V2X及高精定位技術(shù)在試驗場管理中的應(yīng)用研究

張迪思 祖暉 陳新海 王博思

摘 要：為了提高試驗場的安全性以及管理水平，對試驗場的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行智能化改造，引入路側(cè)設(shè)備、定位差分系統(tǒng)以及搭載高精定位技術(shù)及車路協(xié)同技術(shù)的車載終端，實現(xiàn)路徑規(guī)劃、軌跡復(fù)現(xiàn)、場地編排、出入場精確控制等功能，降低事故的發(fā)生幾率并提高了試驗場運行效率。

關(guān)鍵詞：試驗場；高精定位；車載終端；路側(cè)單元；軌跡復(fù)現(xiàn)

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0014-04

Abstract： In order to improve the safety and management level of the test ground， the infrastructure of the test ground is reformed intelligently， and the road side unit （RSU）， positioning differential system and the onboard terminal with high precision positioning technology and vehicle-road cooperative technology are introduced， for the purpose of realizing the functions of path planning， track reappearance， site layout， accurate control of exit admission， etc.， which can reduce the probability of accidents and improve the running efficiency of the test ground.

Keywords： test ground； high precision positioning； onboard terminal； roadside unit （RSU）； track reappearance

引言

中國的汽車產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略性、支柱性產(chǎn)業(yè)。本世紀(jì)以來，我國汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)居世界第一。相應(yīng)的汽車廠商數(shù)量從最初的幾家發(fā)展到如今的幾十上百家。市面上在售的型號也從當(dāng)初的寥寥幾款變?yōu)楝F(xiàn)在的百花齊放。2017年，中國汽車產(chǎn)銷量分別為2901.5萬輛和2887.9萬輛，產(chǎn)銷量的穩(wěn)步增長帶來了巨大的準(zhǔn)入檢測需求，其每款車在出廠之前要通過工信部公告、認(rèn)監(jiān)委3C、交通部油耗、環(huán)保部目錄等法律法規(guī)的審查，進(jìn)行多達(dá)百余項項目的檢測，才能上市與消費者見面；除上述的法規(guī)試驗之外，還有主機(jī)廠、配件廠開展的研發(fā)型試驗，這些因素必然導(dǎo)致大量的場地需求。據(jù)統(tǒng)計，2013-2017年，車輛檢測需求呈逐年遞增的局勢，而試驗場數(shù)量和測試能力卻增長緩慢，導(dǎo)致各試驗場的能力均處于超負(fù)荷狀態(tài)。

同時，各試驗場在試驗場管理人員的配備上也顯得短缺，管理人員在接待試驗車和試驗人員的同時，還要關(guān)注監(jiān)控器，使用對講機(jī)指揮車輛人員出入場，并對可能發(fā)生的危險情況進(jìn)行預(yù)警。高強(qiáng)度長時間的重復(fù)性勞動必定會給從業(yè)人員的生理和心理帶來不利影響。隨著時間的推移，試驗場管理人員均出現(xiàn)不同程度的職業(yè)倦怠、消極、煩躁等情緒，隨之而來的是錯誤率增加，客戶體驗下降，直接影響試驗場的安全生產(chǎn)和服務(wù)品質(zhì)。

此外，試驗場寶貴的場地資源并沒有得到最大限度的利用。僅依靠人工進(jìn)行試驗車輛的編排工作存在一定的難度。例如，無法在短時間內(nèi)將不具備互斥性的車輛試驗安排在同一個場地，同時避免有互斥性的車輛安排在同一個場地。

隨著國家對高精定位技術(shù)和V2X車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，引入該技術(shù)的試驗場管理方案，將提升試驗場管理水平、降低事故發(fā)生幾率，為試驗場的平穩(wěn)運行提供技術(shù)支撐。

1 國內(nèi)外研究概況

1.1 國外研究發(fā)展概況

隨著世界汽車工業(yè)的發(fā)展，世界各國的汽車試驗場數(shù)量處于高速增長的狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，目前已有一百多個不同類型的汽車試驗場分布在美國、歐洲、日本、中國等地。如美國的羅米歐（Romeo）、米爾費德（Milford）、研究中心試驗場（TRC）、英國的米拉（MIRA）、米爾布魯克（Millbrook）、西班牙的 IDIADA、匈牙利的 RABA、德國的 Ehra-Lessien、日本汽研所試車場（JARI）、日本豐田公司士別（Sbietesu）等都是世界著名的汽車試驗場。

國外試驗場在試驗車輛的安全監(jiān)控方面有較為完善的制度。西班牙IDIADA要求進(jìn)場的試驗車輛配備天線及對講機(jī)，并在每個路口都安裝了微波雷達(dá)感應(yīng)器?？刂婆_可以方便的通過對講機(jī)和試驗人員溝通，發(fā)出調(diào)度指令[1]。當(dāng)車輛進(jìn)入某一試驗區(qū)域時，道路入口安裝的感應(yīng)器，通過車輛安裝的天線，能夠感應(yīng)到車輛的駛?cè)耄⑼瑫r傳送到塔臺的信息記錄系統(tǒng)。信息記錄系統(tǒng)是為了方便對該車輛進(jìn)行即時監(jiān)測和事后追溯。同時在塔臺的視線死角還安裝有攝像頭，方便場地管理人員全面、及時地掌握場地狀況。而意大利NTC試驗場則能通過車載單元獲取車輛的相關(guān)信息，如胎壓、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、方向角等，并將這些信息通過無線信號傳送到控制塔，便于控制塔統(tǒng)籌指揮。

國外試驗場采用了一定數(shù)量的新手段和新設(shè)備用于管理，但是依然離不開對講機(jī)、人工視頻監(jiān)視等傳統(tǒng)方法，試驗場面臨的安全、效率等問題未能得到本質(zhì)上的解決。

1.2 國內(nèi)研究發(fā)展情況

我國對試驗場智能化管理的推進(jìn)相對落后，智能化程度不高，對管理人員的依賴程度較高，存在安全隱患突出、服務(wù)質(zhì)量較差、運行效率低下等問題。

2017年1月3日，北京某試驗場發(fā)生兩車相撞事故，一輛皮卡車和一輛SUV同時在長直線性能路進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗，由于當(dāng)時雙方車速較快且駕駛員對危險預(yù)判不足，造成了兩車相撞的事故。整個過程中，雙方試驗車輛沒有得到任何的預(yù)警提示，事故后也沒有完整的軌跡復(fù)現(xiàn)用于分析。這次事故的發(fā)生給了試驗場管理者一個深刻的啟示，如何在如今高頻率高強(qiáng)度高速度的試驗條件下，通過電子化智能化的手段進(jìn)一步規(guī)范管理，而不僅僅是完全依靠有限的人力。

試驗的安全和效率一直是永恒的話題，國內(nèi)試驗場管理者也逐漸認(rèn)識到其重要性[2]，越來越多的試驗場引進(jìn)了新的管理手段，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）引入完善的預(yù)約系統(tǒng)：通過登錄網(wǎng)站或者微信的方式即可便捷的錄入和查詢測試信息，提前進(jìn)行預(yù)約。

（2）場內(nèi)測試管理：記錄客戶車輛從登記入場、進(jìn)行道路試驗至車輛出場的全過程，進(jìn)行跟蹤管理，全面掌握每次測試的所有信息。

（3）路面維護(hù)智能預(yù)警。研究道路耐久模型，將道路的使用頻率、測試內(nèi)容、測試強(qiáng)度等因素納入計算公式，預(yù)測未來路面的受損情況，評估路面的耐久度，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，依據(jù)一套科學(xué)的流程進(jìn)行路面維護(hù)計劃。

（4）智能化安全管理系統(tǒng)。配合道閘、地感、車載感應(yīng)裝置等設(shè)備，系統(tǒng)可以在場地內(nèi)某些節(jié)點獲取試驗車輛的位置，當(dāng)進(jìn)入高位路段時，系統(tǒng)可以發(fā)送信號，通過車載單元對車輛進(jìn)行預(yù)警。如果事故已發(fā)生，系統(tǒng)可以根據(jù)事故發(fā)生時間，提供場內(nèi)的視頻記錄，最大限度對事故分析提供幫助。

（5）可靠的信息數(shù)據(jù)服務(wù)。測試車輛的試驗數(shù)據(jù)都是各家主機(jī)場的機(jī)密，各試驗場在保障數(shù)據(jù)安全方面也進(jìn)行了一定的研究。為保障電子化的數(shù)據(jù)不被非授權(quán)的人員獲取，測試數(shù)據(jù)在傳輸、保存的過程中都通過特定算法進(jìn)行加密，只有合法授權(quán)人員才能訪問，保障其實時性、安全性和保密性[3]。

目前，國內(nèi)的試驗場管理方法研究仍然是偏重于采用傳統(tǒng)技術(shù)，基本上脫離了紙質(zhì)流程，但其實時性和安全性都有待提高，尤其是對安全風(fēng)險的預(yù)警方面，目前還沒有一套有效成熟的方式。隨著高精地圖、高精定位、DSRC、4G等技術(shù)的逐漸成熟，基于新技術(shù)的試驗場智能化系統(tǒng)將走上舞臺，將逐步實現(xiàn)車道級監(jiān)控、實時預(yù)警、自動調(diào)度等功能，這將帶來一個更安全、更高效的試驗場。

2 當(dāng)前試驗場存在的普遍問題

目前，各試驗場主要采用“人工錄入+視頻對講”疊加的粗放管理方式，隨著檢測業(yè)務(wù)量的增加，該管理方式主要弊端將逐漸顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

安全隱患突出。試驗場的功能區(qū)域未完全劃分，部分區(qū)域存在交叉的情況，并且缺少有效機(jī)制對場地中的車輛進(jìn)行管控。因此無法對可能發(fā)生的潛在危險進(jìn)行預(yù)警，無法對試驗車輛的運行軌跡進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和追蹤，在事故預(yù)防和事后追責(zé)上存在較大的功能缺失。

管理粗放。試驗場管理人員工作強(qiáng)度較大，人工管理效率相對較低，沒有針對出入場形成嚴(yán)格的管控秩序，車輛亂停亂放現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)小車占大車位的情況，使本來就緊張的停車場資源雪上加霜。

運行效率低下。由于測試車輛種類、測試業(yè)務(wù)繁多，且對應(yīng)不同的測試區(qū)域，僅靠人工進(jìn)行業(yè)務(wù)編排，很難根據(jù)試驗特性安排場地以最大限度的利用試驗場容量。

3 試驗場管理的功能需求

試驗場管理的首要目標(biāo)是保障安全，包括人身安全和車輛的安全，尤其是應(yīng)避免碰撞危險。一旦發(fā)生事故，不僅會導(dǎo)致人身和財物損失，而且可能會影響試驗場的資質(zhì)，給試驗場造成更大的損失。其次是提高效率，尤其是在保障安全的前提下，盡可能的實現(xiàn)場地復(fù)用，提高試驗場的場地使用率。最后，通過系統(tǒng)的信息化升級，避免客戶錄入重復(fù)信息，提供方便快捷的預(yù)約方式，提升客戶的服務(wù)體驗。從粗略的原始需求，可以引申出以下功能需求：

（1）地圖監(jiān)控：管理人員可以通過管理中心的屏幕總覽試驗場整體情況，將試驗場中所有車輛的當(dāng)前位置和運動軌跡以圖形化的方式展示在地圖上。

（2）車輛狀態(tài)觀測：管理人員可以觀察指定車輛的狀態(tài)，例如該車輛的生產(chǎn)廠家、型號、唯一編號、進(jìn)場時間、檢測項目、委托單位、所用的道路范圍、車載單元工作溫度、車載電源電池剩余量等等。

（3）實時調(diào)度：管理人員可以通過語音、界面操作等方式，通知試驗場中的車輛進(jìn)行進(jìn)出場、暫停試驗、避讓車輛等操作。場地中的試驗人員可以通過車載設(shè)備獲知管理人員的調(diào)度信息。

（4）軌跡回放：系統(tǒng)可以保存車輛的路徑信息，管理人員可以查看車輛的歷史行駛路徑，為車輛費用計算或者事故后分析提供可靠的依據(jù)。

（5）車道級預(yù)警：高精定位可以實現(xiàn)車輛的厘米級定位，可以精確的在車輛駛出電子圍欄時給予報警，并且實現(xiàn)對向來車預(yù)警、交叉路口碰撞預(yù)警等預(yù)警功能，在提高效率的同時進(jìn)一步保障安全。

（6）場地預(yù)定：客戶可以通過手機(jī)端或者電腦端進(jìn)行場地預(yù)定，在預(yù)定場地的同時需要填寫廠家、車輛型號、測試項目、進(jìn)場時間、試驗時長等。

（7）場地編排：根據(jù)當(dāng)前各車輛的試驗類型、測試道路、測試時長，系統(tǒng)根據(jù)容斥情況給予進(jìn)場時間建議，在保證安全的情況下最大限度的提高道路使用率。

（8）統(tǒng)計分析：提供多維度、圖形化的統(tǒng)計分析工具，例如，可以清晰的展示出特定時間段內(nèi)所有測試車輛的數(shù)量，各測試項目所占比，平均試驗時長，場地利用率等等。

4 方案采用的主要技術(shù)

4.1 V2X技術(shù)

V2X又細(xì)分為V2V、V2I、V2P等技術(shù)，均采用Ad hoc網(wǎng)絡(luò)模式運行，能夠快速的自動組網(wǎng)，并能夠無縫的執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切換，符合處于運動中的車輛的運動特征。車輛搭載V2X車載模塊后，可以通過與路側(cè)單元和其他車載模塊的信息交換，獲取其他車輛速度、位置、行駛方向，以及道路情況等信息。基于這些基礎(chǔ)信息，可以實現(xiàn)路徑和車車預(yù)警等應(yīng)用[4]。

當(dāng)前主流的V2X模式有兩種，分別是歐美主導(dǎo)的802.11p，以及華為、大唐等公司在3GPP中提出的LTE-V[5]。前者由IEEE于2010年結(jié)項，主要應(yīng)用于美國和歐盟地區(qū)，其主要知識產(chǎn)權(quán)掌握在歐美發(fā)達(dá)國家手中；后者由華為和大唐公司在3GPP中提出，我國掌握LTE-V中的重要知識產(chǎn)權(quán)。由工信部委托的《LTE-V2X頻率與兼容性驗證研究項目》已對LTE-V當(dāng)前的性能做了全面的測試。根據(jù)其發(fā)布的測試結(jié)論，在5905Mhz-5925Mhz工作頻率下，LTE-V信號在一定條件下可以和固定衛(wèi)星信號、WIFI信號等實現(xiàn)共存，其性能測試結(jié)果如表1。

而基于WIFI技術(shù)的802.11p的覆蓋范圍，經(jīng)測試也在700m左右，且時延在10ms之內(nèi)。因此，無論是802.11p技術(shù)，還是LTE-V技術(shù)，都可以滿足試驗場管理和和車輛預(yù)警的要求。保守估計，在半徑三百米的區(qū)域內(nèi)架設(shè)一個路側(cè)單元RSU，即可滿足全場信號覆蓋的要求。

4.2 高精地圖

與普通電子地圖相比，高精地圖擁更高的絕對坐標(biāo)精度[6]；還擁有更豐富和細(xì)致的交通信息元素，可以準(zhǔn)確的描述道路具體形狀、車道的數(shù)量、車道線的種類、顏色，以及每個車道的坡度、曲率、航向、高層、側(cè)傾等信息，甚至可以包含道路沿線的看板、限速標(biāo)志牌、電話亭、紅綠燈位置等元素[7]。

試驗場的精細(xì)化管理，需要高精地圖的支持，提供更準(zhǔn)確的定位。車輛可以通過高精地圖獲取更精確的位置，獲取更多的道路細(xì)節(jié)，來預(yù)防可能發(fā)生的危險情況，例如，判斷車道內(nèi)的靜止車輛、彎道的慢行車輛、變道超車的車輛等等。

4.3 高精定位（差分定位）

傳統(tǒng)的定位技術(shù)已廣泛運用在車輛導(dǎo)航等方面，定位的精度可以達(dá)到3米左右[8]。然而這樣的定位精度無法滿足車道級定位的需求，需要借助差分定位技術(shù)，即設(shè)置一個地面差分定位基站。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實時將這數(shù)據(jù)收集至服務(wù)器，并通過路側(cè)單元或者4G等方式分發(fā)給各車輛的車載終端。車載終端在進(jìn)行GPS觀測的同時，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。借助高精定位技術(shù)，可以使車輛實現(xiàn)車道級定位，給試驗場管理人員提供更清晰明確的車輛位置信息，同時也能在此基礎(chǔ)上引申出軌跡復(fù)現(xiàn)、路徑規(guī)劃等應(yīng)用。

5 系統(tǒng)架構(gòu)

管理系統(tǒng)由路側(cè)單元組、車載單元組、傳感器組、控制器組、后臺監(jiān)控中心五個部分組成。路側(cè)單元由WIFI通信模塊，差分定位RTK，以及V2X控制器組成。車載單元由天線、人機(jī)界面HMI、天線組成。

5.1 感知單元

感知模塊由各類傳感器組成，有微波雷達(dá)檢測器、視頻檢測器、地磁傳感器等。

微波雷達(dá)檢測器主要用于檢測試驗場內(nèi)的各種非機(jī)動車物體的運動軌跡，例如意外闖入試驗場的行人和動物，以及從車上掉落下的異物等等。

視頻檢測器是微波雷達(dá)檢測器功能的補(bǔ)充，在微波雷達(dá)檢測器探測到不明物體的情況下，可以通過視頻檢測器判斷物體的類別。

地磁傳感器主要用于判斷停車場中車位的占用情況。

5.2 信號傳輸單元

該系統(tǒng)同時利用無線技術(shù)和有線技術(shù)完成信號傳輸。路側(cè)單元、傳感器等設(shè)備通過光纖與中心服務(wù)器相連。

在車載終端方面，由于車輛的特性，傳輸主要采用無線的方式。分為蜂窩通信和點對點通信兩種。蜂窩通信，如4G、5G等，主要承擔(dān)車輛實時定位數(shù)據(jù)回傳服務(wù)器的任務(wù)。點對點通信，如LTE-V和DSRC等，則主要負(fù)責(zé)車與車、車與路側(cè)設(shè)備之間的通信，完成車輛碰撞預(yù)警、故障車輛預(yù)警、道路施工預(yù)警等業(yè)務(wù)。

WIFI則用于實現(xiàn)與移動調(diào)度終端的連接，方便管理員隨時隨地的了解和掌控場地中的情況。

5.3 展示與決策單元

該單元主要用于展示車輛的行駛軌跡、車與控制中心的交互信息、以及電子圍欄信息。在車載終端上配備HMI用戶操控界面，可以實時的接收控制中心的調(diào)度信息和預(yù)警信息?？刂浦行目梢酝ㄟ^大屏幕，實時監(jiān)視場地內(nèi)各車輛的運動軌跡，并可隨時獲取車輛的名稱、廠家、任務(wù)類別等信息。

6 應(yīng)用效果

利用高精定位、V2X、4G、B/S等技術(shù)，完成試驗場管理系統(tǒng)的開發(fā)。方便快捷的預(yù)約系統(tǒng)，提高客戶的使用體驗。場地可視化系統(tǒng)，方便管理人員對場地進(jìn)行監(jiān)控。車載單元的應(yīng)用，隨時提醒測試人員可能面臨的危險，并方便與管理人員溝通，接受調(diào)度指令。該系統(tǒng)的投入使用后，試驗場的安全、效率、客戶體驗等方面，都得到了顯著的提高。

7 結(jié)束語

該系統(tǒng)在一定程度上解決了試驗場管理過程中出現(xiàn)的安全、效率、用戶體驗等問題，初步完成了試驗場的信息化和智能化改造。但是，在運行的過程中，還出現(xiàn)了一系列待解決的問題，例如，如何在高溫情況下保障車載設(shè)備電池的安全，如何對快速方便的安裝和拆卸車載設(shè)備等等，這些問題值得在后續(xù)的研究中完善和解決。

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