智能車路系統(tǒng)典型場景測試方法研究

和福建，田曉笛，孫文軍

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

智能車路系統(tǒng)（Intelligent Vehicle and Infrastructure System，IVIS）是以車和路的智能化為條件，強調(diào)車與路智能協(xié)同能力和服務(wù)水平的復(fù)雜系統(tǒng)。IVIS是智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）的重要子系統(tǒng)，是世界發(fā)達國家研究、發(fā)展和應(yīng)用的熱點。美國、日本、歐洲等國家已經(jīng)在智能車路系統(tǒng)領(lǐng)域開展了大量的研究，典型的項目有美國的IntelliDrive、CICAS等，日本的Smartway、AHS等，歐洲的CVIS、PreVENT等［1］。IVIS的應(yīng)用可以有效改善道路交通安全，提高交通效率，保證車輛安全和增加出行的舒適度，實現(xiàn)人-車-路的有效協(xié)同［2］。

隨著中國汽車保有量的不斷增加，交通擁堵日益嚴重，導(dǎo)致社會成本的提高［3-4］。

IVIS的核心技術(shù)是車-車和車-路之間的無線通信技術(shù)。智能車路系統(tǒng)感知與傳統(tǒng)傳感器感知相比有無感知角度范圍限制、超視距感知、感知精度不受極端天氣影響、可通過路側(cè)單元獲得道路環(huán)境信息等優(yōu)勢［5］。

1 典型場景

對IVIS進行測試時，需要建立人、車、路協(xié)同的應(yīng)用功能場景。首先需要建立合適的測試場景，包括道路情況、交通狀態(tài)、智能路側(cè)設(shè)備等；然后需要建立可實施的測試方案，完成IVIS的典型場景實現(xiàn)。IVIS典型應(yīng)用場景可分為安全類、效率類和信息服務(wù)類。

1.1 測試場景

在對車輛功能進行測試時，測試場景是開展測試的基礎(chǔ)，而確定測試場景的架構(gòu)是測試場景的前提。從測試場景層次架構(gòu)分析，可由道路拓撲結(jié)構(gòu)、交通流以及動態(tài)情景3部分構(gòu)成。從測試場景三維架構(gòu)分析，測試場景是行駛環(huán)境和駕駛情景的組合，在不同的天氣情況下，由不同駕駛工況（高速、城市、鄉(xiāng)村等）與駕駛?cè)蝿?wù)、駕駛速度等構(gòu)成［6］。

對IVIS典型測試場景的設(shè)計可以從靜態(tài)場景搭建和動態(tài)環(huán)境設(shè)計兩個方面進行。在靜態(tài)場景搭建中包含了場地規(guī)劃、場景布局和路側(cè)設(shè)備布置。根據(jù)典型場景的測試需求和道路情況，選擇直線道路或者交叉路口進行場地規(guī)劃，以場地利用的高效性和場景的連貫性為準(zhǔn)則進行場景布局，最后進行路側(cè)設(shè)備的布置。在動態(tài)環(huán)境設(shè)計中，采用自上而下的正向設(shè)計方法，保障場景設(shè)計的有效性和針對性?？梢园凑招枨蠓治?、功能分析、方法設(shè)計和實際測試來完成設(shè)計。以需求為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，如圖1所示。

外場測試中，應(yīng)選擇平坦、干燥的瀝青或混凝土路面、清晰的交通標(biāo)志標(biāo)線、良好的天氣環(huán)境、無復(fù)雜的電磁環(huán)境干擾等。

1.2 測試原理

測試系統(tǒng)由測試車輛、目標(biāo)車輛以及路側(cè)測試系統(tǒng)3部分組成，測試車輛與目標(biāo)車輛組成車車交互測試系統(tǒng)，測試車輛與路側(cè)測試系統(tǒng)組成車路交互測試系統(tǒng)。

測試車輛內(nèi)部搭載車載V2X（Vehicle to Everything）系統(tǒng)與車載測試平臺。其中，車載V2X系統(tǒng)能夠通過V2V（Vehicle toVehicle）完成車車間信息交互，通過V2I/I2V（Vehicle to Infrastructure）完成車路間信息交互。車載V2X系統(tǒng)內(nèi)置應(yīng)用場景預(yù)警算法，能夠完成場景的預(yù)警并輸出預(yù)警結(jié)果。車載測試平臺包含通信單元、計算單元、測試結(jié)果分析單元、定位系統(tǒng)等。車載測試平臺能夠與目標(biāo)車輛內(nèi)搭載的測試平臺進行通信。車載V2X系統(tǒng)接入車內(nèi)CAN總線。

圖1 典型測試場景設(shè)計

目標(biāo)車輛內(nèi)部搭載測試平臺。測試平臺包含通信單元、計算單元、測試結(jié)果分析單元、定位系統(tǒng)等。測試平臺能夠配合測試車輛產(chǎn)生測試場景，能夠與測試車輛內(nèi)搭載的車載測試平臺通信，完成測試過程數(shù)據(jù)分析以及測試結(jié)果評估。

路側(cè)測試系統(tǒng)內(nèi)部搭載測試平臺。測試平臺包含RSU（Road Side Unit）、傳感器（攝像頭、雷達等）、交通設(shè)施（信號燈、交通標(biāo)識等）、定位系統(tǒng)等。測試平臺能夠配合測試車輛產(chǎn)生測試場景，能夠與測試車輛內(nèi)搭載的車載測試平臺通信，完成測試過程數(shù)據(jù)分析以及測試結(jié)果評估。

車車交互測試系統(tǒng)包括測試車輛與目標(biāo)車輛兩部分，測試車輛與目標(biāo)車輛之間通過V2V進行通信，目標(biāo)車輛配合測試車輛產(chǎn)生測試場景。測試車輛內(nèi)車載測試平臺通過與目標(biāo)車輛內(nèi)測試平臺通信，獲得測試數(shù)據(jù)并保存到車載測試平臺。目標(biāo)車輛內(nèi)測試平臺記錄目標(biāo)車輛的測試數(shù)據(jù)，結(jié)合接收到的測試車輛測試數(shù)據(jù)進行測試結(jié)果分析與評估。車車交互測試系統(tǒng)如圖2所示。

車路交互測試系統(tǒng)包括路側(cè)測試系統(tǒng)與測試車輛兩部分，路側(cè)測試系統(tǒng)與測試車輛之間通過V2I/I2V進行通信，路側(cè)測試系統(tǒng)配合測試車輛產(chǎn)生測試場景。測試車輛內(nèi)車載測試平臺通過與路側(cè)測試系統(tǒng)內(nèi)測試平臺通信獲得測試數(shù)據(jù)并保存到車載測試平臺。路側(cè)測試系統(tǒng)內(nèi)測試平臺記錄路側(cè)的測試數(shù)據(jù)，結(jié)合接收到的測試車輛測試數(shù)據(jù)進行測試結(jié)果分析與評估。車路交互測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 車路交互測試系統(tǒng)

2 實車測試及其分析

為了完成IVIS的測試，驗證車輛的整體性能，需要設(shè)計合理的測試場景，包括實驗的場地、道路的選擇、路側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施和為了滿足測試車輛某種功能測試，需要設(shè)計合理的觸發(fā)條件，促使測試車輛實現(xiàn)某種功能。通過測試車輛的實驗結(jié)果，驗證測試場景的合理性和測試車輛功能實現(xiàn)的準(zhǔn)確性［7］。

2.1 靜態(tài)場景搭建

對場地和道路的選擇，可以選擇兩條直行路段和一個交叉路口作為測試場地，路段的長度應(yīng)該滿足實驗的需求，十字路口符合交通標(biāo)準(zhǔn)。

路側(cè)設(shè)備主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)交互平臺等。路側(cè)設(shè)備部署及數(shù)據(jù)流如圖4所示。

2.2 動態(tài)環(huán)境設(shè)計

2.2.1 前向碰撞預(yù)警

圖4 路側(cè)設(shè)備部署

如圖5所示，把前向碰撞預(yù)警分為了A、B、C 3個測試場景。測試場景A，測試道路為單向雙車道的長直道，測試車輛沿車道中間勻速行駛，目標(biāo)車輛位于測試車輛正前方靜止。測試車輛正常行駛，在距離目標(biāo)車輛100m前達到20km/h的車速，并勻速沿車道中間駛向目標(biāo)車輛。測試場景B，測試道路為單向雙車道的長直道，測試車輛沿車道中間勻速行駛，目標(biāo)車輛位于測試車輛正前方勻速行駛。測試車輛正常行駛，在距離目標(biāo)車輛100m前達到30km/h的車速，并勻速沿車道中間駛向目標(biāo)車輛；目標(biāo)車輛以10km/h的車速勻速行駛。測試場景C，測試道路為單向雙車道的長直道，測試車輛沿車道中間勻速行駛，目標(biāo)車輛位于測試車輛相鄰車道前方靜止。測試車輛正常行駛，在距離目標(biāo)車輛100m前達到20km/h的車速，并勻速沿車道中間行駛。該場景下，基于車車通信的汽車主動安全系統(tǒng)可以降低道路上出現(xiàn)靜止/慢速車輛時，后方車輛因視線不佳或駕駛注意力不集中、駕駛員距離/速度估計錯誤等因素而引發(fā)的事故風(fēng)險。

2.2.2 緊急制動預(yù)警

如圖6所示，測試道路為單向雙車道的長直道，測試車輛沿車道中間勻速行駛，目標(biāo)車輛位于測試車輛正前方勻速行駛。目標(biāo)車輛1和2以60km/h的車速勻速行駛。測試車輛正常行駛，在距離目標(biāo)車輛2100m前達到60km/h的車速，并勻速沿車道中間駛向目標(biāo)車輛2。穩(wěn)定行駛3s后，目標(biāo)車輛1由勻速60km/h的車速采取緊急制動動作并將這一信息對外廣播。該場景下，基于車車通信的汽車主動安全系統(tǒng)可以降低由于駕駛員視線受限（雨雪霧等天氣因素、其他車輛遮擋）等因素引發(fā)的事故風(fēng)險。

2.2.3 異常車輛提醒

如圖7所示，測試道路為至少包含2條車道的長直道，測試車輛沿車道中間勻速行駛，目標(biāo)車輛位于測試車輛正前方停止。測試車輛正常行駛，在距離目標(biāo)車輛200m前達到20km/h的車速，目標(biāo)車輛廣播“故障報警燈開啟”信息。該場景下，基于車車通信的汽車主動安全系統(tǒng)可以將車輛內(nèi)部的故障等信息及時對外廣播，便于周圍車輛及時采取避讓等安全措施，降低單一車輛故障導(dǎo)致的連環(huán)碰撞等事故風(fēng)險。

圖6 緊急制動預(yù)警

圖7 異常車輛提醒

2.2.4 交叉路口碰撞預(yù)警

如圖8所示，測試道路為至少包含雙向兩車道的十字交叉路口。測試車輛在標(biāo)有直行和右轉(zhuǎn)指示標(biāo)線的車道內(nèi)右轉(zhuǎn)行駛通過該路口，同時路口橫向左側(cè)存在勻速直線行駛的目標(biāo)車輛1駛向測試車輛將轉(zhuǎn)入車道，兩車存在碰撞風(fēng)險。目標(biāo)車輛2停止在橫向左側(cè)路口處。測試車輛以30km/h的車速勻速駛向交叉路口，目標(biāo)車輛1以20km/h勻速行駛。若測試車輛保持當(dāng)前行駛狀態(tài)，兩車可同時到達碰撞點。目標(biāo)車輛2停止在橫向左側(cè)路口處［8］。該場景下，基于車車通信的汽車主動安全系統(tǒng)可以降低車輛從不同方向通過交叉路口發(fā)生碰撞的風(fēng)險。

2.2.5 道路危險狀況提示

如圖9所示，測試道路為至少包含2條車道的長直道，測試車輛沿車道中間勻速行駛，路邊布設(shè)路側(cè)單元。測試車輛正常行駛，在距離路側(cè)單元100m前達到60km/h的車速，路側(cè)單元廣播道路危險狀況。該場景下，基于車路通信的汽車主動安全系統(tǒng)可以降低因駕駛員視線受限（視野盲區(qū)、車輛遮擋等）、駕駛員分心、駕駛員距離/速度估計錯誤、減速避讓不及等因素而導(dǎo)致的事故風(fēng)險。

圖8 交叉路口碰撞預(yù)警

圖9 道路危險狀況提示

2.3 實驗結(jié)果分析

2.3.1 實驗場景

1）前向碰撞預(yù)警。

2）異常車輛提醒。

3）交叉路口碰撞預(yù)警。

如圖10所示，在測試車輛和目標(biāo)車輛上完成測試系統(tǒng)的搭建。

2.3.2 實驗結(jié)果

1）前向碰撞預(yù)警

圖10 測試系統(tǒng)

圖11 前向碰撞預(yù)警場景A實驗結(jié)果

按照測試實驗流程，前向碰撞預(yù)警A場景一共進行了3次試驗，全部觸發(fā)預(yù)警。圖11是其中一次的實驗結(jié)果，展示了從實驗開始到結(jié)束，測試車輛、目標(biāo)車輛的速度和產(chǎn)生預(yù)警時兩車的相對縱向距離為1.523m和碰撞時間3.356s。

按照測試實驗流程，前向碰撞預(yù)警B場景一共進行了3次試驗，全部觸發(fā)預(yù)警。圖12是其中一次的實驗結(jié)果，展示了從實驗開始到結(jié)束，測試車輛、目標(biāo)車輛的速度和產(chǎn)生預(yù)警時兩車的相對縱向距離為29.60m和碰撞時間5.65s。

按照測試實驗流程，前向碰撞預(yù)警C場景一共進行了3次實驗，其中2次沒有產(chǎn)生預(yù)警、1次產(chǎn)生預(yù)警信號。實驗后，分析產(chǎn)生預(yù)警信號原因可能為目前OBU的定位芯片的精度為亞米級和GPS信號的不穩(wěn)定，導(dǎo)致車道位置識別不準(zhǔn)確產(chǎn)生預(yù)警，可通過提高定位精度的方式進行解決。

2）異常車輛提醒

按照測試實驗流程，異常車輛提醒場景一共進行了3次試驗，全部觸發(fā)預(yù)警。圖13是其中一次的實驗結(jié)果，展示了從實驗開始到結(jié)束，測試車輛、目標(biāo)車輛的速度和產(chǎn)生預(yù)警時兩車的相對縱向距離為75.391m和碰撞時間14.382s。

3）交叉路口碰撞預(yù)警

按照測試實驗流程，交叉路口碰撞預(yù)警場景一共進行了2次實驗，其中2次產(chǎn)生預(yù)警信號。圖14是其中一次的實驗結(jié)果，展示了從實驗開始到結(jié)束，測試車輛、目標(biāo)車輛的速度和產(chǎn)生預(yù)警時兩車的相對縱向距離為25.687m和碰撞時間3.687s。

圖12 前向碰撞預(yù)警場景B實驗結(jié)果

測試車輛和目標(biāo)車輛經(jīng)過前向碰撞預(yù)警、異常車輛提醒、交叉路口碰撞預(yù)警的道路試驗，證明了車車交互測試系統(tǒng)和車路交互測試系統(tǒng)的有效性和測試場景搭建的正確性，說明了智能車路系統(tǒng)的可行性，對解決道路交通安全、提高交通效率等問題提供了新的方法。

3 結(jié)束語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。智能車路系統(tǒng)將“人、車、路”等要素有機地聯(lián)系在一起。本文從測試場景設(shè)計、測試原理等方面實現(xiàn)了智能車路系統(tǒng)功能測試的場景測試技術(shù)，分析了典型應(yīng)用場景測試技術(shù)案例，提出了智能車路系統(tǒng)功能實現(xiàn)的場景測試方案，并通過實際道路實驗進行了驗證。同時，為了促進智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能車路系統(tǒng)的快速發(fā)展和落地應(yīng)用，我們可以從以下幾方面推進：一是加快基礎(chǔ)設(shè)施智能化建設(shè)；二是加快跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)；三是發(fā)揮政府積極性給予財政、政策支持，促進重點關(guān)鍵技術(shù)提升。

圖13 異常車輛提醒實驗結(jié)果

圖14 交叉路口碰撞預(yù)警實驗結(jié)果