù)據(jù)（圖1）。該框架結(jié)合了實(shí)際通信模塊，但接口較為復(fù)雜，缺少驗(yàn)證結(jié)果的分析模塊。蔡之駿[10]提出基于SIMULINK軟件的V2X硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)。V2X設(shè)備通過CAN總線與仿真模型和車機(jī)顯示屏交互，模擬前裝車載單元（OBU）實(shí)車的工作環(huán)境，測試系統(tǒng)使用GNSS模擬器模擬真實(shí)全球定位系統(tǒng)（GPS）信號，實(shí)現(xiàn)軌跡模擬及時鐘同步，同時仿真系統(tǒng)加入駕駛模擬器，實(shí)現(xiàn)V2X駕駛員在環(huán)仿真。白杰文[11]采用了CarMaker軟件進(jìn)行仿真場景搭建，配置交通對象參數(shù)，設(shè)計人機(jī)交互（HDU）系統(tǒng)，采用地圖映射模型進(jìn)行軌跡仿真，開發(fā)車聯(lián)網(wǎng)在環(huán)仿真應(yīng)用測試方法和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)一致性測試方法。

1.3 整車在環(huán)仿真

在車輛動態(tài)特性及人機(jī)交互模擬等方面，軟件仿真和硬件在環(huán)仿真與實(shí)際狀態(tài)仍有較大差異。相對于封閉場地測試，整車在環(huán)測試結(jié)果與實(shí)際環(huán)境測試結(jié)果最為接近，且成本及危險性比實(shí)際環(huán)境測試驗(yàn)證要低得多。WANG[12]提出了1種平行測試方法，用于測試通信過程，以及在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。在該測試方法中，虛擬測試車輛通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)、傳感器模擬、映射模擬器等方式實(shí)現(xiàn)了與測試車輛及模擬駕駛艙的通信，以及虛擬環(huán)境車輛與真實(shí)環(huán)境車輛的互通。

2 仿真方法存在的問題

車路協(xié)同系統(tǒng)軟件、硬件在環(huán)及整車在環(huán)驗(yàn)證的核心內(nèi)容主要圍繞車路協(xié)同系統(tǒng)的協(xié)議一致性、應(yīng)用功能2個層面進(jìn)行分析。

協(xié)議一致性測試存在的問題主要有以下2方面。

（1） 缺乏自動化測試方案。C-V2X通信標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通信協(xié)議的一致性測試驗(yàn)證依賴大量測試案例，手動測試效率和準(zhǔn)確率方面存在問題，需要自動化測試系統(tǒng)支撐。自動化測試系統(tǒng)可以在較短時間進(jìn)行大量測試驗(yàn)證，節(jié)省時間且準(zhǔn)確率較高，但是需要另外開發(fā)自動化測試驗(yàn)證設(shè)備及測試軟件。測試過程越復(fù)雜，測試功能越豐富，開發(fā)量也就越大。

（2）測試用例標(biāo)準(zhǔn)有待完善。測試用例的數(shù)量，往往會對測試驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性起到關(guān)鍵的作用。測試用例不僅需要涵蓋標(biāo)準(zhǔn)涉及所有領(lǐng)域，而且需要根據(jù)特定的應(yīng)用場景測試特定細(xì)節(jié)內(nèi)容，如不同技術(shù)方案經(jīng)度和緯度的表示和單位的換算。當(dāng)前，通信協(xié)議主體框架雖然已經(jīng)確定，但仍存在一些描述模糊的內(nèi)容，需要規(guī)范和完善。

應(yīng)用功能仿真測試則需要重點(diǎn)關(guān)注以下2個方面的問題。① 測試系統(tǒng)時間同步問題。車輛在運(yùn)行過程中的速度較高，同時信息通訊頻率也較高，車輛與外界系統(tǒng)通信時間不同步將導(dǎo)致應(yīng)用程序錯誤。時間同步是測試系統(tǒng)構(gòu)建及驗(yàn)證過程中面臨的重要挑戰(zhàn)。② 通信系統(tǒng)模擬延時問題。測試系統(tǒng)構(gòu)建的通信模型，在仿真過程中會產(chǎn)生額外的延時，即模擬延時減去實(shí)際延時。如果存在較高的額外延時，通信模擬將不能反映實(shí)際情況。

3 結(jié)論

車路協(xié)同技術(shù)仿真驗(yàn)證方法是車聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模部署，是開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范應(yīng)用的重要手段。雖然基于實(shí)際道路環(huán)境的測試驗(yàn)證是最直接、最有效的測試方法，但是出于對成本及安全的考慮，基于仿真環(huán)境的測試驗(yàn)證方法具有不可替代的優(yōu)勢。本文分析了車路協(xié)同技術(shù)的軟件仿真、硬件在環(huán)仿真及整車在環(huán)仿真當(dāng)前的研究進(jìn)展和主要思路，總結(jié)了協(xié)議一致性和應(yīng)用功能驗(yàn)證方法存在的問題。智能化及網(wǎng)聯(lián)化并行發(fā)展是我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的技術(shù)路線。在國家政策的大力支持下，車路協(xié)同技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、測試驗(yàn)證及示范應(yīng)用將得到快速發(fā)展，測試驗(yàn)證技術(shù)作為重要的基礎(chǔ)共性技術(shù)，將不斷迭代，測試驗(yàn)證體系也將隨之不斷完善。

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