基于虛實融合技術的V2X 測試系統研究

郭 蓬， 王夢丹， 楊建森， 蔡 聰， 許揚眉， 張登權

（1.中國汽車技術研究中心有限公司， 天津 300300；2.中汽研（天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300）

1 引言

隨著汽車網聯化技術研究的不斷深入， C-V2X技術作為一種新興的網聯通信技術早已得到業界的廣泛認可， 這種基于萬物互聯 （IoT） 的概念， 主要是指車和外界的信息交換， 能夠為車與車、 車與路、 車與人、 車與網的全方位連接實現關鍵支撐。 C-V2X是智能交通和自動駕駛的關鍵使能技術， 由于其具有非常廣闊的商業化運營前景， 目前已經成為眾多產業相關方積極布局的發展方向， 為提升汽車智能化水平和自動駕駛能力， 構建汽車和交通服務新業態提供條件， 從而提高交通效率， 改善汽車駕乘感受， 為用戶提供智能、 舒適、 安全、 節能、 高效的綜合服務。

由于涉及到車與周圍環境的通信交互， V2X的應用面臨各種各樣的通信環境和交通場景的組合。 在V2X研發測試驗證過程中如果還大量采用道路測試方法， 我們將面臨測試里程和測試時間急劇增加所帶來的巨大挑戰。 同時，外場實車測試具有一定的危險性， 并且對無線通信環境有較高的要求， 需要在有資質的試驗場進行測試， 尤其是在有相應場景的路段下測試， 因此V2X應用的功能驗證需要耗費大量的人力和財力， 更甚至會有一定的危險性。

由于V2X涉及車與車或車與路側基礎設施之間的通信，所以對于外場的V2X測試， 若涉及到復雜的應用場景或極限工況， 則導致可操作性較差或容易出現危險， 并且難以進行重復性的測試。 本文將設計一套C-V2X外場功能測試系統， 對測試場景的參數可以靈活配置， 使得一切在實際道路可能發生的異常情況都被包含在內， 不僅節省了人力物力和財力， 而且使得場景的多樣性、 極限工況以及可重復性大大提高。

2 測試系統架構

基于虛實融合技術的V2X測試系統主要由上位機、 環境信息模擬設備、 報警信號捕捉設備和被測車輛組成， 系統架構圖如圖1所示。

圖1 基于虛實融合技術的V2X測試系統架構圖

上位機中搭載場景仿真軟件和數據監控與處理軟件，仿真場景軟件使用PreScan和Simulink進行聯合仿真， 與環境信息仿真設備使用以太網連接， 用于創建虛擬交通環境，包含交通場景信息和背景車輛信息， 并將其傳遞給環境信息仿真設備； 環境信息仿真設備有3個方面的作用： ①將仿真測試場景信息通過V2X協議棧轉化為標準的V2X消息， 并與被測車輛的OBU設備進行V2X通信； ②接收被測車輛的OBU發送的V2X消息， 并通過測試數據發送模塊發送給數據監控與處理軟件， 用于測試過程中被測車輛狀態的數據記錄； ③接收被測車輛中的預警顯示終端發送的預警信號，通過測試數據發送模塊發送給數據監控與處理軟件， 用于測試過程中預警信號記錄； 數據監控與處理軟件用于接收匯總環境信息仿真設備發送的測試數據， 并進行測試數據處理與記錄， 形成自動化測試流程。

3 測試系統部件設計

3.1 虛擬交通環境設計

本系統涉及到的虛擬交通環境采用PreScan和Simulink聯合仿真， 主要包含道路環境模型和背景車輛模型， 其中道路環境模型用于構建測試環境， 包含道路模型、 交通標志牌模型、 紅綠燈模型等， 背景車輛模型為被測車輛周圍的車輛， 可與被測車輛交互實時運行狀態信息， 如圖2所示為虛擬交通環境搭建示例。

圖2 虛擬交通環境示例

由于本系統基于虛實融合技術， 即被測車輛為實， 背景車輛及道路環境為虛， 當進行實際的測試時， 測試車輛和背景車輛需行駛在同一條道路上， 因此在測試前首先需要確定具體的道路， 道路環境模型通過則外部標準地圖將其導入到PreScan軟件中， 制作出與實際道路相一致的測試環境； 之后， 創建背景車輛的軌跡模型， 保證車輛按照預設軌跡行駛， 同時添加車輛動力學模型， 對車輛進行相應控制， 觸發轉向燈等信號； 最后， 將背景車輛信息和道路環境信息打包傳輸給環境信息仿真設備。

3.2 環境信息仿真設備

如圖3所示， 環境信息仿真設備包含仿真場景信息接收模塊、 V2X協議棧、 V2X消息接收模塊、 V2X消息發送模塊、 V2X接收天線、 V2X發送天線、 GPS天線、 報警信號處理模塊、 測試數據發送模塊和高精定位模塊。

圖3 環境信息仿真設備架構設計

虛擬交通環境與環境信息仿真設備采用以太網連接，仿真場景信息接收模塊用于接收虛擬交通環境發送的場景消息； V2X協議棧用于將接收的場景信息數據打包為標準的V2X消息包， 同時將接收的標準V2X消息包進行解析， 用于V2X消息分析和監控； V2X消息發送模塊將標準的V2X消息包通過V2X發送天線進行廣播。

V2X消息接收模塊通過V2X接收天線接收被測車輛發送的標準V2X消息包， 并將V2X消息發送給測試數據發送模塊； 報警信號捕捉設備與環境信息仿真設備進行CAN連接，用于捕捉被測車輛所發出的聲光報警， 并發送給報警信號處理模塊。

高精定位模塊與環境信息仿真設備進行CAN連接， 通過GPS天線接收被測車輛的高精度位置信號， 進一步獲取被測車輛的實時位置及姿態信息， 與被測車輛的OBU車載單元中的位置信號做對比， 同時對設備進行GPS授時； 測試數據發送模塊將V2X消息、 報警信息和高精度位置信息發送到測試數據處理單元， 用于V2X消息監控和測試數據處理。

4 試驗測試

基于虛實融合技術的V2X測試系統測試過程如圖4所示。

結合某車型的V2X功能， 對其進行試驗， 驗證其V2X功能的準確性及有效性。 本次設計場景為交叉路口碰撞預警，測試場景描述： 被測車輛和虛擬背景車輛分別距離交叉路口100m， 且虛擬背景車輛位于被測車輛右側， 兩車以25km/h的速度勻速駛向交叉路口， 記錄測試數據， 并計算出相應測試結果。 實際試驗過程如圖5所示。

圖4 測試流程

基于虛實融合技術的V2X測試系統能夠安全高效地完成測試， 以驗證V2X預警功能正確與否。 測試結果顯示，預警觸發瞬間被測車輛距離交叉路口沖突點25.3m， 且TTC為0.2， 該測試結果符合該車型V2X功能規范。

圖5 試驗過程

5 結論

針對網聯汽車V2X功能測試需求， 本文提出了一種基于虛實融合技術的V2X測試系統， 經與被測車輛實車試驗從而驗證該系統的有效性。 該系統可應用在V2X車載單元開發階段或網聯汽車樣車制造前子系統研發驗證過程中，可安全、 高效、 低成本地完成V2X功能測試與驗證。