专利名称：一种实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化实验平台的方法
技术领域：
本发明属于智能交通系统和交通仿真技术领域，更具体的说，本发明涉及一种实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化实验平台的方法。
背景技术：
道路交通系统是由人、车、路、交通环境四大要素构成的复杂系统，这些要素既独立作用又相互制约，共同决定了这个复杂系统的运行状况。传统的运用数学模型方法对驾驶行为进行理论分析存在很大的难度，而现场实证存在受实际场景的条件限制、实施成本大且安全性不高等问题，因此对驾驶行为进行实验研究是一种新的技术手段。虚拟现实技术的发展使得虚拟驾驶实验越来越成为目前学术研究和企业产品开发的热点。近年来，随着智能交通系统在我国的逐步实施，微观交通仿真器(或称之为微观交通仿真软件)在我国也得到了广泛的应用，如VISSIM、PARAMICS、AIMSUN等。微观交通仿真器是建立在以每个车辆的运行行为为基本单元，详细描述交通系统的要素及行为细节的交通系统模型。每个车辆在道路上的跟车、超车以及车道变换等微观行为都能得到较真实的反映。微观交通仿真器是在个人计算中运行，在仿真开始前，一旦驾驶行为参数设定，仿真将按照设定的行为参数运行。它不能实时反映不同驾驶人在不同交通场景中的行为变化情况；同时由于人的行为(Human factors)多样性，对于微观仿真器中没有涉及的人类交通行为参数，则不能进行仿真实验。目前，驾驶模拟器作为一个专业的虚拟现实实验工具已经成为道路交通研究、管理和设计部门在实验室可控条件下研究交通问题的重要科学工具。它允许研究人员任意建立某个具有交通特定环境及交通动态特征的虚拟场景，并实现对驾驶车辆、交通车流、行人的动态参数和其它环境因素有条件的控制，在驾驶模拟系统上实现对各类道路交通问题的动态信息采集、参数分析和仿真实验。传统驾驶模拟器的工作流程主要为驾驶员控制试验车在简单的道路场景中单独行驶，然后通过数据输出，分析驾驶员的驾驶行为。在较为复杂的交通流场景下，对交通流的仿真主要采取固定式车流设置，即预先设定好周围车辆的运动规律按固定的路线行驶，不能体现驾驶员所控制的车辆与周围车辆之间的动态交互行为，更不能体现由于车流交互作用而引起的系统整体变化特征(如交通流的停车波、启动波等)。即驾驶模拟器的优势在于对单个车行为的虚拟实验，如何研究个体驾驶行为对交通流的影响实验目前的技术和方法还“无能为力”。综上所述，微观交通仿真器和驾驶模拟器各存在优缺点，如果把两者结合起来，在驾驶模拟器上既有真实的驾驶员驾驶行为信息，虚拟场景中又有逼真的微观交通流，就可以实现基于微观交通仿真器的驾驶模拟综合仿真，即本专利所申请的一种微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化实验平台
发明内容
本发明的目的在于提出一种实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法。本发明提出的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，具体实施步骤如下:
(I)在微观交通仿真器中建立实验所需的交通环境，所述交通环境包括道路网络信息、交通组织管理策略信息以及交通流的基本参数；
(2)选取试验车
运行交通仿真，待交通流状态稳定时，根据仿真需要，选择在某一适宜时间和适宜位置出现的车辆选取为试验车，在仿真运行过程中记录该车辆的ID，并且赋值给相应的控制模块；
(3)利用数据读取和转化模块完成对驾驶模拟器操作信号的实时提取，将提取的驾驶员的操作信号转化为数据信息，例如将加减速信号转化为踏板力度值，将转弯信号转化为方向盘变化角度等。然后，利用数据读取和转化模块提取驾驶模拟器中反映驾驶员操作的数据信息，并且将其存储在数据文件中，文件类型可以是数据库文件或文本文件；
(4)开发数据读取和转化模块，通过微观仿真器的二次开发接口，将其嵌入进微观交通仿真器中。令微观交通仿真器同步读取存储反应驾驶员操作的数据文件，并通过相应转化函数使反应驾驶员操作的数据文件转化为微观交通仿真器能够识别的数据，将反映驾驶员操作的数据文件传输至试验车的对应参数中，实现微观交通仿真器中的试验车按驾驶员的操作行驶。同时数据读取和转化模块对仿真环境中非试验车辆的相关参数进行保护，使其按照微观交通仿真器中固有的仿真策略行驶；
(5)利用数据读取和转化模块访问微观交通仿真器的数据库模块，将仿真过程中实时产生的试验车数据及周围相关车辆数据，从微观交通仿真器中数据库模块中提取出来，存储在数据文件中，进行实验评价。本发明中，步骤(I)中所述道路网络信息包括:路段的布局，道路的几何特征，交叉口或者匝道口的流向控制，路段上的行为类型(市区、右行原则、高速公路、人行道、自行车道)和坡度及费用等。本发明中，步骤(I)中所述交通组织管理策略信息包括:减速或者停车控制，交叉口的信号控制，路段上的换道控制，冲突点、交织区和分合流点的优先通行策略等。本发明中，步骤(I)中交通流基本参数包括:道路各个方向上的流量，车辆的类型和车辆组成结构，车辆的驾驶行为数据如跟车、变道、横向行为基本参数，以及对交通信号的反应情况等。本发明中，步骤(3)中驾驶模拟器提取的数据信息包括:驾驶模拟器的方向盘角度，油门和刹车踏板的力度等。本发明中，步骤(4)中微观交通仿真器与驾驶模拟器能够相互影响。一方面，驾驶模拟器的数据能够改变微观交通仿真器中试验车的数据，进而通过微观交通仿真器的模拟模型改变交通运行状态；另一方面，微观交通仿真器能够可视化显示实时交通状态，因此影响驾驶模拟器驾驶车辆的判断、决策和操作。本发明中，步骤(5)中试验车数据及相关车辆数据可以有选择的提取，包括:仿真时间，试验车及试验车周围车辆的坐标、速度、加速度，车道变换，车辆行驶方向与道路中心线所成角度，车辆与试验车的车头空距等。本发明利用了微观交通仿真器的优点，针对传统驾驶模拟器中的固定模块化元素，提出了改进方案。本发明亦对微观交通模拟器的仿真计算模型进行了改进，使其既包含交通环境信息又包括驾驶员的操作信息，这样既可以通过利用微观交通流仿真器中的交通流模型，大大提高实验平台对交通流行为的实验精度，又可以通过驾驶模拟器的数据采集模块和相应的传感系统实时的传输驾驶员操作信号，增强了实验平台对个性交通行为的分析能力。另外，本发明提供了一种实现微观交通仿真器与驾驶模拟器的交互的方法。具体而言，一方面，驾驶模拟器的操作信号能够通过一系列数据读写和转换模块，转化为微观交通仿真器能够识别的数据信号，改变微观交通仿真器中试验车的相关参数，进而通过微观交通仿真器的仿真计算模型改变交通运行状态；另一方面，微观交通仿真器能够可视化显示实时交通状态，因此影响驾驶员的判断、决策和操作。该方法具有实施容易、实验互动性强、实验精度高且应用成本低的特点。
图1是本发明微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化实验平台的实施流程 图2是驾驶模拟器决策信息提取模块框 图3是驾驶模拟器在驾驶员减速直行过程中输出的操作数据；
图4是驾驶模拟器数据与微观交通仿真器相关参数转化模块框 图5是试验车及其周围相关车辆所需数据提取模块框图。
具体实施例方式下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。实施例:本研究是在结合了传统驾驶模拟器和先进的微观交通仿真器的基础上，构建的微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的实验平台。下面结合附图1对本发明的具体实施步骤作详细说明，本实施实例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施实例，另外需要说明的是本发明中提到的微观交通仿真器和驾驶模拟器并不限于某种特定的微观交通仿真器和驾驶模拟器。本实施实例以Logitech G27(方向盘、档位和踏板三大组件)驾驶模拟器和VISSM
5.40版本微观交通仿真器为基础，以上海市内环高架某路段上匝道为模拟场景，进行驾驶员的分心驾驶实验。具体步骤如下:
(I)建立试验场景
通过现场拍摄视频，进而获得模拟路段快速路的车道数、车道宽度、路段长度、上下匝道位置等道路基本参数，应用VISSM微观交通仿真器建立实验场景，包括按照实验需求建立符合实际的路网。另外，还要在路网中加入现实中的交通组织管理策略，如匝道入口信号控制参数、快速路换道控制和交织规则等。接下来，通过VISSM相关功能加入符合实际的典型交通量和车型比例，观察VISS頂中的交通运行状况是否与实际相符合，如果不符需要找出问题原因，进一步调整路网和交通组织管理策略，直到VISSIM中的仿真效果能贴近实际情况为止。在已建立好的试验场景中设置实验所需的交通环境条件，本实验需要在VISSM中调整交通量，使得快速路上的交通量分别达到高密稳定流、接近饱和状态和过饱和状态，在三种不同的交通量条件下分别进行实验。(2)选取试验车
运行VISSM仿真，待交通流状态稳定时，选取高架路西侧入口出现一黑色车辆为试验车，在仿真运行过程中记录该车辆的ID，并且赋值给相应的控制模块。(3)提取和转化驾驶模拟器的操作信号
利用数据读取和转化模块完成对Logitech G27驾驶模拟器操作信号的实时提取，将驾驶员的操作信号转化为数据信息，将加减速信号转化为踏板力度值，将转弯信号转化为方向盘变化角度。踏板力度值用实际踏板幅度占踏板最大幅度的比例表示，油门踏板用0到I的正数表示，刹车踏板用-1到0的负数表示；方向盘变化角度数据可用实际转角占最大转角的比例表示，左转为-1到0负数，右转为0到I的正数。将转化以后的驾驶模拟器操作数据信息存储在数据文件中。图2显示了程序的流程，图3显示了试验车在减速直行过程中产生的操作数据。(4)微观交通仿真器读取驾驶模拟器操作数据
通过VISSIM的外部驾驶员模型，读取存储驾驶模拟器操作数据的文件，并且通过相关模块进行数据的处理，最后将反映驾驶员操作的数据传输至试验车的对应参数中。具体而言，驾驶模拟器的踏板数据可以作为改变试验车速度和加速度的变量，驾驶模拟器的方向盘数据可以作为改变试验车转向、转角和变道的数据。如图4所示。在实验过程中将所有数据模块集成到VISSM的外部驾驶员模型中，这样在实验仿真过程中，既能实现驾驶员通过驾驶模拟器实时控制试验车的状态，又能使仿真场景中的其他车辆和交通策略能够按照VISSM固有的方法正常运行，利用VISSM固有的交通仿真器在路网中反映试验车造成的影响。(5)试验车及其周围车辆特征数据提取
在实验过程中，使驾驶员分别以集中精力、打电话、发短信三种驾驶行为进行驾驶，将实验数据存储在数据存储模块中。通过VISSM的外部驾驶员模型，从VISSM的数据存储模块中提取进行下一步研究的所需数据，这些数据包括仿真时间，试验车及在试验车周围车辆的坐标、速度、加速度，车道变换，车辆行驶方向与道路中心线所成角度，车辆与试验车的车头空距等。如图5所示。
权利要求
1.一种实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于具体步骤如下: (1)在微观交通仿真器中建立实验所需的交通环境，所述交通环境包括道路网络信息、交通组织管理策略信息以及交通流的基本参数； (2)选取试验车 运行交通仿真，待交通流状态稳定时，根据实验需要，选择在某一适宜时间和适宜位置出现的车辆选取为试验车，在仿真运行过程中记录该车辆的ID，并且赋值给相应的控制模块； (3)利用数据读取和转化模块完成对驾驶模拟器操作信号的实时提取，将提取的驾驶员的操作信号转化为数据信息，然后，利用数据读取和转化模块提取驾驶模拟器中反映驾驶员操作的数据信息，并且将其存储在数据文件中，文件类型可以是数据库文件或文本文件； (4)在微观交通仿真器中嵌入数据读取和转化模块，令微观交通仿真器同步读取存储反应驾驶员操作的数据文件，并通过相应转化函数使反应驾驶员操作的数据文件转化为微观交通仿真器能够识别的数据，将反映驾驶员操作的数据文件传输至试验车的对应参数中，实现微观交通仿真器中的试验车按驾驶员的操作行驶；同时数据读取和转化模块对仿真环境中非试验车辆的相关参数进行保护，使其按照微观交通仿真器中固有的仿真策略行驶； (5)利用数据读取和转化模块访问微观交通仿真器的数据库模块，将仿真过程中实时产生的试验车数据及周围相关车辆数据，从微观交通仿真器中数据库模块中提取出来，存储在数据文件中，进行实验评价。
2.根据权利要求1所述的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于步骤(I)中所述道路网络信息包括:路段的布局，道路的几何特征，交叉口或者匝道口的流向控制，路段上的行为类型和坡度及费用。
3.根据权利要求1所述的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于步骤(I)中所述交通组织管理策略信息包括:减速或者停车控制，交叉口的信号控制，路段上的换道控制，冲突点、交织区和分合流点的优先通行策略。
4.根据权利要求1所述的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于步骤(I)中交通流基本参数包括:道路各个方向上的流量，车辆的类型和车辆组成结构，车辆的驾驶行为数据如跟车、变道、横向行为基本参数，以及对交通信号的反应情况。
5.根据权利要求1所述的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于步骤(3)中驾驶模拟器提取的数据信息包括:驾驶模拟器的方向盘角度，油门和刹车踏板的力度。
6.根据权利要求1所述的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于步骤(4)中微观交通仿真器与驾驶模拟器能够相互影响；一方面，驾驶模拟器的数据能够改变微观交 通仿真器中试验车的数据，进而通过微观交通仿真器的模拟模型改变交通运行状态；另一方面，微观交通仿真器能够可视化显示实时交通状态，因此影响驾驶模拟器驾驶车辆的判断、决策和操作。
7.根据权利要求1所述的实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化的方法，其特征在于步骤(5)中试验车数据及相关车辆数据可以有选择的提取，包括:仿真时间，试验车及试验车周围车辆的坐标、速度、加速度，车道变换，车辆行驶方向与道路中心线所成角度，车辆与试验车的 车头空距。
全文摘要
本发明涉及一种实现微观交通仿真器与驾驶模拟器交互式一体化实验平台的方法。将驾驶模拟器的数据导入微观交通仿真器中，控制微观交通仿真器中的车辆，实现微观交通仿真器与驾驶模拟器一体化。该方法包含以下步骤(1)在微观交通仿真器中建立实验所需的交通环境；(2)提取驾驶模拟器中驾驶员操作的数据；(3)令微观交通仿真器读取存储驾驶员操作数据，改变试验车运行参数，使试验车按驾驶员的操作行驶，同时使仿真环境中的其他车辆按照微观交通仿真器中固有的仿真策略行驶；(4)提取相关数据，进行实验评价。本发明能够对现实中的道路交通运行状况进行很好的模拟，为驾驶员提供更加真实的虚拟实验场景，显著提高驾驶模拟器的应用范围，提高驾驶模拟实验的可信度和准确度。
文档编号G06F17/50GK103164579SQ20131008113
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者马子安, 牛德宁, 赵聪, 孙剑 申请人:同济大学