第7讲 智能车辆仿真与测试技术-SUMO

智能车辆仿真与测试技术张三讲师XXXX学院XXXX实验室

12026/10/32026/10/32上节课回顾上节课介绍了：PreScan与Simulink联合仿真实验PreScan的场景配置、传感器配置，Simulink算法配置联合仿真可视化第7讲SUMO智能车辆仿真与测试32026/10/301/概述02/主要模块简介03/基于TraCI的二次开发04/仿真测试实例目录/CONTENTS2026/10/340101/SUMO简介01/概述德国航空航天中心（TheGermanAerospaceCenter，GAC）早在2001年就开始开发开源交通仿真包城市交通模拟（simulationofurbanmobility，SUMO）。SUMO旨在模拟城市规模的交通道路网络。由于模拟是多模式的，这意味着不仅对城市内的汽车运动进行建模，而且对街道网络上的公共交通系统（包括替代火车网络，行人，公交车等）进行建模。2026/10/350101/SUMO简介01/概述SUMO是一个开源的、微观的、多模式的交通模拟软件。它主要用于处理大型网络，在表中交通模拟工具可分为四类分别为宏观、微观、中观、亚微观，其中SUMO是一种纯粹的微观交通模拟。每辆车都是明确给出的，例如车辆的标识符（名称）、出发时间和车辆通过路网的路线定义。可以对每辆车进行更详细的描述。可以定义出发和到达属性，例如要使用的车道、速度或位置。每辆车都可以分配一个类型，该类型描述车辆的物理属性和所使用的运动模型的变量。SUMO模拟可以处理大量的交通流量数据，管理多达一万条道路的网络，并且在使用较小算力的条件下运行，车辆更新速度可以达到十万次每秒。2026/10/360102/SUMO的基本架构01/概述SUMO由两个模块组成：NETEDIT和SUMO-GUI，分别负责仿真需求的构建和仿真的运行。TraCI提供了一个可开发的接口。2026/10/370102/SUMO的基本架构01/概述NETEDIT为可视化网络编辑器，其主要功能：创建和修改路网：直观手绘来创建路网信息，包括路网中的节点的坐标信息以及类型，道路的长宽以及车道数，以及交叉口的信号灯设置等。对于已经存在的路网，可以对路网中的元素进行编辑和调整。红绿灯设置：NETEDIT支持对交通信号灯的详细设置，包括初始化红绿灯、添加状态、修改各相位中的灯态等，以实现复杂的交通控制逻辑。2026/10/380102/SUMO的基本架构01/概述SUMO-GUI是一个图形化用户界面，提供了与SUMO仿真引擎交互的直观方式。以下是SUMO-GUI的主要功能：仿真配置与启动：通过图形界面加载和配置SUMO仿真配置文件（通常以.sumocfg为后缀）。用户可以直接拖拽配置文件到SUMO-GUI中，或者通过软件内的“打开”功能来加载文件。实时仿真与交互：SUMO-GUI支持实时仿真，用户可以在仿真运行时观察车辆、行人和交通信号等的动态变化。可视化与数据展示：SUMO-GUI提供了丰富的可视化选项，用户可以根据需要调整道路、车道、车辆和交通信号等的颜色和样式。仿真过程中，SUMO-GUI会实时展示各种交通数据，如车辆速度、密度、流量等，这些数据有助于用户评估仿真效果。导出与保存：用户可以将仿真结果导出为各种格式的文件，以便进行后续的数据分析和处理。SUMO-GUI还支持保存当前的仿真配置和视图设置，以便在下次仿真时重复使用。2026/10/390102/SUMO的基本架构01/概述TraCI是一个关键的交通控制接口，其功能主要体现在以下几个方面：实时交通信息获取：TraCI实时获取SUMO仿真中的车辆的位置、行驶路线、车速、当前仿真时间、路网中车辆数及车辆ID、某时段内进入和离开路网的车辆数、发生碰撞的车辆数及其ID等。仿真对象状态控制：通过TraCI接口实时修改/改变信号灯的状态（相位切换、持续时间调整）、改变车辆的速度、车道或行驶路线等。仿真数据交互：TraCI基于TCP/IP协议，采用客户端/服务器体系结构，提供对SUMO仿真的访问。服务器可以是由某种语言编写的脚本，通过该脚本控制仿真运行，并与客户端进行数据交互。支持多种编程语言：TraCI接口支持多种主流编程语言，包括Python、C++、.NET、MATLAB、Java等，这为不同背景和需求的用户提供了灵活的选择。2026/10/3100103/SUMO安装01/概述访问“https://eclipse.dev/sumo/”，在图中的文件下载页面选择相应的安装文件。以Windows系统为例，SUMO官方提供了两种安装方式，使用“.msi”文件进行安装可以进行计算机的引导安装程序并且配置SUMO的运行环境。双击运行下载完成的“.msi”文件，双击运行。2026/10/3110104/SUMO工作界面01/概述NETEDIT是一个网络编辑器，用于创建和修改SUMO路网以及生成车辆需求。如图中NETEDI编辑界面工具使得用户能够直观地设计和调整道路网络、交通信号、以及其他交通控制设施。核心功能：道路和节点编辑：创建、修改和删除道路和节点，调整道路的宽度、方向、连接性等。交通信号管理：在交叉口设计和配置交通信号灯，包括信号灯的时长、相位和控制逻辑。连接和优先级设置：编辑道路之间的连接关系，设定转向优先级，以及管理交通流的优先通行权。公共交通路线编辑：设计和调整公共交通线路，包括公交、轻轨等。2026/10/3120104/SUMO工作界面01/概述2026/10/3130104/SUMO工作界面01/概述A.属性窗口：显示当前选中的车道、信号灯、道路通行权或者是车辆的属性。可编辑这些属性，如设置车道的个数、道路可通行车辆类型最大加速度、车辆的颜色等。B.路网车辆生成：路网创建以及车辆创建工具。快捷工具：选择、绘制、编辑、捕捉、缩放、平移、红绿灯、双向车道等工具。C.状态栏：显示当前的操作的状态和信息，F5按键对视图窗口进行刷新。D.视图窗口：显示当前路网的可视化图像。用户可以通过鼠标或键盘进行交互，如选择节点和边，设置视图中心和缩放级别，显示节点和边的属性等。第7讲SUMO智能车辆仿真与测试142026/10/301/概述02/主要模块简介03/基于TraCI的二次开发04/仿真测试实例目录/CONTENTS2026/10/31502/主要模块简介SUMO路网文件描述了地图中与交通相关的部分、模拟车辆行驶或穿过的道路和交叉路口。从粗略的角度来看，如图所示SUMO网络是一个有向图，在有向图中，每条边通常由一个有序对（u，v）表示，其中u是边的起始顶点，v是边的结束顶点。这种有序性意味着从u到v存在一条边，并且这条边是单向的，即从u到v。0201/道路模块uv2026/10/31602/主要模块简介SUMO道路网络被编码为XML（可扩展标记语言），用于描述数据的结构和内容。内容按以下顺序分组：道路/边，即连接两个节点之间的道路段。交通灯逻辑，指控制交通信号灯的规则和策略。0201/道路模块(.net.xml)2026/10/31702/主要模块简介SUMO道路网络被编码为XML（可扩展标记语言），用于描述数据的结构和内容。内容按以下顺序分组：路口，车道通行权的定义。连接，各个路段、交叉口或节点之间的相互连接。0201/道路模块2026/10/31802/主要模块简介1.创建道路以道路十字路口为例，一个十字路口至少由5个节点，一个信号灯，以及每条道路的通行权定义而成。0201/道路模块2026/10/31902/主要模块简介1.创建道路选中快捷工具栏中的双向车道工具创建双向车道，或选中已绘制完成的单向边通过右键选择图6-8增添反向边的操作完成双向车道创建。0201/道路模块2026/10/32002/主要模块简介2.信号灯交通信号灯根据特定的时间序列或交通需求来变换不同的状态。这些时间序列和需求通常是由交通规划者根据交通流量、交叉口类型、行人需求等因素确定的，并且根据国际道路联盟（InternationalRoadFederation，IRF）的相关规定，绿灯后必须要有持续3秒种的黄灯以提高安全性。0201/道路模块2026/10/32102/主要模块简介3.道路通行权连接确定了车辆到达路口时可以采取的可能方向，如图6-10所示。创建新交叉口或修改其边时，将自动创建一组新连接并且可以自定义的进行修改。0201/道路模块2026/10/32202/主要模块简介4.探测器检测器用于保存通过车道上特定位置的车辆的相关信息。图6-11感应环路检测器（E1）收集的数据包含：由DETEDIT生成的ID参数、特定通道的位置、描述收集值的时间段、检测到的VTypes（车辆类型）列表以及告知模拟探测器应将其结果写入哪个文件。0201/道路模块2026/10/32302/主要模块简介4.探测器图6-12车道区域检测器（E2）的属性与E1感应环路具有相同的含义，包括自动识别车辆信息和特定通道的位置。图6-13多入口多出口探测器（E3）属性与感应环路检测器E1相同。不同之处在于，探测器E3具有进入/出口探测器作为子项。0201/道路模块2026/10/32402/主要模块简介4.探测器转播器表示一旦车辆移动到指定道路上，传播器就会更改车辆的路线，如图6-14所示。0201/道路模块2026/10/32502/主要模块简介1.车辆和路线可以使用NETEDIT直观地创建和编辑流量需求。所有这些应用程序最终都会创建XML定义。0202/车辆模块(.rou.xml)2026/10/32602/主要模块简介1.车辆和路线也可以通过手动定义需求文件来定义一辆具有属于它的路线的车辆，如下面的代码所示。其中vType可以依据表6-4中的可定义车辆属性选择性添加，否者视为默认。Vehicle车辆定义依据表6-3进行定义。0202/车辆模块2026/10/32702/主要模块简介1.车辆和路线还可以定义使用相同路线的车辆。在这种情况下，路线必须“外部化”并在车辆引用之前定义。此外，必须通过给定id来命名路线。使用该路线的车辆通过“路线（route）”属性引用该路线，如下代码所示。0202/车辆模块2026/10/32802/主要模块简介2.车流车流可以定义为重复的车辆，其中除出发时间外，具有与车辆或行程定义相同的参数。车流是在给定的时间间隔内平均或随机分布。具有表6-5的附加参数。车流可以定义它们的路线、车流类型、路径，代码如下所示。0202/车辆模块虽然流量和车辆定义可以任意混合，但路径文件始终必须按出发/开始时间进行排序。2026/10/32902/主要模块简介仿真模块负责执行仿真过程，它包括以下几个部分：网络模块：加载和管理交通网络的数据结构，包括道路、车道、交叉口、信号灯等。车辆模块：生成和更新车辆的状态，包括位置、速度、加速度、路由等。事件模块：处理仿真过程中的各种事件，包括车辆出发、到达、变道、停车等。输出模块：记录和输出仿真过程中的各种数据，包括车辆轨迹、行程时间、排放量等。0203/仿真模块(.sumocfg)2026/10/33002/主要模块简介0203/仿真模块(.sumocfg)在该仿真文件“.sumocfg”中，调用了路网文件和需求文件，仿真时间开始设置为0，仿真步长为0.1s，输出了仿真过程中所有车辆的速度、加速度、位置等信息，并且关闭了安全碰撞等相关设置。第7讲SUMO智能车辆仿真与测试312026/10/301/概述02/主要模块简介03/基于TraCI的二次开发04/仿真测试实例目录/CONTENTS2026/10/33203/车辆配置0301/TraCI接口简介TraCI（trafficcontrolinterface）是一个用于与交通仿真器SUMO进行交互的接口。它提供了一组功能丰富的API，用于控制和监视交通仿真环境中的车辆、道路和交通信号灯等元素。TraCI通过编程方式与SUMO进行通信，以实现各种交通仿真场景的分析、控制和评估。使用TraCI可以获取仿真中的实时数据，如图6-16所示，车辆位置、速度和加速度等信息可以通过该接口与可视化界面实时交互。2026/10/33303/车辆配置0301/TraCI接口简介以下是TraCI的一些关键功能：车辆控制和监视：TraCI可以控制车辆的行为，例如设置车辆的速度、路线和目的地等。同时，还可以获取车辆的实时信息，如位置、速度、加速度和排放量等。交通信号灯控制和监视：TraCI提供了与交通信号灯交互的方法。可以获取交通信号灯的状态、控制阶段和剩余时间，并能够修改信号灯的状态以模拟不同的交通流。路网信息获取：TraCI可以获取道路网络的拓扑结构和属性信息，例如道路长度、车道数和连接关系等。这些信息对于路网分析和交通规划非常有用。事件和订阅机制：TraCI支持事件和订阅机制，可以注册特定的事件或订阅特定类型的数据更新。这使得能够根据需要获取实时的交通仿真数据而无需轮询。路口管理：TraCI提供了对路口