基于虚实融合技术的V2X 测试系统研究

郭 蓬， 王梦丹， 杨建森， 蔡 聪， 许扬眉， 张登权

（1.中国汽车技术研究中心有限公司， 天津 300300；2.中汽研（天津） 汽车工程研究院有限公司， 天津 300300）

1 引言

随着汽车网联化技术研究的不断深入， C-V2X技术作为一种新兴的网联通信技术早已得到业界的广泛认可， 这种基于万物互联 （IoT） 的概念， 主要是指车和外界的信息交换， 能够为车与车、 车与路、 车与人、 车与网的全方位连接实现关键支撑。 C-V2X是智能交通和自动驾驶的关键使能技术， 由于其具有非常广阔的商业化运营前景， 目前已经成为众多产业相关方积极布局的发展方向， 为提升汽车智能化水平和自动驾驶能力， 构建汽车和交通服务新业态提供条件， 从而提高交通效率， 改善汽车驾乘感受， 为用户提供智能、 舒适、 安全、 节能、 高效的综合服务。

由于涉及到车与周围环境的通信交互， V2X的应用面临各种各样的通信环境和交通场景的组合。 在V2X研发测试验证过程中如果还大量采用道路测试方法， 我们将面临测试里程和测试时间急剧增加所带来的巨大挑战。 同时，外场实车测试具有一定的危险性， 并且对无线通信环境有较高的要求， 需要在有资质的试验场进行测试， 尤其是在有相应场景的路段下测试， 因此V2X应用的功能验证需要耗费大量的人力和财力， 更甚至会有一定的危险性。

由于V2X涉及车与车或车与路侧基础设施之间的通信，所以对于外场的V2X测试， 若涉及到复杂的应用场景或极限工况， 则导致可操作性较差或容易出现危险， 并且难以进行重复性的测试。 本文将设计一套C-V2X外场功能测试系统， 对测试场景的参数可以灵活配置， 使得一切在实际道路可能发生的异常情况都被包含在内， 不仅节省了人力物力和财力， 而且使得场景的多样性、 极限工况以及可重复性大大提高。

2 测试系统架构

基于虚实融合技术的V2X测试系统主要由上位机、 环境信息模拟设备、 报警信号捕捉设备和被测车辆组成， 系统架构图如图1所示。

图1 基于虚实融合技术的V2X测试系统架构图

上位机中搭载场景仿真软件和数据监控与处理软件，仿真场景软件使用PreScan和Simulink进行联合仿真， 与环境信息仿真设备使用以太网连接， 用于创建虚拟交通环境，包含交通场景信息和背景车辆信息， 并将其传递给环境信息仿真设备； 环境信息仿真设备有3个方面的作用： ①将仿真测试场景信息通过V2X协议栈转化为标准的V2X消息， 并与被测车辆的OBU设备进行V2X通信； ②接收被测车辆的OBU发送的V2X消息， 并通过测试数据发送模块发送给数据监控与处理软件， 用于测试过程中被测车辆状态的数据记录； ③接收被测车辆中的预警显示终端发送的预警信号，通过测试数据发送模块发送给数据监控与处理软件， 用于测试过程中预警信号记录； 数据监控与处理软件用于接收汇总环境信息仿真设备发送的测试数据， 并进行测试数据处理与记录， 形成自动化测试流程。

3 测试系统部件设计

3.1 虚拟交通环境设计

本系统涉及到的虚拟交通环境采用PreScan和Simulink联合仿真， 主要包含道路环境模型和背景车辆模型， 其中道路环境模型用于构建测试环境， 包含道路模型、 交通标志牌模型、 红绿灯模型等， 背景车辆模型为被测车辆周围的车辆， 可与被测车辆交互实时运行状态信息， 如图2所示为虚拟交通环境搭建示例。

图2 虚拟交通环境示例

由于本系统基于虚实融合技术， 即被测车辆为实， 背景车辆及道路环境为虚， 当进行实际的测试时， 测试车辆和背景车辆需行驶在同一条道路上， 因此在测试前首先需要确定具体的道路， 道路环境模型通过则外部标准地图将其导入到PreScan软件中， 制作出与实际道路相一致的测试环境； 之后， 创建背景车辆的轨迹模型， 保证车辆按照预设轨迹行驶， 同时添加车辆动力学模型， 对车辆进行相应控制， 触发转向灯等信号； 最后， 将背景车辆信息和道路环境信息打包传输给环境信息仿真设备。

3.2 环境信息仿真设备

如图3所示， 环境信息仿真设备包含仿真场景信息接收模块、 V2X协议栈、 V2X消息接收模块、 V2X消息发送模块、 V2X接收天线、 V2X发送天线、 GPS天线、 报警信号处理模块、 测试数据发送模块和高精定位模块。

图3 环境信息仿真设备架构设计

虚拟交通环境与环境信息仿真设备采用以太网连接，仿真场景信息接收模块用于接收虚拟交通环境发送的场景消息； V2X协议栈用于将接收的场景信息数据打包为标准的V2X消息包， 同时将接收的标准V2X消息包进行解析， 用于V2X消息分析和监控； V2X消息发送模块将标准的V2X消息包通过V2X发送天线进行广播。

V2X消息接收模块通过V2X接收天线接收被测车辆发送的标准V2X消息包， 并将V2X消息发送给测试数据发送模块； 报警信号捕捉设备与环境信息仿真设备进行CAN连接，用于捕捉被测车辆所发出的声光报警， 并发送给报警信号处理模块。

高精定位模块与环境信息仿真设备进行CAN连接， 通过GPS天线接收被测车辆的高精度位置信号， 进一步获取被测车辆的实时位置及姿态信息， 与被测车辆的OBU车载单元中的位置信号做对比， 同时对设备进行GPS授时； 测试数据发送模块将V2X消息、 报警信息和高精度位置信息发送到测试数据处理单元， 用于V2X消息监控和测试数据处理。

4 试验测试

基于虚实融合技术的V2X测试系统测试过程如图4所示。

结合某车型的V2X功能， 对其进行试验， 验证其V2X功能的准确性及有效性。 本次设计场景为交叉路口碰撞预警，测试场景描述： 被测车辆和虚拟背景车辆分别距离交叉路口100m， 且虚拟背景车辆位于被测车辆右侧， 两车以25km/h的速度匀速驶向交叉路口， 记录测试数据， 并计算出相应测试结果。 实际试验过程如图5所示。

图4 测试流程

基于虚实融合技术的V2X测试系统能够安全高效地完成测试， 以验证V2X预警功能正确与否。 测试结果显示，预警触发瞬间被测车辆距离交叉路口冲突点25.3m， 且TTC为0.2， 该测试结果符合该车型V2X功能规范。

图5 试验过程

5 结论

针对网联汽车V2X功能测试需求， 本文提出了一种基于虚实融合技术的V2X测试系统， 经与被测车辆实车试验从而验证该系统的有效性。 该系统可应用在V2X车载单元开发阶段或网联汽车样车制造前子系统研发验证过程中，可安全、 高效、 低成本地完成V2X功能测试与验证。