丁郁　趙婷婷　LIU+Yi

摘要：智能交通系統(tǒng)仿真可以再現(xiàn)交通流運(yùn)行規(guī)律，為智能交通管理提供科學(xué)依據(jù)。提出了一種智能交通仿真系統(tǒng)，具有交通信息實(shí)時提取、微觀交通流實(shí)時控制以及區(qū)域內(nèi)交通信號協(xié)同控制等特點(diǎn)，可以同時滿足智能交通在交通安全與交通效率方面的仿真需求。

關(guān)鍵詞： 智能交通系統(tǒng)；高層體系架構(gòu)；交通仿真；群智感知；協(xié)同計算

近年來，汽車逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕煌üぞ咧?。一方面，汽車的出現(xiàn)為人類的出行提供了便利；另一方面，汽車使用量的持續(xù)增長[1]帶來了一系列的交通問題。世界衛(wèi)生組織在2015年“道路交通傷害”報告[2]中指出，目前全球每天約有124萬人因道路交通碰撞而死亡，另外還有2 000萬至5 000萬人因此受傷。在中國，道路擁堵、停車?yán)щy頻發(fā)，已經(jīng)成為人們出行必須面對的難題。以北京為例，堵車造成的社會成本損失每年高達(dá)200多億人民幣[3]。

為了更好地發(fā)揮車輛的作用，減少交通事故對人類的傷害，提高道路通行效率，各國政府和研究機(jī)構(gòu)開始了道路交通方面的研究，尤其是對智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究。ITS將先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等有效地集成并運(yùn)用于整個道路交通管理體系，其主要目標(biāo)是提高道路安全、緩解交通擁塞、減少資源消耗和環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)公共資源的最大利用。

在ITS中，每輛車都配備有全球定位系統(tǒng)（GPS）、通信、車載診斷系統(tǒng)（OBD）等環(huán)境感知單元，有的車輛甚至配備有輔助駕駛等控制單元。ITS通過環(huán)境感知和通信模塊實(shí)現(xiàn)車車、車路之間的信息群智感知和協(xié)作計算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個智能交通網(wǎng)絡(luò)的信息收集和監(jiān)控管理工作。

與構(gòu)建實(shí)地實(shí)驗(yàn)相比，智能交通系統(tǒng)仿真具有經(jīng)濟(jì)、安全、可復(fù)現(xiàn)、數(shù)據(jù)易收集、場景可控等優(yōu)勢，可以再現(xiàn)交通流運(yùn)行規(guī)律，方便采集交通流等數(shù)據(jù)進(jìn)行交通控制效果分析，實(shí)現(xiàn)各種交通場景的模擬，以及智能交通中車車、車路之間的信息交互，信號燈協(xié)調(diào)等功能，為ITS進(jìn)行管理、控制和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。仿真測試的優(yōu)勢可以總結(jié)為以下3個方面：

（1）規(guī)?；抡??？梢詫?shí)現(xiàn)大規(guī)模路網(wǎng)、高密度交通流及高負(fù)荷信息交互環(huán)境下的車車、車路協(xié)同仿真。

（2）多粒度仿真。可以從微觀、中觀、宏觀多角度對車聯(lián)網(wǎng)整體效率及安全模式進(jìn)行分析。

（3）重復(fù)性仿真?？梢灾貜?fù)對實(shí)際環(huán)境中交通危險行為和事故進(jìn)行仿真分析。

1 智能交通仿真發(fā)展及現(xiàn)狀

其他國家的智能交通仿真研究經(jīng)過了很長時間的積累，已取得了很多科研成果。研究大致可分為3個階段：

（1）第1階段，最具代表性的研究成果是英國道路與交通研究所開發(fā)的仿真軟件TRANSYT[4]。TRANSYT是一種離線優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)，以總延誤時間和總停車次數(shù)的加權(quán)值作為目標(biāo)函數(shù)，并通過爬山法進(jìn)行優(yōu)化。

（2）第2階段，最具代表性的研究成果是美國聯(lián)邦公路局開發(fā)的微觀交通仿真模型NETSIM[5]。NETSIM的設(shè)計目的是分析由于信號控制、行人、公共汽車、停車、工程施工等因素所導(dǎo)致的交通阻塞現(xiàn)象，其對城市道路交通現(xiàn)象的描述精度達(dá)到了一個新的高度。

（3）第3階段，最具代表性的研究成果是Paramics、TransModeler等集成化的多功能交通仿真軟件[6]。這兩種軟件集成了路網(wǎng)繪制、可視化、信號控制、仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能，可以分析各種交通條件下，如車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號、公交站點(diǎn)等，城市交通和公共交通的運(yùn)行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具。

與這些研究相比，中國的智能交通仿真研究還處在相對落后的階段。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等科研院所在交通仿真軟件方面已經(jīng)取得了階段性的成果。其中，北京交通大學(xué)的王宏[7]對交叉口信號預(yù)測控制進(jìn)行了研究，提出基于元胞自動機(jī)的交通信號預(yù)測控制策略，利用遺傳算法對交叉口信號配時進(jìn)行優(yōu)化。清華大學(xué)的李強(qiáng)等提出了基于路徑的動態(tài)交通仿真模型RDTS[8]，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)中每輛車整個行駛路徑的模擬。同濟(jì)大學(xué)的鐘邦秀[9]則提出了基于面向?qū)ο蟮奈⒂^交通仿真模型的建模過程。

2 智能交通系統(tǒng)仿真設(shè)計

2.1 智能交通系統(tǒng)仿真框架

典型的智能交通系統(tǒng)仿真重點(diǎn)關(guān)注城市交通規(guī)劃及交通管理控制方案的仿真驗(yàn)證，城市交通系統(tǒng)的通行效率為主要評估指標(biāo)。然而，道路安全同樣是智能交通系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。因此，我們在效率評估的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了安全相關(guān)技術(shù)方案的仿真模擬和效果評估，對相關(guān)技術(shù)方案改善交通系統(tǒng)安全性的效果進(jìn)行評價。為了實(shí)現(xiàn)道路安全技術(shù)仿真，仿真系統(tǒng)需要加深對車輛的控制程度。在不同的控車等級，仿真系統(tǒng)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)（通信延誤、定位誤差、傳感器參數(shù)）指標(biāo)的需求不同，通過模塊化仿真的手段對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行測試能夠提高效率、減少成本。

針對智能交通系統(tǒng)的高交互性、系統(tǒng)復(fù)雜性的特點(diǎn)，仿真系統(tǒng)通常采用模塊化仿真方式。模塊化仿真自提出以來經(jīng)歷了分布式交互仿真（DIS）、聚合仿真協(xié)議（ALSP）、高層體系架構(gòu)（HLA）3個階段[10]，其技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

在分布交互仿真和聚合級仿真協(xié)議的基礎(chǔ)上建立的HLA是新一代模塊化仿真框架，它采用對稱的體系結(jié)構(gòu)，即在整個仿真系統(tǒng)中所有的應(yīng)用程序都通過一個標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行交互作用，可以有效降低大型復(fù)雜系統(tǒng)仿真的難度同時保證各個仿真成員的獨(dú)立性。

目前，HLA已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種多系統(tǒng)、多模塊的仿真系統(tǒng)中。在進(jìn)行大型復(fù)雜的軍事仿真時，美國、歐洲等國家或地區(qū)都把HLA作為標(biāo)準(zhǔn)的仿真體系。中國海軍航空工程學(xué)院的導(dǎo)彈裝備軍民一體化維修保障仿真系統(tǒng)[11]、北京交通大學(xué)的CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺[12]、西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院的機(jī)載激光武器仿真系統(tǒng)[13]、華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系的導(dǎo)彈作戰(zhàn)虛擬仿真系統(tǒng)[14]等都采用了HLA作為仿真系統(tǒng)框架。

2.2仿真模塊構(gòu)成

為了兼顧交通安全與交通效率的智能交通系統(tǒng)仿真需求，我們設(shè)計了一種具有交通信息實(shí)時提取、微觀交通流實(shí)時控制以及區(qū)域內(nèi)交通信號協(xié)同控制等特點(diǎn)的智能交通仿真系統(tǒng)。交通仿真系統(tǒng)由以下5個系統(tǒng)模塊組成，如圖1所示。這5個系統(tǒng)模塊分別為：交通仿真模塊、通信仿真模塊、三維視景模塊、管理評估模塊、行為控制模塊。

（1）交通仿真模塊功能。通過繪制交通路網(wǎng)，設(shè)定路口交通信號控制方法，輸入車流參數(shù)來進(jìn)行交通仿真；通過底層車輛行駛模型參數(shù)來改變車輛行為特征；提取車輛狀態(tài)信息、控制車輛的行為，生成危險仿真場景。

（2）通信控制模塊功能。通過交通仿真模塊提取的車輛信息，將每輛車作為一個通信節(jié)點(diǎn)，模擬車聯(lián)網(wǎng)中車車、車路通信過程，并且實(shí)現(xiàn)通信延誤、通信丟包等功能。

（3）三維視景模塊功能。提供路網(wǎng)中關(guān)鍵元素的可視化呈現(xiàn)，能夠隨著仿真動態(tài)展示車輛的行為狀態(tài)，以及提供車內(nèi)視角可視化呈現(xiàn)。

（4）管理評估模塊功能。管理仿真平臺各個模塊的運(yùn)行和暫停，將危險場景以數(shù)據(jù)化的形式發(fā)送給交通仿真模塊，并通過交通仿真模塊中危險場景的生成、通信控制模塊中節(jié)點(diǎn)通信情況和車輛行為控制模塊的預(yù)警信息，管理數(shù)評估模塊能夠給出特定參數(shù)如定位、通信、傳感器與車輛安全的關(guān)系，達(dá)到評估系統(tǒng)參數(shù)和預(yù)警方法的目的。

（5）行為控制模塊功能。能夠通過加載車輛行駛模型等對車輛的下一步運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)演，結(jié)合仿真路網(wǎng)所有車輛信息，判斷車輛安全情況，在可能發(fā)生危險/擁堵時提前給出預(yù)警信息，并改變車輛行駛狀態(tài)，以避免危險/擁堵情況發(fā)生。

2.3仿真流程

如圖2所示，在我們的智能交通系統(tǒng)仿真過程中，首先要創(chuàng)建仿真環(huán)境，并根據(jù)真實(shí)的交通流數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來復(fù)現(xiàn)交通場景。智能交通系統(tǒng)中離不開車車/車路之間的無線通信，因此在仿真的過程中，需要實(shí)時提取交通數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時交通流數(shù)據(jù)與控制算法制訂交通安全或交通效率策略，并根據(jù)制訂的交通策略，對交通元素進(jìn)行行為控制。仿真結(jié)束后，還需要對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，對交通安全或交通效率控制算法進(jìn)行性能評估。

2.4 仿真案例

為了驗(yàn)證仿真平臺的可行性，我們利用Q-Paramics進(jìn)行了道路建模：長度為2 km，單方向3車道，2個信號燈。車輛到達(dá)時間服從負(fù)指數(shù)分布，平均每小時的不間斷車流量為800輛。智能交通系統(tǒng)仿真通過6臺服務(wù)器分別運(yùn)行交通仿真、通信仿真、控制模塊、評估模塊、行為控制模塊、三維視景模塊功能。6個功能模塊互聯(lián)，共同構(gòu)成了智能交通系統(tǒng)仿真平臺，如圖3所示。

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

我們的交通系統(tǒng)仿真需要兼顧交通安全與交通效率兩方面的仿真需求，因此存在3個關(guān)鍵技術(shù)：全時空交通信息提取技術(shù)、微觀交通流仿真模型優(yōu)化技術(shù)以及多交叉口信號燈協(xié)同控制技術(shù)。

（1）全時空交通信息提取與控制技術(shù)。交通仿真數(shù)據(jù)的提取，是實(shí)現(xiàn)仿真控制的基礎(chǔ)。仿真數(shù)據(jù)獲取后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如車輛位置轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息，車輛相對速度轉(zhuǎn)換為絕對速度信息等。仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取以及有效利用是影響仿真運(yùn)行效率的關(guān)鍵問題。獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后將控制決策輸入到仿真網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)控制策略對仿真網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)控制。

（2）微觀交通流仿真模型優(yōu)化技術(shù)。微觀交通仿真模型是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對城市道路交通系統(tǒng)的抽象。智能交通系統(tǒng)仿真中，由于存在車車、車路通信，駕駛員的行為方式會產(chǎn)生一些變化，所以傳統(tǒng)的交通流仿真模型已經(jīng)不能完全表現(xiàn)交通流的運(yùn)動情況，需要在已有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

（3）多交叉口信號燈協(xié)同控制技術(shù)。傳統(tǒng)的單交叉口和干線控制策略，不會根據(jù)區(qū)域交通流量情況來改變控制策略。在智能交通系統(tǒng)中可獲取車輛位置信息，從而得到區(qū)域交通流量信息，對這些信息進(jìn)行處理、分析的基礎(chǔ)上模擬協(xié)同控制算法可以實(shí)現(xiàn)單交叉口和干線信號的協(xié)同控制，從而驗(yàn)證智能交通燈算法、車速引導(dǎo)算法等的有效性。

2.6 評價方法

系統(tǒng)仿真的評價方法分為兩種：交通流優(yōu)化和通信優(yōu)化。

（1）交通流優(yōu)化。交通流優(yōu)化的目標(biāo)是評價交通流管理的優(yōu)化效果，主要包括兩個方面：與交通效率相關(guān)，如出行速度、時間、整個路網(wǎng)的吞吐量等；與交通安全相關(guān)，如最小車距、碰撞次數(shù)、預(yù)警信息等。

（2）通信優(yōu)化評價。主要包括車車、車路通信效率的提升，評價參數(shù)有上下行通信成功率、上下行通信時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等。

3 結(jié)束語

在文章中我們回顧了智能交通系統(tǒng)仿真的研究現(xiàn)狀與功能特點(diǎn)，提出了兼顧交通安全與交通效率的系統(tǒng)仿真設(shè)計思路。智能交通系統(tǒng)仿真對于模擬具有多層次、交互性特征的智能交通系統(tǒng)有較好的適應(yīng)性，通過模塊之間的分工協(xié)作可以實(shí)現(xiàn)仿真時間管理、跨平臺數(shù)據(jù)交互、不同模塊成員互操作、仿真進(jìn)程控制、應(yīng)用策略靈活集成等主要功能。

中國的道路交通環(huán)境與發(fā)達(dá)國家不同，存在混合交通流、駕駛不規(guī)范、交通工具種類多、行人違規(guī)行為多等特點(diǎn)。因此，在設(shè)計開發(fā)智能交通系統(tǒng)仿真的同時，我們還需要仔細(xì)研究中國城市交通的具體特點(diǎn)，為實(shí)施科學(xué)的道路交通管理計劃提供科學(xué)依據(jù)。

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