基于进入车道时间的高性能中观交通仿真方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于并行交通仿真技术领域，涉及计算机科学，具体地说，是指一种基于进 入车道时间的高性能中观交通仿真方法。
【背景技术】
[0002] 随着交通信息系统、事故管理系统、自适应信号控制系统的快速发展，交通系统变 得越来越复杂。单纯的数学模型在很大程度上不能对交通系统中各独立单元的详细信息以 及各单元间复杂的相互作用进行建模和分析。因此，交通仿真成了设计师和工程师在解决 关于离线系统规划和在线运营管理的动态交通分配问题时所迫切需要的关键解决方法。
[0003] 基于车流模型的细节等级，交通仿真可以被分为三类:微观仿真、宏观仿真和中观 仿真。其中，微观仿真软件可以提供最详细的交通信息，但是这一般需要庞大的计算资源， 并且通常只能用于离线应用或者小规模路网。宏观仿真是对模型做了较大的简化，其仿真 效率表现优异，但是不容易扩展到实际路网环境下，不能基于模型揭示一些复杂的交通事 件产生的原因，也缺乏对驾驶员多种路径选择以及许多其他交通现象建模的能力，限制了 它在许多在线或离线应用上的适用性。而中观交通仿真软件实现了计算代价和仿真精确度 的一个平衡，同时也相对更容易实现，因此，中观交通仿真软件已经被广泛的使用在基于大 规模仿真的交通分析系统中。
[0004] 现有的中观交通仿真方法中，在每个仿真步长内模拟一条车道的时间复杂度是与 这条车道上车辆的数量成线性关系的。这种时间复杂度在车辆数较少时运算时间可以接 受，但当需要模拟整个城市的交通情况时，其计算代价往往是不能承受的，通常需要半小时 以上的解算时间（拥堵越严重时间越长），这意味着仿真结果不能用于动态交通仿真分配和 疏导，也就是说仿真的低效使得其结果失去了可用性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是:提供一种基于进入车道时间的中观交通仿真方法，解决现有中 观仿真方法时间复杂度过大、效率较低的问题。采用本发明提供的基于进入车道时间的中 观交通仿真方法，使得计算代价对车辆总数的敏感度有所降低，同时在计算车道上的速度 和队列长度方面，其精度也相对较高。这种方法的主要思想是通过更新各个车道的"进入车 道时间"（以tp标识)和"进入队列时间"（以tq标识)两个参数来计算车道上车辆的移动部分 或队列部分。该方法最主要的特点是将时间步长内模拟一个车道的理论时间复杂度减少为 通过车道的车辆数量，大大减少了模拟拥堵道路场景时的时间。
[0006] 所述的基于进入车道时间的中观交通仿真方法，具体包括如下步骤：
[0007] 第1步，时间从0开始，每一次增加1，即0，1，2,…，T，T+1，···。其中T是一个整数，代 表某一个仿真时刻。这里时间每增加1代表仿真推进一步，而仿真步长代表实际时间的0.5 ~2秒。比如时间步长取0.5秒，即实际时间是0,0.5，1.(ν··，0.5Τ，0.5(Τ+1)，···。
[0008] 第2步，在每个时间步长内，对每条路段内每个车道上的交通动态进行仿真，求解 每个车道上的进入车道时间tp。
[0009] 第3步，上游车道的车辆移动到下游车道，计算车辆的进入队列时间tq和队列长 度。
[0010] 本发明的优点在于：
[0011] 以往的中观交通仿真是每个时间步长上每个车道上的每个车辆都依次计算自己 的速度和位置;本发明中不必计算每个车辆的速度和位置，只要计算进入车道时间和进入 队列时间，根据这两个时间点判断能通过车道的车辆，然后对这些车辆进行位置更新，其他 车辆只要更新其进入车道时间即可。这样省掉了计算其他车辆位置和速度的时间，提高了 仿真效率。特别是在拥堵场景下，由于能通过车道的车辆非常少，大部分车辆不必计算，省 掉大量计算工作，从而能更大地提高仿真效率。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明仿真方法适用道路路网示意图；
[0013] 图2为本发明仿真方法在一个路段上的一个车道上的示意图；
[0014] 图3为本发明仿真方法中车辆通过节点(路口）的条件示意图；
[0015] 图4为本发明仿真方法的总体流程示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0017] 如图1所示，一个道路网络被模拟成节点、路段和车道。节点对应实际道路路网中 的交叉口（十字路口等）；路段代表两个交叉口间的单向路段(如果要模拟双向车道，只要增 加另一方向的单向路段即可）。每个路段包括多个车道，图1中示意的是一个单向路段内有 两个车道的情形。每个车道包括许多位于车道内的车辆。每个车道在上游端和下游端都有 容量限制，分别称为输入容量和输出容量，模拟受红绿灯限制单位时间内通过的车辆数。当 车辆无法通过车道时就会产生排队的队列，当车道堵塞时就发生溢回（从车道下游端堵到 车道上游端），在拥堵车道上队列的长度与车道长度相等。
[0018] 图2为本方法中某个路段某个车道的例子(路段由车道组成，分析单个车道即表示 所有车道可以采用同样方法处理）。图2显示了基于进入车道时间的中观仿真方法中某路段 的一个车道上的例子。首先，每条车道上的车辆按各自的进入车道时间tp排序。其次，在本 方法中，每个车道都有一个速度表，假设每个时间步长内同一个车道里的车辆速度一样，速 度表包括了最近几个时间步长的车道速度。考虑到速度表和车辆的进入车道时间，则累计 的车辆移动距离就可以计算出来。然后，每个车道都有一个关键的属性:进入车道时间tp， 这表示在一个时间t内，如果一辆车的进入车道的时间小于(或等于)该车道的进入车道时 间tp，该辆车的累计移动距离就会大于或等于所在车道的长度，就会有通过所在车道的可 能。例如，在图2中，现在的仿真时间是T，而进入车道时间tp是T-5,即这意味着仿 真中只需对进入车道时间小于tp的那部分车辆进行检查，不必计算其他车辆是否能通过车 道。另外，每个车道有另一个关键属性:车辆进入队列时间tq，表示在时间T时，如果一个车 道已经有队列且车辆的进入队列时间早于或等于tq，则车辆需要排队或直接通过。例如，在 图2中，进入队列时间tq是T-4,意味着进入车道时间tp早于T-4的车辆可能排队也可能直接 通过。比如图2中，VI~V9是9辆车，VI~V3的进入车道时间是T-l，V4的进入车道时间是T-3， V5~V6的进入车道时间是Τ-4，V7~V9的进入车道时间是Τ-5，而当前tp = Τ-5，意味着仿真 只需对V7~V9进行是否通过车道的检验。同时，由于tq = T_4，意味着V5~V9在排队，队长是 5辆车。
[0019] 本发明提出了一种基于进入车道时间的高性能中观交通仿真方法，包括如下步 骤：
[0020] 第1步，初始化时间步长、进入车道时间和累计移动距离。时间从0开始，每一次增 加1，即0，1，2,…，T，T+1，···。每个时间步长根据每次仿真的场景不同可微调，一般中观交通 仿真的每一个时间步长代表实际时间的0.5~2秒。D:_(tpT)是周期[&，Τ]内的累计移动距 离，刚开始仿真时 <是0，D_{tpT)是〇。tpT是时间T时所有车辆最早（即最小）的进入车道的时 间，因此t Γ，进入车道时间tp= tpT。
[0021] 第2步，在每个时间步长T~T+1内，对每条路段的每个车道上的交通动态进行仿