基于V2X技术的FCWS测试方法研究

张迪思，祖晖，陈新海，王博思

（重庆车辆检测研究院有限公司，四川 重庆 400000）

前言

当前，车辆的环境感知技术分为两个方向，一是通过自主感知，即自身的传感器探测周围环境类似于“人的眼睛”。二是通过专用短程通讯，也就是 V2X车路协同技术进行感知，通过“听”和“讲”的方式，发送和接收信息。两种方式各有优劣，自主式感知通过摄像头、微波雷达、激光雷达等传感器对可见范围内的物体有较强的识别能力，且不存在通信延时、丢包等问题，决策机构可迅速及时的获取数据；V2X方式则有较强的车路通讯能力，可通过路侧设备 RSU实时获取红绿灯相位、道路拥堵情况等信息；凭借其500米左右的信号覆盖范围，可提前获知非视距范围内的道路信息，为车辆的决策提供更丰富的环境数据，可充分弥补自主式感知的劣势。然而，由于当前V2X设备装机量的不足，以及道路设施尚未大量铺开，目前自动驾驶技术行业的主要关注点依然在自主感知技术的运用上，《营运客车安全技术条件JT/T 2016-1094》、《GB/T 26773 智能运输系统 车道偏离报警系统 性能要求与检测方法》、《JT/T 883 营运车辆行驶危险预警系统技术要求和试验方法》、欧盟《ECE R131》等国内外法规均对FCW、AEBS、LDWS等测试方法进行详细的描述[1]，但其测试范围主要基于视距的基础上。本文将参考基于自主式感知技术的FCWS测试方法，实现基于V2X技术的FCW测试方法并对两种方式的测试结果进行对比。

1 基于自主传感器的FCWS实现方式

FCWS，即Forward Collision Warning System，前碰撞预警系统，该系统可以在碰撞发生前发出紧急的碰撞警告，帮助驾驶员提前做出制动措施，可以有效降低追尾事故发生概率或减轻碰撞激烈程度[2]。当前，FCWS主要通过摄像头和微波雷达作为感知层获知周边信息，然后数据会被提交给决策系统；决策系统将对数据进行一系列的处理，包括过滤无用信息、判断所处车道、判断障碍物的位置和姿态、判断障碍物的威胁等级，最后通过HMI声光报警或者触感的方式警告驾驶员。尤其在驾驶员过度疲劳、注意力不集中等情况下，FCWS可以极大的减少事故的发生几率。

2 基于自主传感的FCWS测试方法

目前FCWS主要采用预警事件TTC试验方法，即通过Time To Collision碰撞时间判断FCWS系统是否在合理的时间范围内给予了警告信息[2]。以《营运车辆行驶危险预警系统技术要求和试验方法》（JT/T 883-2014）为例，试验工况分为前车静止CCRs、前车运动CCRm、和前车刹车CCRb三种，如下表所示。

表1 三种试验工况

图1 JT/T 883-2014标准的FCWS典型测试场景

按照标准要求，每一个试验工况测试七次，满足TTC报警要求则视为一次成功，如七次测试中有五次成功且没有两次连续失败的情况出现，则视为通过该组工况测试。典型的测试场景如图1所示。

图2 一组产品的CCRm测试结果

根据资料显示，自主式FCWS系统，尤其是基于摄像头的产品，普遍存在TTC报警时间不稳定，标准差过大等问题。图2展示的是一组产品的CCRs测试结果，其中P1、P2、P3为国产基于摄像头的产品，P4和P5为基于毫米波雷达的产品。

3 基于V2X的FCWS所依赖的技术

3.1 V2X技术

V2X是一种实现车与车、车与路、车与人之间通讯的无线通信技术，最显著的特点是可以实现去中心化的 AdHoc自组网通信，且具有延时低、覆盖范围广等特点，非常适合运用在车路协同领域。目前V2X技术分为两个阵营，分别是美国主导的DSRC技术，以及中国大唐、华为主导的LTE-V技术。相对于自主式FCWS采用的摄像头和微波雷达，V2X方式在感知范围上具有较大的优势，且不受障碍物影响。

表2 几种技术的感知范围对比

3.2 高精定位技术

全球主流的卫星定位服务主要由美国GPS、俄罗斯的格洛纳斯、以及中国的北斗提供，通过实时差分技术RTK，其定位精度可以达到更高级别。高精定位又分为地基和星基，目前最常用的是星基，国内的厂商，如千寻，已经开始提供定位服务，其精度可以达到分米级。如果通过专用设备搭建RTK基站，则其精度可以高达厘米级。

V2X技术解决了信息传输的问题，而高精定位技术则解决了车辆位置的问题，车与车之间变可以通过相互告知自己的位置、速度、姿态等信息，计算出两车之间碰撞的可能性以及碰撞的风险等级。

4 使用V2X技术实现FCWS测试的方法

4.1 基于V2X的FCWS测试设备

4.1.1 V2X车路协同车载终端

V2X车载终端包含通信模块、控制器、HMI（用户界面，如平板等）和电池。其中，通信模块负责车与车之间的通信；控制器负责判断和处理数据；最后由HMI以声光的方式告知驾驶员。目前，国内研发V2X车载终端的厂商主要有星云互联、金溢、万集等，且联合编著的联盟标准《合作式ITS车用通信系统应用层及应用数据交互标准》已准备上升至国标，为各厂商之间实现互联互通提供了基础支撑。各厂商开发的应用已经覆盖前向碰撞预警、交叉路口预警、超速预警、红绿灯监测等多项应用，并且部分厂商还提供开放接口，供用户进行二次开发并允许对参数进行修正，为试验中更精确的调试匹配扫清了技术障碍。

图3 某V2X车载终端

4.1.2 高精定位差分基站

常规的定位服务只能提供亚米级的定位精度，而 FCWS系统对定位的精度要求相对较高，需要车道级的定位，否则就会导致报警提前或延后，甚至将对面车道正常行驶的车辆误认为是本车道车辆，造成频繁的误报，影响用户体验。因此，需要在测试中架设差分基站，以获取车辆最准确的位置信息。测试中，架设的差分数据分发结构如图4所示：地面差分基站获取校正信息，将校正信息发送给中心服务器，然后服务器再将数据分发给路侧基站进行广播，或者直接通过蜂窝网络传递给车载终端[3]。

图4 典型的地基RTK基站数据分发结构

4.1.3 双车协调系统

双车协调系统用于获取两车的相对距离和相对速度，由此可以计算出试验所需要的重要指标TTC。常见的双车协调系统如OXts公司的RT-RANGE。

图5 OXts公司的RT-RANG

4.2 基于V2X的FCWS测试场景

4.2.1 测试前的准备

测试车辆和背景车辆均需要安装双车协调系统和 V2X车载终端，并将天线放置在车顶处，以保证通信质量。另外，测试场地须提供高精定位服务。

图6 V2X设备装车状态

4.3 基于V2X的FCWS测试流程和方法

4.3.1 直道测试

本测试由于有一定的危险程度，并且对通信的环境要求较高，应该选择有测试资质的试验场，并且最好在性能路等平直路段进行，为了保证试验的安全性和测试效果，测试路段的长度应大于2公里，并有缓冲区域。

图7 双车同道测试

测试工况如下表所示：

表3 双车同道测试工况表

测试流程如下：

（1）确保试验车与背景车V2X系统通信正常；确保高精定位数据正常。

（2）试验车沿道路中心线以72km/h速度行驶，背景车按照各工况所需速度行驶；

（3）背景车执行工况所需操作。

（4）记录测试车 FCWS系统报警时间，并记录双车协调系统所显示的TTC；

（5）当TTC小于2s时，试验车采取制动或转向避免发生碰撞；

（6）试验结束。

4.3.2 弯道测试

如前文所述，V2X相当于动物的耳朵，其最大的优势就是可以提前监测到非视距的物体，在弯道、起伏路等路段相对于自主式感知系统在理论上具备一定的优势。

除测试场地与直道测试不同之外，测试工况与表3相同，测试流程也与直道测试相同，测试时两车的初始距离可以适当的增大，使背景车辆不在测试车辆的可视范围内，从而达到测试NLOS场景的目的。根据LTE-V频率验证项目的测试报告，两车在弯道中相距150米的情况下，丢包率依然能保持在10%以下且延时小于100ms，可以充分保障FCWS在弯道中的性能。

图8

4.3.3 虚警测试

虚警测试主要检测测试车辆的FCWS对目标物体的筛选过滤能力和误判率，是否能够过滤无威胁的物体（如对面正常行驶的车辆）。如果FCWS的误判率过高[4]，频繁的对驾驶员发出错误的警告，不仅会造成驾驶员对报警的厌恶，还有可能使驾驶员对报警声产生倦怠，即使出现真正的险情，也无法做出及时的应对措施。如果这样的 FCWS后期演进到AEBS系统，直接对车辆的控制器执行错误的操作，后果就更不堪设想了。

虚警测试的测试示意图如下，测试车辆和背景车辆在不同车道中行驶，观察各种工况下测试车辆FCWS的响应情况。

图9 虚警测试

其测试工况如表4所示：

表4 虚警测试工况

虚警测试的流程如下：

测试流程如下：

（1）确保试验车与背景车V2X系统通信正常；确保高精定位数据正常。

（2）试验车沿道路中心线以72km/h速度行驶，背景车按照各工况所需速度行驶；

（3）背景车执行工况所需操作。

（4）观测FCWS是否进行报警，如是，则测试失败。

（5） 试验结束。

5 测试结果

我们对基于V2X技术的FCWS产品进行了4种工况共计28组测试，并与其他两种产品的测试结果进行了对比，其结果表明，采用V2X方案的FCWS在性能和稳定性上已达到采用毫米波雷达方案的FCWS产品的水平，大大好于采用摄像头方案的产品。由于自主式FCWS产品没有进行弯道工况测试，因此没有数据可以进行对比。但是从技术实现的原理来看，V2X最大的优势应当就是此类非视距场景下的预警。

图10 CCRs测试结果对比

图11 CCRm测试结果对比

图12 CCRb测试结果对比

6 结语

（1）与自主式传感方式相比，V2X受天气等环境的影响较小[5]，决定性能和稳定性的关键就是通信的覆盖率、延时、丢包率，以及相对位置和相对距离的算法。

（2）高精定位技术是V2X技术的左臂右膀，如果定位不够精确，无法反映车辆的实际位置，那么其性能肯定大打折扣。

（3）V2X需要足够的装配率才能有效果，但是V2X设备的普及还有很长的路要走，需要政府、企业、科研机构等各方的联合推动。

（4）自主式感知和V2X方式均拥有各自的优点和缺点，而两种传感器并不是竞争关系，融合是今后发展的大趋势。自主传感器感知到的信息可以通过V2X方式广播出去，将极大的扩大车辆的感知范围。

相对于自主式FCW系统，V2X系统对感知的要求更为准确，为决策系统提供的数据更为精确可靠，因此在性能、可靠性的表现上更为优越。尤其是车辆环境复杂道路上，自主感知系统受到障碍物遮挡时，V2X的优越性有更大的体现。