车联网仿真测试的研究与分析

车联网仿真测试的研究与分析

作者：王旭东陈海花李国栋王卫东

来源：《中国科技纵横》2019年第15期

摘要：简述车联网行业技术发展的趋势，介绍了车联网仿真测试的方法和内容，对车联网仿真工具和仿真建模进行了详细研究，并通过仿真案例说明测试的意义。

关键词：车联网；车辆间通信；SUMO；VEINS

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0017-06

0 引言

车联网是汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业的深度融合的新业态形式。2017年9月工信部发布的《车联网白皮书（2017）》对车联网的技术路线、关键技术、系统架构等方面都提供规划。2018年4月工信部、公安部和交通运输部三部委联合发布了《智能网联汽车道路测试管理规范》，该规范对智能网联测试的主体、车辆、测试管理等多个方面进行了详细规定。车联网技术越来越受到行业关注和深入研究。

车联网测试技术是车联网整个技术中验证、测试和性能评估的重要环节，测试车联网在各种实际场景中都可以安全、可靠和高效的工作。车联网测试的主要目标是评估车联网协议和应用性能，常用的测试方法现场运行试验（Field Operational Test，简称FOT）和仿真试验两大类。现场运行试验是最直观和有效的测试方法，但由于测试受成本因素、环境因素、可重复性、安全性和法律许可等多方面因素的制约，使得仿真技术在车联网测试评估中得到长足发展。本文将对车联网仿真测试的概念和内容进行介绍，对车联网仿真测试仿真工具和仿真建模标进行详细研究和分析，并列举测试案例。

1 仿真测试内容与方法

1.1 概念和策略

1.1.1 仿真测试介绍

仿真测试是选用一种编程语言，通过编程方式实现测试模型、定制运动环境和测试指标三个部分。

通常选型的编程语言或平台被称之为仿真工具。仿真工具是仿真测试基础，对测试的时间效率、数据精确度和模型建立的容易程度影响最大。车联网仿真平台主要由网络仿真工具和道路交通仿真工具组成。

车联网仿真模型车辆运动仿真相对于人类移动模型更复杂和难以重现，车辆移动仿真需要体现车辆跟随状态，变车道超车状态，复杂交汇路口等状态。需要建立和反映人类行为的模型，如驾驶员对交通信号灯的反应及反应时间；车辆之间通信受到大型建筑物及周边车辆的干扰和限制。

仿真测试指标的合理性、可比性和可重复性也是仿真测试中一个重要问题。车联网的多业态融合性使其复杂度和冗余度大大升高，使得仿真试验的可比性和重复性变的非常难以实现。

1.1.2 仿真测试的影响因素

仿真测试是对客观自然世界的抽象化和模型化，其测试结果的准确收到诸多因素的影响，其中主要的几个影响因素包括：车辆移动模型、通信信道模型和车辆间通信（Inter-Vehicle Communication，简称IVC）的模型。

1.2 仿真软件

车联网仿真主要由网络仿真工具和道路交通仿真工具两类组成。

1.2.1 网络仿真

网络仿真工具采用离散时间仿真方式（Discrete-event Simulation，简称DES），仿真器提供有序的预定时间序列，每个时间被安排在特定的仿真时间进行触发，触发通常改变仿真的状态和触发相应规划的新事件。事件可以代表设置的任何事件，例如：车辆正在接受交通灯控制器的信息，或电信号从0V到5V的电压水平。

网络仿真中的三种主流仿真器分别是ns-3、OMNeT + +和JiST。表1网络仿真器一览表对网络仿真器的程序语言、默认模型库和编程语言等进行行了介绍。

ns-3是历史最悠久的仿真器，ns-3没有是没有集成开发环境和图形处理环境，仿真器数据记录到存储器后，利用网络动画工具和Wireshark对运动轨迹进行可视化模拟再现。ns-3典型特征是可以无缝被测试平台或者整合测试平台。

OMNeT + +的开发始于1992年，是一款开源付费软件。OMNeT + +是搭载可选的集成开发环境的完整仿真环境，支持手动编写模型代码、批处理模式和图形界面的运行方式等，OMNeT + +最新版本发展到目前是V4.6，典型的OMNeT + +模型库的例子有用于精确多信道多技术物理层建模的MiXiM，融合网络仿真的Over-Sim及车载网络仿真的Veins工具。

JiST是三个网络仿真测试工具中发展最晚的，JiST是Java in Simulation Time的简称，开发用来作为SWANS无线自组织网络仿真器的基础。

1.2.2 道路交通仿真

道路交通仿真的软件根据测试所需要的颗粒度，提供相应的模型，包括构造运动模型约束，交通模型等。道路交通仿真工具主要按照时序步进的方法，以固定的时间增量推进仿真测试的进程，车辆的运动状态、交通信号灯控制器状态和道路状态都会随时序不断计算更新。

目前存在的较成熟的道路交通仿真器有SUMO、Vissim、PARAMICS、TransModeler、TRANSIM等。最常用的两款软件是SUMO和Vissim。

SUMO（Simulation of Urban Mobility的简称）是车联网研究中最热门的道路交通仿真工具包。SUMO诞生于2000年，其界面如图1所示，軟件采用EPL（Eclipse Public License）公共许可协议的开源软件，目前SUMO逐渐发展成为一个多模式仿真工具包，包含了交通仿真引擎、综合网络生成工具。SUMO最吸引测试用户的基于GUI图形界面下的微观交通仿真器，研究人员可以对仿真测试运行中的道路数据交互修改。该软件还支持IDM（Intelligent Driver Model的简称）、Kerner三相模型和Wiedemann模型等不同汽车运动模型的选择。

Vissim是一款运行在Windows平台上的交通仿真工具，其开发仿真界面如图2所示，Vissim的微观交通仿真器是基于Wiedemann的汽车运动模型，并对其进行完善和扩展后的多模式仿真工具。同时，Vissim可以模拟车辆可视度和人类感知与单个行人的运动仿真。Vissim 支持图形化编辑、需求建模、网络和模型的导入、2D/3D仿真视频渲染等功能。

2 IVC仿真平台

IVC网络仿真平台都是基于网络仿真工具和道路交通仿真工具建立起来的，不同的平台对两种仿真工具的深度耦合采用不同的解决方案，目前一般根据耦合结构将网络仿真平台分为分离式、嵌入式、双耦合式和集成式四类。

下面我们介绍双耦合式IVC仿真框架中最为成功的三个平台：Veins、iTetris和VSimRTI。

2.1 Veins

Veins（Vehicle In Network Simulation的简称）仿真框架的结构如图3所示。

Veins基与1.2.1的网络仿真工具OMNeT + +和1.2.2道路交通仿真工具SUMO。OMNeT + +调度仿真执行控制、数据信息采集和测试事件，其基于MiXiM的模型库提供电磁波的DES 抽象，提供多通道多方式传播的干扰影响。Veins支持IEEE IVC栈协议模型、模拟ETSI ITS-G5协议栈信道模型、IEEE 802.11p、IEEE 1609.4DSRC/WAVE、集成蜂窝网络模型库。Veins 允许网络交通和道路交通双向耦合，通过SUMO提供多种车辆移动模型，SUMO的TraCL服务器运行测试实例与Veins进行实时交互，保证移动仿真移动模型的实现。

2.2 iTetris