車路協(xié)同V2X仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李翠萍 趙鵬超 胡 鑫 苑壽同 魏文淵

(中汽數(shù)據(jù)(天津)有限公司，天津 300393)

0 前言

車路協(xié)同技術(shù)作為智能交通發(fā)展的前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，為交通效率的提升和交通安全的增強(qiáng)提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑，也為交通行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了全新變革。通過(guò)車-路-云之間的高效通信，車路協(xié)同技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)交通環(huán)境下難以解決的復(fù)雜問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)交通流高效、有序、安全地運(yùn)行。隨著車聯(lián)網(wǎng)(V2X)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)和車路協(xié)同技術(shù)的迭代升級(jí)，各類V2X設(shè)備也不斷更新。目前，車路協(xié)同技術(shù)仍處于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完備，產(chǎn)品的配置和設(shè)備的性能都存在較大差異，亟需開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證車路協(xié)同設(shè)備互聯(lián)互通一致性及場(chǎng)景應(yīng)用功能的有效性和穩(wěn)定性。

V2X測(cè)試驗(yàn)證形式可分為虛擬仿真測(cè)試、封閉場(chǎng)地測(cè)試和開(kāi)放道路測(cè)試。虛擬仿真測(cè)試通過(guò)模擬車路協(xié)同環(huán)境開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證；封閉道路測(cè)試和開(kāi)放道路測(cè)試則要求車輛在測(cè)試場(chǎng)地中開(kāi)展實(shí)車測(cè)試。實(shí)車測(cè)試需要耗費(fèi)大量人力和物力，且在測(cè)試數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、測(cè)試的可重復(fù)性及測(cè)試場(chǎng)景的復(fù)現(xiàn)性等方面存在一定難度和限制。因此，構(gòu)建V2X模擬環(huán)境，借助仿真技術(shù)進(jìn)行車路協(xié)同測(cè)試及驗(yàn)證具有重要意義。

目前，針對(duì)V2X仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的研究大多采用改造后的V2X設(shè)備作為測(cè)試系統(tǒng)，但該系統(tǒng)無(wú)法支持多節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜場(chǎng)景和大規(guī)模場(chǎng)景模擬的需要，也不便于靈活配置設(shè)備工作帶寬和工作頻點(diǎn)。為了盡可能地滿足測(cè)試需求，提高調(diào)頻效率，滿足技術(shù)迭代和演化需要，選取專用測(cè)試儀表進(jìn)行V2X射頻信號(hào)模擬，并采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模擬器進(jìn)行位置和時(shí)間信息同步，盡可能真實(shí)地模擬出車路協(xié)同通信環(huán)境。在工控機(jī)上使用Prescan軟件搭建不同的測(cè)試場(chǎng)景環(huán)境，并借助Simulink軟件對(duì)仿真控制模塊進(jìn)行搭建與設(shè)計(jì)，可滿足V2X設(shè)備的多樣化測(cè)試需求。在車路協(xié)同V2X仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面可采用GNSS模擬器進(jìn)行信號(hào)模擬，該模擬器同時(shí)支持全球定位系統(tǒng)(GPS)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，被測(cè)器件(DUT)和V2X協(xié)議棧設(shè)備需通過(guò)解析模擬GNSS信號(hào)的參考時(shí)鐘及網(wǎng)絡(luò)電視軟件(PPS)信號(hào)，進(jìn)行載波同步和時(shí)間同步，以增加仿真時(shí)間和仿真位置的靈活性；另一方面可采用面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連(PCI)擴(kuò)展(PXI)控制器，作為多臺(tái)遠(yuǎn)程車輛或多個(gè)路側(cè)單元(RSU)，通過(guò)V2X射頻模擬器同時(shí)模擬不同消息的發(fā)送，來(lái)滿足復(fù)雜場(chǎng)景的仿真需求，開(kāi)展大規(guī)模壓力測(cè)試。

1 驗(yàn)證系統(tǒng)組成

新設(shè)計(jì)的V2X仿真驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車路協(xié)同設(shè)備互聯(lián)互通一致性的驗(yàn)證，也可通過(guò)搭建不同的仿真場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)其軟件和硬件全場(chǎng)景功能的驗(yàn)證。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

全新的V2X仿真驗(yàn)證系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)架構(gòu)由工控機(jī)、PXI 控制器(含GNSS模擬器及V2X模擬器)、V2X協(xié)議棧設(shè)備、駕駛模擬器和人機(jī)界面(HMI)等組成。

圖1 仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)軟硬件組成

驗(yàn)證系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成及功能見(jiàn)表1。驗(yàn)證系統(tǒng)的軟件組成及功能見(jiàn)表2。測(cè)試系統(tǒng)仿真信號(hào)發(fā)送端選用了定制化通信測(cè)試儀表，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率信號(hào)發(fā)送，且支持多接口異步發(fā)送； V2X協(xié)議棧設(shè)備可對(duì)仿真場(chǎng)景的數(shù)據(jù)進(jìn)行消息層、安全層和網(wǎng)絡(luò)層封裝；駕駛模擬器選用了羅技G29駕駛模擬裝置；HMI則采用安裝DUT的應(yīng)用軟件進(jìn)行預(yù)警圖像顯示與語(yǔ)音播報(bào)。

表1 驗(yàn)證系統(tǒng)硬件組成

表2 驗(yàn)證系統(tǒng)軟件組成

2 V2X仿真驗(yàn)證

2.1 V2X硬件在環(huán)驗(yàn)證工作原理

在環(huán)驗(yàn)證采用工控機(jī)運(yùn)行Prescan軟件和Simulink軟件。在Prescan軟件中可設(shè)置背景交通參與者、待測(cè)車輛的行駛軌跡和速度，將DUT作為待測(cè)車輛，其他的背景交通參與者由測(cè)試系統(tǒng)仿真模擬；在Simulink軟件中可設(shè)計(jì)必要的通信模塊，以實(shí)現(xiàn)仿真場(chǎng)景數(shù)據(jù)發(fā)送及預(yù)警信號(hào)的接收。為提升發(fā)送效率，減少協(xié)議建立連接的時(shí)延及記錄雙發(fā)收發(fā)狀態(tài)的額外投入消耗，采用了用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真主機(jī)與協(xié)議棧設(shè)備和OBU的通信。此外，按照車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議設(shè)計(jì)相關(guān)消息集的封裝及發(fā)送模塊的要求，OBU預(yù)警信號(hào)同樣采用了UDP形式傳回至預(yù)警信號(hào)接收模塊。在Simulink軟件中設(shè)計(jì)的UDP數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊及交通燈控制模塊，可將仿真場(chǎng)景中的GNSS數(shù)據(jù)和V2X消息以UDP形式進(jìn)行打包發(fā)送，而GNSS仿真軟件則將仿真場(chǎng)景中的GNSS數(shù)據(jù)處理為GNSS信號(hào)，再由GNSS模擬器通過(guò)射頻形式廣播發(fā)送，提供給來(lái)自GPS的參考時(shí)鐘和PPS信號(hào)。仿真場(chǎng)景中的V2X消息先由協(xié)議棧設(shè)備進(jìn)行ASN.1編碼處理，再經(jīng)過(guò)V2X信道仿真軟件進(jìn)行配置，最后通過(guò)V2X信道模擬器以射頻形式經(jīng)由直連通信接口(PC5)發(fā)送給DUT，DUT接收信號(hào)后觸發(fā)相應(yīng)的場(chǎng)景功能，在HMI上顯示圖像和語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)，以UDP形式將相關(guān)預(yù)警數(shù)據(jù)回傳至Simulink軟件中的UDP接收模塊。

2.2 驗(yàn)證流程

仿真驗(yàn)證流程包括測(cè)試場(chǎng)景搭建、仿真運(yùn)行、測(cè)試結(jié)果記錄和數(shù)據(jù)分析3個(gè)步驟，其基本流程如圖2所示。

圖2 仿真測(cè)試流程

進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，在Precan軟件中選擇測(cè)試仿真場(chǎng)景，對(duì)GNSS仿真軟件中的時(shí)間和信道仿真設(shè)備信號(hào)調(diào)制中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。啟動(dòng)仿真程序后，采用重復(fù)測(cè)試腳本的方式來(lái)控制重復(fù)仿真測(cè)試次數(shù)，并保存測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后，將獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

3 驗(yàn)證樣例分析

本文以闖紅燈預(yù)警應(yīng)用功能為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)用功能的驗(yàn)證。

3.1 闖紅燈預(yù)警(RLVW)應(yīng)用功能驗(yàn)證

RLVW應(yīng)用功能是以當(dāng)前車輛的位置、車速及其他交通參數(shù)為依據(jù)，通過(guò)算法預(yù)測(cè)車頭經(jīng)過(guò)路口停止線時(shí)信號(hào)燈的狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果向駕駛員發(fā)出預(yù)警的一種功能驗(yàn)證方式。基于汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)，預(yù)警距離的表達(dá)式為：

(1)

式中，為駕駛員的平均反應(yīng)時(shí)間，根據(jù)我國(guó)《智能運(yùn)輸系統(tǒng)車輛前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)性能要求和測(cè)試規(guī)程》(GB/T 33577—2017)的要求，其值為0.66～1.20 s；為制動(dòng)間隙消除時(shí)間，其值為0.15～0.90 s；為制動(dòng)力增長(zhǎng)階段，其值為0.20～0.90 s；為制動(dòng)前速度，單位m/s；為制動(dòng)后速度，單位m/s；為制動(dòng)平均減速度，其值為6.86～8.40 m/s；為車輛在制動(dòng)結(jié)束后與目標(biāo)點(diǎn)位的安全距離，其值應(yīng)大于3.0 m。

在對(duì)車輛V2X預(yù)警提醒功能驗(yàn)證時(shí)，預(yù)警算法及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合車輛制動(dòng)性能來(lái)設(shè)置定制化的預(yù)警算法參數(shù)，同時(shí)還應(yīng)考慮符合我國(guó)駕駛員駕駛習(xí)慣的相關(guān)人因工程參數(shù)。本文根據(jù)上述參考值估算了碰撞類安全預(yù)警距離范圍，將制動(dòng)相關(guān)時(shí)間的最小值和減速度的最大值代入式(1)，得出最遲的預(yù)警距離；將制動(dòng)相關(guān)時(shí)間的最大值和減速度的最小值代入式(1)，得出最短的預(yù)警距離。預(yù)警碰撞時(shí)間(TTC)為預(yù)警距離與當(dāng)前車速的比值，該參數(shù)也可作為驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在Prescan軟件中，選擇闖紅燈預(yù)警功能進(jìn)行了不同車速下的重復(fù)測(cè)試，仿真測(cè)試場(chǎng)景如圖3所示。測(cè)試車輛在距離停車線約400 m的位置，由靜止出發(fā)，經(jīng)行駛狀態(tài)調(diào)整后加速至測(cè)試要求的車速，并保持勻速駛向路口，此時(shí)，路口對(duì)應(yīng)車道方向的紅綠燈狀態(tài)保持為紅燈。本文探討的預(yù)警距離是測(cè)試車輛與路口停止線的相對(duì)距離，即車輛的實(shí)時(shí)位置與其所在車道中心線點(diǎn)集合中最后1個(gè)點(diǎn)位之間的距離。

圖3 仿真測(cè)試場(chǎng)景

闖紅燈預(yù)警場(chǎng)景數(shù)據(jù)交互需求包含地圖消息及交通燈相位和時(shí)序消息(SPAT)。該測(cè)試車輛Simulink軟件模型中，包含有主車及主車位置數(shù)據(jù)發(fā)送模型、信號(hào)燈及信號(hào)燈控制模型、 地圖信息及SPAT消息封裝發(fā)送模塊(圖4)。

圖4 闖紅燈預(yù)警測(cè)試用例Simulink模型

3.2 驗(yàn)證結(jié)果分析

本文以車速為40 km/h的測(cè)試條件為例，說(shuō)明RLVW應(yīng)用功能的驗(yàn)證結(jié)果。當(dāng)測(cè)試車輛以40 km/h的車速駛向信號(hào)燈狀態(tài)為紅燈的路口時(shí)，RLVW預(yù)警功能應(yīng)在車輛距離路口停車線20.5～40.3 m的范圍內(nèi)發(fā)出預(yù)警，提示駕駛員注意前方路口信號(hào)燈為紅燈狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的TTC為1.8～3.6 s。按照驗(yàn)證流程，需進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證。多次試驗(yàn)表明，該仿真驗(yàn)證系統(tǒng)可觸發(fā)闖紅燈預(yù)警提醒功能。圖5為其中某次測(cè)試的驗(yàn)證結(jié)果。從圖5可知，在此次測(cè)試驗(yàn)證中，RLVW預(yù)警在車輛距停車線34.4 m時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，TTC為3.1 s，預(yù)警觸發(fā)時(shí)機(jī)合理。

圖5 RLVW應(yīng)用功能測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)車路協(xié)同應(yīng)用功能驗(yàn)證需求，設(shè)計(jì)了車路協(xié)同V2X仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。該驗(yàn)證系統(tǒng)包含了GNSS模擬功能、V2X的消息模擬和信道模擬功能，可對(duì)真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)和真實(shí)V2X通信環(huán)境進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了車路協(xié)同硬件在環(huán)V2X仿真驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證需要，選用了符合要求的測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，該仿真驗(yàn)證系統(tǒng)驗(yàn)證操作流程快速高效，結(jié)果有效且可重復(fù)性強(qiáng)?；谄囍苿?dòng)動(dòng)力學(xué)，本文采用了較為寬泛的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)車路協(xié)同預(yù)警提醒時(shí)機(jī)進(jìn)行了分析，下一步還將對(duì)預(yù)警時(shí)機(jī)的設(shè)置開(kāi)展更為全面的研究。