车联网关键指标对车辆安全影响仿真测试方法

1、车联网关键指标对车辆安全影响仿真测试方法柴琳果;蔡伯根;王化深;上官伟;王剑【摘要】提出了一种用于分析车联网关键指标对车辆安全影响的仿真测试方法.首 先，基于微观交通流仿真软件设计了危险跟驰、换道等基础仿真场景;然后，分析了基 于高斯分布的定位误差模型和单跳通信延误模型，并建立了定位误差、通信延误和 渗透率在仿真过程中的执行策略;接着，基于车辆最小安全距离跟驰模型和车辆非线 性分段制动模型分别提出了车辆危险跟驰预警和危险换道预警方法;最后，通过建立 基于HLA(high level architecture)的车联网仿真平台对不同定位误差、通信延误 和渗透率对车辆安全的影响进行了仿真测试.结果表明，在危险跟驰场景中，在注入了 基于高斯分布的定位误差后,预警成功率为88%,预警成功率随着预警策略中减速度 的减小而增大;在危险换道场景中，在注入了单跳通信延误后,预警成功率达100%;成 功预警数随着OD(origin destination)取值和渗透率的增大而增大，并且受渗透率 景Z响更加明显.A simulation testing scheme for analyzing the e

2、ffects of the key indicators of the internet of vehi-cles ( IOV) on vehicle safety is proposed. Firstly the basic simulation scenarios of dangerous vehicle following and lane change are devised based on microscopic traffic flow simulation software. Secondly, Gaussian distribution-based vehicle positioning error model and single-hop communication delay model are analyzed, and the executed strategies of positioning error, communication delay and penetration ratio during simulation are determined.

3、Then the ways of warnings for dangerous vehicle following and lane change are proposed based on minimum safety distance model and vehicle nonlinear piecewise braking model respectively. Finally, a high level architecturebased IOV simulation plat-form is setup and a simulation is conducted for testing the effects of poisoning error, communication delay and penetration ratio on vehicle safety. The results show that in dangerous vehicle following scenario, the success rate of warning increases with

4、 the lowering of vehicle deceleration in warning strategy and the bringing-in of Gaussian distri-bution-based vehicle positioning error can get a warning success rate of 88%, while in dangerous lane change sce-nario, the success rate of warning increases with the rises of origin-destination value and penetration ratio, in which the latter has more obvious effects, and the bringing-in of single-hop communication delay can achieve a warning success rate of 100%.【期刊名称】汽车工程【年(卷)，期】2017(039)011 【总页数】

5、9页(P1316-1324) 【关键词】交通工程;车辆安全;仿真测试;车联网;仿真场景 【作者】柴琳果;蔡伯根;王化深;上官伟;王剑【作者单位】北京交通大学电子信息工程学院，北京100044;北京交通大学电子信 息工程学院，北京100044;北京交通大学，轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044;北京交通大学，北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心，北 京100044;北京交通大学电子信息工程学院，北京100044;北京交通大学，轨道交通 控制与安全国家重点实验室,北京100044;北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044;北京交通大学，轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京100044;北京交 通大学，北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心，北京100044;北京 交通大学电子信息工程学院，北京100044;北京交通大学，轨道交通控制与安全国家 重点实验室，北京100044;北京交通大学，北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程 技术研究中心，北京100044【正文语种】中文随着传感器技术、通信技术的发展，车联网系统在保证车辆安全方面的优势日益体

6、现，车辆状态数据的采集和估计更加准确，车车、车地之间的信息交互也更加可靠 1。但在实际车联网系统的设计与开发过程中，不同的定位模式会导致定位精度 的巨大变化2，且不同通信模式的选择也会对系统的信息交互带来一定的不稳定 性3-4，虽然多传感器融合定位和多通信模式竞争可在一定程度上缓解定位准确 度的下降和通信性能的降低对系统的影响，但系统关键环节的核心参数在数据表示 层面仍然不能表现出完全统一的特性，尤其是在城市道路中，城市峡谷所产生的遮 挡和多径效应，导致车辆定位误差仍然存在，通信丢包和通信延误也不能完全消除。 车联网系统中关键参数的不稳定会对车辆安全控制效果产生巨大影响，在车辆安全 控制方面，一方面，研究人员研究用提升设备性能的方法来降低对车辆状态估计的 难度和保证信息交互的可靠传输，另一方面，学者也在研究多传感器深耦合定位技 术和通信协议的优化方法来提高定位精度和通信可靠性。因此，考虑设备和算法性 能的车辆安全测试方法显得尤为重要，目前国内外在车辆安全测试方面进行了许多 研究。文献5中研究设计了基于MATLAB/Simulink和车辆动力学软件CarSim的电动 车辆驱动控制系统仿真

7、测试平台，能针对不同型号的电动车辆，方便快捷地匹配不 同类型的电机，设计整车驱动力控制策略；文献6中采用WorldSID假人对因为 驾驶员说话分散注意力而产生的事故进行了模拟，分析了副驾驶位置假人的受伤情 况；文献7中介绍了 ITDNS(integrated traffic-driving-networking simulator), 并通过15名平均年龄26.13岁的驾驶员的实测数据对该仿真器模型进行了矫正。由于可能存在安全隐患，所以目前关于车辆安全的测试中并没有人的实际参与，多 采用仿真的手段进行测试。目前车辆安全测试研究主要集中在两个方面，一方面是 研究如何基于实测数据建立具有高逼真度的仿真环境，另一方面是在成熟的仿真环 境或者半实物仿真环境中对车辆安全进行测试。采用仿真的手段来测试评估车联网中车辆关键参数对车辆运行安全的影响具有一定 优势，目前国内外针对车联网定位误差、通信性能和渗透率等也有一定的研究基础。 文献8中通过驾驶辅助和主动安全仿真软件PreScan研究了无信号交叉口的车辆 避撞方法，提出了 through-through车辆避撞策略，一定程度上给出了车辆在交 叉口穿

8、插通行问题的解决方案；文献9中提出了一种基于载波相位异常检测和验 证的方法来提高车辆的动态定位性能，并通过仿真验证其正确性；文献10中研究 了车联网中渗透率和MOEs(measures of effectiveness)的关系，提出了一种基 于最小渗透率的路网MOEs精确估计方法。可以看出，目前在车联网车辆安全仿真测试的研究中，对特定功能，如定位性能、 通信性能和道路渗透率等的测试较为常见，但缺少建立在多模块、多子系统协同运 作之上针对某一特性对系统影响而建立的测试方法。在考虑车辆定位性能、通信性能和联网车辆渗透率的基础上，本文中设计了一种车 联网关键指标对车辆安全影响的仿真测试方法。通过建立基础的交通流仿真环境、 信息交互环境和车辆预警控制机制，在实现基本车联网车车、车路交互仿真的基础 上，设计了定位性能、通信性能和联网车辆渗透率在仿真平台的运行机制，结合危 险跟驰和危险换道仿真场景，进行关键环节对车辆安全影响的分析和评价。为更符合车联网中车辆运行状态和信息交互过程，本文中基于HLA11 建立了基 本仿真环境，设计了 5个仿真联邦，分别为交通仿真、通信仿真、行为控制、管 理评估和三维

9、视景联邦。仿真框架如图1所示。其中，交通仿真联邦主要模拟交通流特性，基于Q-Paramics12-13(以下称 Paramics )微观交通仿真软件建立，实现危险仿真场景生成、定位性能和渗透率的 模拟；通信仿真联邦主要功能包括路侧节点设置、节点信息获取机制模拟、节点信 息的数据库存储和通信性能模拟，以模拟车辆的通信过程；行为控制联邦主要依据 交通仿真数据和通信仿真结果对道路中的危险场景进行危险预测，并给出预警信息 和冲突消解策略；管理评估联邦主要实现危险场景参数设置和关键环节参数对交通 影响的评价；三维视景联邦主要通过VEGA三维软件进行可视化显示。仿真测试 流程如下：(1) 仿真开始，生成仿真场景，交通仿真联邦在生成交通流之后，根据测试信息， 基于车辆状态预演生成危险跟驰和换道仿真场景；(2) 交通仿真、通信仿真、行为控制联邦成员判断测试信息，触发被测参数的运行 机制，将其影响效果叠加到危险跟驰和换道仿真场景中；行为控制联邦成员对路网的所有车辆状态进行遍历，辨识车辆危险，给出驾驶 员预警信息；(4)管理评估联邦成员对仿真测试结果进行统计分析，给出车联网关键环节参数的 仿真评价结果。基于以上流程，即可完成对某一关键指标参数对车辆安全影响的仿真测试。为使仿真更加贴近真实情况，本文中采用Paramics作为交通仿真的基础模块。车 联网系统建立在传统交通系统基础之上，在车联网车辆未达到100%路网渗透率的 情况下，势必会出现多种类型车辆混合运行的模式，Paramics可很好地模拟社会 车辆的运行；车联网系统中对于车辆安全相关功能的仿真验证大多是基于仿真场景 的，为使仿真场景更加真实，仿真场景应尽可能从正在运行的仿真路网中动态生成， 这样才能保证仿真场景的可信度；Paramics能够提供动态的交通仿真环境，能够 产生符合交通流规律的运行车辆；通过建立仿真平台给测试提供环境和条件，仿真 测试的优点之一是可重复性，Paramics能在一次仿真中持续产生交通流，并多次 生成仿真场景，实现测试的可重复性；对于车联网中关键指标的测试，应能精确地 生成仿真场景，并精确地进行车辆控制，Paramics的API(application programmin

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