一种车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法

摘要

本发明提出一种车‑车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法，属于智能交通运输系统通信技术领域。该方法首先设置3种碰撞预警测试场景并利用V2X系统搭建测试平台，在每种场景下采集车‑车信息交互数据并根据交互数据得到每种场景下的通信参数，添加驾驶参数后，建立每种场景下的车‑车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试模型，根据模型的目标函数和约束条件，将模型转化为不同场景下的有效避撞概率模型，输入实车测试的通信参数，即可得到对应场景下的避撞概率。本发明对实际交通中的3种可能发生碰撞场景进行碰撞预警可靠性的定量衡量，从而为V2X通信系统的改进提供依据。

说明书

技术领域

本发明属于智能交通运输系统通信技术领域，特别涉及一种车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法。

背景技术

V2X(Vehicle-to-Everything)是指车辆对外界的信息交换，包括V2V(Vehicle-to-Vehicle，车车通讯)、V2I(Vehicle-to-Instruction，车路通讯)、V2P(Vehicle-to-Pedestrian，车行人通讯)等方式的网联汽车技术的统称。进入21世纪，智能交通领域的学术界、企业界和交通管理者，特别是汽车制造商逐渐将关注焦点集中在V2X通信上，V2X技术是未来智能交通系统的重要发展方向。

对于传统的交通模式，周围环境的感知是通过驾驶员的感官来完成的，或者是通过在车辆上安装传感器，进行周围环境的感知，但无论是哪种方式，车辆间的信息都是相互独立的，车辆间无法进行有效的信息沟通和信息共享，而这种信息的封闭性在很大程度上造成了交通效率的低下甚至引起交通事故的发生。V2X技术的兴起改变了原有车辆间相互独立的交通模式。使得车辆间可以进行有效的信息交互，及时的获得路况信息，从而可以避免很多交通事故的发生，有效的提高交通效率。V2X技术融合了先进的传感器技术、无线通信技术和新一代互联网等技术，全方位实现人-车-环境动态实时信息交互，并在全时空动态信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人-车-环境的有效协同，保障交通安全，提高通行效率，从而形成安全、高效和环保的道路安全运行环境。

V2X技术的各项应用的实现都基于车-车、车-路的信息交互，对于每个信息交互节点均部署由通信设备、上层计算机、GPS模块硬件设备组成的V2X系统，其信息交互功能的可靠、有效、稳定运行对V2X系统的成功部署至关重要。由于车-车、车-路信息交互环境复杂多变，网络拓扑随着车辆的运动快速变化，城市道路环境下的车辆和建筑物遮挡会给信息交互带来极大的不确定性，这些都给V2X通信的可靠性带来了挑战。因此，V2X通信可靠性的分析和研究是一个非常复杂的问题，提高其可靠性与安全性对实际的车路协同技术研发及应用至关重要。尤其是关于碰撞预警可靠性的研究，对交通安全的评估是至关重要的。目前，尚没有一种有效的模型对V2X系统的通信性能在实际交通中不同场景下车辆间的通信碰撞预警可靠性进行有效的分析及定量的衡量。

V2X系统的通信功能包括车-车交互通信、车-路交互通信、车-人交互通信，本发明方法涉及到V2X通信中的车-车交互通信功能的测试。常规的车辆与车辆信息交互通信流程如图1所示。上层计算机采集从GPS模块中得到的车辆的位置信息(经度、纬度)，速度信息(速度大小、速度方向)，根据上层计算机内的系统时钟得到时间信息。同时上层计算机还控制着通信信息转发的策略，以及数据包的存储工作。通讯设备负责发送和接收带有上述信息的数据包。

发明内容

本发明的目的是为了填补实际交通中车-车信息交互通信性能可靠性的空白，提出一种车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法。本发明通过构建测试场景，在实际环境下对车-车信息交互的V2X通信设备的通信性能可靠性和安全性进行更有效的测试。对实际交通中的3种可能发生碰撞场景进行碰撞预警可靠性的定量衡量，从而对提高V2X通信设备的通信性能可靠性具有实际应用的意义。

本发明提出一种车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置3种碰撞预警测试场景；

将两辆测试车辆A、B行驶的运动模式和相对运动状态进行分类，得到以下3种可能发生碰撞的场景：同向跟驰行驶场景、相向行驶场景和交叉行驶场景；

2)搭建测试平台；

分别在两辆测试车辆上安装通信设备、CWAVE-Original上层计算机、GPS模块作为测试平台；所述GPS模块用于采集车辆的位置信息、速度信息，并根据上层计算机系统内的时钟得到时间信息，CWAVE-Original上层计算机用于控制通信信息转发及存储采集的车-车信息交互数据包，通讯设备用于发送和接收带有上述信息的数据包；

3)采集车-车信息交互数据；

两辆测试车辆分别按照步骤1)中设置的3种可能发生碰撞的场景进行驾驶实验，分别采集同向跟驰行驶场景、相向行驶场景和交叉行驶场景下的车-车信息交互数据的数据包；数据包内带有的信息包括：进行通信的两辆车的ID、每辆车的GPS位置坐标、两辆车的速度、两辆车的速度方向、数据包序列号以及每一跳数据包的收发时间；测试车辆周期性的发送数据包，频率为5～50Hz；具体步骤如下：

3-1)车辆A通过装载在车辆上的CWAVE-Original上层计算机生成原始数据包，原始数据包信息包括：采集到的车辆A的位置、速度信息、时间信息、通信设备ID、数据包序列号，并设置转发总跳数TotalHops和已转发跳数HopsDone；

3-2)通过装载在车辆A中的通信设备将CWAVE-Original上层计算机生成原始数据包发送给车辆B，并将发送的数据包存储在车辆A的车载CWAVE-Original上层计算机中；

3-3)车辆B接收到来自于车辆A的原始数据包后，首先将原始数据包进行存储；然后通过解析原始数据包得到已转发跳数HopsDone和总转发跳数TotalHops之间的关系来判断该数据包是否需要继续转发：

当Hops-Done<TotalHops时，数据包的转发并未结束，车辆B向原始数据包内添加车辆B的位置、速度信息、时间信息，并将数据包内的已转发跳数HopsDone加1，得到新的数据包；通过车辆B上搭载的通信设备将新的数据包进行转发，并同时存储该将新的数据包；

当HopsDone＝TotalHops时，数据包转发已结束，车辆B将收到的原始数据包进行存储，不再进行转发；

4)处理车-车信息交互数据得到通信参数；

通过收集步骤3)中采集到数据包，处理得到所需的通信参数，所述通信参数包括：收包率和时延；分别计算3种场景下的信息交互数据的收包率和时延，具体计算公式如下：

收包率PDR计算公式如式(1)所示：

其中n_received表示在某个场景中收到的数据包数量，n_transmitted表示在某个场景中发出的数据包数量；

时延Latency的计算公式如式(2)所示：

其中t_received表示数据包接收的时间，t_send表示数据包发送的时间；

5)确定驾驶参数；

驾驶参数包括驾驶员平均反应时间t_r和道路摩擦系数μ；

6)建立每种场景下的车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试模型并求解得到不同速度下避免追尾碰撞的概率；

6-1)同向跟驰行驶追尾碰撞预警可靠性测试模型：

6-1-1)建立模型的目标函数，如公式(3)所示：

P(d＞d_s)＝f(d,v,P_d,t_l)>

其中P(d＞d_s)是车辆收到一个与其距离d大于安全距离d_s的另一辆车发来的数据包的概率，d_s表示两车的安全距离，通过(5)式得到；d是两车间的距离，通过(7)式得到；v是两车的速度，包括A车速度v_A和B车速度v_B；t_l是通信数据包传输时延，即通过公式(2)得到的Latency；P_d代表收包率PDR，通过公式(1)得到；

6-1-2)确定该模型的约束条件：

收包率约束，如式(4)所示：

P_d＝f(d)>

安全距离约束，如式(5)所示：

其中，a是车辆A的加速度；

将公式(5)进行简化如式(6)：

6-1-3)根据安全距离定义安全时间：

如果第i个数据包被成功接收到，那么两辆车间的距离为：

d＝d₀-(v_A-v_B)(t_i+t_l)>

其中，t_i代表第i个数据包发送的时间，f_s是发送数据包的频率，T_s＝1/f_s为连续两个数据包发送的时间间隔；

根据安全距离d_s，定义安全时间t_s：

(v_A-v_B)(t_s+t_l)＜d₀-d_s＜(v_A-v_B)(t_s+1+t_l)>

6-1-4)对模型求解；

利用约束条件式(4)、(6)与(7)将目标函数(3)转化为式(9)：

将式(9)转化为式(13)，令v_A＝v₀：

式(10)为跟驰行驶下有效避撞的概率模型，将实车测试得到的跟驰状态下下不同距离的收包率及整体平均时延参数带入式(10)即得到不同速度下避免追尾碰撞的概率；

6-2)相向行驶碰撞预警可靠性测试模型；

6-2-1)建立模型的目标函数，如公式(11)所示：

P(d＞d_s)＝f(d,v,P_d,t_l)>

其中，d_s表示两车的安全距离，通过(13)式得到；d是两车间的距离，通过(14)式得到；

6-2-2)确定模型的约束条件：

收包率约束条件，如式(12)所示：

P_d＝f(d)>

安全距离约束，如式(13)所示：

6-2-3)根据安全距离定义安全时间：

如果第i个数据包被成功接收到，那么两辆车间的距离为：

d＝d₀-(v_A+v_B)(t_i+t_l)>

根据安全距离d_s，定义安全时间t_s：

(v_A+v_B)(t_s+t_l)＜d₀-d_s＜(v_A+v_B)(t_s+1+t_l)>

6-2-4)对模型求解；

P(d＞d_s)＝P_A(d＞d_s)P_B(d＞d_s)>

假设车辆A与车辆B处在相同的环境中，P_A(d＞d_s)＝P_B(d＞d_s)，并且两车速度均为v₀，即v_A＝v_B＝v₀；

利用约束条件式(12)、(13)与(15)将目标函数式(11)转化为式(17)：

式(17)为面对面行驶下有效避撞的概率模型，将实车测试得到的面对面行驶下不同距离的收包率及整体平均时延参数带入式(17)即得到不同速度下避免追尾碰撞的概率；

6-3)交叉口碰撞预警可靠性测试模型；

6-3-1)建立模型的目标函数，如公式(18)所示：

P(d＞d_s)＝f(d,v,P_d,t_l)>

其中，d_s表示两车的安全距离，通过(21)式得到；d是两车间的距离，通过(22)式得到；

6-3-2)确定模型的约束条件：

收包率约束：

P_d＝f(d)>

安全距离约束：

将式(20)进行简化：

6-3-3)根据安全距离定义安全时间；

如果第i个数据包被成功接收到，那么两辆车间的距离为：

根据安全距离d_s，定义安全时间t_s：

6-3-4)对模型求解；

P(d＞d_s)＝P_A(d＞d_s)P_B(d＞d_s)>

利用约束条件(19)(21)与(23)将目标函数(24)转化为式(25)：

式(25)为交叉行驶下有效避撞的概率模型，将实车测试得到的交叉行驶下不同距离的收包率及整体平均时延参数带入式(25)即得到不同速度下避免追尾碰撞的概率。

本发明的特点及有益效果：

本方法数据获取简单，仅需要在车辆上安装常规的V2X系统的硬件设备，包括：通信设备、上层计算机、GPS模块，即可得到建模所需的数据。通过带入构建的简单模型求解，可以得到3种可能发生碰撞的实际交通场景下的车辆碰撞预警可靠性概率，用以对3种场景下的车-车信息交互通信设备碰撞预警可靠性进行定量的测试，从而为V2X通信系统的改进提供依据，进一步为V2X通信技术应用到车辆网、无人驾驶等领域提供一个切实的安全考量。

附图说明

图1为常规的车辆与车辆信息交互通信硬件设备及通信流程示意图。

图2为本发明方法的整体流程框图。

图3为本发明实施例中在交叉行驶条件下的丢包率和时延示意图。

图4为本发明实施例中交叉行驶场景下得到的避撞概率曲线图。

具体实施方式

本发明提出一种车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法，下面结合附图及实施例详细说明如下。

本发明提出的一种车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试方法，整体流程如图2所示，包括以下步骤：

1)设置3种碰撞预警测试场景；

为规范国内车路协同系统的应用场景和相关数据集，中国汽车工程学会制定的《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》中给出17个典型应用场景：1、交叉路口碰撞预警；2、左转辅助；3、前向碰撞预警；4、紧急制动预警；5、变道辅助预警；6、逆向超车预警；7、异常车辆告警；8、车辆失控预警；9、道路危险状况提示；10、限速预警；11、闯红灯预警；12、行人碰撞预警；13、车速引导；14、车内标牌；15、紧急车辆避让；16、前方拥堵提醒；17、汽车近场支付。

根据以上17个场景，本发明是将两辆测试车辆A、B行驶的运动模式和相对运动状态进行分类，得到以下3种可能发生碰撞的场景：

a.同向跟驰行驶场景：此场景中，A车沿测试道路以几种不同道路规定的限速值行驶(本实施例为20公里每小时、40公里每小时、60公里每小时和80公里每小时的速度行驶)，B车以同样的速度在A车后跟驰，跟车距离在50到100米之间。每个速度均重复实验5～20次(本实施例重复实验5次)，记录下完整的测试数据。

b.相向行驶场景：此场景中，A车沿测试道路往返行驶，速度分别为几种不同道路规定的限速值行驶(本实施例为20公里每小时、40公里每小时、60公里每小时、80公里每小时)，车以同样的速度沿与A车相反的方向行驶。每个速度均重复实验5次，记录下完整的测试数据。

c.交叉行驶场景：此场景中，A车沿测试道路在交叉口往返行驶，速度分别为几种不同道路规定的限速值行驶(本实施例为20公里每小时和40公里每小时)，B车沿与A车行驶道路垂直的道路在交叉口往返行驶，与A车速度相同。在行驶的过程中，要保证两车同时到达交叉口。每个速度均重复实验5～20次(本实施例重复实验5次)，记录下完整的测试数据。

2)搭建测试平台；

分别在两辆测试车辆上安装通信设备、CWAVE-Original上层计算机、GPS模块作为测试平台。通过GPS模块采集车辆的位置信息(经度、纬度)，速度信息(速度大小、速度方向)，根据上层计算机系统内的时钟得到时间信息。同时CWAVE-Original上层计算机还用于控制通信信息转发的策略及存储采集的车-车信息交互数据包。通讯设备负责发送和接收带有上述信息的数据包。

3)采集车-车信息交互数据；

两辆测试车辆分别按照步骤1)中设置的3种可能发生碰撞的场景进行驾驶实验，分别采集a.同向跟驰行驶场景、b.相向行驶场景、c.交叉行驶场景下的车-车信息交互数据数据包。数据包内带有的信息包括：进行通信的两辆车的ID(车辆上安装的通信设备ID)，每辆车的GPS位置坐标(由GPS信号得到)，两辆车的速度大小(由GPS信号得到)，两辆车的速度方向(由GPS信号得到，正北为0°)，数据包序列号(用于计算发送数据包数量，每发送一次数据包，数据包序号加1)，以及每一跳数据包的收发时间(对于每种场景，至少要采集上万条的数据，消除通信的随机带来的影响，使得分析结果更据可靠性。实验数据的采集使用的CWAVE-Original上层计算机上安装有Linux操作系统)，测试车辆周期性的发送数据包，其发送数据包的频率为5～50Hz(本实施例采用10Hz)。具体车-车信息交互数据采集过程如下：

3-1)数据包的生成：车辆A通过装载在车辆上的CWAVE-Original上层计算机生成原始数据包，原始数据包信息包括：采集到的车辆A的位置(从车辆A上搭载的GPS模块中获得)、速度(从车辆A上搭载的GPS模块中获得)信息、时间信息(从车辆A上搭载的CWAVE-Original上层计算机系统内时间获得)、通信设备ID(预先设定)、数据包序列号(给定序列号，每发送一次数据包，数据包序号加1)，并设置转发总跳数(TotalHops，数据包的生存跳数，即当该数据包转发次数达到TotalHops后停止转发)和已转发跳数(HopsDone，数据包已经被转发的次数，原始数据包HopsDone设置为0)。

3-2)数据包的发送：通过装载在车辆A中的通信设备将CWAVE-Original上层计算机生成原始数据包发送给车辆B，并将发送的数据包存储在车辆A的车载CWAVE-Original上层计算机中。

3-3)车辆B接收到来自于车辆A的原始数据包后，首先将原始数据包进行存储；然后通过解析原始数据包得到已转发跳数(HopsDone)和总转发跳数(TotalHops)之间的关系来判断该数据包是否需要继续转发：

当Hops-Done<TotalHops时，数据包的转发并未结束，车辆B向原始数据包中添加车辆B的位置(从车辆B上搭载的GPS模块中获得)、速度(从车辆B上搭载的GPS模块中获得)信息、时间信息(从车辆B上搭载的CWAVE-Original上层计算机系统内时间获得)，并将数据包内的已转发跳数(HopsDone)加1，通过车辆B上搭载的通信设备将新的数据包进行转发，并同时存储该将新生成的数据包。

当HopsDone＝TotalHops时，表明数据包转发已结束，车辆B将收到的原始数据包进行存储，不再进行转发。在本实施例的测试实验中将数据包总转发跳数(TotalHops)设置为2。

4)处理车-车信息交互数据得到通信参数；

通过收集步骤3)中采集到数据包，处理得到所需的通信参数，所述通信参数包括：收包率和时延。由于步骤3)中可能发生碰撞的场景建立的模型不同，因此需要分别计算3种场景下的信息交互数据的收包率和时延。具体计算公式如下：

收包率(PDR)计算公式如式(1)所示：

其中n_received表示在某个场景中收到的数据包数量(即CWAVE-Original上层计算机存储的来自另一辆测试车辆的数据包个数)，n_transmitted表示在某个场景中发出的数据包数量(可通过收集到的数据包序列号得到，详见步骤3))。

时延(Latency)的计算公式如式(2)所示：

其中t_received表示数据包接收的时间，t_send表示数据包发送的时间，由于实验所使用的两辆车上搭载的CWAVE-Original上层计算机系统时间很难做到同步，因此本方法采用计算数据包发送一周的时间得到2倍的时延，一半既为通信时延。

5)确定驾驶参数；

得到车-车信息交互通信设备碰撞预警可靠性测试方法所需的驾驶参数。驾驶参数包括驾驶员平均反应时间t_r和道路摩擦系数μ。驾驶员平均的反应时间，大致范围为0.75s到1s之间(本实施例设置为1s)；道路摩擦系数由实际路面材质、道路湿滑程度等因素决定(本实施例根据测试条件、测试场地等因素将摩擦系数设置为0.6)。

6)建立每种场景下车-车信息交互通信的碰撞预警可靠性测试模型并求解得到不同速度下能够有效避免追尾碰撞的概率：

由于数据处理呈现的结果无法直观的判断该通信技术在此种交通场景中应用的安全性，因此在数据处理完毕后要进行建模分析。为了更好描述应用的可靠性，本发明采用一种概率模型。该模型由目标函数和约束条件构成，并针对a.同向跟驰行驶追尾碰撞预警场景、b.相向行驶碰撞预警场景、c.交叉行驶碰撞预警场景，分别构建相应的三种概率模型，具体描述如下：

6-1)同向跟驰行驶追尾碰撞预警可靠性测试模型：

同向跟驰行驶追尾碰撞预警场景：车辆A在车辆B后方以v_A的速度行驶(A车和B车在同一车道并且之间没有其他车辆)，此时B车的速度为v_B，当v_A＞v_B时，可能会发生追尾事故。

6-1-1)建立模型的目标函数，如公式(3)所示：

P(d＞d_s)＝f(d,v,P_d,t_l)>

其中P(d＞d_s)是车辆能够顺利收到一个与其距离d大于安全距离d_s的另一辆车发来的数据包的概率。d_s表示两车的安全距离，可通过(5)式得到；d是两车间的距离，可通过(7)式得到；v是两车的速度，包括A车速度v_A和B车速度v_B；t_l是通信数据包传输时延，即通过公式(2)得到的Latency；P_d代表收包率PDR，可通过公式(1)得到；

6-1-2)确定该模型的约束条件：

收包率约束，如式(4)所示：

P_d＝f(d)>

其中，P_d代表着收包率PDR，由实车采集到的数据处理得到，即(1)式得到。(虽然PDR受到很多因素的影响，但是经过对采集到的大量通信数据的分析发现，P_d仅仅与距离有关。因此本方法对PDR进行简化的处理，即PDR是仅与车辆间距离有关的量)

安全距离约束；

当两辆车处于跟驰状态时，可能会发生追尾碰撞。本方法用d_s代表安全距离，如式(5)所示：

其中，v_A为车辆A的速度，v_B为车辆B的速度，t_r为驾驶员的反应时间，范围为0.75s到1s之间(本实施例设置为1s)。a是车辆A的加速度。本方法简化减速过程，将车辆减速到安全速度的过程看做是匀减速过程。

将公式(5)进行简化如式(6)：

(虽然，实际情况中a与风速，道路摩擦系数等因素均有关系，但在此处忽略掉除道路摩擦系数之外的所有因素，)令a＝μg，其中μ为摩擦系数(本实施例根据测试条件、测试场地等因素将摩擦系数设置为0.6)，g为重力加速度。

6-1-3)根据安全距离(式6)定义安全时间(式8)：

开始时，两辆车相距d₀，d₀超出了两辆车的通信范围。在两辆从d₀到d_s接近的过程中，第i个数据包到达的时间为t_i+t_l。如果第i个数据包被成功接收到，那么两辆车间的距离为：

d＝d₀-(v_A-v_B)(t_i+t_l)>

其中，t_i代表第i个数据包发送的时间。t_l为数据包的传播时延。f_s是发送数据包的频率(本实施例采用10Hz)，T_s＝1/f_s为连续两个数据包发送的时间间隔(本实施例T_s＝0.1s)

根据安全距离d_s，定义安全时间t_s：

(v_A-v_B)(t_s+t_l)＜d₀-d_s＜(v_A-v_B)(t_s+1+t_l)>

(安全时间的含义为，在安全时间t_s前的数据包被有效接收到可以成功避撞，否则若数据包在下一时刻t_s+1后才被接收到则不能有效进行避撞)

6-1-4)对模型求解；

考虑上述约束条件(4)(6)与(7)将目标函数(3)转化为式(9)：

进一步考虑发送数据包的离散性，将式(9)转化为式(13)，为了与另外两种场景符号的统一，令v_A＝v₀。

式(10)为本方法得到的跟驰行驶下有效避撞的概率模型，将实车测试得到的跟驰状态下下不同距离的收包率及整体平均时延参数带入式(10)即可得到不同速度下能够有效避免追尾碰撞的概率。

6-2)相向行驶碰撞预警可靠性测试模型

相向行驶碰撞预警场景：当两辆车相向行驶时，在无信号灯路口或者直行左转同相位通过的路口可能会发生直行和左转的冲突，在标有可跨越对向车流分割线的路段超车时同样可能和相对行驶的车辆发生碰撞，并且后者发生的时候往往车速较快。

6-2-1)建立模型的目标函数：

建立V2X通信性能可靠性分析模型的目标函数，如公式(11)所示：

P(d＞d_s)＝f(d,v,P_d,t_l)>

其中P(d＞d_s)是车辆能够顺利收到一个与其距离d大于安全距离d_s的另一辆车发来的数据包的概率。d_s表示两车的安全距离，可通过(13)式得到；d是两车间的距离，可通过(14)式得到；v是两车的速度，包括A车速度v_A和B车速度v_B；t_l通信数据包传输时延，即通过公式(2)得到的Latency；P_d代表收包率PDR，可通过公式(1)得到；

6-2-2)确定模型的约束条件：

收包率约束条件：

P_d＝f(d)>

(P_d代表着收包率PDR，由实车采集到的数据处理得到的。虽然PDR受到很多因素的影响，但是经过对采集到的大量通信数据的分析发现，P_d仅仅与距离有关。因此本方法对PDR进行简化的处理，即PDR是仅与车辆间距离有关的量)

安全距离约束：

当两辆车处于面对面行驶状态时，可能会发生前向碰撞。本方法用用d_s代表安全距离，如下式：

其中，v_A为车辆A的速度，v_B为车辆B的速度，t_r为驾驶员的反应时间，大致范围为0.75s到1s之间(本实施例设置为1s)。a是车辆A的加速度。本方法简化减速过程，将车辆减速到安全速度的过程看做是匀减速过程。μ为摩擦系数(本实施例设置为0.6)，g为重力加速度

6-2-3)根据安全距离(式13)定义安全时间(式15)：

开始时，两辆车相距d₀，d₀超出了两辆车的通信范围。在两辆从d₀到d_s接近的过程中，第i个数据包到达的时间为t_i+t_l。如果第i个数据包被成功接收到，那么两辆车间的距离为：

d＝d₀-(v_A+v_B)(t_i+t_l)>

t_i代表第i个数据包发送的时间。t_l为数据包的传播时延。f_s是发送数据包的频率(本实施例设置为10Hz)，T_s＝1/f_s连续两个数据包发送的时间间隔

根据安全距离d_s，定义安全时间t_s：

(v_A+v_B)(t_s+t_l)＜d₀-d_s＜(v_A+v_B)(t_s+1+t_l)>

(安全时间的含义为，在安全时间t_s前的数据包被有效接收到可以成功避撞，否则若数据包在下一时刻t_s+1后才被接收到则不能有效进行避撞)

6-2-4)对模型求解；

P(d＞d_s)＝P_A(d＞d_s)P_B(d＞d_s)>

(在最糟糕的情况，两辆车必须都要收到对方的信息才会开始制动，避免事故的发生车辆A和车辆B都必须在相距d_s之前成功的都到来自对方的数据包)

假设车辆A与车辆B处在相同的环境中，也就是说P_A(d＞d_s)＝P_B(d＞d_s)。并且两车速度均为v₀，即v_A＝v_B＝v₀。则有：

考虑上述约束条件(12)(13)与(15)将目标函数式(11)转化为式(17)：

式(17)为本方法得到的面对面行驶下有效避撞的概率模型，将实车测试得到的面对面行驶下不同距离的收包率及整体平均时延参数带入式(17)即可得到不同速度下能够有效避免追尾碰撞的概率。

6-3)交叉口碰撞预警可靠性测试模型；

交叉行驶碰撞预警场景：交叉口碰撞是交通事故中常见的一种，尤其是在无信号灯路口，在交叉口有建筑物遮挡视线时事故更容易发生。假设A、B两车从交叉口互相垂直的方向向路口行驶，A、B两车分别要通过路口，或者A车通过路口，B车在路口右转，这两种情况下两车均有可能发生碰撞。

6-3-1)建立模型的目标函数：

建立V2X通信性能可靠性分析模型的目标函数，如公式(18)所示：

P(d＞d_s)＝f(d,v,P_d,t_l)>

其中P(d＞d_s)是车辆能够顺利收到一个与其距离d大于安全距离d_s的另一辆车发来的数据包的概率。d_s表示两车的安全距离，可通过(21)式得到；d是两车间的距离，可通过(22)式得到；v是两车的速度，包括A车速度v_A和B车速度v_B；t_l通信数据包传输时延，即通过公式(2)得到的Latency；P_d代表收包率PDR，可通过公式(1)得到；

6-3-2)确定模型的约束条件：

收包率P_d约束：

P_d＝f(d)>

(P_d代表着收包率PDR，由实车采集到的数据处理得到的。虽然PDR受到很多因素的影响，但是经过对采集到的大量通信数据的分析发现，P_d仅仅与距离有关。因此本方法对PDR进行简化的处理，即PDR是仅与车辆间距离有关的量)

安全距离约束：

当两辆车处于面对面行驶状态时，可能会发生前向碰撞。本方法用用d_s代表安全距离，如下式：

将上式进行简化：

(假设车辆A和车辆B以相同的速度v₀行驶，即v_A＝v_B＝v₀)

其中，v_A为车辆A的速度，v_B为车辆B的速度，v_A、v_B看作是变量，t_r为驾驶员的反应时间，大致范围为0.75s到1s之间(本实施例设置为1s)。a是车辆A的加速度。本方法简化减速过程，将车辆减速到安全速度的过程看做是匀减速过程。μ为摩擦系数(本实施例设置为0.6)，g为重力加速度

6-3-3)根据安全距离(式21)定义安全时间(式23)；

开始时，两辆车相距d₀，d₀超出了两辆车的通信范围。在两辆从d₀到d_s接近的过程中，第i个数据包到达的时间为t_i+t_l。如果第i个数据包被成功接收到，那么两辆车间的距离为(本场景假设两辆车速度相同均为v₀，且两辆车到路口的距离相同)：

其中，t_i代表第i个数据包发送的时间。t_l为数据包的传播时延。f_s是发送数据包的频率(本实施例设置为10Hz)，T_s＝1/f_s连续两个数据包发送的时间间隔

根据安全距离d_s，定义安全时间t_s：

(安全时间的含义为，在安全时间t_s前的数据包被有效接收到可以成功避撞，否则若数据包在下一时刻t_s+1后才被接收到则不能有效进行避撞)

6-3-4)对模型求解；

P(d＞d_s)＝P_A(d＞d_s)P_B(d＞d_s)>

(为了避免碰撞的发生，两辆车都需要成功的接受到来自对方车辆的信息。)

考虑上述约束条件(19)(21)与(23)将目标函数(24)转化为式(25)：

式(25)为本方法得到的交叉行驶下有效避撞的概率模型，将实车测试得到的交叉行驶下不同距离的收包率及整体平均时延参数带入式(25)即可得到不同速度下能够有效避免追尾碰撞的概率。

根据公式(10)、(17)、(25)得到了跟驰场景、面对面行驶场景、交叉行驶场景下，在安全距离之前成功通信的概率，该概率可视为在这种通信方式下成功避撞的概率。成功避撞的概率越大，说明通信的可靠性越高。通过这种方法计算得到的成功避撞概率，作为车辆对外界的信息交换通信设备碰撞预警可靠性的衡量指标。当成功避撞的概率接近1时，说明该通信设备具有很高的可靠性，基本可以实现对车辆可能碰撞预警；当成功避撞概率很低(例如：0.1)则说明该通信设备在实际交通应用中存在危险，无法及时对可能发生的碰撞进行预警。成功避撞概率作为车辆对外界的信息交换通信设备通信性能可靠性的衡量指标，对际交通场景中的通信安全性进行了定量的分析，填补了实际交通中通信可靠性的定量判断的空白。

下面结合一个具体实施例对本发明进一步详细说明如下：

采集实际交通中通信数据信息及行驶数据信息，包括：通信过程中的收包率、时延，数据发送频率，驾驶员平均反应时间(通常设为1s)，刹车时摩擦系数(有道路情况决定，通常设为0.6)。

下面通过一个实际跟驰行驶的例子，进一步阐述模型的用法。

图3(a)为在交叉口行驶场景下车-车信息交互通信在不同速度、距离下的丢包率曲线，横坐标代表两车之间的距离，实线代表速度为20km/h下的收包率曲线，虚线代表速度为40km/h下的收包率曲线；图3(b)为在交叉口行驶场景下车-车信息交互通信在不同速度、距离下的时延曲线，横坐标代表两车之间的距离，实线代表速度为20km/h下的时延曲线，虚线代表速度为40km/h下的时延曲线。在该场景下，数据包的发送频率为1Hz，因此T_s是0.1s。摩擦系数μ设置为0.6。驾驶员反映时间t_r为1s。将得到的数据带入(21)式及(25)式模型中得到图5的输出结果：

图4为交叉行驶场景下得到的有效避撞概率曲线和安全距离曲线(上方曲线为P(d)曲线，下方曲线为安全距离曲线)。从图4中可以看出，两车相对速度从10公里每小时到100公里每小时，应用有效的概率为100％，超过100公里每小时，应用的有效性急剧下降，在超过109公里每小时以后应用有效性为0，即碰撞不可避免。因为此处的速度为两车的相对速度，针对一辆车来说，应用有效性急剧下降发生在车速为71公里每小时处，而车速超过77公里每小时以后，应用有效性为0。从而有效的判断该交通场景下，此种通信技术能否有效的用于避撞应用。同时本发明还对限速的设定，安全跟车距离的设定有着一定的指导意义。