专利名称：基于act-r的港区弯道线形设计方法
技术领域：
本发明属于港区道路设计技术领域，具体涉及一种港区弯道线形设计方法。
背景技术：
在区域经济联动发展日益广泛的今天，港口作为城市对外贸易主要窗口而成为城 市发展规划的重点，近年新港规划设计、旧港改扩建工程在全国各地如火如荼。然而，港区 规划设计及建设工程面临着许多问题，即港区道路交通需求合理预测、道路路基处理技术、 港区道路设计规范、港区道路网合理规模、道路设计后评估等，这些都成为港口快速规划建 设的制约因素，传统交通规划管理或者道路设计方法无法有效地解决这些难题，归根结底， 是没有把港区交通特点与交通设计方法很好的结合起来，其中港区弯道线形设计是其中一 个重要的问题。目前，港区弯道线形设计方法主要采用公路线形设计标准，其不合理性主要 体现在以下几个方面1)大型车辆多、动特性复杂由于港区道路承担集、疏港任务，因此集装箱卡车、货车等成为港区道路主要行驶 车辆。以天津市为例，根据实际交通调查结果，大中型车辆比例高达50%-90%，大、中型车 辆比例高是港内道路车辆构成的主要特征。由于大型车辆具有车型大、车身长、惯性大等特 点，在港区道路行驶时表现出与小汽车截然不同的动特性，这些特征在城市道路驾驶模型 中都没有体现，因此在港区道路驾驶模型中要考虑到大型车辆动特性对驾驶行为的影响。2)港区驾驶员行为的特殊性城市道路车流主要是通勤、通学等日常出行交通流，驾驶员一股都熟悉城市路网 状况，超速、疲劳驾驶等行为较少。港区道路驾驶员中，主要分为长途运输和港内运输两部 分。从始发地到港区长途运输的驾驶员由于连续驾驶时间长，其疲劳驾驶、超速、忽视交通 信号标志等特征明显，由于上述港区驾驶员行为的存在，需要针对港区交通特征构造驾驶 员行为决策模型。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，结合港区交通特点，提出一种弯道线 形设计方法。为此，本发明技术方案如下一种基于ACT-R的港区弯道线形设计方法，包括下列步骤(1)估计弯道圆曲线半径范围，并将其以20-60米的间隔进行离散；(2)根据弯道环境确定不同位置驾驶员视距及离散之后的距离长度，建立交通拥 堵感知参数；(3)建立相邻车辆位置和信号感知参数设定弯道行驶操作的相邻车辆位置感知 点，将相邻车辆位置和信号感知参数利用含有离散分量的向量表示，每个分量位置对应一 个感知点编号，分量取值为1，2，3，4，5，6，分别表示对应感知位置上无车、勻速行驶、加速行 驶、减速行驶、左转指示、右转指示6种状态，并确定弯道行驶的各个操作影响的主要感知占.
^ \\\ (4)建立触觉感知参数利用公式σ = 计算在圆曲线上行驶车辆的近似加速
3R2
度干扰值，式中，V表示车辆行驶速度，R表示圆曲线半径，根据该值大小，将触觉感知参数 分为1，2，3，4个等级，分别表示加速度干扰值在
m + W2 / max(0, ^max式中，η (ο)表示
g=l K
执行动作O的主要感知点数量；W1 (0，g)表示动作ο的第g个感知点的对动作效用的权重；dfflin(o, g)表示当前车辆与动作ο的第g个感知点对应位置的最小感知安全距离， 不同类型驾驶员的最小感知安全距离不一样，保守型最小感知安全距离小，冒险型的最小 感知安全距离大；d(o, g)表示当前车辆与动作ο的第g个感知点对应位置的感知安全距离；W2表示感知舒适度对动作效用的的权重；Sfflax表示感知舒适的最大加速度干扰值；表示车辆在圆曲线上行驶车辆的近似加速度干扰值； R2(7)在上述的(2)至(6)步骤建立的ACT-R模型的基础上，根据港区弯道环境及道 路交通流预测数据确定ACT-R模型参数；(8)在离散后的不同圆曲线半径的弯道上进行仿真实验，对驾驶员动作进行效用 评价，得到不同条件下的弯道通行能力、舒适度和等级4舒适度比例，在满足弯道设计通行 能力基础上，选取舒适度最优或等级4舒适度比例最低的方案，如果无满足要求的方案，则 转1，调整设计要求，重新估计弯道圆曲线半径范围。作为进一步的实施方式，其中的步骤(2)，可采用如下的方法获得交通拥堵交通拥 堵感知参数设t时亥Ij 感知的交通拥堵程度ρ ( X，t )为
S(I)L(X)
P(XJ) = Σ ^(/,s)d(l)p[r(l,χ) + sd(l), 1,t,d(l)]/^ v[r(/,x),/]，式中，
5=1I=IL(χ)表示χ点所在路段位置的车道数；r(l, χ)表示车道1对应于车辆所在点χ的左视或右视参照点，如果车道1为点χ
5所在车道，则r(l，x) =x；v[r(l,x), 1]表示车道1上r(l，x)位置的视距；s (1)表示将车道1上视距均分后的距离数量；cKl)表示车道1上视距长度离散之后的距离长度，d(l) = ν (χ, l)/s(l)；ω (1，s)表示车道1视距离散后第s段所占本车道交通拥堵感知的权重，s越大， ω (1，s)越小； P [r (1，χ) +sd (L)，1，t，d (1)]表示 t 时刻在车道 1 上，从位置 r(l,x) + (s-1) d (1) 到位置r(l，χ)+sd(l)范围内的交通流密度；将t时刻感知的交通拥堵程度ρ (X，t)交通拥堵状况感知参数分为1，2，3，4四个 等级，分别表示 P (X，t)值在
四个区间。其中的步骤(8)，在仿真实验中，驾驶员在驾驶过程中对动作的评价采用的学习机 制步骤如下1)初始化 u (p，S，ο) = 0 ；2)输入感知状态S，采用轮盘赌方法选择动作集合中的某一动作ο ；3)执行动作ο并根据动作效果产生下一个状态S'；4)u(p+l，s，ο) := u(p，s，ο) + λ [u(p+l，s，o)_u(p，s，ο)]，其中 λ e (0，1)为学习率。与传统设计方法进行对比可发现，采用基于ACT-R的弯道驾驶行为决策模型，较 好了结合了港区弯道的特点，特别是细致刻画了驾驶员弯道转弯行为，模拟了驾驶员弯道 的视觉、听觉和触觉感知及驾驶学习的过程，通过多次仿真发现，模拟具有很好的稳定性和 真实性，除了应用于港区弯道平面线形之外，还可指导港区弯道横坡度、车道宽度等设计。
图IACT-R认知模型结构框架。图2驾驶行为的ACT-R认知模型框架。图3交通拥堵状况感知示意图。图4感知点示意图。图5实验1弯道车辆平均速度。图6实验2弯道车辆平均速度。图7实验3弯道车辆平均速度。
具体实施例方式本发明主要结合港区交通特点，设计基于ACT-R认知模型，对驾驶员驾驶行为进 行描述，继而通过仿真对港区弯道线形设计主要因素进行确定。完整步骤如下1.根据港区道路设计速度、红线范围、道路等级、通行能力等指标估计弯道圆曲线 半径范围，将圆曲线半径范围以20-60米间隔进行离散；2.根据弯道环境确定不同位置驾驶员视距及离散之后的距离长度等拥堵感知参 数；境及道路交通流预测数据确定ACT-R模型参数；4.在离散后的不同圆曲线半径的弯道上进行仿真实验，得到不同条件下的弯道通 行能力、舒适度和等级4舒适度比例。在满足弯道设计通行能力基础上，选取舒适度最优或 等级4舒适度比例最低的方案。如果无满足要求的方案，则重新确定输入条件(设计速度、 红线范围、道路等级、通行能力等指标)，转1。下面首先介绍ACT-R认知模型。ACT-R认知模型的原理是采用基于规则的学习和 推理机制来处理人的认知问题，其系统框架如下图1所示。ACT-R认知模型框架主要由感知_动作模块、记忆模块、缓冲及模式匹配器组成。 感知-动作模块是联系系统与外界环境交互的纽带，通过感知得到外界环境状态，并用动 作执行系统决策；记忆模块内存储了全部的知识，包括以陈述性知识为主的短时记忆和以 程序性知识为主的长期记忆，这些知识用来支持状态识别、学习和决策；ACR-R缓冲模块包 含了关于外界状态和内部推理的所有动态信息。上述系统框架包含了决策和学习两个回 路，决策回路主要包括感知_决策_动作执行，学习回路则是在缓冲模块和模式匹配器之间 交互，并最终影响程序性记忆。采用ACT-R认知模型对港区道路驾驶行为进行描述的系统框架如图2所示。如图所示，驾驶行为的ACT-R认知模型中，感知模块主要包括视觉、听觉和触觉三 个部分，这是驾驶员从外界接受信息的“传感器”，模型中的决策部分是在陈述性记忆和程 序性记忆支持下在ACT-R缓冲模块中完成的，其中，状态描述单元将输入信息标准化，加工 成能完成模式匹配的信息格式，在长期记忆中匹配对应动作，成功后得到可能发生的动作 集合，继而采用效用函数评价动作的效用，采用选择机制得到下一步动作，如果是目标动作 (可执行的操作，如转向、加速、制动等)，则直接输出执行，如果是中间动作(如改变当前状 态的动作，如情绪变化等)，则根据改变的结果返回状态描述单元对当前状态重新描述，在 知识支持下重新做出决策，直至动作输出。下面结合驾驶行为的ACT-R认知模型对本发明的设计方法做详细说明。—、根据港区交通状况及驾驶员特点设计驾驶员感知规则。主要包括视觉、听觉 感知规则和触觉感知两种感知规则。1)视觉、听觉感知规则视觉感知单元主要对交通拥堵状况、相邻车辆位置、相邻 车辆信号及交通信号进行感知，此模型主要仿真港区弯道驾驶行为，不考虑交通信号的影 响。听觉感知主要考虑相邻车辆喇叭刺激，不考虑发生交通安全事故的碰撞声音刺激。因 此可以采用交通拥堵状况和相邻车辆位置及信号来描述，详细设计如下(1)、(2)所示。(1)交通拥堵状况。采用行车视距范围内的交通流密度表示，则t时刻感知的交通 拥堵程度P(x，t)可表示为
S(I)L(X)p(x,t) = Y^ m(l,s)d(l)p[r(I, χ)+ Sd(I)JjJ(I)]/^ v[r(l,x),l]
5=1I=IL(χ)表示χ点所在路段位置的车道数，r(l,x)表示车道1对应于车辆所在点χ的左视(或右视)参照点，如果车道1为 点X所在车道，则r(l，x) =x；v[r(l,x), 1]表示车道1上r(l，x)位置的视距；s⑴表示将车道1上视距均分后的距离数量；
cKl)表示车道1上视距长度离散之后的距离长度，d(l) = ν (χ, l)/s(l)；ω (1，s)表示车道1视距离散后第s段所占本车道交通拥堵感知的权重，s越大， ω (1，s)越小；ρ [r(l, x)+sd(l), 1，t，d(l)]表示 t 时刻车道 1 在位置[r(l, χ) + (s-1) d(1), r(l,x) +sd (1)]范围内的交通流密度(即车道1上，从位置r (1，χ) + (s-1) d (1)到位置r (1， x)+sd(l)范围内的交通流密度)；本发明将交通拥堵状况感知分为1，2，3，4四个等级，分别表示p(x，t)值在
四个区间。(2)相邻车辆位置和信号。车辆要进行转向、制动、加速等操作，需要对相邻车辆位 置和信号进行感知并判断操作空间和风险，是决策跟驰、换道和超车等行为的前提。本发明 采用的视觉、听觉感知点示意图如图4所示，对于当前车辆位置，。第1-8个感知点的位置为如图4所示的相邻车辆对应位置，采用图4感知点，可为 加速、减速、转向等操作提供决策依据，相关决策涉及的主要感知点如表1所示。表1弯道行驶操作主要感知点
权利要求
一种基于ACT R的港区弯道线形设计方法，包括下列步骤(1)估计弯道圆曲线半径范围，并将其以20 60米的间隔进行离散；(2)根据弯道环境确定不同位置驾驶员视距及离散之后的距离长度，建立交通拥堵感知参数；(3)建立相邻车辆位置和信号感知参数设定弯道行驶操作的相邻车辆位置感知点，将相邻车辆位置和信号感知参数利用含有离散分量的向量表示，每个分量位置对应一个感知点编号，分量取值为1，2，3，4，5，6，分别表示对应感知位置上无车、匀速行驶、加速行驶、减速行驶、左转指示、右转指示6种状态，并确定弯道行驶的各个操作影响的主要感知点；(4)建立触觉感知参数利用公式计算在圆曲线上行驶车辆的近似加速度干扰值，式中，V表示车辆行驶速度，R表示圆曲线半径，根据该值大小，将触觉感知参数分为1，2，3，4个等级，分别表示加速度干扰值在
/^ v[r(/,x),/]，式中，5=1I=IL(χ)表示χ点所在路段位置的车道数；r(l,x)表示车道1对应于车辆所在点χ的左视或右视参照点，如果车道1为点χ所在 车道，则 r(l，χ) = χ ；v[r(l,x), 1]表示车道1上r(l，x)位置的视距； s(l)表示将车道1上视距均分后的距离数量；d(l)表示车道1上视距长度离散之后的距离长度，d(l) =v(χ, l)/s(l)； ω (l，s)表示车道1视距离散后第s段所占本车道交通拥堵感知的权重，s越大，ω (1， s)越小；P [r(l, x)+sd(l), 1，t，d(l)]表示 t 时刻在车道 1 上，从位置 r(l，x) + (s-l)d(l)到 位置r(l，x)+sd(l)范围内的交通流密度；将t时刻感知的交通拥堵程度ρ (x，t)交通拥堵状况感知参数分为1，2，3，4四个等级， 分别表示 P (X，t)值在
四个区间。
3.根据权利要求1所述的基于ACT-R的港区弯道线形设计方法，其特征在于，其中的步 骤(8)，在仿真实验中，驾驶员在驾驶过程中对动作的评价采用的学习机制步骤如下1)初始化u (p，s，ο) = 0 ；2)输入感知状态s，采用轮盘赌方法选择动作集合中的某一动作ο；3)执行动作ο并根据动作效果产生下一个状态s'；
全文摘要
本发明属于港区道路设计技术领域，涉及一种基于ACT-R的港区弯道线形设计方法，包括下列步骤估计弯道圆曲线半径范围，并将其以20-60米的间隔进行离散；根据弯道环境确定不同位置驾驶员视距及离散之后的距离长度，建立交通拥堵感知参数；建立相邻车辆位置和信号感知参数；建立触觉感知参数；对驾驶员港区弯道驾驶可能的动作进行描述；设计驾驶员动作的效用评价函数；根据港区弯道环境及道路交通流预测数据确定ACT-R模型参数；在离散后的不同圆曲线半径的弯道上进行仿真实验，在满足弯道设计通行能力基础上，选取舒适度最优的方案。与传统方法相比，采用本发明法人设计方法得到的港区弯道线形设计方案更为符合港区交通特性。
文档编号E01C1/00GK101942790SQ201010278700
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者付晓敦, 代茂华, 冯炜, 刘宝忠, 刘润有, 刘超, 周骊巍, 张国梁, 张洋, 曹立松, 曾伟, 李明剑, 段绪斌, 焦占武, 狄升贯, 王志华, 王新岐, 王晓华, 申婵, 白子建, 程海波, 练象平, 苑红凯, 贺海, 靳灿章, 龚凤刚 申请人:天津市市政工程设计研究院