車路協同V2X仿真驗證系統設計

李翠萍 趙鵬超 胡 鑫 苑壽同 魏文淵

(中汽數據(天津)有限公司，天津 300393)

0 前言

車路協同技術作為智能交通發展的前沿技術和發展趨勢，為交通效率的提升和交通安全的增強提供了新的實現途徑，也為交通行業的發展帶來了全新變革。通過車-路-云之間的高效通信，車路協同技術可以有效解決傳統交通環境下難以解決的復雜問題，實現交通流高效、有序、安全地運行。隨著車聯網(V2X)相關標準的出臺和車路協同技術的迭代升級，各類V2X設備也不斷更新。目前，車路協同技術仍處于發展初期，相關技術標準尚不完備，產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，以驗證車路協同設備互聯互通一致性及場景應用功能的有效性和穩定性。

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同環境開展測試驗證；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，且在測試數據采集的準確性、測試的可重復性及測試場景的復現性等方面存在一定難度和限制。因此，構建V2X模擬環境，借助仿真技術進行車路協同測試及驗證具有重要意義。

目前，針對V2X仿真驗證系統的研究大多采用改造后的V2X設備作為測試系統，但該系統無法支持多節點、復雜場景和大規模場景模擬的需要，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，并采用全球衛星導航系統(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同通信環境。在工控機上使用Prescan軟件搭建不同的測試場景環境，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。在車路協同V2X仿真驗證系統設計時，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(GPS)和北斗衛星導航系統，被測器件(DUT)和V2X協議棧設備需通過解析模擬GNSS信號的參考時鐘及網絡電視軟件(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單元(RSU)，通過V2X射頻模擬器同時模擬不同消息的發送，來滿足復雜場景的仿真需求，開展大規模壓力測試。

1 驗證系統組成

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

1.1 系統總體架構

全新的V2X仿真驗證系統總體架構如圖1所示。該系統架構由工控機、PXI 控制器(含GNSS模擬器及V2X模擬器)、V2X協議棧設備、駕駛模擬器和人機界面(HMI)等組成。

圖1 仿真系統總體架構

1.2 系統軟硬件組成

驗證系統的硬件設備組成及功能見表1。驗證系統的軟件組成及功能見表2。測試系統仿真信號發送端選用了定制化通信測試儀表，可以實現穩定功率信號發送，且支持多接口異步發送； V2X協議棧設備可對仿真場景的數據進行消息層、安全層和網絡層封裝；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 驗證系統硬件組成

表2 驗證系統軟件組成

2 V2X仿真驗證

2.1 V2X硬件在環驗證工作原理

在環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仿真模擬；在Simulink軟件中可設計必要的通信模塊，以實現仿真場景數據發送及預警信號的接收。為提升發送效率，減少協議建立連接的時延及記錄雙發收發狀態的額外投入消耗，采用了用戶數據報協議(UDP)形式來實現仿真主機與協議棧設備和OBU的通信。此外，按照車聯網應用層標準通信協議設計相關消息集的封裝及發送模塊的要求，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數據發送/接收模塊及交通燈控制模塊，可將仿真場景中的GNSS數據和V2X消息以UDP形式進行打包發送，而GNSS仿真軟件則將仿真場景中的GNSS數據處理為GNSS信號，再由GNSS模擬器通過射頻形式廣播發送，提供給來自GPS的參考時鐘和PPS信號。仿真場景中的V2X消息先由協議棧設備進行ASN.1編碼處理，再經過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由直連通信接口(PC5)發送給DUT，DUT接收信號后觸發相應的場景功能，在HMI上顯示圖像和語音播報的同時，以UDP形式將相關預警數據回傳至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、測試結果記錄和數據分析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制中的相關參數進行設置。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，并保存測試數據。當程序運行結束后，將獲得的測試數據進行統計和分析。

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為依據，通過算法預測車頭經過路口停止線時信號燈的狀態，并根據預測結果向駕駛員發出預警的一種功能驗證方式?；谄囍苿觿恿W，預警距離的表達式為：

(1)

式中，為駕駛員的平均反應時間，根據我國《智能運輸系統車輛前向碰撞預警系統性能要求和測試規程》(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的設計應結合車輛制動性能來設置定制化的預警算法參數，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。本文根據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，經行駛狀態調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

闖紅燈預警場景數據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據發送模型、信號燈及信號燈控制模型、 地圖信息及SPAT消息封裝發送模塊(圖4)。

圖4 闖紅燈預警測試用例Simulink模型

3.2 驗證結果分析

本文以車速為40 km/h的測試條件為例，說明RLVW應用功能的驗證結果。當測試車輛以40 km/h的車速駛向信號燈狀態為紅燈的路口時，RLVW預警功能應在車輛距離路口停車線20.5～40.3 m的范圍內發出預警，提示駕駛員注意前方路口信號燈為紅燈狀態，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，該仿真驗證系統可觸發闖紅燈預警提醒功能。圖5為其中某次測試的驗證結果。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時觸發預警信號，TTC為3.1 s，預警觸發時機合理。

圖5 RLVW應用功能測試

4 結語

本文針對車路協同應用功能驗證需求，設計了車路協同V2X仿真驗證系統。該驗證系統包含了GNSS模擬功能、V2X的消息模擬和信道模擬功能，可對真實衛星信號和真實V2X通信環境進行模擬，實現了車路協同硬件在環V2X仿真驗證。根據驗證需要，選用了符合要求的測試用例進行測試驗證。測試結果表明，該仿真驗證系統驗證操作流程快速高效，結果有效且可重復性強?；谄囍苿觿恿W，本文采用了較為寬泛的評價指標對車路協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。