C-V2X仿真测试之虚拟场景设计
v2x（vehicle-to-everything）即车对“万物”，通过现代通信与网络技术，实现车与外界的信息交换共享（实时路况、道路信息、行人信息等一系列交通信息），从而提高驾驶安全性、降低交通拥堵、提高交通效率。
图1 v2x组织架构图
v2x主要包含v2v (vehicle-to-vehicle)， v2i (vehicle-to-infrastructure)， v2p (vehicle-to-pedestrian)和v2n (vehicle-to-network)。搭配v2x系统的车辆可以获取实时交通环境信息并对其分析，从而更加合理地规划行驶路径，在一定程度上辅助自动驾驶。
搭配v2x系统的车辆可以获取实时交通信息并对其分析，更加合理地规划行驶路径，在一定程度上辅助自动驾驶。
本文基于《csae 53-2020 合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准》对v2x虚拟仿真场景设计进行探索，设计思路如下图所示。
图2 v2x虚拟仿真场景设计流程
1、v2v场景设计v2v (vehicle-to-vehicle)即车载单元之间通信。在进行该类功能的虚拟场景设计时，主要考虑车辆的驾驶行为及各车辆之间的相对运动关系，提取关键元素设计逻辑场景，再结合具体的功能需求对逻辑场景中的元素进行参数化赋值，生成具体的测试场景。
下面以前向碰撞预警（fcw）、交叉路口碰撞预警（icw）为例详细介绍v2v虚拟场景设计。
1.1 前向碰撞预警（fcw）（1）功能定义
前向碰撞预警（forward collision warning）是指，主车（hv）在车道上行驶，与在正前方同一车道的远车（rv）存在追尾碰撞危险时，fcw应用将对hv驾驶员进行预警，防止或减轻追尾事故带来的伤害。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当主车（hv）与同车道远车（rv）之间的相对距离小于阈值时fcw功能触发。因此可设计以下4种逻辑场景：
场景一：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方同车道距离x1处以初速度v1、减速度a减速行驶，当hv与rv之间的相对距离小于s（s
图3 fcw场景一示意图
场景二：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方同车道距离x1处以速度v1（v1
图4 fcw场景二示意图
场景三：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方相邻相邻车道距离x1（x1<=s）处以速度v1行驶并突然变道至hv所在车道，此时fcw功能触发，fcw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图5 fcw场景三示意图
场景四（逆向测试场景）：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方相邻车道距离x1（x1<=s）处以速度v1（v1<=v0）保持匀速行驶，fcw功能未触发；
图6 fcw场景四示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、rv行驶速度v1、rv减速度a及车道类型（直道、弯道）进行参数化赋值，生成具体的fcw虚拟测试场景。
1.2 交叉路口碰撞预警icw（1）功能定义
交叉路口碰撞预警（intersection collision warning）是指，主车（hv）驶向交叉路口，与侧向行驶的远车（rv）存在碰撞危险时，icw应用将对hv驾驶员进行预警。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，hv驶向交叉路口并与任意一辆驶向同一路口的rv存在碰撞危险时（tti及dti小于阈值）icw功能触发。因此可设计以下2种逻辑场景：
场景一：hv以恒定速度v0驶向前方交叉路口（角度α），rv在 hv左侧以恒定速度v1驶向路口并与hv相交于p点，hv到达p点的时间和距离分别为hv_tti、hv_dti ，rv到达p点的时间和距离分别为rv_tti、rv_dti；当以上tti和dti满足条件时（存在碰撞危险）icw功能触发，icw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图7 icw场景一示意图
场景二：hv以恒定速度v0驶向前方交叉路口（角度α），rv在 hv右侧以恒定速度v1驶向路口（与hv无交叉点），hv到达p点的时间和距离分别为hv_tti、hv_dti ，rv到达p点的时间和距离分别为rv_tti、rv_dti；当以上tti和dti满足条件时（存在碰撞危险）icw功能触发，icw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图8 icw场景二示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv_tti、hv_dti、rv_tti、rv_dti及交叉路口角度α进行参数化赋值，生成具体的icw虚拟测试场景。
2、v2i场景设计v2i (vehicle-to- infrastructure)即车载单元与路侧单元通信。在进行该类功能的虚拟场景设计时，主要考虑交通环境信息（交通标志、交通事件、交通灯及道路信息），提取关键元素设计逻辑场景，再结合具体的功能需求对逻辑场景中的元素进行参数化设置，生成具体的测试场景。
下面以车内标牌（ivs）、闯红灯预警（rlvw）为例详细介绍v2i虚拟场景设计。
2.1 车内标牌（ivs）（1）功能定义
车内标牌（in-vehicle signage）是指，当装载车载单元（obu）的hv收到由路侧单元（rsu）发送的道路数据以及交通标牌信息，ivs应用将给予驾驶员相应的交通标牌提示，保证车辆的安全行驶。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当hv驶入前方标识牌有效范围区域时，ivs功能触发。因此可设计逻辑场景：
场景一：hv以速度v0保持匀速行驶，前方有潮汐车道，当hv在标牌有效时间内驶入标牌有效区域时，ivs功能触发，ivs应用通过hmi将标牌信息显示给hv驾驶员；
图9 ivs场景一示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、标牌类型（潮汐车道、限速等）进行参数化赋值，生成具体的ivs虚拟测试场景。
2.2 闯红灯预警（rlvw）（1）功能定义
闯红灯预警（red light violation warning）是指，主车（hv）经过有信号控制的交叉口（车道），车辆存在不按信号灯规定或指示行驶的风险时，rlvw应用对驾驶员进行预警。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当hv驶向前方有信号灯控制的交叉口（车道）且存在闯红灯风险时，rlvw功能触发。因此可设计逻辑场景：
场景一：hv在左转（直行）车道上以恒定速度v0驶向有信号灯控制的交叉口，当前左转（直行）车道信号灯状态为红灯，且红灯剩余时间大于hv到达路口停止线的时间；hv存在闯红灯危险，此时rlvw功能触发，rlvw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图10 rlvw场景一示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、hv所在车道及车道匹配的信号灯状态（灯色、时间）进行参数化赋值，生成具体的rlvw虚拟测试场景。
3、v2p场景设计v2p (vehicle to pedestrians)即车载单元与行人设备通信。在进行该类功能的虚拟场景设计时，主要考虑弱势交通参与者与车辆之间的相对运动关系，提取关键元素设计逻辑场景，再结合具体的功能需求对逻辑场景中的元素进行参数化设置，生成具体的测试场景。
下面以弱势交通参与者碰撞预警（vrucw）为例详细介绍v2p虚拟场景设计。
3.1 弱势交通参与者碰撞预警（vrucw）（1）功能定义
弱势交通参与者碰撞预警（vulnerable road user collision warning）是指，hv在行驶中，与周边行人（p，pedestrian；含义拓展为广义上的弱势交通参与者，包括行人、自行车、电动自行车等）存在碰撞危险时，vrucw应用将对车辆驾驶员进行预警，也可对行人进行预警。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当hv与周边行人存在碰撞危险时，vrucw功能触发。因此可设计逻辑场景：
场景一：hv以速度v0保持匀速行驶，侧前方有行人横穿马路，行驶速度为v1；hv与p存在碰撞危险，vrucw功能触发，vrucw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图11 vrucw场景一示意图
场景二：hv在倒车时，侧后方有行人横穿马路，行驶速度为v1；hv与p存在碰撞危险，vrucw功能触发，vrucw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图12 vrucw场景二示意图
场景三（逆向测试场景）：hv以速度v0保持匀速行驶，侧前方有行人与hv同向行驶，行驶速度为v1；hv与p不存在碰撞危险，vrucw功能未触发；
图13 vrucw场景三示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、弱势交通参与者类型p、行驶速度v1进行参数化赋值，生成具体的vrucw虚拟测试场景。
4、总结本文举例详细介绍了csae 53-2020（第一阶段）中v2v、v2i及v2p虚拟仿真场景的设计思路及方法，对于csae 157-2020（第二阶段）中的功能应用，场景搭建思路及方法与之类似，以协作式车辆编队管理（cpm）为例，搭建的虚拟场景如下：
视频（请联系北汇信息获取）
协作式车辆编队管理（cpm）
本文中v2x虚拟仿真场景设计是基于仿真软件dyna4实现的，dyna4支持场景建模、传感器建模及动力学建模等功能，大家有这方面需求的话可与我们联系。
北汇信息是德国vector公司、德国rohde&schwarz（简称r&s）公司、德国ipg公司、德国piketec公司、美国perforce公司等国际知名企业的官方合作伙伴，同时也是imt-2020（5g）推进组蜂窝车联（c-v2x）工作组成员，我们致力与在v2x领域积极开展lte-v2x和5g-v2x的测试验证技术研究等工作，积极推动中国v2x的产业落地，为客户提供v2x成套测试系统及服务。
参考文献csae 53-2020 合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准（第一阶段）
csae 157-2020 合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准（第二阶段）
文中部分内容参考于vector。
Alpakka控制器：DIY指南
一文看懂路由器传输速率300m与450m区别
8位或32位，MCU究竟该怎么选
Grafana 9这也太炫酷了吧！
看看人工智能将替代哪些工作
C-V2X仿真测试之虚拟场景设计
人工智能可以拯救核工业吗?
起步即与世界同步，SpatialMaster助您成为空间大师
十大滑轨品牌分析
沃达丰计划将21.4亿欧元收入用于5G投资和商业支出
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亚马逊用机器人手臂来分拣投递物品已获专利
浙江爱康科技异质结高效太阳能电池项目开工仪式正式举行
电机烧毁最有效六大预防措施
DynamIQ世界中的big.LITTLE
从小众走向普及，形式化验证对系统级芯片开发有多重要？
视觉传感器,视觉传感器是什么意思
晶体管箭头的作用及电流方向
荣耀V9也在饥饿营销，华为学坏了，要超越小米成新猴王？
如果长期不开电动汽车，电池会被放坏吗
图1 v2x组织架构图
v2x主要包含v2v (vehicle-to-vehicle)， v2i (vehicle-to-infrastructure)， v2p (vehicle-to-pedestrian)和v2n (vehicle-to-network)。搭配v2x系统的车辆可以获取实时交通环境信息并对其分析，从而更加合理地规划行驶路径，在一定程度上辅助自动驾驶。
搭配v2x系统的车辆可以获取实时交通信息并对其分析，更加合理地规划行驶路径，在一定程度上辅助自动驾驶。
本文基于《csae 53-2020 合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准》对v2x虚拟仿真场景设计进行探索，设计思路如下图所示。
图2 v2x虚拟仿真场景设计流程
1、v2v场景设计v2v (vehicle-to-vehicle)即车载单元之间通信。在进行该类功能的虚拟场景设计时，主要考虑车辆的驾驶行为及各车辆之间的相对运动关系，提取关键元素设计逻辑场景，再结合具体的功能需求对逻辑场景中的元素进行参数化赋值，生成具体的测试场景。
下面以前向碰撞预警（fcw）、交叉路口碰撞预警（icw）为例详细介绍v2v虚拟场景设计。
1.1 前向碰撞预警（fcw）（1）功能定义
前向碰撞预警（forward collision warning）是指，主车（hv）在车道上行驶，与在正前方同一车道的远车（rv）存在追尾碰撞危险时，fcw应用将对hv驾驶员进行预警，防止或减轻追尾事故带来的伤害。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当主车（hv）与同车道远车（rv）之间的相对距离小于阈值时fcw功能触发。因此可设计以下4种逻辑场景：
场景一：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方同车道距离x1处以初速度v1、减速度a减速行驶，当hv与rv之间的相对距离小于s（s
图3 fcw场景一示意图
场景二：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方同车道距离x1处以速度v1（v1
图4 fcw场景二示意图
场景三：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方相邻相邻车道距离x1（x1<=s）处以速度v1行驶并突然变道至hv所在车道，此时fcw功能触发，fcw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图5 fcw场景三示意图
场景四（逆向测试场景）：hv以速度v0保持匀速行驶，rv在hv前方相邻车道距离x1（x1<=s）处以速度v1（v1<=v0）保持匀速行驶，fcw功能未触发；
图6 fcw场景四示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、rv行驶速度v1、rv减速度a及车道类型（直道、弯道）进行参数化赋值，生成具体的fcw虚拟测试场景。
1.2 交叉路口碰撞预警icw（1）功能定义
交叉路口碰撞预警（intersection collision warning）是指，主车（hv）驶向交叉路口，与侧向行驶的远车（rv）存在碰撞危险时，icw应用将对hv驾驶员进行预警。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，hv驶向交叉路口并与任意一辆驶向同一路口的rv存在碰撞危险时（tti及dti小于阈值）icw功能触发。因此可设计以下2种逻辑场景：
场景一：hv以恒定速度v0驶向前方交叉路口（角度α），rv在 hv左侧以恒定速度v1驶向路口并与hv相交于p点，hv到达p点的时间和距离分别为hv_tti、hv_dti ，rv到达p点的时间和距离分别为rv_tti、rv_dti；当以上tti和dti满足条件时（存在碰撞危险）icw功能触发，icw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图7 icw场景一示意图
场景二：hv以恒定速度v0驶向前方交叉路口（角度α），rv在 hv右侧以恒定速度v1驶向路口（与hv无交叉点），hv到达p点的时间和距离分别为hv_tti、hv_dti ，rv到达p点的时间和距离分别为rv_tti、rv_dti；当以上tti和dti满足条件时（存在碰撞危险）icw功能触发，icw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图8 icw场景二示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv_tti、hv_dti、rv_tti、rv_dti及交叉路口角度α进行参数化赋值，生成具体的icw虚拟测试场景。
2、v2i场景设计v2i (vehicle-to- infrastructure)即车载单元与路侧单元通信。在进行该类功能的虚拟场景设计时，主要考虑交通环境信息（交通标志、交通事件、交通灯及道路信息），提取关键元素设计逻辑场景，再结合具体的功能需求对逻辑场景中的元素进行参数化设置，生成具体的测试场景。
下面以车内标牌（ivs）、闯红灯预警（rlvw）为例详细介绍v2i虚拟场景设计。
2.1 车内标牌（ivs）（1）功能定义
车内标牌（in-vehicle signage）是指，当装载车载单元（obu）的hv收到由路侧单元（rsu）发送的道路数据以及交通标牌信息，ivs应用将给予驾驶员相应的交通标牌提示，保证车辆的安全行驶。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当hv驶入前方标识牌有效范围区域时，ivs功能触发。因此可设计逻辑场景：
场景一：hv以速度v0保持匀速行驶，前方有潮汐车道，当hv在标牌有效时间内驶入标牌有效区域时，ivs功能触发，ivs应用通过hmi将标牌信息显示给hv驾驶员；
图9 ivs场景一示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、标牌类型（潮汐车道、限速等）进行参数化赋值，生成具体的ivs虚拟测试场景。
2.2 闯红灯预警（rlvw）（1）功能定义
闯红灯预警（red light violation warning）是指，主车（hv）经过有信号控制的交叉口（车道），车辆存在不按信号灯规定或指示行驶的风险时，rlvw应用对驾驶员进行预警。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当hv驶向前方有信号灯控制的交叉口（车道）且存在闯红灯风险时，rlvw功能触发。因此可设计逻辑场景：
场景一：hv在左转（直行）车道上以恒定速度v0驶向有信号灯控制的交叉口，当前左转（直行）车道信号灯状态为红灯，且红灯剩余时间大于hv到达路口停止线的时间；hv存在闯红灯危险，此时rlvw功能触发，rlvw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图10 rlvw场景一示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、hv所在车道及车道匹配的信号灯状态（灯色、时间）进行参数化赋值，生成具体的rlvw虚拟测试场景。
3、v2p场景设计v2p (vehicle to pedestrians)即车载单元与行人设备通信。在进行该类功能的虚拟场景设计时，主要考虑弱势交通参与者与车辆之间的相对运动关系，提取关键元素设计逻辑场景，再结合具体的功能需求对逻辑场景中的元素进行参数化设置，生成具体的测试场景。
下面以弱势交通参与者碰撞预警（vrucw）为例详细介绍v2p虚拟场景设计。
3.1 弱势交通参与者碰撞预警（vrucw）（1）功能定义
弱势交通参与者碰撞预警（vulnerable road user collision warning）是指，hv在行驶中，与周边行人（p，pedestrian；含义拓展为广义上的弱势交通参与者，包括行人、自行车、电动自行车等）存在碰撞危险时，vrucw应用将对车辆驾驶员进行预警，也可对行人进行预警。
（2）场景设计
根据功能定义描述可知，当hv与周边行人存在碰撞危险时，vrucw功能触发。因此可设计逻辑场景：
场景一：hv以速度v0保持匀速行驶，侧前方有行人横穿马路，行驶速度为v1；hv与p存在碰撞危险，vrucw功能触发，vrucw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图11 vrucw场景一示意图
场景二：hv在倒车时，侧后方有行人横穿马路，行驶速度为v1；hv与p存在碰撞危险，vrucw功能触发，vrucw应用通过hmi对hv驾驶员进行预警；
图12 vrucw场景二示意图
场景三（逆向测试场景）：hv以速度v0保持匀速行驶，侧前方有行人与hv同向行驶，行驶速度为v1；hv与p不存在碰撞危险，vrucw功能未触发；
图13 vrucw场景三示意图
结合需求文档，对以上逻辑场景元素hv行驶速度v0、弱势交通参与者类型p、行驶速度v1进行参数化赋值，生成具体的vrucw虚拟测试场景。
4、总结本文举例详细介绍了csae 53-2020（第一阶段）中v2v、v2i及v2p虚拟仿真场景的设计思路及方法，对于csae 157-2020（第二阶段）中的功能应用，场景搭建思路及方法与之类似，以协作式车辆编队管理（cpm）为例，搭建的虚拟场景如下：
视频（请联系北汇信息获取）
协作式车辆编队管理（cpm）
本文中v2x虚拟仿真场景设计是基于仿真软件dyna4实现的，dyna4支持场景建模、传感器建模及动力学建模等功能，大家有这方面需求的话可与我们联系。
北汇信息是德国vector公司、德国rohde&schwarz（简称r&s）公司、德国ipg公司、德国piketec公司、美国perforce公司等国际知名企业的官方合作伙伴，同时也是imt-2020（5g）推进组蜂窝车联（c-v2x）工作组成员，我们致力与在v2x领域积极开展lte-v2x和5g-v2x的测试验证技术研究等工作，积极推动中国v2x的产业落地，为客户提供v2x成套测试系统及服务。
参考文献csae 53-2020 合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准（第一阶段）
csae 157-2020 合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准（第二阶段）
文中部分内容参考于vector。
Alpakka控制器：DIY指南
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电容可以抗干扰吗 电容和变压器的区别 如何防止电容充爆
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视觉传感器,视觉传感器是什么意思
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