V2X及高精定位技術在試驗場管理中的應用研究

張迪思 祖暉 陳新海 王博思

摘 要：為了提高試驗場的安全性以及管理水平，對試驗場的基礎設施進行智能化改造，引入路側設備、定位差分系統以及搭載高精定位技術及車路協同技術的車載終端，實現路徑規劃、軌跡復現、場地編排、出入場精確控制等功能，降低事故的發生幾率并提高了試驗場運行效率。

關鍵詞：試驗場；高精定位；車載終端；路側單元；軌跡復現

中圖分類號：P228 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0014-04

Abstract： In order to improve the safety and management level of the test ground， the infrastructure of the test ground is reformed intelligently， and the road side unit （RSU）， positioning differential system and the onboard terminal with high precision positioning technology and vehicle-road cooperative technology are introduced， for the purpose of realizing the functions of path planning， track reappearance， site layout， accurate control of exit admission， etc.， which can reduce the probability of accidents and improve the running efficiency of the test ground.

Keywords： test ground； high precision positioning； onboard terminal； roadside unit （RSU）； track reappearance

引言

中國的汽車產業已成為國民經濟的戰略性、支柱性產業。本世紀以來，我國汽車產業快速發展，產業規模穩居世界第一。相應的汽車廠商數量從最初的幾家發展到如今的幾十上百家。市面上在售的型號也從當初的寥寥幾款變為現在的百花齊放。2017年，中國汽車產銷量分別為2901.5萬輛和2887.9萬輛，產銷量的穩步增長帶來了巨大的準入檢測需求，其每款車在出廠之前要通過工信部公告、認監委3C、交通部油耗、環保部目錄等法律法規的審查，進行多達百余項項目的檢測，才能上市與消費者見面；除上述的法規試驗之外，還有主機廠、配件廠開展的研發型試驗，這些因素必然導致大量的場地需求。據統計，2013-2017年，車輛檢測需求呈逐年遞增的局勢，而試驗場數量和測試能力卻增長緩慢，導致各試驗場的能力均處于超負荷狀態。

同時，各試驗場在試驗場管理人員的配備上也顯得短缺，管理人員在接待試驗車和試驗人員的同時，還要關注監控器，使用對講機指揮車輛人員出入場，并對可能發生的危險情況進行預警。高強度長時間的重復性勞動必定會給從業人員的生理和心理帶來不利影響。隨著時間的推移，試驗場管理人員均出現不同程度的職業倦怠、消極、煩躁等情緒，隨之而來的是錯誤率增加，客戶體驗下降，直接影響試驗場的安全生產和服務品質。

此外，試驗場寶貴的場地資源并沒有得到最大限度的利用。僅依靠人工進行試驗車輛的編排工作存在一定的難度。例如，無法在短時間內將不具備互斥性的車輛試驗安排在同一個場地，同時避免有互斥性的車輛安排在同一個場地。

隨著國家對高精定位技術和V2X車路協同技術的發展，引入該技術的試驗場管理方案，將提升試驗場管理水平、降低事故發生幾率，為試驗場的平穩運行提供技術支撐。

1 國內外研究概況

1.1 國外研究發展概況

隨著世界汽車工業的發展，世界各國的汽車試驗場數量處于高速增長的狀態。據統計，目前已有一百多個不同類型的汽車試驗場分布在美國、歐洲、日本、中國等地。如美國的羅米歐（Romeo）、米爾費德（Milford）、研究中心試驗場（TRC）、英國的米拉（MIRA）、米爾布魯克（Millbrook）、西班牙的 IDIADA、匈牙利的 RABA、德國的 Ehra-Lessien、日本汽研所試車場（JARI）、日本豐田公司士別（Sbietesu）等都是世界著名的汽車試驗場。

國外試驗場在試驗車輛的安全監控方面有較為完善的制度。西班牙IDIADA要求進場的試驗車輛配備天線及對講機，并在每個路口都安裝了微波雷達感應器。控制臺可以方便的通過對講機和試驗人員溝通，發出調度指令[1]。當車輛進入某一試驗區域時，道路入口安裝的感應器，通過車輛安裝的天線，能夠感應到車輛的駛入，并同時傳送到塔臺的信息記錄系統。信息記錄系統是為了方便對該車輛進行即時監測和事后追溯。同時在塔臺的視線死角還安裝有攝像頭，方便場地管理人員全面、及時地掌握場地狀況。而意大利NTC試驗場則能通過車載單元獲取車輛的相關信息，如胎壓、發動機轉速、車速、方向角等，并將這些信息通過無線信號傳送到控制塔，便于控制塔統籌指揮。

國外試驗場采用了一定數量的新手段和新設備用于管理，但是依然離不開對講機、人工視頻監視等傳統方法，試驗場面臨的安全、效率等問題未能得到本質上的解決。

1.2 國內研究發展情況

我國對試驗場智能化管理的推進相對落后，智能化程度不高，對管理人員的依賴程度較高，存在安全隱患突出、服務質量較差、運行效率低下等問題。

2017年1月3日，北京某試驗場發生兩車相撞事故，一輛皮卡車和一輛SUV同時在長直線性能路進行操縱穩定性試驗，由于當時雙方車速較快且駕駛員對危險預判不足，造成了兩車相撞的事故。整個過程中，雙方試驗車輛沒有得到任何的預警提示，事故后也沒有完整的軌跡復現用于分析。這次事故的發生給了試驗場管理者一個深刻的啟示，如何在如今高頻率高強度高速度的試驗條件下，通過電子化智能化的手段進一步規范管理，而不僅僅是完全依靠有限的人力。

試驗的安全和效率一直是永恒的話題，國內試驗場管理者也逐漸認識到其重要性[2]，越來越多的試驗場引進了新的管理手段，主要體現在以下幾個方面：

（1）引入完善的預約系統：通過登錄網站或者微信的方式即可便捷的錄入和查詢測試信息，提前進行預約。

（2）場內測試管理：記錄客戶車輛從登記入場、進行道路試驗至車輛出場的全過程，進行跟蹤管理，全面掌握每次測試的所有信息。

（3）路面維護智能預警。研究道路耐久模型，將道路的使用頻率、測試內容、測試強度等因素納入計算公式，預測未來路面的受損情況，評估路面的耐久度，根據獲得的數據，依據一套科學的流程進行路面維護計劃。

（4）智能化安全管理系統。配合道閘、地感、車載感應裝置等設備，系統可以在場地內某些節點獲取試驗車輛的位置，當進入高位路段時，系統可以發送信號，通過車載單元對車輛進行預警。如果事故已發生，系統可以根據事故發生時間，提供場內的視頻記錄，最大限度對事故分析提供幫助。

（5）可靠的信息數據服務。測試車輛的試驗數據都是各家主機場的機密，各試驗場在保障數據安全方面也進行了一定的研究。為保障電子化的數據不被非授權的人員獲取，測試數據在傳輸、保存的過程中都通過特定算法進行加密，只有合法授權人員才能訪問，保障其實時性、安全性和保密性[3]。

目前，國內的試驗場管理方法研究仍然是偏重于采用傳統技術，基本上脫離了紙質流程，但其實時性和安全性都有待提高，尤其是對安全風險的預警方面，目前還沒有一套有效成熟的方式。隨著高精地圖、高精定位、DSRC、4G等技術的逐漸成熟，基于新技術的試驗場智能化系統將走上舞臺，將逐步實現車道級監控、實時預警、自動調度等功能，這將帶來一個更安全、更高效的試驗場。

2 當前試驗場存在的普遍問題

目前，各試驗場主要采用“人工錄入+視頻對講”疊加的粗放管理方式，隨著檢測業務量的增加，該管理方式主要弊端將逐漸顯現，主要體現在以下幾個方面：

安全隱患突出。試驗場的功能區域未完全劃分，部分區域存在交叉的情況，并且缺少有效機制對場地中的車輛進行管控。因此無法對可能發生的潛在危險進行預警，無法對試驗車輛的運行軌跡進行復現和追蹤，在事故預防和事后追責上存在較大的功能缺失。

管理粗放。試驗場管理人員工作強度較大，人工管理效率相對較低，沒有針對出入場形成嚴格的管控秩序，車輛亂停亂放現象嚴重，出現小車占大車位的情況，使本來就緊張的停車場資源雪上加霜。

運行效率低下。由于測試車輛種類、測試業務繁多，且對應不同的測試區域，僅靠人工進行業務編排，很難根據試驗特性安排場地以最大限度的利用試驗場容量。

3 試驗場管理的功能需求

試驗場管理的首要目標是保障安全，包括人身安全和車輛的安全，尤其是應避免碰撞危險。一旦發生事故，不僅會導致人身和財物損失，而且可能會影響試驗場的資質，給試驗場造成更大的損失。其次是提高效率，尤其是在保障安全的前提下，盡可能的實現場地復用，提高試驗場的場地使用率。最后，通過系統的信息化升級，避免客戶錄入重復信息，提供方便快捷的預約方式，提升客戶的服務體驗。從粗略的原始需求，可以引申出以下功能需求：

（1）地圖監控：管理人員可以通過管理中心的屏幕總覽試驗場整體情況，將試驗場中所有車輛的當前位置和運動軌跡以圖形化的方式展示在地圖上。

（2）車輛狀態觀測：管理人員可以觀察指定車輛的狀態，例如該車輛的生產廠家、型號、唯一編號、進場時間、檢測項目、委托單位、所用的道路范圍、車載單元工作溫度、車載電源電池剩余量等等。

（3）實時調度：管理人員可以通過語音、界面操作等方式，通知試驗場中的車輛進行進出場、暫停試驗、避讓車輛等操作。場地中的試驗人員可以通過車載設備獲知管理人員的調度信息。

（4）軌跡回放：系統可以保存車輛的路徑信息，管理人員可以查看車輛的歷史行駛路徑，為車輛費用計算或者事故后分析提供可靠的依據。

（5）車道級預警：高精定位可以實現車輛的厘米級定位，可以精確的在車輛駛出電子圍欄時給予報警，并且實現對向來車預警、交叉路口碰撞預警等預警功能，在提高效率的同時進一步保障安全。

（6）場地預定：客戶可以通過手機端或者電腦端進行場地預定，在預定場地的同時需要填寫廠家、車輛型號、測試項目、進場時間、試驗時長等。

（7）場地編排：根據當前各車輛的試驗類型、測試道路、測試時長，系統根據容斥情況給予進場時間建議，在保證安全的情況下最大限度的提高道路使用率。

（8）統計分析：提供多維度、圖形化的統計分析工具，例如，可以清晰的展示出特定時間段內所有測試車輛的數量，各測試項目所占比，平均試驗時長，場地利用率等等。

4 方案采用的主要技術

4.1 V2X技術

V2X又細分為V2V、V2I、V2P等技術，均采用Ad hoc網絡模式運行，能夠快速的自動組網，并能夠無縫的執行網絡切換，符合處于運動中的車輛的運動特征。車輛搭載V2X車載模塊后，可以通過與路側單元和其他車載模塊的信息交換，獲取其他車輛速度、位置、行駛方向，以及道路情況等信息。基于這些基礎信息，可以實現路徑和車車預警等應用[4]。

當前主流的V2X模式有兩種，分別是歐美主導的802.11p，以及華為、大唐等公司在3GPP中提出的LTE-V[5]。前者由IEEE于2010年結項，主要應用于美國和歐盟地區，其主要知識產權掌握在歐美發達國家手中；后者由華為和大唐公司在3GPP中提出，我國掌握LTE-V中的重要知識產權。由工信部委托的《LTE-V2X頻率與兼容性驗證研究項目》已對LTE-V當前的性能做了全面的測試。根據其發布的測試結論，在5905Mhz-5925Mhz工作頻率下，LTE-V信號在一定條件下可以和固定衛星信號、WIFI信號等實現共存，其性能測試結果如表1。

而基于WIFI技術的802.11p的覆蓋范圍，經測試也在700m左右，且時延在10ms之內。因此，無論是802.11p技術，還是LTE-V技術，都可以滿足試驗場管理和和車輛預警的要求。保守估計，在半徑三百米的區域內架設一個路側單元RSU，即可滿足全場信號覆蓋的要求。

4.2 高精地圖

與普通電子地圖相比，高精地圖擁更高的絕對坐標精度[6]；還擁有更豐富和細致的交通信息元素，可以準確的描述道路具體形狀、車道的數量、車道線的種類、顏色，以及每個車道的坡度、曲率、航向、高層、側傾等信息，甚至可以包含道路沿線的看板、限速標志牌、電話亭、紅綠燈位置等元素[7]。

試驗場的精細化管理，需要高精地圖的支持，提供更準確的定位。車輛可以通過高精地圖獲取更精確的位置，獲取更多的道路細節，來預防可能發生的危險情況，例如，判斷車道內的靜止車輛、彎道的慢行車輛、變道超車的車輛等等。

4.3 高精定位（差分定位）

傳統的定位技術已廣泛運用在車輛導航等方面，定位的精度可以達到3米左右[8]。然而這樣的定位精度無法滿足車道級定位的需求，需要借助差分定位技術，即設置一個地面差分定位基站。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這數據收集至服務器，并通過路側單元或者4G等方式分發給各車輛的車載終端。車載終端在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。借助高精定位技術，可以使車輛實現車道級定位，給試驗場管理人員提供更清晰明確的車輛位置信息，同時也能在此基礎上引申出軌跡復現、路徑規劃等應用。

5 系統架構

管理系統由路側單元組、車載單元組、傳感器組、控制器組、后臺監控中心五個部分組成。路側單元由WIFI通信模塊，差分定位RTK，以及V2X控制器組成。車載單元由天線、人機界面HMI、天線組成。

5.1 感知單元

感知模塊由各類傳感器組成，有微波雷達檢測器、視頻檢測器、地磁傳感器等。

微波雷達檢測器主要用于檢測試驗場內的各種非機動車物體的運動軌跡，例如意外闖入試驗場的行人和動物，以及從車上掉落下的異物等等。

視頻檢測器是微波雷達檢測器功能的補充，在微波雷達檢測器探測到不明物體的情況下，可以通過視頻檢測器判斷物體的類別。

地磁傳感器主要用于判斷停車場中車位的占用情況。

5.2 信號傳輸單元

該系統同時利用無線技術和有線技術完成信號傳輸。路側單元、傳感器等設備通過光纖與中心服務器相連。

在車載終端方面，由于車輛的特性，傳輸主要采用無線的方式。分為蜂窩通信和點對點通信兩種。蜂窩通信，如4G、5G等，主要承擔車輛實時定位數據回傳服務器的任務。點對點通信，如LTE-V和DSRC等，則主要負責車與車、車與路側設備之間的通信，完成車輛碰撞預警、故障車輛預警、道路施工預警等業務。

WIFI則用于實現與移動調度終端的連接，方便管理員隨時隨地的了解和掌控場地中的情況。

5.3 展示與決策單元

該單元主要用于展示車輛的行駛軌跡、車與控制中心的交互信息、以及電子圍欄信息。在車載終端上配備HMI用戶操控界面，可以實時的接收控制中心的調度信息和預警信息。控制中心可以通過大屏幕，實時監視場地內各車輛的運動軌跡，并可隨時獲取車輛的名稱、廠家、任務類別等信息。

6 應用效果

利用高精定位、V2X、4G、B/S等技術，完成試驗場管理系統的開發。方便快捷的預約系統，提高客戶的使用體驗。場地可視化系統，方便管理人員對場地進行監控。車載單元的應用，隨時提醒測試人員可能面臨的危險，并方便與管理人員溝通，接受調度指令。該系統的投入使用后，試驗場的安全、效率、客戶體驗等方面，都得到了顯著的提高。

7 結束語

該系統在一定程度上解決了試驗場管理過程中出現的安全、效率、用戶體驗等問題，初步完成了試驗場的信息化和智能化改造。但是，在運行的過程中，還出現了一系列待解決的問題，例如，如何在高溫情況下保障車載設備電池的安全，如何對快速方便的安裝和拆卸車載設備等等，這些問題值得在后續的研究中完善和解決。

參考文獻：

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