摘要：智能網(wǎng)聯(lián)汽車是我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)支持領(lǐng)域。車路協(xié)同技術(shù)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的重要應(yīng)用方向和基礎(chǔ)支撐。車路協(xié)同仿真驗(yàn)證技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)智能化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及示范應(yīng)用開展的重要保障。分析了車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展的重要意義，研究了車路協(xié)同系統(tǒng)整體組成，軟件仿真、硬件在環(huán)仿真以及整車在環(huán)仿真驗(yàn)證的仿真架構(gòu)、設(shè)計(jì)方案及常用工具，提出了車路協(xié)同系統(tǒng)驗(yàn)證在協(xié)議一致性及應(yīng)用功能驗(yàn)證層面存在的問題，總結(jié)了車路協(xié)同系統(tǒng)驗(yàn)證方法的發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞:智能網(wǎng)聯(lián)汽車;車路協(xié)同;軟件仿真;硬件在環(huán)仿真

　　0 前言

　　車路協(xié)同系統(tǒng)(CVIS)是基于車際網(wǎng)、傳感探測(cè)技術(shù)獲取車輛和道路信息，并通過車車、車路信息交互和共享，實(shí)現(xiàn)車輛和交通基礎(chǔ)設(shè)施之間的智能協(xié)同感知與配合，從而達(dá)到優(yōu)化交通系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標(biāo)[1]。車路協(xié)同是車聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用方向和技術(shù)支撐。當(dāng)前，基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的車路協(xié)同技術(shù)正處于規(guī)?；瘻y(cè)試和驗(yàn)證階段，技術(shù)人員依托智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范區(qū)及車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)，在全國(guó)范圍內(nèi)開展了圍繞標(biāo)準(zhǔn)制定、研發(fā)測(cè)試、示范應(yīng)用、商業(yè)落地等活動(dòng)，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了探索。車路協(xié)同技術(shù)在大規(guī)模實(shí)際商業(yè)化推廣應(yīng)用之前，需要在實(shí)際的道路交通場(chǎng)景下進(jìn)行廣泛的測(cè)試，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。但這些測(cè)試場(chǎng)景成本高，具有一定危險(xiǎn)性，重復(fù)性較差。因此，測(cè)試評(píng)價(jià)是開展車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用不可或缺的重要環(huán)節(jié)，也是車聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及裝備進(jìn)行大規(guī)模部署，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用的重要手段[2]。盡管現(xiàn)場(chǎng)操作測(cè)試和大規(guī)模部署已經(jīng)在進(jìn)行，但是LTE-V2X車聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和性能評(píng)估仍然需要進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

　　1 車路協(xié)同系統(tǒng)仿真技術(shù)

　　車路協(xié)同系統(tǒng)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(shí)時(shí)獲取車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與路端、云端通過通信網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)。路端是指安裝在激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、邊緣計(jì)算單元、路側(cè)單元等設(shè)備的具備感知、處理和決策能力的智能化路側(cè)系統(tǒng)。云端是指可以實(shí)時(shí)采集車輛、道路及設(shè)備數(shù)據(jù)的云控平臺(tái)。車路協(xié)同仿真技術(shù)重點(diǎn)模擬的是車端與路端的信息交互及應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)。車路協(xié)同系統(tǒng)仿真屬于多系統(tǒng)仿真，涉及交通仿真、信息交互、測(cè)試、驗(yàn)證等問題?；诜抡骝?yàn)證目的不同，車路協(xié)同系統(tǒng)可以分為軟件仿真、硬件在環(huán)仿真和整車在環(huán)仿真。

　　1.1 軟件仿真

　　軟件仿真是新技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和迭代的重要手段。車路協(xié)同軟件仿真驗(yàn)證可以對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行快速驗(yàn)證。車路協(xié)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(yùn)行軌跡，并將其用于網(wǎng)絡(luò)仿真器的輸入。常見的交通仿真器軟件有SUMO、PRESCAN、CARSIM、VISSIM、TRANSIM等。網(wǎng)絡(luò)仿真器主要用于實(shí)現(xiàn)面向車聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議棧，包括節(jié)點(diǎn)之間的交通數(shù)據(jù)傳輸、接收，以及后臺(tái)負(fù)載、路由、鏈路和信道進(jìn)行報(bào)文級(jí)別的仿真。網(wǎng)絡(luò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)(VANET)的模擬方法進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)及功能驗(yàn)證。RIEBL[4]使用OMNeT++網(wǎng)絡(luò)仿真工具搭建車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信模擬環(huán)境，采用SUMO軟件提供車輛運(yùn)動(dòng)軌跡。技術(shù)人員通過這種測(cè)試環(huán)境可以模擬各種交通場(chǎng)景，并用于評(píng)估交通狀況對(duì)通信信道的負(fù)載情況。但是，該測(cè)試環(huán)境與供應(yīng)商提供的不同智能交通設(shè)備之間的兼容性欠佳。MATH等[5]針對(duì)交通密度和應(yīng)用需求這2個(gè)層面，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)模擬器(NS-3)和交通模擬器(SUMO)聯(lián)合仿真環(huán)境，對(duì)公路場(chǎng)景進(jìn)行了仿真。CHOUDHURY[6]設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行通信協(xié)議和應(yīng)用程序的仿真環(huán)境，其中主要分為3個(gè)部分：交通仿真器使用的是VISSIM軟件;網(wǎng)路仿真器使用的是NS-3;應(yīng)用算法模塊采用的是MATLAB軟件。這種仿真環(huán)境是基于純軟件模擬，無法對(duì)物理通信過程進(jìn)行測(cè)試，只能進(jìn)行應(yīng)用程序的核心算法及功能測(cè)試驗(yàn)證。軟件仿真驗(yàn)證環(huán)境搭建較為容易，且其成本低，功能可擴(kuò)展性強(qiáng)。但是，如果建立的模型與實(shí)際環(huán)境差異較大，僅依靠交通仿真模型和信息通信模型進(jìn)行仿真，仿真驗(yàn)證的結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　1.2 硬件在環(huán)仿真

　　硬件在環(huán)仿真在傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域中使用廣泛，同樣也適用于車路協(xié)同系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。車路協(xié)同硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證向被測(cè)設(shè)備(DUT)提供車聯(lián)網(wǎng)仿真驗(yàn)證環(huán)境。NIRAV等[7]提出了OMNeT++HIL仿真的路由框架，檢測(cè)OMNeT++的實(shí)時(shí)行為，重點(diǎn)測(cè)試了當(dāng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)溟_始改變時(shí)的場(chǎng)景。鐘源[8]提出了基于Q-Paramics的交通環(huán)境搭建方法，并深入研究了針對(duì)功能測(cè)試、場(chǎng)景測(cè)試及全生命周期的車聯(lián)網(wǎng)仿真需求。第3代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)提供了基于測(cè)試和測(cè)試控制表示法第3版(TTCN-3)與硬件系統(tǒng)模擬器相結(jié)合的測(cè)試系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)模擬器相當(dāng)于1個(gè)完全可控的通信設(shè)備，技術(shù)人員可以根據(jù)測(cè)試用例通過自動(dòng)或手動(dòng)模擬通信過程對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行全面測(cè)試。WANG等[9]通過通信設(shè)備取代網(wǎng)絡(luò)模擬器，構(gòu)建實(shí)際的仿真架構(gòu)，其主要是由GNSS模擬器、V2X通信模塊、V2X仿真平臺(tái)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)模擬器及通信接口組成。整個(gè)仿真架構(gòu)根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的不同分為2類，分別為由V2X仿真平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，并結(jié)合了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的模擬器數(shù)據(jù)及CAN模擬器數(shù)據(jù)(圖1)。該框架結(jié)合了實(shí)際通信模塊，但接口較為復(fù)雜，缺少驗(yàn)證結(jié)果的分析模塊。蔡之駿[10]提出基于SIMULINK軟件的V2X硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)。V2X設(shè)備通過CAN總線與仿真模型和車機(jī)顯示屏交互，模擬前裝車載單元(OBU)實(shí)車的工作環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)使用GNSS模擬器模擬真實(shí)全球定位系統(tǒng)(GPS)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)軌跡模擬及時(shí)鐘同步，同時(shí)仿真系統(tǒng)加入駕駛模擬器，實(shí)現(xiàn)V2X駕駛員在環(huán)仿真。白杰文[11]采用了CarMaker軟件進(jìn)行仿真場(chǎng)景搭建，配置交通對(duì)象參數(shù)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互(HDU)系統(tǒng)，采用地圖映射模型進(jìn)行軌跡仿真，開發(fā)車聯(lián)網(wǎng)在環(huán)仿真應(yīng)用測(cè)試方法和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)一致性測(cè)試方法。