孫 劍， 吳志周

(同濟大學(xué) 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(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計算機技術(shù)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(nèi)、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(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)劃實施[1]。美國交通運輸部在關(guān)于ITS的發(fā)展計劃中指出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)模進行示范工程建設(shè)。鑒于CVS對未來科學(xué)技術(shù)的重大需求推動，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識、教師課堂講解以及演示系統(tǒng)來獲取CVS相關(guān)知識，缺乏與CVS系統(tǒng)之間的互動，同時每門課都側(cè)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(xué)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(xiàn)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(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VII 環(huán)境下的交通系統(tǒng)進行仿真評價。現(xiàn)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(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)中的運行[2]。CVS仿真實驗平臺應(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試和實驗，而不同專業(yè)的學(xué)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(jié)果會受到各個部分參數(shù)的影響。

2 實驗平臺技術(shù)比選

根據(jù)三種系統(tǒng)要素的不同作用方式，CVS仿真實驗平臺可以分為3種實現(xiàn)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(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通訊網(wǎng)絡(luò)的各個層次做微觀的仿真。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(dāng)于無VII環(huán)境的交通流運作，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算結(jié)果提供貯存空間，并進行統(tǒng)計運算CVS系統(tǒng)的運行指標(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、信號遮擋等具體細節(jié)，統(tǒng)計模型的標(biāo)定和驗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(xié)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(wǎng)絡(luò)的通訊性能以及與交通運行弱相關(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行的，通訊仿真中移動無線節(jié)點的運動由數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的移動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恰當(dāng)?shù)能囕v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(dǎo)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(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仿真實驗平臺

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)用也由獨立的應(yīng)用策略成員實現(xiàn)，三者并行執(zhí)行進行仿真運行時的連續(xù)數(shù)據(jù)交換和時間管理，可以完成對三種仿真要素的有機結(jié)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(yīng)，同時完成對應(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(jié)果根據(jù)特定的應(yīng)用策略邏輯對交通仿真軟件中的車輛駕駛行為產(chǎn)生影響，可以對各種豐富的車路協(xié)同應(yīng)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(jié)。

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(wǎng)絡(luò)、交通流仿真以及車路協(xié)同應(yīng)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(xiàn)CVS的一體化實驗平臺?；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(chǔ)設(shè)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(shù)，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(xiàn)仿真運行時的實時控制，為實現(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將會產(chǎn)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(gòu)(High Level of Architecture，HLA)仿真建模思想整合VISSIM與NS2，實現(xiàn)仿真時間管理、跨平臺數(shù)據(jù)交互、聯(lián)邦成員互操作、仿真進程控制、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(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平臺下開發(fā)CRC中心RTI組件，通過在兩者之間建立TCP連接實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)交互，由LRC與CRC協(xié)商完成時間管理、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運行時支撐環(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、對象類的公布/訂購、聯(lián)邦運行時對各聯(lián)邦成員的時間管理，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可靠的TCP連接實現(xiàn)跨平臺的數(shù)據(jù)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(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版本運行于cygwin操作系統(tǒng)平臺下，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)置包括仿真時長、仿真時間精度、交通環(huán)境參數(shù)設(shè)置等，結(jié)果輸出用于統(tǒng)計仿真過程中交叉口進口道的車輛延誤和停車次數(shù)指標(biāo)，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(dǎo)計算結(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(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(xié)同系統(tǒng)交互式實驗環(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(xué)生的基礎(chǔ)實驗工具，經(jīng)過進一步開發(fā)，還可作為車路協(xié)同系統(tǒng)研發(fā)測試的重要工具。

[1] Intelligent Transportation Systems, United States Department of Transportation. Five-year ITS Program Plan-PART II: The ITS Research: Initiatives, Programs, and Related Research [EB /OL].http://www.itsdocs.fhwa.dot.gov/JPODOCS/REPTS_TE/14289/plan2-5.htm.

[2] 肖 玲,李仁發(fā),羅 娟. 車載自組網(wǎng)的仿真研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2009,21(17): 5330-5335.

XIAO Ling, LI Ren-fa, LUO Juan. Simulation of vehicular Ad Hoc networks: a survey [J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(17): 5330-5335.

[3] Shenyang Chen, Jian Sun, Jing Yao. Development and Simulation Application of a Dynamic Speed Dynamic Signal Strategy for Arterial Traffic Management[C]//The 14th International IEEE Conference on ITS. Washington, DC, USA. 2011 .Pp: 1349-1356.

[4] PTV A G.VISSIM 5.20 User Manual[M]. Karlsruhe，Germany. 2009.

[5] 方路平.NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京: 國防工業(yè)出版社，2008.

[6] Moritz Killat, Felix Schmidt-Eisenlohr, Hannes Hartenstein, Christian R?ssel, Peter Vortisch, Silja Assenmacher, Fritz Busch. Enabling efficient and accurate large-scale simulations of VANETs for vehicular traffic management [C]//Proceedings of the fourth ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks (VANET), 2007: 29-38.

[7] Hema Tanikella, Brian L Smith, Guimin Zhang,etal. Development and evaluation of a vehicle-infrastructure integration simulation architecture[J]. Journal of Computing in Civil Engineering. 2007, 21(6): 434-440.

[8] Gustavo Maria, Giovanni Pau, Enzo De Sena, Eugenio Giordano, and Mario Gerla. Evaluating vehicle network strategies for downtown Portland: opportunistic infrastructure and the importance of realistic mobility models[C]//In MobiOpp ’07: Proceedings of the 1st International MobiSys Workshop on Mobile Opportunistic Networking. 2007: 47-51.

[9] Devan Bing Rehunathan, Boon-Chong Seet, and Trung-Tuan Luong. Federating of MITSIMLab and ns-2 for realistic vehicular network simulation[C]//In Mobility ’07: Proceedings of the 4th International Conference on Mobile Technology, Applications, and Systems. 2007: 62-67.

[10] Harri J, Fiore M, Filali F, Bonnet C. Vehicular mobility simulation with VanetMobiSim[J], Simulation; 2011.87(4): 275-300.

[11] Rieck, D. Schünemann, B. Radusch, I.etal. Efficient traffic simulator coupling in a distributed v2x simulation environment[C]//in: SIMUTools’10: Proceedings of the 3rd International ICST Conference on Simulation Tools and Techniques. 2010:1-9.