車路協(xié)同V2X仿真驗證系統(tǒng)設計

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)同技術作為智能交通發(fā)展的前沿技術和發(fā)展趨勢，為交通效率的提升和交通安全的增強提供了新的實現(xiàn)途徑，也為交通行業(yè)的發(fā)展帶來了全新變革。通過車-路-云之間的高效通信，車路協(xié)同技術可以有效解決傳統(tǒng)交通環(huán)境下難以解決的復雜問題，實現(xiàn)交通流高效、有序、安全地運行。隨著車聯(lián)網(wǎng)(V2X)相關標準的出臺和車路協(xié)同技術的迭代升級，各類V2X設備也不斷更新。目前，車路協(xié)同技術仍處于發(fā)展初期，相關技術標準尚不完備，產(chǎn)品的配置和設備的性能都存在較大差異，亟需開展相關試驗測試，以驗證車路協(xié)同設備互聯(lián)互通一致性及場景應用功能的有效性和穩(wěn)定性。

V2X測試驗證形式可分為虛擬仿真測試、封閉場地測試和開放道路測試。虛擬仿真測試通過模擬車路協(xié)同環(huán)境開展測試驗證；封閉道路測試和開放道路測試則要求車輛在測試場地中開展實車測試。實車測試需要耗費大量人力和物力，且在測試數(shù)據(jù)采集的準確性、測試的可重復性及測試場景的復現(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，借助仿真技術進行車路協(xié)同測試及驗證具有重要意義。

目前，針對V2X仿真驗證系統(tǒng)的研究大多采用改造后的V2X設備作為測試系統(tǒng)，但該系統(tǒng)無法支持多節(jié)點、復雜場景和大規(guī)模場景模擬的需要，也不便于靈活配置設備工作帶寬和工作頻點。為了盡可能地滿足測試需求，提高調(diào)頻效率，滿足技術迭代和演化需要，選取專用測試儀表進行V2X射頻信號模擬，并采用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)模擬器進行位置和時間信息同步，盡可能真實地模擬出車路協(xié)同通信環(huán)境。在工控機上使用Prescan軟件搭建不同的測試場景環(huán)境，并借助Simulink軟件對仿真控制模塊進行搭建與設計，可滿足V2X設備的多樣化測試需求。在車路協(xié)同V2X仿真驗證系統(tǒng)設計時，一方面可采用GNSS模擬器進行信號模擬，該模擬器同時支持全球定位系統(tǒng)(GPS)和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，被測器件(DUT)和V2X協(xié)議棧設備需通過解析模擬GNSS信號的參考時鐘及網(wǎng)絡電視軟件(PPS)信號，進行載波同步和時間同步，以增加仿真時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)擴展(PXI)控制器，作為多臺遠程車輛或多個路側(cè)單元(RSU)，通過V2X射頻模擬器同時模擬不同消息的發(fā)送，來滿足復雜場景的仿真需求，開展大規(guī)模壓力測試。

1 驗證系統(tǒng)組成

新設計的V2X仿真驗證測試系統(tǒng)可實現(xiàn)對車路協(xié)同設備互聯(lián)互通一致性的驗證，也可通過搭建不同的仿真場景實現(xiàn)對其軟件和硬件全場景功能的驗證。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

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

驗證系統(tǒng)的硬件設備組成及功能見表1。驗證系統(tǒng)的軟件組成及功能見表2。測試系統(tǒng)仿真信號發(fā)送端選用了定制化通信測試儀表，可以實現(xiàn)穩(wěn)定功率信號發(fā)送，且支持多接口異步發(fā)送； V2X協(xié)議棧設備可對仿真場景的數(shù)據(jù)進行消息層、安全層和網(wǎng)絡層封裝；駕駛模擬器選用了羅技G29駕駛模擬裝置；HMI則采用安裝DUT的應用軟件進行預警圖像顯示與語音播報。

表1 驗證系統(tǒng)硬件組成

表2 驗證系統(tǒng)軟件組成

2 V2X仿真驗證

2.1 V2X硬件在環(huán)驗證工作原理

在環(huán)驗證采用工控機運行Prescan軟件和Simulink軟件。在Prescan軟件中可設置背景交通參與者、待測車輛的行駛軌跡和速度，將DUT作為待測車輛，其他的背景交通參與者由測試系統(tǒng)仿真模擬；在Simulink軟件中可設計必要的通信模塊，以實現(xiàn)仿真場景數(shù)據(jù)發(fā)送及預警信號的接收。為提升發(fā)送效率，減少協(xié)議建立連接的時延及記錄雙發(fā)收發(fā)狀態(tài)的額外投入消耗，采用了用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)形式來實現(xiàn)仿真主機與協(xié)議棧設備和OBU的通信。此外，按照車聯(lián)網(wǎng)應用層標準通信協(xié)議設計相關消息集的封裝及發(fā)送模塊的要求，OBU預警信號同樣采用了UDP形式傳回至預警信號接收模塊。在Simulink軟件中設計的UDP數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊及交通燈控制模塊，可將仿真場景中的GNSS數(shù)據(jù)和V2X消息以UDP形式進行打包發(fā)送，而GNSS仿真軟件則將仿真場景中的GNSS數(shù)據(jù)處理為GNSS信號，再由GNSS模擬器通過射頻形式廣播發(fā)送，提供給來自GPS的參考時鐘和PPS信號。仿真場景中的V2X消息先由協(xié)議棧設備進行ASN.1編碼處理，再經(jīng)過V2X信道仿真軟件進行配置，最后通過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接收信號后觸發(fā)相應的場景功能，在HMI上顯示圖像和語音播報的同時，以UDP形式將相關預警數(shù)據(jù)回傳至Simulink軟件中的UDP接收模塊。

2.2 驗證流程

仿真驗證流程包括測試場景搭建、仿真運行、測試結(jié)果記錄和數(shù)據(jù)分析3個步驟，其基本流程如圖2所示。

圖2 仿真測試流程

進行仿真測試時，在Precan軟件中選擇測試仿真場景，對GNSS仿真軟件中的時間和信道仿真設備信號調(diào)制中的相關參數(shù)進行設置。啟動仿真程序后，采用重復測試腳本的方式來控制重復仿真測試次數(shù)，并保存測試數(shù)據(jù)。當程序運行結(jié)束后，將獲得的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。

3 驗證樣例分析

本文以闖紅燈預警應用功能為例進行仿真驗證系統(tǒng)應用功能的驗證。

3.1 闖紅燈預警(RLVW)應用功能驗證

RLVW應用功能是以當前車輛的位置、車速及其他交通參數(shù)為依據(jù)，通過算法預測車頭經(jīng)過路口停止線時信號燈的狀態(tài)，并根據(jù)預測結(jié)果向駕駛員發(fā)出預警的一種功能驗證方式。基于汽車制動動力學，預警距離的表達式為：

(1)

式中，為駕駛員的平均反應時間，根據(jù)我國《智能運輸系統(tǒng)車輛前向碰撞預警系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》(GB/T 33577—2017)的要求，其值為0.66～1.20 s；為制動間隙消除時間，其值為0.15～0.90 s；為制動力增長階段，其值為0.20～0.90 s；為制動前速度，單位m/s；為制動后速度，單位m/s；為制動平均減速度，其值為6.86～8.40 m/s；為車輛在制動結(jié)束后與目標點位的安全距離，其值應大于3.0 m。

在對車輛V2X預警提醒功能驗證時，預警算法及相關參數(shù)的設計應結(jié)合車輛制動性能來設置定制化的預警算法參數(shù)，同時還應考慮符合我國駕駛員駕駛習慣的相關人因工程參數(shù)。本文根據(jù)上述參考值估算了碰撞類安全預警距離范圍，將制動相關時間的最小值和減速度的最大值代入式(1)，得出最遲的預警距離；將制動相關時間的最大值和減速度的最小值代入式(1)，得出最短的預警距離。預警碰撞時間(TTC)為預警距離與當前車速的比值，該參數(shù)也可作為驗證評價指標。

在Prescan軟件中，選擇闖紅燈預警功能進行了不同車速下的重復測試，仿真測試場景如圖3所示。測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)整后加速至測試要求的車速，并保持勻速駛向路口，此時，路口對應車道方向的紅綠燈狀態(tài)保持為紅燈。本文探討的預警距離是測試車輛與路口停止線的相對距離，即車輛的實時位置與其所在車道中心線點集合中最后1個點位之間的距離。

圖3 仿真測試場景

闖紅燈預警場景數(shù)據(jù)交互需求包含地圖消息及交通燈相位和時序消息(SPAT)。該測試車輛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、信號燈及信號燈控制模型、 地圖信息及SPAT消息封裝發(fā)送模塊(圖4)。

圖4 闖紅燈預警測試用例Simulink模型

3.2 驗證結(jié)果分析

本文以車速為40 km/h的測試條件為例，說明RLVW應用功能的驗證結(jié)果。當測試車輛以40 km/h的車速駛向信號燈狀態(tài)為紅燈的路口時，RLVW預警功能應在車輛距離路口停車線20.5～40.3 m的范圍內(nèi)發(fā)出預警，提示駕駛員注意前方路口信號燈為紅燈狀態(tài)，對應的TTC為1.8～3.6 s。按照驗證流程，需進行多次重復測試來驗證。多次試驗表明，該仿真驗證系統(tǒng)可觸發(fā)闖紅燈預警提醒功能。圖5為其中某次測試的驗證結(jié)果。從圖5可知，在此次測試驗證中，RLVW預警在車輛距停車線34.4 m時觸發(fā)預警信號，TTC為3.1 s，預警觸發(fā)時機合理。

圖5 RLVW應用功能測試

4 結(jié)語

本文針對車路協(xié)同應用功能驗證需求，設計了車路協(xié)同V2X仿真驗證系統(tǒng)。該驗證系統(tǒng)包含了GNSS模擬功能、V2X的消息模擬和信道模擬功能，可對真實衛(wèi)星信號和真實V2X通信環(huán)境進行模擬，實現(xiàn)了車路協(xié)同硬件在環(huán)V2X仿真驗證。根據(jù)驗證需要，選用了符合要求的測試用例進行測試驗證。測試結(jié)果表明，該仿真驗證系統(tǒng)驗證操作流程快速高效，結(jié)果有效且可重復性強。基于汽車制動動力學，本文采用了較為寬泛的評價指標對車路協(xié)同預警提醒時機進行了分析，下一步還將對預警時機的設置開展更為全面的研究。