基于VISSIM和MATLAB的车联网仿真平台构建方法与流程

本发明属于交通工程技术领域，具体涉及一种基于vissim和matlab的车联网仿真平台构建方法。

背景技术：

随着车联网技术(车路协同、车车协同)的发展，为采集更丰富全面的交通信息创造了条件。车联网技术通过路侧设施与车载装置之间、车载与车载装置之间进行无线通讯，不仅能实时收集车辆位置和速度信息，还可以收集交通信号控制的输出数据包括车辆的延误和排队等信息，为交通信号动态配时方法的发展提供了机遇。同时，与车联网技术应用相关的各种新交通模型的研究也随之展开。但这些研究目前的共同难点都在于如何验证新交通模型的有效性。通常，可以通过以下三种方法来验证：一是现场试验，其是最直接有效的验证方法之一，但其成本高，可行性差；二是通过数学模型验证，其具有计算简单方便，但往往对实际交通运行状况做了过多的简化，结果可信度低；三是，通过微观仿真软件搭建与现实类似的场景，验证新交通模型的有效性，由于其考虑到了现实情况和新模型的特点，所以被认为目前最有效的方法。

目前，关于vissim二次开发相关的文献不多，且大多集中在vissim与excelvba，或者多种语言的混和调用上。特别是涉及实现复杂算法时，excelvba、vc++、vb、java等编程语言由于其不包含函数库，很多基础函数都需要自己编写，工作量较大，效率较低。

技术实现要素：

本发明的发明目的是：为了解决直接对vissim二次开发编程难度大、耗时长且实现复杂控制算法困难等问题，本发明提出了一种基于vissim和matlab的车联网仿真平台构建方法。

本发明的技术方案是：一种基于vissim和matlab的车联网仿真平台构建方法，包括以下步骤：

a、利用vissim仿真模拟车辆运行并提取各种交通运行性能指标，创建仿真路网同时保存路网到存储目录；

b、在vissim中对vissimcom接口对象进行注册，并在matlab中创建vissimcom服务接口；

c、利用matlab通过步骤a中保存的路网存储目录加载路网，并设置仿真参数；

d、利用matlab运行仿真，在仿真过程中通过vissimcom服务接口实时获取交通对象及其动态信息，计算交通模型优化结果，并将优化结果反馈至vissim中；

e、利用vissim根据优化结果对交通对象进行优化控制。

进一步地，所述步骤a中利用vissim对城市交通和公共交通运行进行交通仿真建模。

进一步地，所述步骤d中matlab通过创建的vissimcom服务接口与vissim进行数据交互。

进一步地，所述步骤d中计算交通模型优化结果具体为：

利用matlab通过创建的vissimcom服务接口与vissim进行数据交互，实时获取交通对象及其动态信息，利用交通模型对获取的交通对象及其动态信息进行计算，得到交通对象的优化结果。

进一步地，所述交通模型包括交通对象优化模型和控制模型。

本发明的有益效果是：本发明利用vissim仿真模拟车辆运行并提取各种交通运行性能指标，而matlab为主控程序，通过vissimcom接口获取vissim中的交通对象和相关的动态信息，并实现各种交通优化模型和控制算法，最后将优化结果通过vissimcom接口反馈到vissim中，实现了对vissim中对象的控制和优化，大大降低了编程代码工作量，同时可以测试各种交通模型和算法的效果，具有很强的实用性，对未来各种智能交通模型和控制算法的开发有着重要的意义。

附图说明

图1为本发明的车联网仿真平台构建方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中车联网仿真平台示意图；

图3为本发明实施例中车联网仿真平台接口原理示意图；

图4为本发明实施例中基于车联网仿真平台的车辆速度引导流程示意图；

图5为本发明实施例中基于车联网仿真平台的车辆速度引导实现示意图；

图6为本发明实施例中车辆时空轨迹图；

图7为本发明实施例中车辆时空轨迹的优化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的车联网仿真平台构建方法的流程示意图。一种基于vissim和matlab的车联网仿真平台构建方法，包括以下步骤：

a、利用vissim仿真模拟车辆运行并提取各种交通运行性能指标，创建仿真路网同时保存路网到存储目录；

b、在vissim中对vissimcom接口对象进行注册，并在matlab中创建vissimcom服务接口；

c、利用matlab通过步骤a中保存的路网存储目录加载路网，并设置仿真参数；

d、利用matlab运行仿真，在仿真过程中通过vissimcom服务接口实时获取交通对象及其动态信息，计算交通模型优化结果，并将优化结果反馈至vissim中；

e、利用vissim根据优化结果对交通对象进行优化控制。

在步骤a中，本发明的vissim是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以城市交通和公共交通运行的交通建模。它可以分析各种交通条件下，如车道设置、交通构成、交通信号和公交站点等，城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。

如图2所示，为本发明实施例中车联网仿真平台示意图。本发明利用vissim对城市交通和公共交通运行进行交通仿真建模，在vissim工作空间中对车辆、仿真、评价、图形等信息进行处理，其中包括常用信息：路网信息、配时方案，状态信息：车辆状态、信号状态，评价信息：车辆延误、排队长度等。

在步骤b中，本发明为了能在matlab中成功调用vissim仿真软件，在使用com接口前先对vissimcomserver进行适当的注册，具体为：在安装vissim时，安装vissimcomserver，并对com接口进行注册。vissimcomserver是vissim与其他程序的通信接口，成为交换数据和通讯的中介。vissimcomserver注册后，在matlab中创建vissimcom服务接口，即可在matlab中实现与vissim交互，只需在matlab代码中定义对象变量，再创建一个vissim对象并赋予该变量即可。

当采用vissim进行微观仿真时，在仿真过程中往往不能改变仿真中预先设置的参数，如：流量、车辆速度和信号配时参数等；同时也不能实时获取路网信息、车辆信息、信号配时方案和评价信息等。因此，这种情况下，vissim在仿真时不能跟外界发生互动，不能满足较为复杂的交通场景仿真和交通模型的开发。为了能够评估各种交通场景和验证交通模型的效果，本发明利用vissim的com接口技术，即将vissim中的各种对象与外部编程语言联系起来，可以利用外部编程语言matlab实现对vissim中对象的访问、修改和控制，从而实现两者的互动。

本发明利用vissim微观仿真软件为其他编程工具提供了二次开发接口vissimcomserver，获取对象的各种属性信息，同时使用对应对象的方法，可以修改一些属性信息等。vissimcomserver接口技术为外部编程工具提供了访问vissim内部各种对象的途径，如根据外部程序生成、获取和修改路网数据、车辆数据、信号配时参数、仿真参数和评价结果等。这种二次开发技术也是当前微观交通仿真软件的一个重要发展趋势，利用二次开发技术可以使研究人员对仿真的干预更加主动和有效，使得基于仿真的研究和分析更接近现实。在vissim仿真软件中，其设计思路为面向对象的思路，其中所有元素均可以用与之对应的对象来描述，其中对象都有自己的属性和方法。通过vissimcomserver可以获取对象的各种属性信息，同时使用对应对象的方法，可以修改一些属性信息等。如信号配时方案中，可以实时获取当前的信号配时方案，各个信号灯的灯色等，同时，也可以修改当前信号配时方案和灯色。而在车联网环境下，可以实时获取车辆的各种属性信息，如：id、位置、速度和加减速度等，同时也可以修改车辆的速度和加减速度等。

在步骤c中，本发明利用matlab通过vissimcom服务接口获取步骤a中保存的路网存储目录，matlab通过路网存储目录加载路网，并设置相关的仿真参数。

在步骤d中，本发明的matlab可以通过vissimcom接口获取vissim中的各种信息，如：路网信息、信号配时方案、车辆信息、信号灯的实时状态、车辆延误、排队长度和停车次数等信息，并将这些信息实时存储在matlab的工作空间中。同时，根据实时获取的这些信息，如：车辆位置、速度和信号灯状态，构建车速引导模型。通过车速控制方法减少车辆在交叉口的停车延误。也可通过实时获取流量信息，实现交叉口的自适应信号配时优化。如图3所示，为本发明实施例中车联网仿真平台接口原理示意图。

本发明利用matlab通过创建的vissimcom服务接口与vissim进行数据交互，实时获取交通对象及其动态信息，利用交通模型对获取的交通对象及其动态信息进行计算，得到交通对象的优化结果。

在步骤e中，本发明利用vissim根据步骤d中利用matlab计算得到的优化结果对交通对象进行优化控制。

本发明结合vissim和matlab接口技术，搭建基于vissim和matlab的车联网仿真平台。利用vissim微观交通流仿真能力和matlab实现复杂的各种交通模型算法的能力，构建各种先进的智能控制算法平台。利用matlab强大的计算能力计算交通模型的优化结果，再通过vissimcom接口反馈到vissim中，实现对vissim路网中信号灯或车辆的控制，同时也可通过vissimcom接口实时获取各种评价指标，反馈到交通模型中，修正交通模型中的相关参数。

本发明结合vissim和matlab接口技术，利用vissim微观交通流仿真能力和matlab实现复杂的各种交通模型算法的能力，构建各种先进的智能控制算法仿真平台。

本发明利用matlab强大的计算能力计算交通模型的优化结果，再通过vissimcom接口反馈到vissim中，实现对vissim路网中信号灯或车辆的控制，同时也可通过vissimcom接口实时获取各种评价指标，反馈到交通模型中，修正交通模型中的相关参数。

本发明中搭建的车联网仿真平台可以实现各种先进的交通模型和控制算法，该平台构建方法仅采用了两种常用软件，通用性强且易于实现，对未来各种智能交通模型和控制算法的开发有着重要的意义。与直接采用vba、vb、vc、java等编程语言相比，本发明的方法能够更快速地搭建车联网仿真平台和实现车联网环境下的各种算法，减少编程代码工作量。通过发挥这两种软件的优势，可以测试各种交通模型和算法的效果，具有很强的实用性。未来可在该平台上实现各种更为复杂的交通控制算法，如基于车联网环境的城市交叉口自适应交通控制算法和智能车辆导航等。

下面本发明以基于车联网仿真平台的车辆速度引导实现为例，对本发明的车联网仿真平台构建方法作进一步说明。如图4所示，为本发明实施例中基于车联网仿真平台的车辆速度引导流程示意图。

在步骤a中，本发明利用vissim仿真模拟车辆运行并提取各种交通运行性能指标，创建仿真路网同时保存路网存储目录；

在步骤b中，本发明首先需要对vissim中的com接口对象进行注册，然后在matlab中创建vissimcom服务接口，以64位vissim8.0为例，创建服务接口代码为“vissim＝actxserver('vissim.vissim-64.800')”；

在步骤c中，本发明创建vissimcom服务接口后，matlab根据步骤a中保存的路网存储目录直接加载vissim路网；

在步骤d中，利用matlab运行仿真，在仿真过程中通过vissimcom服务接口实时获取需要的相关交通信息，如车辆信息、信号灯状态信息等；再通过获得的信息结合车辆速度优化模型，优化车辆速度，并将优化后的车辆速度通过vissimcom接口反馈到vissim中；

在步骤e中，本发明利用vissim根据优化后的车辆速度实现对车辆速度的引导和控制。

根据当前信号灯的状态、各车辆的位置、信号配时方案和交叉口饱和流率等信息，在matlab中构建车速优化模型，优化车辆通过交叉口的理想时间，并结合车辆的最小、最大速度和加速度等，计算出每辆车的最优速度取值。最后通过vissimcom接口，将每辆车的车速设置为各自的最优速度值，以达到其不停车通过交叉口的目的。

基于vissim和matlab的车联网仿真平台实现如图5所示，左边为vissim软件界面，实现了交通流的动态仿真；右边为matlab软件，其为主控程序，实现了数据存储，算法实现等功能。其中，每一个仿真步长都会通过算法计算车辆的最优车速，并实时反馈到vissim中，从而实现对车辆速度的控制和优化。

优化前、后的车辆时空轨迹分别如图6、7所示。由图7可知，通过对车辆速度的优化，基本实现了车辆不停车通过交叉口，即将车辆停车次数降得很低，车辆几乎没有停车。优化前，由于车辆随机到达交叉口，当交叉口红灯时，需要停车等待。但通过实时获取车辆位置信息和信号灯的状态，可通过控制车辆速度，使车辆到达交叉口时，交叉口信号正处于绿灯且没有车辆排队，从而实现车辆不停车通过交叉口。本发明在基于vissim和matlab的车联网仿真平台上实现了一个简单的车速引导方法，其效果非常明显。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。