車聯(lián)網(wǎng)仿真環(huán)境搭建

曾維成 苗晟源 唐于凌

摘 要：目前車輛網(wǎng)技術的研究尚不成熟，大量的理論需要實驗進行驗證，真實環(huán)境的實驗難度大、成本高，因此搭建車聯(lián)網(wǎng)仿真很有必要。本文討論了交通中的宏觀/中觀/微觀仿真模型、典型的交通仿真軟件以及通信仿真軟件，給出了車聯(lián)網(wǎng)融合仿真的總體框架，并進行了分析。

關鍵詞：車聯(lián)網(wǎng);交通模型;交通仿真;通信仿真

1 意義

車聯(lián)網(wǎng)（IoV，Internet of Vehicle）是一種基于多人、多機、多車、環(huán)境協(xié)同的可控、可管、可運營、可信的開放的融合網(wǎng)絡系統(tǒng)，它采用先進的信息通信與處理技術，對人、車、通信網(wǎng)絡和道路交通基礎設施等環(huán)境元素的大規(guī)模復雜的靜態(tài)/動態(tài)信息進行感知、認知、傳輸和計算，解決泛在異構移動網(wǎng)絡環(huán)境下智能管理和信息服務的可計算性、可擴展性和可持續(xù)性問題，最終實現(xiàn)人、車、路、環(huán)境的深度融合。車聯(lián)網(wǎng)隨著自動駕駛、群智感知技術正逐漸被大家所認知。

車聯(lián)網(wǎng)領域的很多內(nèi)容仍然處于探索階段中，大量的理論需要實驗進行反復驗證，通過對仿真結(jié)果的分析以驗證理論的正確性和合理性。但在真實的環(huán)境中，完成基于真實車輛、真實場景的有效實驗不僅難度大，而且驗證成本非常高。因此，利用計算機的模擬而實現(xiàn)的仿真技術是現(xiàn)階段驗證和研究車聯(lián)網(wǎng)理論的重要手段。

2 交通模型

交通模型可以分為宏觀交通仿真模型、微觀交通仿真模型和中觀交通仿真模型。

宏觀交通仿真模型對系統(tǒng)實體、行為及其相互作用的描述非常粗略，仿真速度快，對計算機資源的要求較低。它采用集合方式來展現(xiàn)交通流，如交通流量、速度、密度及它們之間的關系。宏觀模型很少考慮車流內(nèi)車輛之間的相互作用，如車輛跟馳、車道變換，不考慮個別車輛的運動。宏觀交通仿真模型比微觀仿真模型的精度低，適于描述系統(tǒng)的總體特性，并試圖通過反映系統(tǒng)中的所有個體特性來反映系統(tǒng)的總體特性。宏觀仿真模型的重要參數(shù)是速度、密度和流量。

微觀交通仿真模型很細致地描述系統(tǒng)實體及其相互作用，對計算資源的要求較高。微觀交通仿真模型把每輛車作為一個研究對象。對所有個體車輛都進行標識和定位，在仿真方法上不同于宏觀交通仿真。在每一時段，車輛的速度、加速度及其他車輛特性被實時更新。微觀仿真的基本模型包括跟馳模型、超車模型及車道變換模型。微觀水平的車道變換不僅涉及到當前車道中本車對前車的跟馳模型，而且涉及到目標車道的假定前車和后車的跟馳模型，還可以精細地模擬駕駛員決策行為，能靈活地反映出各種道路和交通條件的影響。微觀仿真模型適合于在計算機上精確地再現(xiàn)路網(wǎng)上的實際交通狀況。每輛車的速度和位置是微觀仿真模型的重要參數(shù)。

中觀仿真模型也能夠細致地描述大多數(shù)系統(tǒng)實體，但是相比微觀模型，它對實體運動及其相互作用的描述要粗略。中觀交通仿真在宏觀交通網(wǎng)絡的基礎上，將個體車輛放入宏觀交通流中進行分析，根據(jù)模擬的需要，對特定車輛的速度、位置及其他屬性進行標識，或?qū)€體車輛進行分組，再對每組車輛的速度、位置及其他屬性進行標識。往往以若干輛車構成的隊列為單元，描述隊列在路段上節(jié)點的流入流出行為。

3 典型的交通仿真軟件

當前使用較多的交通仿真軟件有PARAMICS、VISSIM、TransModeler、AIMSUN、CORSIM、CUBE DYNASIM、TRAFFICWARE等。

3.1 PARAMICS交通仿真軟件

PARAMICS（PARAllel MICroscopic Simulator）是英國的產(chǎn)品，是一個使用靈活、功能強大、適應面廣的三維交通仿真軟件。該軟件具有實時動態(tài)的三維可視化用戶界面，對單一車輛進行微觀處理的能力，多用戶并行計算支持，以及功能強大的API接口。

PARAMICS是一個使用靈活、功能強大、適合多種仿真需要的模擬仿真平臺，提供了復雜交通控制仿真必須具備的功能，包括：支持簡單和復雜的交通控制策略的模擬、對路網(wǎng)中的各種要素和設施的模擬、在仿真運行的同時編輯和顯示路網(wǎng)、模擬各種規(guī)模的路網(wǎng)、集成的模型標定和校準工具、輸出路網(wǎng)性能指標報告、提供分析工具、高逼真度的二維和三維仿真。

3.2 VISSIM交通仿真軟件

VISSIM是德國PTV公司開發(fā)的，是離散的、隨機的、以0.1秒為時間步長的微觀仿真軟件。車輛的縱向運動采用了跟馳模型，橫向運動（車道變換）采用了基于規(guī)則（Rule-based）的算法。VISSIM能夠模擬城市內(nèi)與城市間的交通狀況，尤其適合模擬各種城市交通控制系統(tǒng)，并提供了與外部交通控制策略的API接口。

3.3 TransModeler交通仿真軟件

TransModeler 是美國Caliper公司開發(fā)的多功能交通仿真軟件，支持從高速公路到城市道路在內(nèi)的各類道路交通網(wǎng)絡的微觀模擬，并用動畫的形式把交通流狀況、信號控制及網(wǎng)絡的綜合性能直觀地展示出來。TransModeler可以模擬包括收費站電子收費系統(tǒng)、車輛誘導系統(tǒng)在內(nèi)的智能交通管理系統(tǒng)。該軟件能導入CORSIM 和 SimTraffic交通仿真模型的數(shù)據(jù)，與交通需求預測和地理信息系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對接，為城市道路工程和交通管理相關的規(guī)劃和方案作深入的動態(tài)分析，交通仿真的結(jié)果反饋到交通需求預測模型，以進一步改進其預測精度和質(zhì)量。

3.4 AIMSUN交通仿真軟件

AIMSUN（Advanced Interactive Microscopic Simulator for Urban and Non-urban Networks）是西班牙TSS （Transport Simulation Systems）公司開發(fā)的產(chǎn)品，仿真時間步長可達到0.1秒。

AIMSUN可用于高速公路和城市道路交通仿真，每輛車服從跟馳模型、車道變換模型和車頭間隔模型等駕駛行為準則，AIMSUN可獲取檢測器的流量、占有率以及速度等信息，并提供信號控制、交通事故及交織沖突等的仿真。

3.5 SUMO

SUMO是一個微觀的，空間上連續(xù)，時間上離散的交通仿真軟件，采用C++語言開發(fā)，其宏觀特征包括帶變道的多車道道路，基于道路交叉口的靠右側(cè)行駛規(guī)則，支持動態(tài)路由，可以管理超過10 000條街道的網(wǎng)絡。其微觀特征包括允許碰撞自由的車輛移動模式，支持單車路由。該軟件具有快速的OpenGL圖形界面，支持多種網(wǎng)絡格式輸入。

SUMO軟件是一個免費的軟件，為許多科研人員所喜愛，因此我們的交通仿真軟件采用SUMO。

4 典型的通信網(wǎng)仿真軟件

通信網(wǎng)仿真軟件有OPNET、NS3、GloMoSim等，目前主流的通信網(wǎng)仿真軟件是OPNET和NS3。

4.1 OPNET

OPNET主要面向網(wǎng)絡領域的專業(yè)人士（如電信網(wǎng)絡規(guī)劃設計人員），為網(wǎng)絡專業(yè)人士提供基于軟件方面的預測解決方案。OPNET可以幫助通信運營商的網(wǎng)管人員更好地管理網(wǎng)絡。OPNET采用三層建模機制：網(wǎng)絡、節(jié)點和進程。由于OPNET是商業(yè)軟件，價格昂貴，不開源，所以主要針對商業(yè)運營的通信網(wǎng)相關公司，如：通信運營商、通信設備制造商等企業(yè)使用，科研人員使用OPNET的相對較少。

4.2 NS3

NS-3 是一款面向離散事件機制的網(wǎng)絡仿真軟件，主要用于研究與教學目的。NS-3 作為源代碼公開的一款免費網(wǎng)絡仿真軟件，經(jīng) GNU GPLv2 認證許可，允許科研開發(fā)人員研究、改進與使用它。NS-3 是由 C++和 Python 語言編寫的，可作為源代碼發(fā)布并適用于如下典型的系統(tǒng)：Linux ，Unix variants， OS X， 以及 Windows 平臺上運行的 Cygwin等。

NS-3 的基本模型共分為五層：應用層Applications、傳輸層Transport layer、網(wǎng)絡層 Network layer，鏈路層 Link layer，物理層 Physical layer。其中應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層與 TCP/IP 模型中的應用層、傳輸層、Internet 層是相對應的。另外鏈路層、物理層與 TCP/IP 模型中的網(wǎng)絡接口層相對應。

NS-3 的結(jié)構比較清晰，它把網(wǎng)絡構件分為四類，分別為：節(jié)點Node、網(wǎng)卡與信道NetDevice & Channel、分組Packet、接口與應用程序Sockets & Application。

節(jié)點Node：可以把節(jié)點視為一臺計算機，在節(jié)點上增加應用程序、協(xié)議、網(wǎng)卡等功能;

網(wǎng)卡與信道NetDevice & Channel：用于仿真不同的網(wǎng)絡，不同的網(wǎng)絡具有各自的網(wǎng)卡和信道，比如WifiNetDevice和WifiChannel等;

分組Packet：用戶數(shù)據(jù)加上分組頭部（protocol header）和 分組尾部（trailer）就構成一個Packet分組;

接口與應用程序Sockets & Application：是用戶定義的過程，該過程對仿真的網(wǎng)絡產(chǎn)生流量，NS-3 對有不同流量模式的不同類型應用程序提供框架。在 NS3中，一個產(chǎn)生出一系列等待仿真模擬的活動行為的用戶程序被抽象為應用軟件程序。這個類提供相應的命令函數(shù)和方法來管理模擬用戶級應用程序的行為。

由于NS3是免費、開源的，因此受到了科研人員的青睞，在學術界得到普遍使用。

5 車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合仿真環(huán)境搭建

車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合仿真環(huán)境總體結(jié)構如圖1所示：

車聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)是為了融合控制車聯(lián)網(wǎng)各種仿真環(huán)境，使各個仿真軟件（這里主要指交通仿真軟件SUMO和通信仿真軟件NS3）可以協(xié)調(diào)工作，從而提供不同的車聯(lián)網(wǎng)仿真應用場景，如無人車行駛仿真、5G車聯(lián)網(wǎng)服務仿真，幫助實驗人員分析數(shù)據(jù)，得出仿真結(jié)論。該系統(tǒng)需要考慮不同仿真軟件的無縫接入，收集各個仿真模塊的仿真信息，在仿真控制系統(tǒng)中對收集到的信息進行匯總和數(shù)據(jù)融合，對匯總?cè)诤虾蟮臄?shù)據(jù)進行分析得出結(jié)論，仿真控制系統(tǒng)對外提供API接口，供上層仿真應用使用。

交通仿真軟件（這里是SUMO軟件）通過交通仿真代理接入到仿真系統(tǒng)中，通信仿真軟件（這里是NS3軟件）通過通信仿真代理接入到仿真系統(tǒng)中。仿真代理隱藏了底層仿真軟件的差異，向上提供統(tǒng)一提供信息獲取接口。仿真系統(tǒng)從交通仿真代理中獲取車聯(lián)的位置與運行狀態(tài)，生成車輛的融合信息，并轉(zhuǎn)化為通信對象位置信息發(fā)送給通信仿真代理，通信仿真代理通過通信仿真軟件NS3仿真得出多個仿真對象之間通信仿真結(jié)果，返回給仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)根據(jù)通信仿真的時延、誤碼率、丟包率等仿真結(jié)果，并融合之前車輛仿真的結(jié)果進行數(shù)據(jù)融合分析，得出駕駛決策，并下發(fā)給交通仿真代理對車輛進行控制。

6 結(jié)論

本文主要討論車聯(lián)網(wǎng)仿真環(huán)境的搭建，分析了交通仿真模型、典型的交通仿真軟件、通信仿真軟件，并給出了車聯(lián)網(wǎng)融合仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構圖。下一步需要根據(jù)仿真應用需求和仿真系統(tǒng)的運行對仿真結(jié)構圖進行調(diào)整。

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