李四輝，上官偉, 2, 3，蔡伯根，王劍, 2, 3

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車路協(xié)同系統(tǒng)仿真實時性優(yōu)化方法

李四輝1，上官偉1, 2, 3，蔡伯根1，王劍1, 2, 3

(1. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京，100044；2. 北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京，100044；3. 北京交通大學(xué)北京市軌道交通電磁兼容與衛(wèi)星導(dǎo)航工程技術(shù)研究中心，北京，100044)

為了研究車路協(xié)同系統(tǒng)的仿真關(guān)鍵技術(shù)并構(gòu)建車路協(xié)同系統(tǒng)仿真平臺，針對車路協(xié)同系統(tǒng)仿真平臺中的聯(lián)邦成員間實時性問題，提出基于PTP(precision timing protocol)協(xié)議的高精度仿真主動時鐘同步方法。討論車路協(xié)同仿真聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員的時間管理策略，并基于時鐘同步方法測試2種信息交互策略下的系統(tǒng)延時，提出車路協(xié)同系統(tǒng)的信息交互改進策略。仿真測試結(jié)果表明：平均同步時鐘誤差為5.69 μs，有效解決了各個聯(lián)邦成員間的時鐘同步問題；仿真系統(tǒng)中1級和2級系統(tǒng)從節(jié)點平均仿真延遲為0.77，1.02 ms，較好滿足車路協(xié)同系統(tǒng)仿真需求。

交通工程；車路協(xié)同系統(tǒng)；高層體系架構(gòu)；精確時鐘同步協(xié)議；實時性

車路協(xié)同系統(tǒng)(IVICS)是基于先進的全時空動態(tài)交通信息采集、融合技術(shù)，通過全方位實施車車、車路動態(tài)實時信息交互進行車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，形成人、車、路有效協(xié)同的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[1?8]。車路協(xié)同的交通系統(tǒng)呈現(xiàn)出超于常規(guī)的復(fù)雜性，單一集中的仿真框架支撐環(huán)境難以適應(yīng)此種特性[9?14]。近年來得到廣泛應(yīng)用的高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture，HLA)已經(jīng)被證明是一種很有效的分布式系統(tǒng)仿真框架，能有效地降低復(fù)雜系統(tǒng)仿真的復(fù)雜性并實現(xiàn)組件間的相互獨立性。在仿真應(yīng)用領(lǐng)域，歐、美各國均將HLA作為其軍事仿真中的標準仿真體系。Emanuele等[15]將HLA與OMNET++相結(jié)合對通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)備進行了仿真。此外，在車路協(xié)同的信息交互系統(tǒng)中，OPNET本身提供了與HLA的接口，使得OPNET仿真可以與HLA聯(lián)合實現(xiàn)通信。HLA結(jié)合OPNET的工具組合，可以很好地滿足系統(tǒng)仿真要求?；贖LA的仿真系統(tǒng)支撐框架對于構(gòu)建具有多層次交互性特征的車路協(xié)同仿真系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性，再考慮到HLA在信息交互中與OPNET結(jié)合的優(yōu)越性，在車路協(xié)同系統(tǒng)仿真中基于該體系構(gòu)建仿真系統(tǒng)的整體框架進行仿真研究。在車路協(xié)同系統(tǒng)仿真中，由于聯(lián)邦成員間信息交互過程存在數(shù)據(jù)量大、交互頻率高、交互過程復(fù)雜等特點，為了滿足系統(tǒng)仿真周期500 ms的要求，本文作者基于HLA仿真框架針對實時性優(yōu)化展開研究。HLA仿真框架中網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)的主要承擔者是RTI，因此，提高RTI系統(tǒng)的性能是改善網(wǎng)絡(luò)實時性的根本途徑。黃曉東 等[16]設(shè)計了試驗對目前常用的RTI版本進行了實時性測試，結(jié)果顯示Pitch公司的pRTI性能相比較而言是最好的，其消息的傳輸延遲小于1 ms。目前常用的改進網(wǎng)絡(luò)實時性的方法包括多線程模式、數(shù)據(jù)過濾、時間管理算法改進都是通過設(shè)計RTI來提高系統(tǒng)實時性能。在選定了RTI版本后，根據(jù)黃松等[17]中提出的減少成員時間推進請求的次數(shù)改善系統(tǒng)實時性的方法，本文作者提出了一種改進的信息交互策略來減少RTI帶來的網(wǎng)絡(luò)延遲，改善仿真系統(tǒng)的實時性能。

1 基于HLA的車路協(xié)同系統(tǒng)仿真 框架

高層體系結(jié)構(gòu)由美國國防部建模與仿真辦公室(DMSO)頒布，并于2000年9月被IEEE正式接納為IEEE 1516標準。HLA引入了聲明管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等新機制，實現(xiàn)了仿真節(jié)點間的點對點通信或組播通信，極大減少了網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)[18?19]。

一個基于HLA仿真框架的仿真聯(lián)邦的典型邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示[20]。

圖1 基于HLA的仿真系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

基于HLA的車路協(xié)同系統(tǒng)仿真框架中車路協(xié)同系統(tǒng)定義為聯(lián)邦，車路協(xié)同仿真系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)作為聯(lián)邦成員，共同完成聯(lián)邦的仿真目標，各個聯(lián)邦成員既要完成自身的仿真任務(wù)，同時與其他聯(lián)邦成員發(fā)生交互，活動自身需要的信息或向其他聯(lián)邦成員提供信息，車路協(xié)同系統(tǒng)的聯(lián)邦結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于HLA的IVICS仿真聯(lián)邦邏輯模型

由圖2可知，IVICS仿真聯(lián)邦共由6個聯(lián)邦成員構(gòu)成，各聯(lián)邦成員的基本功能介紹如下：1) 仿真管理器聯(lián)邦成員主要負責：聯(lián)邦運行管理控制、時間管理、多分辨場景顯示、車車/車路信息交互管理、日志管理；2) 典型應(yīng)用場景管理聯(lián)邦成員主要負責編寫場景測試案例，盡可能全面描述真實場景；設(shè)計場景測試案例管理軟件，增加測試序列生成功能，提供測試序列和交通場景加載命令；3) 交通管理控制聯(lián)邦成員負責處理仿真過程中進行交通數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)相關(guān)交通控制算法，通過數(shù)據(jù)融合處理生成車輛運行狀態(tài)控制信息、信號燈控制方案、交通提示信息；4) 交通仿真聯(lián)邦成員主要負責仿真過程中全時空交通信息提??； 5) 信息交互仿真聯(lián)邦成員主要負責信息交互仿真； 6) 3維視景仿真聯(lián)邦成員根據(jù)確定的車路協(xié)同仿真場景圖構(gòu)建3維仿真場景。

2 基于PTP協(xié)議的主動時鐘仿真 同步方法

基于HLA的車路協(xié)同系統(tǒng)仿真聯(lián)邦的整體框架，需要針對仿真聯(lián)邦內(nèi)各個聯(lián)邦成員的仿真同步方法進一步研究。

2.1 基于PTP協(xié)議的高精度仿真時鐘同步方法

在車路協(xié)同仿真系統(tǒng)中，需要一個全局時鐘用來控制和監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，這就需要將聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員的時間進行統(tǒng)一。

PTP協(xié)議是IEEE-1588中定義的一種精密時鐘同步協(xié)議，PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、額外網(wǎng)絡(luò)開銷小等有點。它的主要原理是通過信息傳輸中增加同步信號周期性的對網(wǎng)絡(luò)中從屬節(jié)點的時鐘進行校正同步，由于PTP協(xié)議實現(xiàn)簡單、占用的網(wǎng)絡(luò)和計算資源少等優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于分布式仿真系統(tǒng)中。

為了保證時間同步的精度，必須保證時鐘的精確定時。為了實現(xiàn)高精度的定時，例如微秒級別的定時，一般采用高頻率的晶振實現(xiàn)。車路協(xié)同仿真系統(tǒng)采用VC6.0作為系統(tǒng)實現(xiàn)語言，計算機CPU本身就帶有一個高精度的時鐘[21]，且Windows系統(tǒng)提供了API接口來獲取CPU的震蕩頻率，因此，可以通過API 接口在VC++中構(gòu)造1個高精度的邏輯時鐘，并且可向物理時間單位進行轉(zhuǎn)換。VC++有多種實現(xiàn)定時的方法，其中基于QueryPerformanceFrequence( )和Query- PerformanceCounter( )函數(shù)的定時器定時精度很高，通過測試，車路協(xié)同仿真系統(tǒng)采用該函數(shù)實現(xiàn)的定時器的定時誤差分析結(jié)果如圖3所示。

圖3中顯示了主時鐘的誤差比較穩(wěn)定在6 μs左右，這表明實現(xiàn)高精度的時鐘同步是可以實現(xiàn)的。

通過Windows系統(tǒng)提供的接口獲得的高精度CPU震蕩頻率可以向邏輯時間單位進行轉(zhuǎn)換。

使用0表示CPU定時器的計數(shù)值，Δ為邏輯時間相對于CPU計數(shù)的偏差，當前邏輯時間可由下式構(gòu)造：

并且當前邏輯時間的修改可通過修改Δ來實現(xiàn)。當需要使用物理時間單位來度量邏輯時間時，可進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：′為邏輯時間，μs；為CPU時鐘振蕩頻率。

本文對基于PTP的時鐘同步方法進行測試。測試中采用了2臺配置相同的計算機，采用交換機搭建成局域網(wǎng)，其中1臺作為主時鐘，另外1臺作為從時鐘。邏輯時鐘采用了利用上述原理構(gòu)造的高精度時鐘，CPU頻率為2.93 GHz，可利用式′=×106/轉(zhuǎn)換成以μs為單位的邏輯時鐘，測試過程與時鐘同步過程 類似。

根據(jù)圖4測試結(jié)果，最大的誤差為?64.38 μs，平均誤差為22.13 μs。在實際應(yīng)用中，尤其是在網(wǎng)絡(luò)中簡單采用上述PTP協(xié)議進行時鐘同步會受到網(wǎng)卡緩存、網(wǎng)絡(luò)不平衡性以及操作系統(tǒng)進程等多方面的影響。操作系統(tǒng)中由于時鐘同步進程何時被執(zhí)行會造成軟件延時的不可預(yù)測性。

圖4 測試時鐘同步誤差

2.2 主動時鐘同步方法

網(wǎng)絡(luò)的不平衡性和操作系統(tǒng)進程調(diào)度的影響可能會造成時鐘同步失效。對于網(wǎng)絡(luò)的不平衡性，可以采用消息確認機制能有效解決這個問題。即在接收方收到信息后返回1個確認信息，而發(fā)送方只能在接收方的確認信息后才發(fā)送下一條信息。這樣將2次信息傳輸進行隔離，使得接收方不會一下收到發(fā)送方的所有信息。為了減小系統(tǒng)進程調(diào)度的影響，可以在仿真中設(shè)置專用時鐘同步線程，且線程優(yōu)先級設(shè)置最高。

主動時鐘同步方法的工作過程如圖5所示：

1)從時鐘發(fā)送1個Sync報文給主時鐘，并在報文中記錄報文離開時間1。

2) 當Sync報文到達主時鐘時，主時鐘立即給從時鐘回復(fù)Delay_Req報文，該報文中含接收到Sync報文的時間2以及Delay_Req報文的發(fā)送時間3。

3)當從時鐘接收到該響應(yīng)報文時，記錄接收到響應(yīng)報文的時間4。同時立即發(fā)送Re_Resp報文重復(fù)上述過程。

4) 從時鐘根據(jù)成功收到回應(yīng)的相鄰2個報文的往返時間，分別計算從源端到目的端和從目的端到源端的時延。

圖5 主動時鐘同步過程

由圖5可得：

式中：delay1為Sync報文延時；delay2為Delay_Req報文延時；delay3為Re_Resp報文延時；delay3為 Re_Req報文延時。

為了從主動測試報文中獲取有效的數(shù)據(jù)，需要對測得的數(shù)據(jù)進行處理，在delay1，delay2，delay3和delay4中剔除最大值和最小值，獲得從時鐘相對主時鐘延時delay為

式中：Max( )表示取最大值；Min( )表示取最小值。因此，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差Offset為

Offset=delay(8)

對于有效數(shù)據(jù)中3?2與7?6差距較大時的報文數(shù)據(jù)，本文認為系統(tǒng)進程調(diào)度對時鐘同步影響較大，對此次時鐘同步進行不予采用，下一周期再次進行同步。

本文對主動時鐘同步方法進行測試，測試環(huán)境說明如下：6臺PC機通過交換機構(gòu)成100 MB高速LAN，各PC機配置相同；硬件為Inter(R)Core(TM)2 Duo CPU E7500，主頻2.93 GHz，2 GB 內(nèi)存，Inter(R) 82566 DM -2 Gigabit網(wǎng)卡；操作系統(tǒng)為Windows 7旗艦版；選用瑞典Pitch公司開發(fā)的pRTITM1.3作為仿真聯(lián)邦的運行時支撐環(huán)境。

實際仿真中微觀交通仿真聯(lián)邦成員作為主時鐘，其他聯(lián)邦成員作為從時鐘。系統(tǒng)仿實時性要求為500 ms。為了實現(xiàn)較好時鐘同步效果，仿真聯(lián)邦真其他聯(lián)邦成員的同步的周期設(shè)置為5 s。仿真過程如下：從時鐘從0 s時刻開始產(chǎn)生周期性的時鐘同步請求數(shù)據(jù)，每隔5 s進行1次時鐘同步；主時鐘分別按照主動時鐘同步方法向從時鐘回復(fù)相應(yīng)的報文。通過仿真測試，分別觀察主動時鐘同步方法的時鐘同步精度。

圖6所示為主從時鐘相對延時，圖7所示為主動時鐘相對同步誤差。由圖6及圖7可以看出：采用主動時鐘同步方法主動時鐘同步報文的主從時鐘平均相對延時為1.74 ms，最大的相對同步誤差為32.71 μs，平均同步誤差為5.69 μs。這表明本文提出的主動時鐘同步方法具有較高時鐘同步精度，能有效滿足車路協(xié)同系統(tǒng)仿真中HLA仿真環(huán)境下不同聯(lián)邦成員間的時鐘同步需求。

圖6 主從時鐘相對延時

圖7 主動時鐘相對同步誤差

3 車路協(xié)同仿真系統(tǒng)實時性優(yōu)化

基于上節(jié)提出的仿真時間同步方法，本節(jié)研究基于HLA仿真框架的車路協(xié)同仿真系統(tǒng)的仿真實時性優(yōu)化方法。

3.1 聯(lián)邦成員的時間管理策略

基于HLA的系統(tǒng)、仿真中時間一般劃分為2類。

1) 物理時間(墻鐘時間)，對應(yīng)于現(xiàn)實世界中的時間，也是仿真執(zhí)行過程中的參考時間，如：2013?10?20 18:19:00。

2) 邏輯時間，即聯(lián)邦成員在聯(lián)邦時間軸上的當前值。

RTI的時間管理機制是通過協(xié)調(diào)帶時間戳的消息傳遞來實現(xiàn)仿真時間的推進，針對聯(lián)邦成員的時間特性和相互關(guān)系按照兩種策略對成員進行組合分類：時間調(diào)節(jié)和時間受限。時間調(diào)節(jié)策略中，聯(lián)邦成員的時間將與整個聯(lián)邦的時間聯(lián)系到一起，并產(chǎn)生帶有時間戳的事件，其他相關(guān)的聯(lián)邦成員將按時間戳的順序?qū)υ撌录M行處理。采用時間調(diào)節(jié)策略的聯(lián)邦成員的時間推進將會對那些采用時間受限策略的成員的時間推進進行限制。LBTS(lower bound time constraint)定義了時間受限的聯(lián)邦成員當前能夠推進時間的最大限度。聯(lián)邦成員采用的時間策略可以隨時動態(tài)地改變，聯(lián)邦成員時間具有既是調(diào)節(jié)又是受限的特性。RTI時間管理如圖8所示。

圖8 RTI時間推進

根據(jù)車路協(xié)同仿真系統(tǒng)中各個聯(lián)邦成員之間的功能分配，系統(tǒng)中仿真管理器、信息交互仿真、交通控制中心、三維視景仿真等聯(lián)邦成員的時間推進都依賴于交通仿真成員的時間推進，而交通仿真成員的時間不受其他聯(lián)邦成員影響。因此，把系統(tǒng)中各個成員時間管理分為2種，如圖9所示。

圖9 聯(lián)邦成員時間推進策略

1) 交通仿真成員采用“僅時間控制”，由該成員的時間作為系統(tǒng)推進時間。

2) 其他聯(lián)邦成員采用“僅時間受限”的時間推進方式，他們的時間推進根據(jù)交通仿真成員的時間推進而推進。

根據(jù)車路協(xié)同仿真系統(tǒng)需求，系統(tǒng)仿真周期為500 ms，也就是說各個聯(lián)邦成員每500 ms內(nèi)更新1次數(shù)據(jù)。交通仿真聯(lián)邦成員在500 ms時間內(nèi)更新所有當前步長的交互類中實時交通狀態(tài)信息，其他聯(lián)邦成員同時完成相應(yīng)的屬性值更新。因此，系統(tǒng)采用基于時間步長的時間推進方式進行時間推進，具體過程如下：首先，交通仿真成員中調(diào)用聯(lián)邦仿真時間推進函數(shù)指明希望推進到的邏輯時間值(當前系統(tǒng)時間+時間步長)；然后，通過時間回調(diào)函數(shù)驗證時間推進成功，交通仿真成員開始準備下一個時間步長推進。

3.2 信息交互策略

車路協(xié)同系統(tǒng)仿真平臺中聯(lián)邦成員間信息交互量大并且信息交互頻率較快，為了達到更好地系統(tǒng)仿真實時性效果，需確定仿真聯(lián)邦成員間的信息交互策略。

在系統(tǒng)仿真過程中，當在RTI中存在過多的交互信息時，網(wǎng)絡(luò)的性能會下降，此時會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。車路協(xié)同系統(tǒng)仿真中具有瓶頸鏈路的簡單網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖10所示。仿真管理器聯(lián)邦成員連接多個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡(luò)瓶頸節(jié)點，因此，結(jié)合仿真管理器聯(lián)邦成員展開信息交互策略研究。

圖10 單瓶頸仿真拓撲

系統(tǒng)仿真實時性與聯(lián)邦成員間信息交互方式有關(guān)。本文提出2種聯(lián)邦成員間信息交互的方式，下面分別介紹這2種信息交互策略并通過仿真系統(tǒng)性能測試實驗對這2種策略進行分析比較。

3.2.1 循環(huán)發(fā)送單車的信息

在這種仿真策略下，聯(lián)邦成員每次發(fā)送單個車輛的信息，循環(huán)次更新完所有車輛信息，信息交互示意圖如圖11所示。由圖11可知：該策略下交互信息結(jié)構(gòu)簡單易于發(fā)送和解析。但是在仿真過程中，隨著車輛數(shù)目的增加，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率增加，會增加系統(tǒng)的軟件計算開銷，受到計算機性能限制及網(wǎng)絡(luò)信道容量限制，會影響到仿真實時性。

圖11 單車信息循環(huán)發(fā)送策略示意圖

3.2.2 打包發(fā)送所有車輛信息

在這種仿真策略下，聯(lián)邦成員一次打包發(fā)送所有車輛的信息，信息交互示意圖如圖12所示。由圖12可知：該策略下系統(tǒng)的信息發(fā)送頻率較小，但隨著數(shù)據(jù)長度的增長，受到信道容量限制會造成RTI延時增大，進而影響到仿真系統(tǒng)延時。

圖12 多車信息打包發(fā)送策略示意圖

3.3 仿真實時性測試分析

基于PTP協(xié)議的高精度仿真時鐘同步方法對分別采用2種仿真策略構(gòu)建的仿真聯(lián)邦進行性能測試。仿真測試硬件環(huán)境與2.2節(jié)中的相同。

測試方法為：基于PTP協(xié)議的高精度仿真時鐘同步方法建立仿真聯(lián)邦內(nèi)的統(tǒng)一同步時間源，在信息交互的時戳屬性中加入成員可獲得最精確的當前時間進行測量。接收成員通過由同步時間源得到的時間減去從反射中收到的時戳來計算延遲。在實際測量中取多次“發(fā)送?反射”消息循環(huán)的統(tǒng)計平均值計算時延。

車路協(xié)同系統(tǒng)仿真中基本信息交互節(jié)點示意圖如圖13所示，主從關(guān)系是相對而言的，對于有信息交互的一對聯(lián)邦成員來說，存在如下主從關(guān)系：發(fā)送信息的聯(lián)邦成員稱為主節(jié)點，而接收信息的聯(lián)邦成員則稱為從節(jié)點。在車路協(xié)同仿真系統(tǒng)中，微觀交通仿真聯(lián)邦成員屬于主節(jié)點，仿真管理器聯(lián)邦成員屬于1級從節(jié)點，信息交互仿真聯(lián)邦成員及3維視景仿真聯(lián)邦成員屬于2級從節(jié)點。系統(tǒng)仿真周期為交互信息從主節(jié)點到1級從節(jié)點，再由1級從節(jié)點到2級從節(jié)點的時間過程，系統(tǒng)仿真周期要求為1級和2級從節(jié)點延時均應(yīng)小于500 ms。

圖13 基本信息交互節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

針對系統(tǒng)仿真中兩級從節(jié)點的結(jié)構(gòu)分別對1級從節(jié)點及2級從節(jié)點的實時性進行測試。

首先在數(shù)據(jù)發(fā)送周期為1 ms時增加數(shù)據(jù)包長度，測試各個數(shù)據(jù)包長度下的系統(tǒng)從節(jié)點延遲[16]，測試結(jié)果如圖14所示。從圖14可見：在固定發(fā)送周期下，隨著發(fā)送數(shù)據(jù)包長度增加，系統(tǒng)1級從節(jié)點及2級從節(jié)點延遲都會增加。由此可知：對于信息交互策略2，隨著車輛數(shù)量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)從節(jié)點延遲增大。

1—1級從節(jié)點延遲；2—2級從節(jié)點延遲

針對數(shù)據(jù)包長度為100字節(jié)時增加系統(tǒng)信息發(fā)送頻率，各個數(shù)據(jù)包長度下的系統(tǒng)從節(jié)點延遲隨著時間的增長測試結(jié)果如圖15~18所示。

○—1級從節(jié)點延遲；●—2級從節(jié)點延遲

1—1級從節(jié)點延遲；2—2級從節(jié)點延遲

1—1級從節(jié)點延遲；2—2級從節(jié)點延遲

1—1級從節(jié)點延遲；2—2級從節(jié)點延遲

在測試結(jié)果中，當信息發(fā)送周期減小到一定程度時(本文測試環(huán)境中為10?3ms)，由于計算機計算能力限制以及數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)擁塞，隨著仿真時間的增長，系統(tǒng)從節(jié)點延遲顯著增長。

綜合上述測試結(jié)果，本文提出信息交互改進策略：根據(jù)實際系統(tǒng)仿真需求可以采取2種信息交互策略結(jié)合的方式，即通過部分組合數(shù)據(jù)包的方式提高信道利用率，同時盡量降低信息發(fā)送頻率從而提高系統(tǒng)實 時性。

3.4 車路協(xié)同系統(tǒng)仿真驗證

為了驗證本文提出的仿真系統(tǒng)實時性優(yōu)化方法，本文基于車路協(xié)同仿真平臺進行實時性測試。車路協(xié)同仿真聯(lián)邦成員分布在6臺仿真計算終端上，各PC機通過有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成仿真平臺的運行環(huán)境。在1臺RTI服務(wù)器開啟pRTI軟件，其他PC機安裝好pRTI客戶端軟件并做好相關(guān)設(shè)置后，可以進行仿真聯(lián)邦的聯(lián)調(diào)測試。

表1 平均系統(tǒng)從節(jié)點延遲結(jié)果

基于HLA開發(fā)的車路協(xié)同系統(tǒng)詳細仿真交互信息如表2所示，仿真信息流如圖19所示。

表2 仿真交互信息

圖19 車路協(xié)同系統(tǒng)仿真信息流

本文采用改進的信息交互策略，為了便于發(fā)送和解析不同的信息內(nèi)容，各信息內(nèi)容將被獨立打包，考慮到仿真交互信息包長度及信息數(shù)量，將交互信息打包到大小為500字節(jié)左右，以提高單次信息發(fā)送效率、減少信息交互頻率，達到實時性優(yōu)化的目的。

提出的信息交互改進策略對系統(tǒng)測試結(jié)果如圖20和表3所示，一級系統(tǒng)從節(jié)點平均仿真延遲為0.77 ms，二級系統(tǒng)從節(jié)點平均仿真延遲為1.02 ms，較策略1及策略2顯著減少，較好滿足了系統(tǒng)仿真實時性要求。

1—1級從節(jié)點延遲；2—2級從節(jié)點延遲

表3 平均系統(tǒng)從節(jié)點延遲結(jié)果

4 結(jié)論

1) 基于HLA的車路協(xié)同系統(tǒng)仿真框架，設(shè)計了基于PTP協(xié)議的高精度時鐘主動同步方法，對仿真系統(tǒng)的時間管理策略進行了討論。通過測試，設(shè)計了信息交互策略提高了系統(tǒng)的實時性，對仿真系統(tǒng)在該框架下的仿真實時性測試表明所提出的實時性優(yōu)化方法滿足車路協(xié)同系統(tǒng)要求，達到了預(yù)期的前期開發(fā)要求。

2) 目前，構(gòu)建的車路協(xié)同系統(tǒng)仿真平臺中各仿真成員只是初步實現(xiàn)了其部分基本功能。要完成構(gòu)建車路協(xié)同仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)快速構(gòu)建面向典型應(yīng)用的測試場景，實現(xiàn)大規(guī)模的車路協(xié)同系統(tǒng)功能模擬，需對系統(tǒng)的框架和結(jié)構(gòu)設(shè)計、實時信息交互、車車/車路主動安全控制、交通信號協(xié)同控制等方面進行有針對性的測試與驗證。

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Cooperative vehicle-infrastructure system simulation strategy and method

LI Sihui1, SHANGGUAN Wei1, 2, 3, CAI Baigen1, WANG Jian1, 2, 3

(1. School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3. Beijing Engineering Research Center of EMC and GNSS Technology for Rail Transportation,Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

In order to research the key technology on the intelligent vehicle infrastructure cooperative systems (IVICS) simulation and build the simulation platform, high level architecture (HLA)-based simulation framework for IVICS was designed. In view of system demand of real-time capabilities in simulation, a precision timing protocol (PPT) protocol-based highly accurate simulation clock synchronization was designed. Time management strategy for federates was discussed and system delay under two information interaction strategy was tested based on clock synchronization. Then an improved method was proposed. The results show that the average synchronization clock error is 5.69 μs, and that the average simulation delay from slaver nodes of both level 1 and level 2 system is 0.77 and 1.02 ms respectively, which indicate that the method can effectively resolve clock synchronization problems, and satisfy the requirement of IVICS simulation.

traffic engineering; intelligent vehicle infrastructure cooperative systems (IVICS); high level architecture (HLA); precision timing protocol (PTP); real-time capabilities

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.051

U283.2

A

1672?7207(2015)10?3944?10

2015?02?06；

2015?05?20

國家自然科學(xué)基金資助項目(61104162，61273089，61490705)；北京市高等學(xué)校“青年英才計劃”(YETP0538)項目；國際科技合作計劃項目(2014DFA80260) (Projects (61104162, 61273089, 61490705) supported by the National Natural Science Foundation of China); Project (YETP0538) supported by the Beijing Higher Education Young Elite Teacher Project; Project (2014DFA80260) supported by the International Science & Technology Cooperation Program of China)

上官偉，副教授，博士，從事智能交通研究；E-mail：wshg@bjtu.edu.cn

(編輯 陳愛華)