基于虛實(shí)融合技術(shù)的V2X 測(cè)試系統(tǒng)研究

郭 蓬， 王夢(mèng)丹， 楊建森， 蔡 聰， 許揚(yáng)眉， 張登權(quán)

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300；2.中汽研（天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300）

1 引言

隨著汽車網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)研究的不斷深入， C-V2X技術(shù)作為一種新興的網(wǎng)聯(lián)通信技術(shù)早已得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可， 這種基于萬(wàn)物互聯(lián) （IoT） 的概念， 主要是指車和外界的信息交換， 能夠?yàn)檐嚺c車、 車與路、 車與人、 車與網(wǎng)的全方位連接實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵支撐。 C-V2X是智能交通和自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵使能技術(shù)， 由于其具有非常廣闊的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)前景， 目前已經(jīng)成為眾多產(chǎn)業(yè)相關(guān)方積極布局的發(fā)展方向， 為提升汽車智能化水平和自動(dòng)駕駛能力， 構(gòu)建汽車和交通服務(wù)新業(yè)態(tài)提供條件， 從而提高交通效率， 改善汽車駕乘感受， 為用戶提供智能、 舒適、 安全、 節(jié)能、 高效的綜合服務(wù)。

由于涉及到車與周圍環(huán)境的通信交互， V2X的應(yīng)用面臨各種各樣的通信環(huán)境和交通場(chǎng)景的組合。 在V2X研發(fā)測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中如果還大量采用道路測(cè)試方法， 我們將面臨測(cè)試?yán)锍毯蜏y(cè)試時(shí)間急劇增加所帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)。 同時(shí)，外場(chǎng)實(shí)車測(cè)試具有一定的危險(xiǎn)性， 并且對(duì)無(wú)線通信環(huán)境有較高的要求， 需要在有資質(zhì)的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試， 尤其是在有相應(yīng)場(chǎng)景的路段下測(cè)試， 因此V2X應(yīng)用的功能驗(yàn)證需要耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力， 更甚至?xí)幸欢ǖ奈ｋU(xiǎn)性。

由于V2X涉及車與車或車與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，所以對(duì)于外場(chǎng)的V2X測(cè)試， 若涉及到復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景或極限工況， 則導(dǎo)致可操作性較差或容易出現(xiàn)危險(xiǎn)， 并且難以進(jìn)行重復(fù)性的測(cè)試。 本文將設(shè)計(jì)一套C-V2X外場(chǎng)功能測(cè)試系統(tǒng)， 對(duì)測(cè)試場(chǎng)景的參數(shù)可以靈活配置， 使得一切在實(shí)際道路可能發(fā)生的異常情況都被包含在內(nèi)， 不僅節(jié)省了人力物力和財(cái)力， 而且使得場(chǎng)景的多樣性、 極限工況以及可重復(fù)性大大提高。

2 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

基于虛實(shí)融合技術(shù)的V2X測(cè)試系統(tǒng)主要由上位機(jī)、 環(huán)境信息模擬設(shè)備、 報(bào)警信號(hào)捕捉設(shè)備和被測(cè)車輛組成， 系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于虛實(shí)融合技術(shù)的V2X測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)圖

上位機(jī)中搭載場(chǎng)景仿真軟件和數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理軟件，仿真場(chǎng)景軟件使用PreScan和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真， 與環(huán)境信息仿真設(shè)備使用以太網(wǎng)連接， 用于創(chuàng)建虛擬交通環(huán)境，包含交通場(chǎng)景信息和背景車輛信息， 并將其傳遞給環(huán)境信息仿真設(shè)備； 環(huán)境信息仿真設(shè)備有3個(gè)方面的作用： ①將仿真測(cè)試場(chǎng)景信息通過(guò)V2X協(xié)議棧轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的V2X消息， 并與被測(cè)車輛的OBU設(shè)備進(jìn)行V2X通信； ②接收被測(cè)車輛的OBU發(fā)送的V2X消息， 并通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理軟件， 用于測(cè)試過(guò)程中被測(cè)車輛狀態(tài)的數(shù)據(jù)記錄； ③接收被測(cè)車輛中的預(yù)警顯示終端發(fā)送的預(yù)警信號(hào)，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理軟件， 用于測(cè)試過(guò)程中預(yù)警信號(hào)記錄； 數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理軟件用于接收匯總環(huán)境信息仿真設(shè)備發(fā)送的測(cè)試數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)處理與記錄， 形成自動(dòng)化測(cè)試流程。

3 測(cè)試系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

3.1 虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及到的虛擬交通環(huán)境采用PreScan和Simulink聯(lián)合仿真， 主要包含道路環(huán)境模型和背景車輛模型， 其中道路環(huán)境模型用于構(gòu)建測(cè)試環(huán)境， 包含道路模型、 交通標(biāo)志牌模型、 紅綠燈模型等， 背景車輛模型為被測(cè)車輛周圍的車輛， 可與被測(cè)車輛交互實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息， 如圖2所示為虛擬交通環(huán)境搭建示例。

圖2 虛擬交通環(huán)境示例

由于本系統(tǒng)基于虛實(shí)融合技術(shù)， 即被測(cè)車輛為實(shí)， 背景車輛及道路環(huán)境為虛， 當(dāng)進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試時(shí)， 測(cè)試車輛和背景車輛需行駛在同一條道路上， 因此在測(cè)試前首先需要確定具體的道路， 道路環(huán)境模型通過(guò)則外部標(biāo)準(zhǔn)地圖將其導(dǎo)入到PreScan軟件中， 制作出與實(shí)際道路相一致的測(cè)試環(huán)境； 之后， 創(chuàng)建背景車輛的軌跡模型， 保證車輛按照預(yù)設(shè)軌跡行駛， 同時(shí)添加車輛動(dòng)力學(xué)模型， 對(duì)車輛進(jìn)行相應(yīng)控制， 觸發(fā)轉(zhuǎn)向燈等信號(hào)； 最后， 將背景車輛信息和道路環(huán)境信息打包傳輸給環(huán)境信息仿真設(shè)備。

3.2 環(huán)境信息仿真設(shè)備

如圖3所示， 環(huán)境信息仿真設(shè)備包含仿真場(chǎng)景信息接收模塊、 V2X協(xié)議棧、 V2X消息接收模塊、 V2X消息發(fā)送模塊、 V2X接收天線、 V2X發(fā)送天線、 GPS天線、 報(bào)警信號(hào)處理模塊、 測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和高精定位模塊。

圖3 環(huán)境信息仿真設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬交通環(huán)境與環(huán)境信息仿真設(shè)備采用以太網(wǎng)連接，仿真場(chǎng)景信息接收模塊用于接收虛擬交通環(huán)境發(fā)送的場(chǎng)景消息； V2X協(xié)議棧用于將接收的場(chǎng)景信息數(shù)據(jù)打包為標(biāo)準(zhǔn)的V2X消息包， 同時(shí)將接收的標(biāo)準(zhǔn)V2X消息包進(jìn)行解析， 用于V2X消息分析和監(jiān)控； V2X消息發(fā)送模塊將標(biāo)準(zhǔn)的V2X消息包通過(guò)V2X發(fā)送天線進(jìn)行廣播。

V2X消息接收模塊通過(guò)V2X接收天線接收被測(cè)車輛發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)V2X消息包， 并將V2X消息發(fā)送給測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送模塊； 報(bào)警信號(hào)捕捉設(shè)備與環(huán)境信息仿真設(shè)備進(jìn)行CAN連接，用于捕捉被測(cè)車輛所發(fā)出的聲光報(bào)警， 并發(fā)送給報(bào)警信號(hào)處理模塊。

高精定位模塊與環(huán)境信息仿真設(shè)備進(jìn)行CAN連接， 通過(guò)GPS天線接收被測(cè)車輛的高精度位置信號(hào)， 進(jìn)一步獲取被測(cè)車輛的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)信息， 與被測(cè)車輛的OBU車載單元中的位置信號(hào)做對(duì)比， 同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行GPS授時(shí)； 測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將V2X消息、 報(bào)警信息和高精度位置信息發(fā)送到測(cè)試數(shù)據(jù)處理單元， 用于V2X消息監(jiān)控和測(cè)試數(shù)據(jù)處理。

4 試驗(yàn)測(cè)試

基于虛實(shí)融合技術(shù)的V2X測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程如圖4所示。

結(jié)合某車型的V2X功能， 對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)， 驗(yàn)證其V2X功能的準(zhǔn)確性及有效性。 本次設(shè)計(jì)場(chǎng)景為交叉路口碰撞預(yù)警，測(cè)試場(chǎng)景描述： 被測(cè)車輛和虛擬背景車輛分別距離交叉路口100m， 且虛擬背景車輛位于被測(cè)車輛右側(cè)， 兩車以25km/h的速度勻速駛向交叉路口， 記錄測(cè)試數(shù)據(jù)， 并計(jì)算出相應(yīng)測(cè)試結(jié)果。 實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。

圖4 測(cè)試流程

基于虛實(shí)融合技術(shù)的V2X測(cè)試系統(tǒng)能夠安全高效地完成測(cè)試， 以驗(yàn)證V2X預(yù)警功能正確與否。 測(cè)試結(jié)果顯示，預(yù)警觸發(fā)瞬間被測(cè)車輛距離交叉路口沖突點(diǎn)25.3m， 且TTC為0.2， 該測(cè)試結(jié)果符合該車型V2X功能規(guī)范。

圖5 試驗(yàn)過(guò)程

5 結(jié)論

針對(duì)網(wǎng)聯(lián)汽車V2X功能測(cè)試需求， 本文提出了一種基于虛實(shí)融合技術(shù)的V2X測(cè)試系統(tǒng)， 經(jīng)與被測(cè)車輛實(shí)車試驗(yàn)從而驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。 該系統(tǒng)可應(yīng)用在V2X車載單元開發(fā)階段或網(wǎng)聯(lián)汽車樣車制造前子系統(tǒng)研發(fā)驗(yàn)證過(guò)程中，可安全、 高效、 低成本地完成V2X功能測(cè)試與驗(yàn)證。