基于LTE-V2X車路協同技術仿真驗證方法的研究

胡鑫 姜君 苑壽同

摘要

智能網聯汽車是我國戰略發展的重點支持領域。車路協同技術是智能網聯汽車的重要應用方向和基礎支撐。車路協同仿真驗證技術是車聯網智能化基礎設施建設及示范應用開展的重要保障。分析了車路協同系統發展的重要意義，研究了車路協同系統整體組成，軟件仿真、硬件在環仿真以及整車在環仿真驗證的仿真架構、設計方案及常用工具，提出了車路協同系統驗證在協議一致性及應用功能驗證層面存在的問題，總結了車路協同系統驗證方法的發展趨勢。

關鍵詞

智能網聯汽車;車路協同;軟件仿真;硬件在環仿真

0 前言

車路協同系統（CVIS）是基于車際網、傳感探測技術獲取車輛和道路信息，并通過車車、車路信息交互和共享，實現車輛和交通基礎設施之間的智能協同感知與配合，從而達到優化交通系統資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標[1]。車路協同是車聯網重要的應用方向和技術支撐。當前，基于智能網聯汽車的車路協同技術正處于規模化測試和驗證階段，技術人員依托智能網聯汽車示范區及車聯網先導區，在全國范圍內開展了圍繞標準制定、研發測試、示范應用、商業落地等活動，對該技術進行了探索。車路協同技術在大規模實際商業化推廣應用之前，需要在實際的道路交通場景下進行廣泛的測試，以檢驗系統的安全性及穩定性。但這些測試場景成本高，具有一定危險性，重復性較差。因此，測試評價是開展車聯網技術研發和應用不可或缺的重要環節，也是車聯網基礎設施及裝備進行大規模部署，在智能網聯汽車領域進行廣泛應用的重要手段[2]。盡管現場操作測試和大規模部署已經在進行，但是LTE-V2X車聯網的開發和性能評估仍然需要進行模擬試驗。

1 車路協同系統仿真技術

車路協同系統包括車端、路端及云端。其中，車端主要是指安裝在車輛上的車載終端，可以實時獲取車輛狀態數據，并與路端、云端通過通信網絡交互數據。路端是指安裝在激光雷達、毫米波雷達、攝像頭、邊緣計算單元、路側單元等設備的具備感知、處理和決策能力的智能化路側系統。云端是指可以實時采集車輛、道路及設備數據的云控平臺。車路協同仿真技術重點模擬的是車端與路端的信息交互及應用場景的實現。車路協同系統仿真屬于多系統仿真，涉及交通仿真、信息交互、測試、驗證等問題。基于仿真驗證目的不同，車路協同系統可以分為軟件仿真、硬件在環仿真和整車在環仿真。

1.1 軟件仿真

軟件仿真是新技術進行驗證和迭代的重要手段。車路協同軟件仿真驗證可以對車路協同系統架構進行快速驗證。車路協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行軌跡，并將其用于網絡仿真器的輸入。常見的交通仿真器軟件有SUMO、PRESCAN、CARSIM、VISSIM、TRANSIM等。網絡仿真器主要用于實現面向車聯網的通信協議棧，包括節點之間的交通數據傳輸、接收，以及后臺負載、路由、鏈路和信道進行報文級別的仿真。網絡仿真器包括QualNet、NS-2、NS-3、OPNET、OMNeT++等。

SCHILLER[3]提出了使用車載隨意移動網絡（VANET）的模擬方法進行應用程序的開發及功能驗證。RIEBL[4]使用OMNeT++網絡仿真工具搭建車聯網設備通信模擬環境，采用SUMO軟件提供車輛運動軌跡。技術人員通過這種測試環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載情況。但是，該測試環境與供應商提供的不同智能交通設備之間的兼容性欠佳。MATH等[5]針對交通密度和應用需求這2個層面，構建了網絡模擬器（NS-3）和交通模擬器（SUMO）聯合仿真環境，對公路場景進行了仿真。CHOUDHURY[6]設計了可以進行通信協議和應用程序的仿真環境，其中主要分為3個部分：交通仿真器使用的是VISSIM軟件;網路仿真器使用的是NS-3;應用算法模塊采用的是MATLAB軟件。這種仿真環境是基于純軟件模擬，無法對物理通信過程進行測試，只能進行應用程序的核心算法及功能測試驗證。軟件仿真驗證環境搭建較為容易，且其成本低，功能可擴展性強。但是，如果建立的模型與實際環境差異較大，僅依靠交通仿真模型和信息通信模型進行仿真，仿真驗證的結果可能會出現錯誤。

1.2 硬件在環仿真

硬件在環仿真在傳統汽車生產制造領域中使用廣泛，同樣也適用于車路協同系統的仿真驗證。車路協同硬件在環仿真驗證向被測設備（DUT）提供車聯網仿真驗證環境。NIRAV等[7]提出了OMNeT++HIL仿真的路由框架，檢測OMNeT++的實時行為，重點測試了當節點拓撲開始改變時的場景。鐘源[8]提出了基于Q-Paramics的交通環境搭建方法，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網仿真需求。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）與硬件系統模擬器相結合的測試系統。該硬件系統模擬器相當于1個完全可控的通信設備，技術人員可以根據測試用例通過自動或手動模擬通信過程對被測設備進行全面測試。WANG等[9]通過通信設備取代網絡模擬器，構建實際的仿真架構，其主要是由GNSS模擬器、V2X通信模塊、V2X仿真平臺、控制器局域網絡（CAN）模擬器及通信接口組成。整個仿真架構根據應用數據的不同分為2類，分別為由V2X仿真平臺發送數據，并結合了全球導航衛星系統（GNSS）的模擬器數據及CAN模擬器數據（圖1）。該框架結合了實際通信模塊，但接口較為復雜，缺少驗證結果的分析模塊。蔡之駿[10]提出基于SIMULINK軟件的V2X硬件在環仿真測試系統。V2X設備通過CAN總線與仿真模型和車機顯示屏交互，模擬前裝車載單元（OBU）實車的工作環境，測試系統使用GNSS模擬器模擬真實全球定位系統（GPS）信號，實現軌跡模擬及時鐘同步，同時仿真系統加入駕駛模擬器，實現V2X駕駛員在環仿真。白杰文[11]采用了CarMaker軟件進行仿真場景搭建，配置交通對象參數，設計人機交互（HDU）系統，采用地圖映射模型進行軌跡仿真，開發車聯網在環仿真應用測試方法和車聯網應用層標準一致性測試方法。

1.3 整車在環仿真

在車輛動態特性及人機交互模擬等方面，軟件仿真和硬件在環仿真與實際狀態仍有較大差異。相對于封閉場地測試，整車在環測試結果與實際環境測試結果最為接近，且成本及危險性比實際環境測試驗證要低得多。WANG[12]提出了1種平行測試方法，用于測試通信過程，以及在車聯網中的應用。在該測試方法中，虛擬測試車輛通過增強現實（AR）技術、傳感器模擬、映射模擬器等方式實現了與測試車輛及模擬駕駛艙的通信，以及虛擬環境車輛與真實環境車輛的互通。

2 仿真方法存在的問題

車路協同系統軟件、硬件在環及整車在環驗證的核心內容主要圍繞車路協同系統的協議一致性、應用功能2個層面進行分析。

協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通信標準結構復雜，通信協議的一致性測試驗證依賴大量測試案例，手動測試效率和準確率方面存在問題，需要自動化測試系統支撐。自動化測試系統可以在較短時間進行大量測試驗證，節省時間且準確率較高，但是需要另外開發自動化測試驗證設備及測試軟件。測試過程越復雜，測試功能越豐富，開發量也就越大。

（2）測試用例標準有待完善。測試用例的數量，往往會對測試驗證結果的準確性起到關鍵的作用。測試用例不僅需要涵蓋標準涉及所有領域，而且需要根據特定的應用場景測試特定細節內容，如不同技術方案經度和緯度的表示和單位的換算。當前，通信協議主體框架雖然已經確定，但仍存在一些描述模糊的內容，需要規范和完善。

應用功能仿真測試則需要重點關注以下2個方面的問題。① 測試系統時間同步問題。車輛在運行過程中的速度較高，同時信息通訊頻率也較高，車輛與外界系統通信時間不同步將導致應用程序錯誤。時間同步是測試系統構建及驗證過程中面臨的重要挑戰。② 通信系統模擬延時問題。測試系統構建的通信模型，在仿真過程中會產生額外的延時，即模擬延時減去實際延時。如果存在較高的額外延時，通信模擬將不能反映實際情況。

3 結論

車路協同技術仿真驗證方法是車聯網基礎設施規模部署，是開展智能網聯汽車示范應用的重要手段。雖然基于實際道路環境的測試驗證是最直接、最有效的測試方法，但是出于對成本及安全的考慮，基于仿真環境的測試驗證方法具有不可替代的優勢。本文分析了車路協同技術的軟件仿真、硬件在環仿真及整車在環仿真當前的研究進展和主要思路，總結了協議一致性和應用功能驗證方法存在的問題。智能化及網聯化并行發展是我國智能網聯汽車發展的技術路線。在國家政策的大力支持下，車路協同技術研發、標準制定、測試驗證及示范應用將得到快速發展，測試驗證技術作為重要的基礎共性技術，將不斷迭代，測試驗證體系也將隨之不斷完善。

參考文獻

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