車路協同系統(tǒng)一體化仿真實驗平臺

孫 劍， 吳志周

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

0 引 言

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)是將先進的信息技術、通訊技術、傳感技術、控制技術以及計算機技術等有效地集成運用于整個交通運輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合的運輸和管理系統(tǒng)。自上世紀90年代起，先進的交通管理系統(tǒng)、先進的交通信息系統(tǒng)以及先進的公共交通系統(tǒng)等ITS子系統(tǒng)相繼被研發(fā)并投入應用。近十多年來，電子信息和無線通信技術的迅速發(fā)展與應用，推動了以車車、車路通信為基礎的“車路協同系統(tǒng)”(Connected Vehicle System，CVS)系統(tǒng)的規(guī)劃實施[1]。美國交通運輸部在關于ITS的發(fā)展計劃中指出CVS是ITS研究的必經階段，并將其列在未來九大發(fā)展領域的第二位，日本、歐盟也都開展了一系列CVS研究，并在大規(guī)模進行示范工程建設。鑒于CVS對未來科學技術的重大需求推動，國內也相應在交通工程、通信工程、車輛工程等本科生及研究中專業(yè)中開設了“智能交通系統(tǒng)”、“車路協同系統(tǒng)”、“車載自組織網絡”、“智能車輛”等本科生及研究生課程。

由于CVS技術發(fā)展日新月異且屬于多學科集成創(chuàng)新，長期以來，學生在各門課的學習過程中，只能依靠書本的感性認識、教師課堂講解以及演示系統(tǒng)來獲取CVS相關知識，缺乏與CVS系統(tǒng)之間的互動，同時每門課都側重于CVS的一個方面，缺乏一個一體化的交互實驗平臺，可以讓學生不僅進行演示性實驗，還可進行交互實驗和探索實驗。

1 CVS系統(tǒng)實驗平臺需求分析

交通系統(tǒng)仿真是再現交通流運行規(guī)律，對交通系統(tǒng)進行管理、控制和優(yōu)化的重要實驗手段和工具。由于CVS系統(tǒng)正處于開發(fā)試驗階段，無法實地實驗，利用系統(tǒng)仿真工具則可以對CVS系統(tǒng)的各項功能進行實驗分析。VII 系統(tǒng)的發(fā)展使得交通系統(tǒng)仿真實驗平臺從重點是對車、路以及環(huán)境的模擬逐漸演變?yōu)閷θ?、車、路、環(huán)境以及信息的仿真。信息的覆蓋范圍、發(fā)送頻率、連接性能以及處理能力等都影響著CVS環(huán)境下個體及多個車輛的協同駕駛行為，因此必須整合交通流模型(人、車因素)、車載通訊環(huán)境(信息因素)以及車路協同應用(信息對人、車行為的影響)這3類仿真組成要素才能全面、科學地對VII 環(huán)境下的交通系統(tǒng)進行仿真評價?，F有成熟的交通流仿真軟件(Traffic Flow Simulation，TFS)可以全面細致的模擬傳統(tǒng)交通流環(huán)境下的交通行為，但是卻無法滿足車路協同環(huán)境下車車、車路通信的仿真需求并反應出由此產生的對交通流特性的影響和改變。而車載通訊仿真軟件(Communication Network Simulation, CNS)則僅關注于通訊過程的模擬，并不能模擬車輛在交通網絡中的運行[2]。CVS仿真實驗平臺應綜合考慮交通流模型，通訊環(huán)境以及車路協同應用的交互影響。唯有這樣，CVS系統(tǒng)的性能才能精確的被測試和實驗，而不同專業(yè)的學生在進行實驗分析時，則可以有選擇地進行實

驗測試，但其實驗結果會受到各個部分參數的影響。

2 實驗平臺技術比選

根據三種系統(tǒng)要素的不同作用方式，CVS仿真實驗平臺可以分為3種實現方法，即基于簡化通訊模型的CVS實驗平臺、基于交通/通訊仿真器松耦合的CVS仿真實驗平臺、基于交通/通訊仿真器緊耦合的CVS仿真實驗平臺。

2.1 基于簡化通訊模型的CVS實驗平臺

基于簡化通訊模型是指車車、車路的通訊過程直接由一個簡化的通訊模塊完成，通常只考慮通訊距離，用戶應用層消息發(fā)送間隔以及數據包丟失概率等一些較簡單的統(tǒng)計參數，將通訊過程參數化而不是像基于離散事件的通訊仿真器那樣對通訊網絡的各個層次做微觀的仿真。另一方面，車路協同應用策略在交通仿真軟件的基礎上由二次開發(fā)完成[3]。典型的基于簡化通訊模型的CVS實驗平臺如圖1所示。該系統(tǒng)一般包括4個模塊：① 微觀交通仿真模塊主要模擬真實世界的仿真運行，獨立工作時相當于無VII環(huán)境的交通流運作，可以直接應用成熟的商品化交通仿真軟件；② CVS通訊模塊負責模擬車載單元和路邊單元在CVS環(huán)境下的通信行為；③ 策略應用模塊描述具體應用的邏輯過程；④ 數據庫模塊為其他三種模塊的計算結果提供貯存空間，并進行統(tǒng)計運算CVS系統(tǒng)的運行指標。

雖然基于簡化通訊模型的車路協同仿真可以采用統(tǒng)計模型代替基于離散事件的通訊仿真過程，提高了仿真效率，但是沒有考慮通訊網絡中路由選擇、信道容量、數據包碰撞丟失、信號遮擋等具體細節(jié)，統(tǒng)計模型的標定和驗證需要以大量仿真數據為基礎，其通訊過程及結果的真實性和準確性仍存在不足。

圖1 基于簡化通訊模型的CVS仿真實驗平臺

2.2 基于交通/通訊仿真器松耦合的CVS仿真實驗平臺

基于交通/通訊仿真器松耦合的車路協同仿真其目的是在通訊仿真軟件中表達“真實”的車輛運動軌跡，用于研究車載自組織網絡的通訊性能以及與交通運行弱相關的應用，如互聯網接入服務、交通監(jiān)控管理等。該實現方法中，通訊仿真由專用的通訊仿真軟件完成，但是交通仿真與通訊仿真并不是并行運行的，通訊仿真中移動無線節(jié)點的運動由數學模型產生的移動軌跡或交通仿真軟件導出的車輛仿真軌跡決定。

目前有許多商業(yè)或非商業(yè)的通訊仿真軟件可以用于車載通訊網絡建模仿真，最的常用的有OMNeT++，NS2，Qualnet以及SWANS/Jist，但是這些通訊仿真軟件中都缺乏可以表達恰當的車輛運動的功能。為了解決此問題，探索了如何在這些通訊仿真軟件中表達“真實”的車輛運動，最通常的方法是通過編寫分析器從外部讀取車輛運動軌跡并導入通訊仿真軟件。車輛移動軌跡是指一組車輛出行過程中按照時間戳記錄下的運動，包括所有這些車輛整個出行過程中在每一個時間步上的位置、速度、加減速以及運動方向信息。這些軌跡可以源自于某些數學模型，也可以是真正的車輛GPS軌跡，抑或者是微觀交通仿真軟件。

2.3 基于交通/通訊仿真器緊耦合的CVS仿真實驗平臺

為了將車載通訊網絡、交通流仿真以及車路協同應用作為一個整體來仿真，必須將現有的交通仿真軟件與通訊仿真軟件緊密結合，實現不同仿真器之間的緊耦合。在這種方式中，交通流仿真由交通仿真器執(zhí)行，車車、車路通訊仿真由通訊仿真器執(zhí)行，車路協同應用也由獨立的應用策略成員實現，三者并行執(zhí)行進行仿真運行時的連續(xù)數據交換和時間管理，可以完成對三種仿真要素的有機結合。在仿真過程中，通訊仿真器的節(jié)點實時跟蹤車輛的運動軌跡，兩者一一對應，同時完成對應用策略成員產生的通訊需求的仿真；交通仿真器在收到通訊仿真的結果后再根據具體的應用策略完成對車輛駕駛行為的反饋。相對于松耦合的仿真方式，緊耦合的仿真方式形成完整的反饋環(huán)，通訊仿真的結果根據特定的應用策略邏輯對交通仿真軟件中的車輛駕駛行為產生影響，可以對各種豐富的車路協同應用做全面評價。表1對交通/通訊仿真器兩種耦合方式的主要特點做了比較總結。

表1 交通/通訊仿真器耦合方式比較

3 一體化實驗平臺開發(fā)

CVS系統(tǒng)的一體化實驗平臺需要將車載通訊網絡、交通流仿真以及車路協同應用作為一個整體來仿真，只有基于交通/通訊仿真器緊耦合的CVS仿真實驗平臺才能滿足不同仿真器之間的動態(tài)耦合，真正實現CVS的一體化實驗平臺?；诒仨殞F有的交通仿真軟件與通訊仿真軟件緊密結合，實現不同仿真器之間的緊耦合。其開發(fā)關鍵包括仿真模型選擇、一體化整合技術。

3.1 交通仿真模型選擇

目前常用的商用化交通仿真模型有VISSIM、PARAMICS、AIMSUN等，SUMO模型由于其開源特性，也得到了一定的應用。本研究采用VISSIM作為CVS實驗平臺的交通仿真組件。VISSIM[4]是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通流仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個離散的、隨機的、以0.1 s為時間步長的微觀仿真軟件。VISSIM可以作為許多交通問題分析的有力工具，它能夠分析在諸如車道特性、交通組成、交通信號燈等約束條件下交通運行情況，不僅能對交通基礎設施實時運行情況進行交通仿真實驗，而且還可以文件的形式輸出各種交通評價參數，如行程時間、排隊長度等。與SUMO相比，VISSIM在交通仿真方面有許多優(yōu)點，不僅可完善地對各種交通場景進行實驗，同時向用戶提供組件對象模型COM接口以及外部駕駛員模型動態(tài)連接庫DLL，可實現仿真運行時的實時控制，為實現與通訊仿真軟件的一體化整合提供了有利條件。

3.2 通訊仿真模型選擇

目前有許多商業(yè)或非商業(yè)的通訊仿真軟件可用于車載通訊網絡的建模仿真，最常用的有OMNeT++，NS2，Qualnet以及SWANS/Jist。NS2是一個開源的離散事件網絡仿真器,支持有線網絡和無線網絡,包括許多MANET路由協議,也包括802.11MAC的實現[5]。NS2是學術領域研究無線網絡應用最廣泛的仿真器。NS2核心代碼用C++語言,用戶與NS2的交流采用TCL或者Otcl腳本文件，通常只按照靜態(tài)腳本文件執(zhí)行仿真;當仿真完成以后NS將會產生一個或多個基于文本的跟蹤文件。

3.3 一體化整合方法

本研究通過高層體系架構(High Level of Architecture，HLA)仿真建模思想整合VISSIM與NS2，實現仿真時間管理、跨平臺數據交互、聯邦成員互操作、仿真進程控制、應用策略靈活集成等主要功能。

考慮到NS2需要工作在Linux環(huán)境下涉及到跨平臺通信，并且需要對OTCL模擬腳本進行功能擴展以符合動態(tài)交互仿真的需要，采用半集中式的RTI(Running Time Infrastructure)結構開發(fā)了RiVins(Run-time infrastructure for VISSIM and NS2)組件，在OTCL模擬腳本中開發(fā)LRC(Local RTI Component)本地RTI組件；WINDOWS平臺下開發(fā)CRC中心RTI組件，通過在兩者之間建立TCP連接實現跨平臺數據交互，由LRC與CRC協商完成時間管理、聯邦成員數據分發(fā)等聯邦服務。VISSIM/NS2聯邦仿真體系架構如圖2所示。

聯邦中核心部件是RiVins運行時支撐環(huán)境組件，主要完成聯邦執(zhí)行的創(chuàng)建/撤銷、交互參數的發(fā)送接收、對象類的公布/訂購、聯邦運行時對各聯邦成員的時間管理，數據分發(fā)。RiVins包括Linux環(huán)境下的LRC本地RTI組件和Windows環(huán)境下的CRC中心RTI組件，兩者通過通訊模塊建立一個可靠的TCP連接實現跨平臺的數據交互。其中LRC通過OTCL工具命令語言集成在一個NS2的仿真執(zhí)行腳本文件中，而CRC為獨立模塊。聯邦成員主要包括通訊仿真器NS2，交通仿真器VISSIM，CVS應用策略成員以及仿真控制成員。

圖2 聯邦體系架構

3.4 整合案例

本案例中選擇NS2-2.33版本運行于cygwin操作系統(tǒng)平臺下，結合VISSIM5.1完成仿真原型系統(tǒng)的構建，CVS系統(tǒng)應用場景為交叉口速度引導。其中仿真控制成員完成部分仿真參數的設置，結果輸出以及仿真過程的控制監(jiān)控。參數設置包括仿真時長、仿真時間精度、交通環(huán)境參數設置等，結果輸出用于統(tǒng)計仿真過程中交叉口進口道的車輛延誤和停車次數指標，交通仿真場景如圖3(a)所示；通訊仿真的評價則由NS2的附加功能另外獨立完成。仿真監(jiān)控功能則用于實時記錄顯示仿真過程中消息發(fā)送接收、仿真進度、速度引導計算結果等信息。通訊模擬過程的圖形展示由Nam模塊支持，可以觀察到在NS2中代表車輛和通訊設施的移動節(jié)點的運動、通訊仿真中無線電信號的傳播，如圖3(b)所示。

(a) 交通仿真器車輛運行

(b) 通訊仿真器移動節(jié)點運行

4 結 語

車路系統(tǒng)是未來ITS發(fā)展的核心，包括交通工程、通信工程及車輛工程在內的本科生及研究生專業(yè)紛紛開設相關課程，以滿足社會人才培養(yǎng)的需求。本文提出的一體化實驗平臺是對車路協同系統(tǒng)交互式實驗環(huán)境建設的一次嘗試，不同專業(yè)的教師和學生可根據本實驗工具的功能組件進行重點測試和分析。該實驗平臺不僅可作為學生的基礎實驗工具，經過進一步開發(fā)，還可作為車路協同系統(tǒng)研發(fā)測試的重要工具。

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