基于Sumo和Thingsboard的交通仿真平臺

張麗巖，高宗巍，馬健，顧海榮

摘? 要：為了加強車輛的實時狀態監控和實時信息采集，文章基于開源物聯網平臺Thingsboard和開源微觀交通仿真平臺Sumo并利用Python進行聯合，搭建了一個監測車輛運行狀態等實時數據發布到Thingsboard，并進行預警的仿真平臺，對車輛運行狀態的實時監測與控制，滿足城市交通建設的需求。

關鍵詞：Sumo；Thingsboard；交通聯合仿真；實時監測

中圖分類號：F506? ? 文獻標志碼：A? ? DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.11.022

Abstract： In order to strengthen the real-time status monitoring and real-time information collection of vehicles， based on the open source internet of things platform Thingsboard and the open source micro traffic simulation platform Sumo and combined with Python， this paper built a simulation platform to monitor the real-time data of vehicle running status and publish it to Thingsboard and give early warning. Real-time monitoring and control of vehicle running status can meet the needs of urban traffic construction.

Key words： Sumo; Thingsboard; traffic co-simulation; real-time monitoring

0? 引? 言

隨著社會的發展，車聯網技術的應用范圍越來越廣泛。車聯網技術是物聯網和智能汽車兩大領域的交集，目前我國物聯網應用領域主要集中在農業和能源領域，在交通領域的應用較少。但是隨著全國汽車保有量的不斷增加，截至2020年6月，全國的乘用車數量已經增加到2.7億輛，隨之而來產生很多問題，如交通事故頻發和尾氣排放導致環境污染等。如何科學化決策來減少問題的發生已經成為國內外研究的焦點，本文把物聯網平臺與交通仿真系統融合到一起，試圖解決城市交通面臨的問題。

1? 開發平臺選擇

1.1? 物聯網平臺選擇

眾所周知，目前物聯網是以網絡通信技術為手段，提供信息感知、信息傳輸、信息處理等服務的基礎設施，從而實現人、物、機連接。數據顯示，2020年物聯網連接數已經超過非物聯網，物聯網行業迎來高速發展階段。而作為架構先進性、功能完整性、文檔完備性在眾多物聯網平臺中首屈一指的Thingsboard，它能較好地實現物聯網項目的管理、開發與擴展，實現數據采集、設備管理和數據可視化。由于其良好的性能和完全開源的特點而被業界廣泛采用。Thingsboard可以為用戶的物聯網項目提供設備管理、數據收集和處理；也可以利用MQTT協議加密傳輸數據，以提高數據傳輸的安全性；支持本地部署和云部署，而本文所采用的是本地部署。Thingsboard整體架構圖如圖1所示。

Thingsboard的主要功能是添加租戶、添加設備、設備分配、報警與規則鏈五個部分。由租戶管理員新建一個設備，然后通過各種傳感器獲取設備并發布到Thingsboard上，之后利用平臺自身所擁有的規則鏈庫進行報警鏈的設置，例如當傳感器獲取到大于50℃時就會觸發高溫警報，如果獲取到小于-40℃時就會引發低溫警報，并可以在平臺所擁有的儀表盤中將報警信息展示出來，由租戶管理員自主選擇清除報警。溫度報警規則鏈如圖2所示。

消息處理有三種可能的結果：成功、失敗和超時。當處理鏈中的最后一個規則節點成功處理消息時，消息處理嘗試被標記為“成功”。如果規則節點之一產生消息處理“失敗”，并且沒有規則節點來處理該失敗，則消息處理嘗試被標記為“失敗”。當處理的總時間超過可配置的閾值時，消息處理嘗試被標記為“超時”。最終報警鏈的實現情況如圖3所示，需要注意的是，該報警鏈不僅適用于氣象領域，通過修改報警規則節點即可實現對車輛的速度、尾氣排放等數據的實時監測與警報。

1.2? 交通仿真平臺選擇

基于平臺特性選擇了Sumo作為本研究的仿真平臺。Sumo自帶的Traci接口可以實現與Python的連接，Sumo-Pyhon接口搭建完成后可以與Thingsboard連接。Sumo還可以導入多種網絡格式如Visum、OSM、XML等。此外，Sumo具有較為真實的仿真環境不會出現車輛碰撞的情況。Sumo仿真軟件中包含多個應用，可以使用NETEDIT進行路網、車輛的繪制與導入，最后利用Sumocfg文件在Sumo-gui工具中執行即可實現仿真運行。Sumo仿真軟件應用包如表1所示。

2? 系統整體架構

2.1? 工業物聯網數據采集方案

工業物聯網數據采集最底層采用各種傳感器獲取數據，比如溫度、濕度等，然后使用PLC（可編程控制器）將這些數據進行編程處理，通過MODBUS協議、并通過以太網與邊緣計算網關連接，邊緣計算網關采用MQTT/HTTP/COAP協議將數據發送到云平臺實現數據采集、數據展示與遠程控制，如圖4所示。

2.2? Thingsboard與Sumo聯合仿真

聯合仿真平臺通過Sumo模擬傳感層得到信息數據，利用Python實現Thingsbaord和Sumo的連接，利用Traci搭建Python與Sumo的接口，采用MQTT通信協議連接Thingsboard和Python的數據傳輸通道，IoT平臺層可以實現實時的數據存儲，利用開源Thingsboard平臺實現數據的實時展示，IoT應用層負責和用戶進行數據交互。總體架構如圖5所示。交通聯合仿真系統主要利用開源的仿真平臺和物聯網平臺，采集車輛的數量、速度等實時數據，設備執行狀態發送到物聯網平臺，并可遠程執行命令等。系統把實際的工程方案進行仿真運行、調試，為安裝部署提供數據和方案支撐。

3? 聯合仿真實現

首先利用Sumo搭建仿真場景。為對基于Sumo軟件仿真平臺進行驗證，在平臺中搭建了一個雙向二車道的十字路口，交叉口設置有紅綠燈。基于Sumo軟件搭建的仿真場景如圖6所示。

在本地部署Thingsboard并利用MQTT協議搭建Python和Thingsboard的接口。在所有準備工作完成以后，利用Thingsboard本身所擁有的數據發布方式'v1/devices/me/telemetry'，發送Sumo仿真所得到的數據以遙測數據的方式發布到Thingsboard，本文選擇了車輛速度為數據源。發送結果如圖7所示。圖7中right_XX為Sumo仿真中各車輛的代號，值代表的是各車輛在某一時刻的實時運行速度，單位為（km/h）。

本文利用編號為“left_0”的小車作為研究對象，使其速度超過12km/h時就會觸發告警鏈并在儀表盤中出現報警字樣，實現對小車行駛狀態的實時監控。告警鏈規則如圖8所示。

如圖9所示，在小車出現高于12km/h的速度后，平臺根據觸發告警鏈并在新建的儀表盤中展示出來。用戶可以自主選擇是否無視警告即“清除告警”，或者選擇“應答”來處理警告。此外Thingsboard自帶的儀表盤可以監控多個小車的運行狀態，并把得到的數據存儲在數據庫中，既可以實現仿真結果的實時觀測，又可以在仿真結束后對數據進行整體分析。

4? 結束語

本文通過Sumo交通仿真平臺和Thingsboard物聯網平臺聯合來實現對車輛速度的實時監測與控制。此外，該仿真平臺還可以模擬實現對車輛二氧化碳排放、燃油消耗、PMx排放等各項數據的實時監測，還可以利用Sumo仿真平臺所擁有的各種檢測器來輸出車輛狀態的數據，為未來實現與真實的車輛傳感器的結合打下了基礎。萬物互聯的概念成熟于20年前并且發展的速度越來越快。車聯網作為物聯網的一個分支，是萬物互聯的延伸，在萬物互聯的不斷前進的背景下，新一代車聯網將會深刻改善人們的出行體驗。

參考文獻：

[1] 張吉圭. 基于開源AIoT物聯網平臺的智慧牧場仿真實現[J]. 智慧農業導刊，2021（9）：18-21.

[2] 舒凌洲. 基于深度強化學習的城市道路交通控制算法研究[D]. 成都：電子科技大學，2020.

[3] 馬怡蕾. 農業物聯網系統的軟件設計與開發[D]. 杭州：浙江大學，2019.

[4] 周斌斌，古樂聲. 國內物聯網平臺的發展現狀研究[J]. 創新科技，2018，18（3）：50-53.

[5] 王峰. 中國移動物聯網平臺的探索與未來[J]. 通信世界，2018（10）：26-27.

[6] 林滸，張家銘，楊海波. 基于MQTT協議的即時消息業務設計與實現[J]. 計算機系統應用，2017，26（3）：219-224.

[7] 張毅，唐紅. 物聯網綜述[J]. 數字通信，2010，37（4）：24-27，40.

[8] Wai CHEN，李源，劉瑋. 車聯網產業進展及關鍵技術分析[J]. 中興通訊技術，2020，26（1）：5-11.

[9] 張海霞，李腆腆，李東陽，等. 基于車輛行為分析的智能車聯網關鍵技術研究[J]. 電子與信息學報，2020，42（1）：36-49.

[10] 夏俊. 物聯網與車聯網的技術展望[J]. 集成電路應用，2021，38（8）：42-44.

[11] 沈建華. 基于物聯網的車聯網技術[C] // 中國通信學會2011年光纜電纜學術年會論文集，2011：90-97.