车联网仿真环境搭建

曾维成 苗晟源 唐于凌

摘 要：目前车辆网技术的研究尚不成熟，大量的理论需要实验进行验证，真实环境的实验难度大、成本高，因此搭建车联网仿真很有必要。本文讨论了交通中的宏观/中观/微观仿真模型、典型的交通仿真软件以及通信仿真软件，给出了车联网融合仿真的总体框架，并进行了分析。

关键词：车联网;交通模型;交通仿真;通信仿真

1 意义

车联网（IoV，Internet of Vehicle）是一种基于多人、多机、多车、环境协同的可控、可管、可运营、可信的开放的融合网络系统，它采用先进的信息通信与处理技术，对人、车、通信网络和道路交通基础设施等环境元素的大规模复杂的静态/动态信息进行感知、认知、传输和计算，解决泛在异构移动网络环境下智能管理和信息服务的可计算性、可扩展性和可持續性问题，最终实现人、车、路、环境的深度融合。车联网随着自动驾驶、群智感知技术正逐渐被大家所认知。

车联网领域的很多内容仍然处于探索阶段中，大量的理论需要实验进行反复验证，通过对仿真结果的分析以验证理论的正确性和合理性。但在真实的环境中，完成基于真实车辆、真实场景的有效实验不仅难度大，而且验证成本非常高。因此，利用计算机的模拟而实现的仿真技术是现阶段验证和研究车联网理论的重要手段。

2 交通模型

交通模型可以分为宏观交通仿真模型、微观交通仿真模型和中观交通仿真模型。

宏观交通仿真模型对系统实体、行为及其相互作用的描述非常粗略，仿真速度快，对计算机资源的要求较低。它采用集合方式来展现交通流，如交通流量、速度、密度及它们之间的关系。宏观模型很少考虑车流内车辆之间的相互作用，如车辆跟驰、车道变换，不考虑个别车辆的运动。宏观交通仿真模型比微观仿真模型的精度低，适于描述系统的总体特性，并试图通过反映系统中的所有个体特性来反映系统的总体特性。宏观仿真模型的重要参数是速度、密度和流量。

微观交通仿真模型很细致地描述系统实体及其相互作用，对计算资源的要求较高。微观交通仿真模型把每辆车作为一个研究对象。对所有个体车辆都进行标识和定位，在仿真方法上不同于宏观交通仿真。在每一时段，车辆的速度、加速度及其他车辆特性被实时更新。微观仿真的基本模型包括跟驰模型、超车模型及车道变换模型。微观水平的车道变换不仅涉及到当前车道中本车对前车的跟驰模型，而且涉及到目标车道的假定前车和后车的跟驰模型，还可以精细地模拟驾驶员决策行为，能灵活地反映出各种道路和交通条件的影响。微观仿真模型适合于在计算机上精确地再现路网上的实际交通状况。每辆车的速度和位置是微观仿真模型的重要参数。

中观仿真模型也能够细致地描述大多数系统实体，但是相比微观模型，它对实体运动及其相互作用的描述要粗略。中观交通仿真在宏观交通网络的基础上，将个体车辆放入宏观交通流中进行分析，根据模拟的需要，对特定车辆的速度、位置及其他属性进行标识，或对个体车辆进行分组，再对每组车辆的速度、位置及其他属性进行标识。往往以若干辆车构成的队列为单元，描述队列在路段上节点的流入流出行为。

3 典型的交通仿真软件

当前使用较多的交通仿真软件有PARAMICS、VISSIM、TransModeler、AIMSUN、CORSIM、CUBE DYNASIM、TRAFFICWARE等。

3.1 PARAMICS交通仿真软件

PARAMICS（PARAllel MICroscopic Simulator）是英国的产品，是一个使用灵活、功能强大、适应面广的三维交通仿真软件。该软件具有实时动态的三维可视化用户界面，对单一车辆进行微观处理的能力，多用户并行计算支持，以及功能强大的API接口。

PARAMICS是一个使用灵活、功能强大、适合多种仿真需要的模拟仿真平台，提供了复杂交通控制仿真必须具备的功能，包括：支持简单和复杂的交通控制策略的模拟、对路网中的各种要素和设施的模拟、在仿真运行的同时编辑和显示路网、模拟各种规模的路网、集成的模型标定和校准工具、输出路网性能指标报告、提供分析工具、高逼真度的二维和三维仿真。

3.2 VISSIM交通仿真软件

VISSIM是德国PTV公司开发的，是离散的、随机的、以0.1秒为时间步长的微观仿真软件。车辆的纵向运动采用了跟驰模型，横向运动（车道变换）采用了基于规则（Rule-based）的算法。VISSIM能够模拟城市内与城市间的交通状况，尤其适合模拟各种城市交通控制系统，并提供了与外部交通控制策略的API接口。

3.3 TransModeler交通仿真软件

TransModeler 是美国Caliper公司开发的多功能交通仿真软件，支持从高速公路到城市道路在内的各类道路交通网络的微观模拟，并用动画的形式把交通流状况、信号控制及网络的综合性能直观地展示出来。TransModeler可以模拟包括收费站电子收费系统、车辆诱导系统在内的智能交通管理系统。该软件能导入CORSIM 和 SimTraffic交通仿真模型的数据，与交通需求预测和地理信息系统软件实现对接，为城市道路工程和交通管理相关的规划和方案作深入的动态分析，交通仿真的结果反馈到交通需求预测模型，以进一步改进其预测精度和质量。

3.4 AIMSUN交通仿真软件

AIMSUN（Advanced Interactive Microscopic Simulator for Urban and Non-urban Networks）是西班牙TSS （Transport Simulation Systems）公司开发的产品，仿真时间步长可达到0.1秒。

AIMSUN可用于高速公路和城市道路交通仿真，每辆车服从跟驰模型、车道变换模型和车头间隔模型等驾驶行为准则，AIMSUN可获取检测器的流量、占有率以及速度等信息，并提供信号控制、交通事故及交织冲突等的仿真。

3.5 SUMO

SUMO是一个微观的，空间上连续，时间上离散的交通仿真软件，采用C++语言开发，其宏观特征包括带变道的多车道道路，基于道路交叉口的靠右侧行驶规则，支持动态路由，可以管理超过10 000条街道的网络。其微观特征包括允许碰撞自由的车辆移动模式，支持单车路由。该软件具有快速的OpenGL图形界面，支持多种网络格式输入。

SUMO软件是一个免费的软件，为许多科研人员所喜爱，因此我们的交通仿真软件采用SUMO。

4 典型的通信网仿真软件

通信网仿真软件有OPNET、NS3、GloMoSim等，目前主流的通信网仿真软件是OPNET和NS3。

4.1 OPNET

OPNET主要面向網络领域的专业人士（如电信网络规划设计人员），为网络专业人士提供基于软件方面的预测解决方案。OPNET可以帮助通信运营商的网管人员更好地管理网络。OPNET采用三层建模机制：网络、节点和进程。由于OPNET是商业软件，价格昂贵，不开源，所以主要针对商业运营的通信网相关公司，如：通信运营商、通信设备制造商等企业使用，科研人员使用OPNET的相对较少。

4.2 NS3

NS-3 是一款面向离散事件机制的网络仿真软件，主要用于研究与教学目的。NS-3 作为源代码公开的一款免费网络仿真软件，经 GNU GPLv2 认证许可，允许科研开发人员研究、改进与使用它。NS-3 是由 C++和 Python 语言编写的，可作为源代码发布并适用于如下典型的系统：Linux ，Unix variants， OS X， 以及 Windows 平台上运行的 Cygwin等。

NS-3 的基本模型共分为五层：应用层Applications、传输层Transport layer、网络层 Network layer，链路层 Link layer，物理层 Physical layer。其中应用层、传输层、网络层与 TCP/IP 模型中的应用层、传输层、Internet 层是相对应的。另外链路层、物理层与 TCP/IP 模型中的网络接口层相对应。

NS-3 的结构比较清晰，它把网络构件分为四类，分别为：节点Node、网卡与信道NetDevice & Channel、分组Packet、接口与应用程序Sockets & Application。

节点Node：可以把节点视为一台计算机，在节点上增加应用程序、协议、网卡等功能;

网卡与信道NetDevice & Channel：用于仿真不同的网络，不同的网络具有各自的网卡和信道，比如WifiNetDevice和WifiChannel等;

分组Packet：用户数据加上分组头部（protocol header）和 分组尾部（trailer）就构成一个Packet分组;

接口与应用程序Sockets & Application：是用户定义的过程，该过程对仿真的网络产生流量，NS-3 对有不同流量模式的不同类型应用程序提供框架。在 NS3中，一个产生出一系列等待仿真模拟的活动行为的用户程序被抽象为应用软件程序。这个类提供相应的命令函数和方法来管理模拟用户级应用程序的行为。

由于NS3是免费、开源的，因此受到了科研人员的青睐，在学术界得到普遍使用。

5 车联网联合仿真环境搭建

车联网联合仿真环境总体结构如图1所示：

车联网仿真系统是为了融合控制车联网各种仿真环境，使各个仿真软件（这里主要指交通仿真软件SUMO和通信仿真软件NS3）可以协调工作，从而提供不同的车联网仿真应用场景，如无人车行驶仿真、5G车联网服务仿真，帮助实验人员分析数据，得出仿真结论。该系统需要考虑不同仿真软件的无缝接入，收集各个仿真模块的仿真信息，在仿真控制系统中对收集到的信息进行汇总和数据融合，对汇总融合后的数据进行分析得出结论，仿真控制系统对外提供API接口，供上层仿真应用使用。

交通仿真软件（这里是SUMO软件）通过交通仿真代理接入到仿真系统中，通信仿真软件（这里是NS3软件）通过通信仿真代理接入到仿真系统中。仿真代理隐藏了底层仿真软件的差异，向上提供统一提供信息获取接口。仿真系统从交通仿真代理中获取车联的位置与运行状态，生成车辆的融合信息，并转化为通信对象位置信息发送给通信仿真代理，通信仿真代理通过通信仿真软件NS3仿真得出多个仿真对象之间通信仿真结果，返回给仿真系统，仿真系统根据通信仿真的时延、误码率、丢包率等仿真结果，并融合之前车辆仿真的结果进行数据融合分析，得出驾驶决策，并下发给交通仿真代理对车辆进行控制。

6 结论

本文主要讨论车联网仿真环境的搭建，分析了交通仿真模型、典型的交通仿真软件、通信仿真软件，并给出了车联网融合仿真系统的总体结构图。下一步需要根据仿真应用需求和仿真系统的运行对仿真结构图进行调整。

参考文献：

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