自動駕駛仿真的重要性不言而喻，百度、騰訊、華為、WAYMO等巨頭都已經(jīng)投入研發(fā)。

傳統(tǒng)意義上，汽車仿真和交通仿真是分開研究的。在自動駕駛時代（或智能網(wǎng)聯(lián)汽車時代），由于逐步實(shí)現(xiàn)車輛聯(lián)網(wǎng)、車車通信、車路協(xié)同、萬物互聯(lián)，汽車仿真和交通仿真需要越來越多的協(xié)同和融合。

通過在擁有豐富的不同道路使用者之間交互的模擬交通流中進(jìn)行訓(xùn)練，自動駕駛汽車才能獲得在復(fù)雜的城市環(huán)境中處理復(fù)雜交通條件的能力。交通流仿真又分為宏觀交通仿真，微觀交通仿真等。宏觀交通仿真是模擬大規(guī)模路網(wǎng)運(yùn)行能力和狀況的有效工具，一般比較適合應(yīng)用交通管理措施評估的場景，以及自動駕駛車輛將來用于出行服務(wù)方面的研究。對于自動駕駛車輛的驗(yàn)證，目前微觀交通仿真的手段用的多。微觀交通仿真的目的是描述特定的車輛行為，因此可以用來模擬連續(xù)車道和交叉路口的交通情況。微觀交通仿真對于自動駕駛尤其重要。

自動駕駛仿真產(chǎn)業(yè)鏈可以簡單分類如下圖：

來源：佐思汽研

上圖的每個節(jié)點(diǎn)，都有若干的企業(yè)或機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究，從而構(gòu)成龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。深入分析自動駕駛仿真產(chǎn)業(yè)鏈，佐思汽研發(fā)現(xiàn)并存著兩種模式：一種是一體化仿真，另一種是聯(lián)合仿真。一體化仿真是指巨頭企業(yè)利用資金實(shí)力（自研或并購）打通產(chǎn)業(yè)鏈，形成盡量獨(dú)立且全面的仿真能力；而聯(lián)合仿真則是不同仿真企業(yè)之間緊密合作，通過產(chǎn)品對接，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)。

由于汽車和交通仿真的復(fù)雜性，傳統(tǒng)仿真企業(yè)基本都是獨(dú)立研發(fā)某一子系統(tǒng)（或軟件模塊），然后相互之間開放接口，最終以聯(lián)合仿真的模式實(shí)現(xiàn)某個仿真項(xiàng)目。如多數(shù)傳感器仿真軟件，都能實(shí)現(xiàn)與車輛動力學(xué)仿真軟件 CarSim、CarMaker、VeDYNA 的兼容對接。 歐洲CoExist項(xiàng)目也是聯(lián)合仿真的案例之一。CoExist項(xiàng)目由來自7個國家的15個合作方組成，包括德國PTV Group、法國VEDECOM、Renault，西門子TASS和斯圖加特大學(xué)等。

下圖是項(xiàng)目的工作流程：

CoExist項(xiàng)目的聯(lián)合仿真是在VEDECOM控制邏輯，西門子的Prescan軟件和微觀仿真軟件PTV Vissim之間實(shí)現(xiàn)的對接運(yùn)行。其中的場地數(shù)據(jù)是在海爾蒙德市的測試道路上結(jié)合實(shí)際交通環(huán)境下采集得到，并進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)和自動駕駛的跟車行為特性。

隨著ANSYS，西門子等傳統(tǒng)仿真巨頭通過收購，騰訊、百度、華為等新興IT巨頭依靠龐大的資金實(shí)力，業(yè)務(wù)幾乎涵蓋了車輛及傳感器仿真，交通流仿真和場景庫建設(shè)。那么，專注于某一環(huán)節(jié)的仿真企業(yè)如何在自動駕駛發(fā)展浪潮中保持自身優(yōu)勢呢？佐思汽研和擅長交通流仿真的PTV Group 中國區(qū)總經(jīng)理沈暢進(jìn)行了交流。

微觀交通仿真的領(lǐng)先者PTV集團(tuán)

德國PTV集團(tuán)成立于1979年，總部設(shè)在德國的卡爾斯魯厄爾市。經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)在美國、法國、瑞士、荷蘭、比利時、澳大利亞、新加坡、阿聯(lián)酋、中國等地設(shè)立了分公司。其軟件和技術(shù)在世界上被廣泛應(yīng)用，全球的用戶達(dá)到5500個，分布在127個國家，在中國有超過550位客戶，客戶主要來自交通行業(yè)，如設(shè)計院、政府、交警、大學(xué)等。近兩年隨著自動駕駛的發(fā)展，開始有一些汽車相關(guān)客戶。

從2017年開始，保時捷汽車控股公司最終以3億多歐元收購了PTV集團(tuán)100%的股份。PTV Group被收購了以后，仍然保持獨(dú)立運(yùn)營，全球大概有900名員工，分布在五大洲，大概有28家公司。

VISSIM是 PTV 公司提供的一款世界領(lǐng)先的微觀交通流仿真軟件。VISSIM可以方便的構(gòu)建各種復(fù)雜的交通環(huán)境，包括大型環(huán)島，停車場等，也可以在一個仿真場景中模擬包括機(jī)動車，卡車，有軌交通和行人的交互行為。 VISSIM的仿真可以達(dá)到很高的精度，包括微觀的個體跟馳行為和變道行為，以及群體的合作和沖突。自1992年進(jìn)入市場以來，VISSIM 已經(jīng)成為最流行的交通流仿真軟件之一，其投入的深入研發(fā)力量和世界范圍內(nèi)的大批用戶保證了VISSIM 在同類軟件中處于領(lǐng)先地位。

PTV VISSIM在自動駕駛領(lǐng)域支持聯(lián)合仿真，聯(lián)合仿真可以是車輛通訊軟件跟VISSIM進(jìn)行對接，也可以是車輛調(diào)度軟件、車輛感知軟件、汽車動力學(xué)軟件和VISSIM對接。無人駕駛算法通過接入 VISSIM的方式，使用模擬的高動態(tài)交通環(huán)境進(jìn)行仿真測試。

近十年來， VISSIM軟件在全球研究自動駕駛技術(shù)的汽車廠商里得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在日本汽車企業(yè)中。近年，隨著中國汽車企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)以及出行科技公司在自動駕駛領(lǐng)域研究的深入， VISSIM在自動駕駛方面的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大。 根據(jù)智能交通前沿科技《微觀交通仿真軟件分析比較》文章中的分析， VISSIM具備明顯競爭優(yōu)勢。因此， VISSIM我國應(yīng)用廣泛， VISSIM已成為國內(nèi)最流行的微觀交通仿真軟件，也成為國內(nèi)仿真平臺必選的仿真核心軟件。

相對于其他自動駕駛仿真系統(tǒng)，PTV的軟件具有如下領(lǐng)先優(yōu)勢：

01

整合小汽車、公交車、貨車、自行車、電動車、摩托車和行人等交通參與者

在現(xiàn)實(shí)生活里的交通世界是復(fù)雜多樣的，道路上交通參與者種類眾多，有小汽車、公共汽車、貨車、自行車、電動車、摩托車和行人這些不同的交通工具或交通方式。VISSIM 軟件里可以放在同一個工具里進(jìn)行整合仿真，每個仿真步長，車和車之間，車和人之間都有相互關(guān)系。

VISSIM模擬一個城市交叉口的場景

02

支持路網(wǎng)自建和導(dǎo)入，支持V2X仿真

路網(wǎng)、控制和車輛是 VISSIM 軟件里涉及到的 3 大核心組成部分。 對于路網(wǎng)，VISSIM 支持手動創(chuàng)建路網(wǎng)，支持從 PTV 系列軟件中的宏觀軟件 PTV VISUM 和交通工程軟件 PTV VISTRO 中導(dǎo)入路網(wǎng)，也支持通過 Opendrive 格式導(dǎo)入已有的路網(wǎng)。

尤其是支持 Opendrive 格式的路網(wǎng)的導(dǎo)入，對于車企用戶是非常有用和高效的。例如通過 Prescan、Carmaker 搭建的路網(wǎng)，可以讀入 VISSIM 中，不需要重復(fù)創(chuàng)建一遍路網(wǎng)。

VISSIM 特有的路段和路段連接器的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，可以非常詳盡地模擬復(fù)雜交叉口的車流轉(zhuǎn)向。 VISSIM 不僅擅長模擬車輛的交通流，也非常擅長模擬路口的控制方式，包括限速標(biāo)志、讓行標(biāo)志、停止標(biāo)志、減速帶、交叉口信號控制方案、可變信息板等。

對于車路協(xié)同的仿真，對于模擬V2X，VISSIM有很多應(yīng)用案例，下圖是德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)（KIT）進(jìn)行Pre-Drive C2X項(xiàng)目的車車通訊的仿真結(jié)果截圖。

德國卡爾斯魯厄理工大學(xué)（KIT）的Pre-Drive C2X項(xiàng)目的結(jié)果截圖

03

軟件的功能性多樣，開放程度好

VISSIM 的開放程度非常好，所以軟件可用在多樣的場景里，比如機(jī)場、停車場、交通樞紐、貨運(yùn)倉庫、MAAS 的上下客車站等等。目前VISSIM 可以對接眾多流行仿真軟件（如下圖所示）。

VISSIM可以對接的仿真軟件舉例

VISSIM 可以仿真城市道路上的交通，也可以仿真停車場的靜態(tài)交通運(yùn)行，以及樞紐上人車之間的互動關(guān)系，因此，可以為自動駕駛仿真測試提供更加豐富全面的場景選擇，不是只局限于道路駕駛的場景。 通過 COM 接口，可以結(jié)合檢測器，設(shè)置一些變化的管理規(guī)則、變化的路徑指令，可以模擬基于條件改變路徑或者速度等的交通場景。

VISSIM多場景里的應(yīng)用舉例

04

提供大量隨機(jī)的選擇可能性，充分反映交通運(yùn)行的真實(shí)性

交通運(yùn)行本身包含了很多的隨機(jī)性，今天這條道路上同一時段運(yùn)行的車輛分布和明天這條道路上同一時段運(yùn)行的車輛分布不完全相同。為此，VISSIM 軟件本身提供了大量的隨機(jī)因素可以反映到軟件的仿真運(yùn)行里：

比如車輛輸入的泊松分布（就是在一定的時間內(nèi)，車輛進(jìn)入路網(wǎng)有著隨機(jī)性，不是統(tǒng)一一起進(jìn)入的）；

車輛類型在比例范圍內(nèi)的隨機(jī)出現(xiàn)；

速度和加速度選擇是從一個區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇；

停留時間是從一個區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇等等。

近年來，針對自動駕駛客戶的研究需要，VISSIM 軟件還為車企特別開發(fā)了在路網(wǎng)里隨機(jī)生成一些駕駛錯誤的現(xiàn)象，錯誤出現(xiàn)的比例由用戶設(shè)定，至于錯誤行為出現(xiàn)在哪條路段的哪個地方，VISSIM 可以隨機(jī)生成，比如一些駕駛員誤判交通標(biāo)志和信號控制方案的現(xiàn)象、駕駛員超速的現(xiàn)象、行駛時偏離中心線的現(xiàn)象、注意力不集中的現(xiàn)象。 以上提到的這些隨機(jī)的選擇可能性，可以提供給用戶豐富的手段，來搭建各種甚至是極端的需要測試的交通流測試環(huán)境，而這些極端的場景恰恰在真實(shí)的世界里是不能隨意測試的。

VISSIM里可以模擬駕駛失誤的幾種場景

05

支持機(jī)動車和非機(jī)動車混行模擬的交通流仿真軟件

車輛在道路上的駕駛行為一般分為三種：跟車行為，變道行為，橫向超車行為。

在真實(shí)世界里，車輛在行駛過程中，前、后車有跟車行為，在行駛中前、后兩輛車之間的距離是在動態(tài)調(diào)整的，由后一輛車的司機(jī)隨時修正的。德國 Wiedemann 教授提出 Car following 跟馳模型，把跟車行為又細(xì)分為自由、逼近、跟隨、剎車四種狀態(tài)。

橫向超車行為是指在中國很多城市，普遍存在小汽車和自行車、助動車在同一車道超車的現(xiàn)象，需要在交通仿真工具里體現(xiàn)出來。與其他的交通流仿真軟件相比，VISSIM 是目前唯一可以實(shí)現(xiàn)這個功能的軟件。

對于三種駕駛行為，VISSIM 提供了對應(yīng)的 Car following 跟車模型、變道模型和橫向超車行為模型，在軟件里可以模擬駕駛行為。通過對應(yīng)的駕駛行為編輯窗口，用戶可以修改參數(shù)來輸入符合當(dāng)?shù)亟煌{駛狀況的距離等參數(shù)。

VISSIM里的駕駛行為模型介紹圖

06

支持自動駕駛列隊(duì)跟馳（Platooning）

高速公路上的自動駕駛車隊(duì)，將是落地較快的一種自動駕駛應(yīng)用場景。為此，VISSIM 在軟件里新添了“車隊(duì)”這個編輯對象，用戶可以設(shè)置車隊(duì)允許自動編隊(duì)的條件閾值，以及車隊(duì)允許自動解散的條件閾值，從而模擬加入車隊(duì)、編隊(duì)行駛、離開車隊(duì)三種運(yùn)行狀態(tài)。

對于車輛加入編隊(duì)，VISSIM 軟件僅允許有著相同駕駛行為的車輛加入車隊(duì)；

對于編隊(duì)行駛，在仿真時候，VISSIM 定義在車隊(duì)內(nèi)部，所有的車輛不能換道，同時每輛車保持相同的車距，僅提供有限的加速度變化；

如果遇到紅綠燈，車隊(duì)來不及完全通過的狀況下，車隊(duì)會自行拆散；

一旦車隊(duì)里的車輛準(zhǔn)備離開車隊(duì)的時候（比如在高速公路里需要進(jìn)入匝道，離開高速公路的時候），在 VISSIM 的交通仿真里，該車輛會提前增加與前車和與后車的跟車距離后，自行離開車隊(duì)。

07

除了VISSIM ，PTV還有更全面的產(chǎn)品線支持

PTV集團(tuán)一直專注于做交通軟件和物流軟件，產(chǎn)品組合涵蓋了廣泛的軟件解決方案，如：Visum多模式出行規(guī)劃和宏觀交通模擬軟件；Vistro進(jìn)行交通影響分析，優(yōu)化信號燈時間；Optima實(shí)時管理整體交通路網(wǎng)；Viswalk模擬和仿真行人行為；MaaS Modeller計算用戶“出行服務(wù)”商業(yè)案例的運(yùn)行效果。 隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，PTV軟件組合也不斷拓展，以應(yīng)用于自動駕駛的諸多場景。

08

PTV產(chǎn)品和IT巨頭的仿真平臺是合作關(guān)系

目前有很多IT企業(yè)進(jìn)入仿真領(lǐng)域，通常利用算法來虛擬交通流數(shù)據(jù)。這種虛擬交通數(shù)據(jù)是用特定的、定義明確的障礙物和交通信號人工創(chuàng)建的，與真實(shí)的交通狀況相比，這些數(shù)據(jù)的真實(shí)性和復(fù)雜性不高。PTV具有大量來自于真實(shí)交通流的數(shù)據(jù)、模型及算法，可以彌補(bǔ)他們的不足。實(shí)際上，PTV產(chǎn)品已經(jīng)被多家IT巨頭的仿真平臺采用。

對于自動駕駛來說，解決自動駕駛車輛和其他道路使用者之間的交互仍然是一個挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的仿真器較少考慮雙方的相互作用。舉例來說，在Apollo仿真平臺中實(shí)現(xiàn)了兩種類型的非車輛交通參與者：行人和騎行者。然而，這些非車輛代理的行為是預(yù)先定義的，因此它們不能實(shí)時地對車輛做出反應(yīng)。雖然在CARLA 中引入了動態(tài)行人，但是車輛與行人之間的交互是以一種簡單的預(yù)先指定的方式進(jìn)行處理：行人在移動之前會查看附近是否有車輛，然后在沒有進(jìn)一步檢查的情況下繼續(xù)移動，這種交互模式還過于簡單，需要再深入研究。

為了逼近真實(shí)交通場景，自動駕駛仿真需要給大量參與車輛和其他道路使用者提供交互能力時，算力成為瓶頸，尤其是在進(jìn)行大規(guī)模仿真時。要解決這些挑戰(zhàn)，PTV將與產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)合作伙伴一起，共同推動自動駕駛仿真技術(shù)的發(fā)展，加快自動駕駛的落地進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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4. 汽車之家：肖瑩《目前仿真測試在自動駕駛領(lǐng)域的發(fā)展如何》

5. 焉知自動駕駛：居菲《歐洲自動駕駛仿真項(xiàng)目CoExist介紹》

6. 焉知自動駕駛：沈暢《VISSIM 交通流仿真軟件，自動駕駛技術(shù)的訓(xùn)練場》

編輯：jq