基金項(xiàng)目：

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于5G和北斗的城市路況交通路口安全車速引導(dǎo)系統(tǒng)”（編號(hào)：2021KY1124）

作者簡(jiǎn)介：

劉 丹（1991—），碩士，講師，工程師，研究方向：信息與通信技術(shù)、職業(yè)教育研究與管理。

摘要：針對(duì)在智能交通系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)的研究過程中難以使用實(shí)際交通設(shè)施設(shè)置專用試驗(yàn)場(chǎng)景的問題，文章提出了一種用于智能交通場(chǎng)景的虛擬仿真系統(tǒng)，并使用Python語言編程實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的基本功能。同時(shí)，使用該虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)若干場(chǎng)景進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)智能交通場(chǎng)景有較好的虛擬仿真能力，可以為智能交通相關(guān)技術(shù)研發(fā)、教學(xué)提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：智能交通；虛擬仿真；Python語言編程

中圖分類號(hào)：U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 49 163 4

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市交通系統(tǒng)日益復(fù)雜化，因此導(dǎo)致的交通擁堵、交通事故等現(xiàn)象進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重影響城市居民的日常出行體驗(yàn)，成為了城市交通亟待解決的問題。智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使得緩解交通擁堵、提高道路安全性、進(jìn)一步優(yōu)化交通管理成為可能。

智能交通系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的研究，涉及交通、汽車、通信、電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，在技術(shù)層面有較高的復(fù)雜性。而交通系統(tǒng)作為城市日常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，使得其難以專門為技術(shù)研究提供專用試驗(yàn)場(chǎng)景。在此背景下，虛擬仿真技術(shù)成為了智能交通領(lǐng)域的重要研究手段。而虛擬仿真系統(tǒng)能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界中的交通環(huán)境，進(jìn)而在無須實(shí)際部署的情況下預(yù)測(cè)和評(píng)估不同策略的效果［1］。

本文介紹一種智能交通場(chǎng)景下的虛擬仿真系統(tǒng)，并利用Python語言編程實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的基本功能，以期說明利用虛擬仿真技術(shù)，可以有效模擬智能交通技術(shù)在相關(guān)交通場(chǎng)景下的運(yùn)行效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

圖1為本文研究的虛擬仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。其中核心為仿真器模塊，作用是根據(jù)虛擬交通場(chǎng)景和交通仿真成員的相關(guān)信息，統(tǒng)一調(diào)度、推進(jìn)仿真的進(jìn)程；虛擬交通場(chǎng)景模塊是對(duì)交通道路情況的一種描述，幫助仿真器構(gòu)建虛擬交通場(chǎng)景；交通仿真成員模塊則包括參與虛擬仿真的車輛、行人、信號(hào)燈等交通實(shí)體成員，以及“北斗”定位、5G通信、智慧紅綠燈、高精地圖等智能交通信息成員；記錄與展示模塊用于記錄仿真過程的數(shù)據(jù)，并為可視化展示提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文研究的虛擬仿真系統(tǒng)，采用了分布式設(shè)計(jì)［2］。仿真器模塊和交通仿真成員模塊采用C/S架構(gòu)，可以分別在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并通過HTTP接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。分布式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在單臺(tái)設(shè)備算力有限的情況下，充分利用多臺(tái)設(shè)備的硬件性能，有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的交通場(chǎng)景虛擬仿真。同時(shí)，仿真器模塊與交通仿真成員模塊之間采用解耦設(shè)計(jì)，當(dāng)未來有新類型的仿真成員類型希望加入仿真時(shí)，只需要該成員滿足仿真器的接口標(biāo)準(zhǔn)即可，仿真器不需要進(jìn)行大調(diào)整即可兼容運(yùn)行。

1.2 仿真器

1.2.1 仿真器設(shè)計(jì)

圖2為仿真器的類圖。仿真器的作用，是統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)推進(jìn)仿真進(jìn)程。需要特別說明的是，為了提高虛擬仿真系統(tǒng)的兼容性和可拓展性，仿真器模塊與交通成員模塊之間采用解耦設(shè)計(jì)。仿真器只負(fù)責(zé)統(tǒng)一推進(jìn)仿真進(jìn)程，確保各交通成員的運(yùn)行時(shí)序保持合理的邏輯順序；同時(shí)采用“發(fā)布-訂閱”模式，實(shí)現(xiàn)交通成員之間的數(shù)據(jù)交互。仿真器并不干涉交通成員的具體行為模式。

上頁(yè)圖3為仿真器的工作流程圖，其中初始化為設(shè)置全局參數(shù)，包括全局仿真時(shí)鐘、仿真步長(zhǎng)、仿真成員管理列表等。生成虛擬交通場(chǎng)景，是根據(jù)預(yù)設(shè)道路資源、智能交通信息資源，構(gòu)建一個(gè)虛擬的交通場(chǎng)景，用于仿真的推進(jìn)。仿真開始后，仿真器處于監(jiān)聽模式，根據(jù)道路情況、信息情況變化，向訂閱了相關(guān)信息的仿真成員推送最新信息資源；同時(shí)，接收仿真成員提交的本步長(zhǎng)執(zhí)行申請(qǐng)，并最終決策推進(jìn)仿真進(jìn)程到下一個(gè)步長(zhǎng)。

如圖4所示，本仿真器將道路和智能交通信息視為一種資源，以“資源矩陣”的形式存儲(chǔ)，用于仿真決策和推進(jìn)。其中，道路資源按照車道數(shù)、路段長(zhǎng)度、導(dǎo)行方向等預(yù)設(shè)參數(shù)，生成道路資源矩陣，相關(guān)仿真成員按照其位置信息，部署在道路資源矩陣中；同時(shí)，仿真成員可以向仿真器訂閱智能交通信息，當(dāng)進(jìn)入相應(yīng)信息矩陣區(qū)域后，會(huì)收到仿真器的信息推送。以具備“北斗”導(dǎo)航車速引導(dǎo)功能的汽車為例，當(dāng)其進(jìn)入信號(hào)燈信息矩陣區(qū)域時(shí)，會(huì)收到仿真器推送的前方路口的信號(hào)燈信息，可以幫助其提前調(diào)整車速，以便其在綠燈亮起時(shí)剛好通過交通路口。

1.2.2 仿真決策

仿真決策，指的是仿真器接收到各個(gè)仿真成員的仿真請(qǐng)求后，對(duì)所有的請(qǐng)求進(jìn)行統(tǒng)一處理，根據(jù)其合理性、順序性，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷、沖突檢測(cè)等，最終決定本仿真步長(zhǎng)的執(zhí)行結(jié)果。下面對(duì)其中部分重要環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

優(yōu)先級(jí)判斷：在道路交通系統(tǒng)中，各類成員具備不同的優(yōu)先級(jí)。比如行人的路權(quán)高于汽車，特種車輛的路權(quán)也高于普通車輛。本文研究的虛擬仿真系統(tǒng)充分考慮了這個(gè)因素，設(shè)置了優(yōu)先級(jí)參數(shù)，對(duì)優(yōu)先級(jí)高的仿真成員優(yōu)先調(diào)度、優(yōu)先執(zhí)行。

沖突檢測(cè)：由于仿真系統(tǒng)采用了低耦合的分布式設(shè)計(jì)，每一個(gè)仿真成員并不了解其他成員的仿真行動(dòng)計(jì)劃，故而可能出現(xiàn)沖突的情況。比如車輛A計(jì)劃在本步長(zhǎng)內(nèi)向左變道，而位于車輛A左后方的車輛B計(jì)劃在步長(zhǎng)內(nèi)加速，則這兩個(gè)操作可能存在沖突，仿真器需要檢測(cè)沖突，并決策最終執(zhí)行效果。

y-y1y2-y1=x-x1x2-x1

（1）

如式（1）所示，按照道路資源矩陣中仿真成員本步長(zhǎng)前、后的位置坐標(biāo)（x1，y1）、（x2，y2），計(jì)算獲得一個(gè)兩點(diǎn)式直線方程。

A=y2-y2B=x1-x2C=x2×y1-x1×y2

（2）

A1x+B1y+C1=0A2x+B2y+C2=0

（3）

利用式（2）可將式（1）中的兩點(diǎn)式直線方程變換為一般式方程。兩個(gè)仿真成員分別獲得一個(gè)一般式方程，見式（3）。聯(lián)立求解即可得到交點(diǎn)坐標(biāo)，假設(shè)為（x′，y′）。但如果兩個(gè)直線平行，則交點(diǎn)不存在。

沖突，x1lt;x′≤x2

不沖突，交點(diǎn)不存在or" x′≤x1 or x′gt;x2

（4）

如式（4）所示，通過判斷交點(diǎn)坐標(biāo)可以判斷兩個(gè)仿真成員本步長(zhǎng)的推進(jìn)計(jì)劃是否有沖突。如果交點(diǎn)不存在，或者交點(diǎn)坐標(biāo)不在仿真成員本步長(zhǎng)前后位置坐標(biāo)之間，則不存在沖突。當(dāng)兩個(gè)仿真成員的本步長(zhǎng)推進(jìn)計(jì)劃無沖突時(shí)，可以正常推進(jìn)仿真。如果有沖突，仿真器需要進(jìn)行決策。

圖5為仿真決策的流程。在上述沖突檢測(cè)中，如果結(jié)果為有沖突，仿真器按照仿真成員在道路資源矩陣中的位置關(guān)系，優(yōu)先調(diào)度位于前方的仿真成員按計(jì)劃推進(jìn)，位于后方的成員只能推進(jìn)到?jīng)_突點(diǎn)的前一個(gè)道路資源網(wǎng)格。通過此方法，可以避免在仿真過程中的“穿?！眴栴}，確保各個(gè)仿真成員之間的邏輯合理性。

需要說明的是，仿真器的決策過程，只涉及仿真成員的位置信息，不干涉其具體行動(dòng)模式。當(dāng)仿真器將決策結(jié)果返回給仿真成員時(shí)，仿真成員應(yīng)自行調(diào)整本步長(zhǎng)的行動(dòng)模式。比如車輛A原計(jì)劃本步長(zhǎng)加速前進(jìn)，但仿真器檢測(cè)到前方車輛B將變道并阻礙車輛A前行，則車輛A應(yīng)自行調(diào)整計(jì)劃為勻速或減速行駛。本設(shè)計(jì)旨在模擬現(xiàn)實(shí)交通行為，并實(shí)現(xiàn)仿真成員之間的解耦。

1.3 仿真成員

1.3.1 仿真成員設(shè)計(jì)

本文所述交通仿真成員，包括參與仿真的交通實(shí)體類成員（如車輛、行人等），以及智能交通信息類成員（如“北斗”導(dǎo)航、5G通信、智慧信號(hào)燈等）。

圖6為實(shí)體類仿真成員的類圖。此類仿真成員具有一個(gè)全局唯一的ID，由仿真器分配；成員類型表明該成員是什么類型（如汽車、行人等）；局部時(shí)鐘、仿真步長(zhǎng)，需與仿真器的全局時(shí)鐘同步，用于記錄仿真成員自身的仿真歷史記錄，以便最終展示仿真結(jié)果；優(yōu)先級(jí)指該仿真成員在仿真過程中的優(yōu)先級(jí)（比如行人的優(yōu)先級(jí)高于汽車，特種車輛的優(yōu)先級(jí)高于普通車輛）；訂閱信息列表為該仿真成員向仿真器訂閱的智能交通信息，幫助其制定仿真推進(jìn)計(jì)劃。

圖7為智能交通信息類成員的類圖。此類成員包括了信息產(chǎn)生的時(shí)間戳、信息類型（如“北斗”信息、5G通信信息、智慧信號(hào)燈信息等）、信息內(nèi)容等。該類成員可以由其他仿真成員“發(fā)布”，也可以被其他實(shí)體類成員“訂閱”。通過”發(fā)布-訂閱”機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)仿真成員間的智能交通信息交互，最終完成對(duì)智能交通場(chǎng)景的模擬仿真。

1.3.2 仿真成員運(yùn)行

圖8為仿真成員（實(shí)體類）與仿真器之間的通信交互和運(yùn)行序列圖。仿真成員在加入仿真前，必須向仿真器發(fā)起成員注冊(cè)申請(qǐng)。仿真器接收申請(qǐng)后，會(huì)執(zhí)行注冊(cè)操作，并反饋當(dāng)前仿真時(shí)鐘、仿真步長(zhǎng)等信息，實(shí)現(xiàn)仿真器與仿真成員的同步，從而保證仿真系統(tǒng)整體的運(yùn)行時(shí)序符合邏輯關(guān)系。另外，仿真成員可以向仿真器訂閱其關(guān)注的智能交通信息，當(dāng)該信息有效時(shí)，仿真器會(huì)向其推送。

在仿真過程中，仿真成員可以根據(jù)自身行動(dòng)模式和獲取到的智能交通信息，獨(dú)立制定本步長(zhǎng)的行動(dòng)計(jì)劃，并向仿真器提交行動(dòng)申請(qǐng)。仿真器將結(jié)合所有仿真成員提交的行動(dòng)申請(qǐng)進(jìn)行沖突檢測(cè)和決策，最終將執(zhí)行結(jié)果通過回調(diào)的方式反饋給仿真成員。

如前文所述，仿真成員提交的本步長(zhǎng)推進(jìn)計(jì)劃，可能因?yàn)榕c其他成員有沖突，被仿真器駁回。此時(shí)仿真成員需按如圖9流程，根據(jù)仿真器反饋的結(jié)果，調(diào)整本步長(zhǎng)推進(jìn)計(jì)劃并執(zhí)行新計(jì)劃，同時(shí)按需記錄歷史信息。

特別需要說明的是，本文研究的仿真系統(tǒng)，采用了分布式設(shè)計(jì)，即仿真器和仿真成員可以分別運(yùn)行在不同的計(jì)算設(shè)備或服務(wù)器上。只要設(shè)備間具備IP連接，即可通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)接口調(diào)用，推進(jìn)仿真進(jìn)程。為了提高仿真運(yùn)行效率，建議將設(shè)備部署在相同局域網(wǎng)內(nèi)。

2 結(jié)果與測(cè)試

本文采用Python語言編程實(shí)現(xiàn)該智能交通虛擬仿真系統(tǒng)的基本功能，并構(gòu)建了2個(gè)虛擬交通場(chǎng)景。場(chǎng)景一：1 000 m長(zhǎng)度雙車道道路，多車輛行駛路況，用于模擬具備智能輔助駕駛功能的汽車在道路上自動(dòng)變道超車的情況；場(chǎng)景二：1 000 m長(zhǎng)度帶紅綠燈路口的道路，用于模擬具備交通路口車速引導(dǎo)功能的“北斗”導(dǎo)航車路協(xié)同環(huán)境下，車輛提前調(diào)整車速以便剛好在綠燈時(shí)通過路口的情況。

2.1 場(chǎng)景一

本次場(chǎng)景模擬中，車輛采用文獻(xiàn)［3］所述的智能輔助駕駛車道變換策略，模擬車輛1以較快速度接近車輛2后，車輛1自動(dòng)變道超車的情況。

圖10為場(chǎng)景模擬結(jié)果，可見車輛1在距離車輛2約20 m距離時(shí)，檢測(cè)到前方慢速車輛2阻擋前行，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變換車道后超車行駛的過程。

2.2 場(chǎng)景二

本次場(chǎng)景模擬中，車輛采用文獻(xiàn)［4］所述的“北斗”導(dǎo)航車速引導(dǎo)方法，模擬對(duì)比車輛1（具有車速引導(dǎo)功能）和車輛2（不具有車速引導(dǎo)功能）在通過交通路口時(shí)的情況。

如圖11為場(chǎng)景模擬結(jié)果，可見車輛1在距離紅綠燈約500 m時(shí)進(jìn)入引導(dǎo)區(qū)，根據(jù)“北斗”導(dǎo)航車速引導(dǎo)提前調(diào)整車速，使得其在通過路口時(shí)剛好綠燈通過。而車輛2因?yàn)椴痪邆滠囁僖龑?dǎo)功能，在到達(dá)路口時(shí)碰上紅燈，需要停車等待，通行效率不如車輛1。

3 結(jié)語

本文介紹了一種智能交通場(chǎng)景的虛擬仿真系統(tǒng)，并采用Python語言編程實(shí)現(xiàn)了該仿真系統(tǒng)的基本功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該仿真系統(tǒng)具備模擬若干智能交通場(chǎng)景的功能，可以為智能交通相關(guān)技術(shù)研究、教育教學(xué)提供一定的幫助。本文研究還有不足之處，如沒有實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景可視化展示。后續(xù)研究可將該虛擬仿真引擎與Unity 3D等圖形引擎相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能交通場(chǎng)景的可視化虛擬仿真。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡 銘，徐 朋，黃 敏，等.智能交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建［J］.中國(guó)教育信息化，2019（2）：49-51.

［2］李 朔. 分布式戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學(xué)，2023.

［3］陳杰威，劉 丹，黃海麗，等.基于智能輔助駕駛的車速引導(dǎo)方法［J］.西部交通科技，2023（9）：172-174，185.

［4］陳杰威，鄭欣悅，劉 丹，等.北斗系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境下的車速引導(dǎo)效能分析［J］.西部交通科技，2022（9）：146-148，205.