孫 劍， 吳志周

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804)

0 引 言

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合的運(yùn)輸和管理系統(tǒng)。自上世紀(jì)90年代起，先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)、先進(jìn)的交通信息系統(tǒng)以及先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)等ITS子系統(tǒng)相繼被研發(fā)并投入應(yīng)用。近十多年來，電子信息和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，推動(dòng)了以車車、車路通信為基礎(chǔ)的“車路協(xié)同系統(tǒng)”(Connected Vehicle System，CVS)系統(tǒng)的規(guī)劃實(shí)施[1]。美國交通運(yùn)輸部在關(guān)于ITS的發(fā)展計(jì)劃中指出CVS是ITS研究的必經(jīng)階段，并將其列在未來九大發(fā)展領(lǐng)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(jìn)行示范工程建設(shè)。鑒于CVS對(duì)未來科學(xué)技術(shù)的重大需求推動(dòng)，國內(nèi)也相應(yīng)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(shè)了“智能交通系統(tǒng)”、“車路協(xié)同系統(tǒng)”、“車載自組織網(wǎng)絡(luò)”、“智能車輛”等本科生及研究生課程。

由于CVS技術(shù)發(fā)展日新月異且屬于多學(xué)科集成創(chuàng)新，長期以來，學(xué)生在各門課的學(xué)習(xí)過程中，只能依靠書本的感性認(rèn)識(shí)、教師課堂講解以及演示系統(tǒng)來獲取CVS相關(guān)知識(shí)，缺乏與CVS系統(tǒng)之間的互動(dòng)，同時(shí)每門課都側(cè)重于CVS的一個(gè)方面，缺乏一個(gè)一體化的交互實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生不僅進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn)，還可進(jìn)行交互實(shí)驗(yàn)和探索實(shí)驗(yàn)。

1 CVS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需求分析

交通系統(tǒng)仿真是再現(xiàn)交通流運(yùn)行規(guī)律，對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行管理、控制和優(yōu)化的重要實(shí)驗(yàn)手段和工具。由于CVS系統(tǒng)正處于開發(fā)試驗(yàn)階段，無法實(shí)地實(shí)驗(yàn)，利用系統(tǒng)仿真工具則可以對(duì)CVS系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。VII 系統(tǒng)的發(fā)展使得交通系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從重點(diǎn)是對(duì)車、路以及環(huán)境的模擬逐漸演變?yōu)閷?duì)人、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(gè)體及多個(gè)車輛的協(xié)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(xié)同應(yīng)用(信息對(duì)人、車行為的影響)這3類仿真組成要素才能全面、科學(xué)地對(duì)VII 環(huán)境下的交通系統(tǒng)進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有成熟的交通流仿真軟件(Traffic Flow Simulation，TFS)可以全面細(xì)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(xié)同環(huán)境下車車、車路通信的仿真需求并反應(yīng)出由此產(chǎn)生的對(duì)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(guān)注于通訊過程的模擬，并不能模擬車輛在交通網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行[2]。CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)綜合考慮交通流模型，通訊環(huán)境以及車路協(xié)同應(yīng)用的交互影響。唯有這樣，CVS系統(tǒng)的性能才能精確的被測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，而不同專業(yè)的學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，則可以有選擇地進(jìn)行實(shí)

驗(yàn)測(cè)試，但其實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)受到各個(gè)部分參數(shù)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)比選

根據(jù)三種系統(tǒng)要素的不同作用方式，CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以分為3種實(shí)現(xiàn)方法，即基于簡化通訊模型的CVS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于交通/通訊仿真器松耦合的CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于交通/通訊仿真器緊耦合的CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1 基于簡化通訊模型的CVS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于簡化通訊模型是指車車、車路的通訊過程直接由一個(gè)簡化的通訊模塊完成，通常只考慮通訊距離，用戶應(yīng)用層消息發(fā)送間隔以及數(shù)據(jù)包丟失概率等一些較簡單的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，將通訊過程參數(shù)化而不是像基于離散事件的通訊仿真器那樣對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次做微觀的仿真。另一方面，車路協(xié)同應(yīng)用策略在交通仿真軟件的基礎(chǔ)上由二次開發(fā)完成[3]。典型的基于簡化通訊模型的CVS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。該系統(tǒng)一般包括4個(gè)模塊：① 微觀交通仿真模塊主要模擬真實(shí)世界的仿真運(yùn)行，獨(dú)立工作時(shí)相當(dāng)于無VII環(huán)境的交通流運(yùn)作，可以直接應(yīng)用成熟的商品化交通仿真軟件；② CVS通訊模塊負(fù)責(zé)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(yīng)用模塊描述具體應(yīng)用的邏輯過程；④ 數(shù)據(jù)庫模塊為其他三種模塊的計(jì)算結(jié)果提供貯存空間，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算CVS系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)。

雖然基于簡化通訊模型的車路協(xié)同仿真可以采用統(tǒng)計(jì)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(wǎng)絡(luò)中路由選擇、信道容量、數(shù)據(jù)包碰撞丟失、信號(hào)遮擋等具體細(xì)節(jié)，統(tǒng)計(jì)模型的標(biāo)定和驗(yàn)證需要以大量仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其通訊過程及結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性仍存在不足。

圖1 基于簡化通訊模型的CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 基于交通/通訊仿真器松耦合的CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于交通/通訊仿真器松耦合的車路協(xié)同仿真其目的是在通訊仿真軟件中表達(dá)“真實(shí)”的車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，用于研究車載自組織網(wǎng)絡(luò)的通訊性能以及與交通運(yùn)行弱相關(guān)的應(yīng)用，如互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)、交通監(jiān)控管理等。該實(shí)現(xiàn)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(yùn)行的，通訊仿真中移動(dòng)無線節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)由數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的移動(dòng)軌跡或交通仿真軟件導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)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(dá)恰當(dāng)?shù)能囕v運(yùn)動(dòng)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(dá)“真實(shí)”的車輛運(yùn)動(dòng)，最通常的方法是通過編寫分析器從外部讀取車輛運(yùn)動(dòng)軌跡并導(dǎo)入通訊仿真軟件。車輛移動(dòng)軌跡是指一組車輛出行過程中按照時(shí)間戳記錄下的運(yùn)動(dòng)，包括所有這些車輛整個(gè)出行過程中在每一個(gè)時(shí)間步上的位置、速度、加減速以及運(yùn)動(dòng)方向信息。這些軌跡可以源自于某些數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了將車載通訊網(wǎng)絡(luò)、交通流仿真以及車路協(xié)同應(yīng)用作為一個(gè)整體來仿真，必須將現(xiàn)有的交通仿真軟件與通訊仿真軟件緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)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(xié)同應(yīng)用也由獨(dú)立的應(yīng)用策略成員實(shí)現(xiàn)，三者并行執(zhí)行進(jìn)行仿真運(yùn)行時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)交換和時(shí)間管理，可以完成對(duì)三種仿真要素的有機(jī)結(jié)合。在仿真過程中，通訊仿真器的節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，兩者一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)完成對(duì)應(yīng)用策略成員產(chǎn)生的通訊需求的仿真；交通仿真器在收到通訊仿真的結(jié)果后再根據(jù)具體的應(yīng)用策略完成對(duì)車輛駕駛行為的反饋。相對(duì)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(jié)果根據(jù)特定的應(yīng)用策略邏輯對(duì)交通仿真軟件中的車輛駕駛行為產(chǎn)生影響，可以對(duì)各種豐富的車路協(xié)同應(yīng)用做全面評(píng)價(jià)。表1對(duì)交通/通訊仿真器兩種耦合方式的主要特點(diǎn)做了比較總結(jié)。

表1 交通/通訊仿真器耦合方式比較

3 一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

CVS系統(tǒng)的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要將車載通訊網(wǎng)絡(luò)、交通流仿真以及車路協(xié)同應(yīng)用作為一個(gè)整體來仿真，只有基于交通/通訊仿真器緊耦合的CVS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)才能滿足不同仿真器之間的動(dòng)態(tài)耦合，真正實(shí)現(xiàn)CVS的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；诒仨殞F(xiàn)有的交通仿真軟件與通訊仿真軟件緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同仿真器之間的緊耦合。其開發(fā)關(guān)鍵包括仿真模型選擇、一體化整合技術(shù)。

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(yīng)用。本研究采用VISSIM作為CVS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)離散的、隨機(jī)的、以0.1 s為時(shí)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(hào)燈等約束條件下交通運(yùn)行情況，不僅能對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行交通仿真實(shí)驗(yàn)，而且還可以文件的形式輸出各種交通評(píng)價(jià)參數(shù)，如行程時(shí)間、排隊(duì)長度等。與SUMO相比，VISSIM在交通仿真方面有許多優(yōu)點(diǎn)，不僅可完善地對(duì)各種交通場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)向用戶提供組件對(duì)象模型COM接口以及外部駕駛員模型動(dòng)態(tài)連接庫DLL，可實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)控制，為實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的建模仿真，最常用的有OMNeT++，NS2，Qualnet以及SWANS/Jist。NS2是一個(gè)開源的離散事件網(wǎng)絡(luò)仿真器,支持有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò),包括許多MANET路由協(xié)議,也包括802.11MAC的實(shí)現(xiàn)[5]。NS2是學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(dāng)仿真完成以后NS將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)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(gòu)(High Level of Architecture，HLA)仿真建模思想整合VISSIM與NS2，實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)間管理、跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交互、聯(lián)邦成員互操作、仿真進(jìn)程控制、應(yīng)用策略靈活集成等主要功能。

考慮到NS2需要工作在Linux環(huán)境下涉及到跨平臺(tái)通信，并且需要對(duì)OTCL模擬腳本進(jìn)行功能擴(kuò)展以符合動(dòng)態(tài)交互仿真的需要，采用半集中式的RTI(Running Time Infrastructure)結(jié)構(gòu)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(tái)下開發(fā)CRC中心RTI組件，通過在兩者之間建立TCP連接實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交互，由LRC與CRC協(xié)商完成時(shí)間管理、聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)分發(fā)等聯(lián)邦服務(wù)。VISSIM/NS2聯(lián)邦仿真體系架構(gòu)如圖2所示。

聯(lián)邦中核心部件是RiVins運(yùn)行時(shí)支撐環(huán)境組件，主要完成聯(lián)邦執(zhí)行的創(chuàng)建/撤銷、交互參數(shù)的發(fā)送接收、對(duì)象類的公布/訂購、聯(lián)邦運(yùn)行時(shí)對(duì)各聯(lián)邦成員的時(shí)間管理，數(shù)據(jù)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(gè)可靠的TCP連接實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。其中LRC通過OTCL工具命令語言集成在一個(gè)NS2的仿真執(zhí)行腳本文件中，而CRC為獨(dú)立模塊。聯(lián)邦成員主要包括通訊仿真器NS2，交通仿真器VISSIM，CVS應(yīng)用策略成員以及仿真控制成員。

圖2 聯(lián)邦體系架構(gòu)

3.4 整合案例

本案例中選擇NS2-2.33版本運(yùn)行于cygwin操作系統(tǒng)平臺(tái)下，結(jié)合VISSIM5.1完成仿真原型系統(tǒng)的構(gòu)建，CVS系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景為交叉口速度引導(dǎo)。其中仿真控制成員完成部分仿真參數(shù)的設(shè)置，結(jié)果輸出以及仿真過程的控制監(jiān)控。參數(shù)設(shè)置包括仿真時(shí)長、仿真時(shí)間精度、交通環(huán)境參數(shù)設(shè)置等，結(jié)果輸出用于統(tǒng)計(jì)仿真過程中交叉口進(jìn)口道的車輛延誤和停車次數(shù)指標(biāo)，交通仿真場(chǎng)景如圖3(a)所示；通訊仿真的評(píng)價(jià)則由NS2的附加功能另外獨(dú)立完成。仿真監(jiān)控功能則用于實(shí)時(shí)記錄顯示仿真過程中消息發(fā)送接收、仿真進(jìn)度、速度引導(dǎo)計(jì)算結(jié)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(shè)施的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、通訊仿真中無線電信號(hào)的傳播，如圖3(b)所示。

(a) 交通仿真器車輛運(yùn)行

(b) 通訊仿真器移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行

4 結(jié) 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(nèi)的本科生及研究生專業(yè)紛紛開設(shè)相關(guān)課程，以滿足社會(huì)人才培養(yǎng)的需求。本文提出的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)交互式實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)的一次嘗試，不同專業(yè)的教師和學(xué)生可根據(jù)本實(shí)驗(yàn)工具的功能組件進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)試和分析。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可作為學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)工具，經(jīng)過進(jìn)一步開發(fā)，還可作為車路協(xié)同系統(tǒng)研發(fā)測(cè)試的重要工具。

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