面對(duì)進(jìn)入自動(dòng)駕駛仿真的IT巨頭，PTV VISSIM還有優(yōu)勢(shì)嗎？

自動(dòng)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(dòng)駕駛時(shí)代（或智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)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(wàn)物互聯(lián)，汽車仿真和交通仿真需要越來(lái)越多的協(xié)同和融合。

通過(guò)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(dòng)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(píng)估的場(chǎng)景，以及自動(dòng)駕駛車輛將來(lái)用于出行服務(wù)方面的研究。對(duì)于自動(dòng)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(lái)模擬連續(xù)車道和交叉路口的交通情況。微觀交通仿真對(duì)于自動(dòng)駕駛尤其重要。

自動(dòng)駕駛仿真產(chǎn)業(yè)鏈可以簡(jiǎn)單分類如下圖：

來(lái)源：佐思汽研

上圖的每個(gè)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(dòng)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(gòu)）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(guò)產(chǎn)品對(duì)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(gè)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(dòng)力學(xué)仿真軟件 CarSim、CarMaker、VeDYNA 的兼容對(duì)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(lái)自7個(gè)國(guó)家的15個(gè)合作方組成，包括德國(guó)PTV Group、法國(guó)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(duì)接運(yùn)行。其中的場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)是在海爾蒙德市的測(cè)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(dòng)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(guò)收購(gòu)，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(chǎng)景庫(kù)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(dòng)駕駛發(fā)展浪潮中保持自身優(yōu)勢(shì)呢？佐思汽研和擅長(zhǎng)交通流仿真的PTV Group 中國(guó)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(guó)PTV集團(tuán)成立于1979年，總部設(shè)在德國(guó)的卡爾斯魯厄爾市。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，已經(jīng)在美國(guó)、法國(guó)、瑞士、荷蘭、比利時(shí)、澳大利亞、新加坡、阿聯(lián)酋、中國(guó)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(gè)，分布在127個(gè)國(guó)家，在中國(guó)有超過(guò)550位客戶，客戶主要來(lái)自交通行業(yè)，如設(shè)計(jì)院、政府、交警、大學(xué)等。近兩年隨著自動(dòng)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(shí)捷汽車控股公司最終以3億多歐元收購(gòu)了PTV集團(tuán)100%的股份。PTV Group被收購(gòu)了以后，仍然保持獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，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(chǎng)等，也可以在一個(gè)仿真場(chǎng)景中模擬包括機(jī)動(dòng)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(gè)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(chǎng)以來(lái)，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(dòng)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(duì)接，也可以是車輛調(diào)度軟件、車輛感知軟件、汽車動(dòng)力學(xué)軟件和VISSIM對(duì)接。無(wú)人駕駛算法通過(guò)接入 VISSIM的方式，使用模擬的高動(dòng)態(tài)交通環(huán)境進(jìn)行仿真測(cè)試。

近十年來(lái)， VISSIM軟件在全球研究自動(dòng)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(guó)汽車企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)以及出行科技公司在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域研究的深入， VISSIM在自動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此， VISSIM我國(guó)應(yīng)用廣泛， VISSIM已成為國(guó)內(nèi)最流行的微觀交通仿真軟件，也成為國(guó)內(nèi)仿真平臺(tái)必選的仿真核心軟件。

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

01

整合小汽車、公交車、貨車、自行車、電動(dòng)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(dòng)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(gè)工具里進(jìn)行整合仿真，每個(gè)仿真步長(zhǎng)，車和車之間，車和人之間都有相互關(guān)系。

VISSIM模擬一個(gè)城市交叉口的場(chǎng)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(duì)于路網(wǎng)，VISSIM 支持手動(dòng)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(guò) 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(duì)于車企用戶是非常有用和高效的。例如通過(guò) 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(zhǎng)模擬車輛的交通流，也非常擅長(zhǎng)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(hào)控制方案、可變信息板等。

對(duì)于車路協(xié)同的仿真，對(duì)于模擬V2X，VISSIM有很多應(yīng)用案例，下圖是德國(guó)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(guó)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(chǎng)景里，比如機(jī)場(chǎng)、停車場(chǎng)、交通樞紐、貨運(yùn)倉(cāng)庫(kù)、MAAS 的上下客車站等等。目前VISSIM 可以對(duì)接眾多流行仿真軟件（如下圖所示）。

VISSIM可以對(duì)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(chǎng)的靜態(tài)交通運(yùn)行，以及樞紐上人車之間的互動(dòng)關(guān)系，因此，可以為自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試提供更加豐富全面的場(chǎng)景選擇，不是只局限于道路駕駛的場(chǎng)景。 通過(guò) COM 接口，可以結(jié)合檢測(cè)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(chǎng)景。

VISSIM多場(chǎng)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(shí)段運(yùn)行的車輛分布和明天這條道路上同一時(shí)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(shí)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(gè)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇；

停留時(shí)間是從一個(gè)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇等等。

近年來(lái)，針對(duì)自動(dòng)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(cuò)誤的現(xiàn)象，錯(cuò)誤出現(xiàn)的比例由用戶設(shè)定，至于錯(cuò)誤行為出現(xiàn)在哪條路段的哪個(gè)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(hào)控制方案的現(xiàn)象、駕駛員超速的現(xiàn)象、行駛時(shí)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(lái)搭建各種甚至是極端的需要測(cè)試的交通流測(cè)試環(huán)境，而這些極端的場(chǎng)景恰恰在真實(shí)的世界里是不能隨意測(cè)試的。

VISSIM里可以模擬駕駛失誤的幾種場(chǎng)景

05

支持機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)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(guò)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(dòng)態(tài)調(diào)整的，由后一輛車的司機(jī)隨時(shí)修正的。德國(guó) 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(guó)很多城市，普遍存在小汽車和自行車、助動(dòng)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(lái)。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(gè)功能的軟件。

對(duì)于三種駕駛行為，VISSIM 提供了對(duì)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(guò)對(duì)應(yīng)的駕駛行為編輯窗口，用戶可以修改參數(shù)來(lái)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(dòng)駕駛列隊(duì)跟馳（Platooning）

高速公路上的自動(dòng)駕駛車隊(duì)，將是落地較快的一種自動(dòng)駕駛應(yīng)用場(chǎng)景。為此，VISSIM 在軟件里新添了“車隊(duì)”這個(gè)編輯對(duì)象，用戶可以設(shè)置車隊(duì)允許自動(dòng)編隊(duì)的條件閾值，以及車隊(duì)允許自動(dòng)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(duì)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(duì)于編隊(duì)行駛，在仿真時(shí)候，VISSIM 定義在車隊(duì)內(nèi)部，所有的車輛不能換道，同時(shí)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(lái)不及完全通過(guò)的狀況下，車隊(duì)會(huì)自行拆散；

一旦車隊(duì)里的車輛準(zhǔn)備離開車隊(duì)的時(shí)候（比如在高速公路里需要進(jìn)入匝道，離開高速公路的時(shí)候），在 VISSIM 的交通仿真里，該車輛會(huì)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(hào)燈時(shí)間；Optima實(shí)時(shí)管理整體交通路網(wǎng)；Viswalk模擬和仿真行人行為；MaaS Modeller計(jì)算用戶“出行服務(wù)”商業(yè)案例的運(yùn)行效果。 隨著自動(dòng)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(dòng)駕駛的諸多場(chǎng)景。

08

PTV產(chǎn)品和IT巨頭的仿真平臺(tái)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(lái)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(hào)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(lái)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(tái)采用。

對(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)，解決自動(dòng)駕駛車輛和其他道路使用者之間的交互仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的仿真器較少考慮雙方的相互作用。舉例來(lái)說(shuō)，在Apollo仿真平臺(tái)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(shí)地對(duì)車輛做出反應(yīng)。雖然在CARLA 中引入了動(dòng)態(tài)行人，但是車輛與行人之間的交互是以一種簡(jiǎn)單的預(yù)先指定的方式進(jìn)行處理：行人在移動(dòng)之前會(huì)查看附近是否有車輛，然后在沒(méi)有進(jìn)一步檢查的情況下繼續(xù)移動(dòng)，這種交互模式還過(guò)于簡(jiǎn)單，需要再深入研究。

為了逼近真實(shí)交通場(chǎng)景，自動(dòng)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(shí)，算力成為瓶頸，尤其是在進(jìn)行大規(guī)模仿真時(shí)。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(dòng)自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)的發(fā)展，加快自動(dòng)駕駛的落地進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

1. 51VR等：《中國(guó)自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)研究報(bào)告（2019）》；

2. 中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)等：《中國(guó)自動(dòng)駕駛仿真藍(lán)皮書（2020）》；

3. 智能交通前沿科技：《交通流仿真綜述》《微觀交通仿真軟件分析比較》

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

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

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

編輯：jq