专利名称：一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿真技术领域，特别是涉及一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法及系统。
背景技术：
交通流研究已经成为世界各国尤其是广大发展国家颇具社会价值和经济价值的研究领域，由于实测交通的困难性和复杂性使得交通的实证研究进展缓慢，而计算机模拟仿真技术为该领域的研究打开了便捷之门。计算机模拟仿真通常将车辆交通作为一个有特定限制规则的多粒子系统来研究交通流的特性。在交通流的模拟仿真中，车辆跟驰换道的研究是一个重要的方向。所谓跟驰换道是指车道上的车辆初始运行状态为跟驰，即后车根据前车来调整速度并跟随前车向前行驶，并在满足某种换道规则的情况下，车道上的车可以从一个车道转向另一个车道行驶。通过对车辆跟驰换道的准确模拟仿真，可以得到相应的道路交通参量，为城市道路的规划设计和通行能力评估，提供有效的辅助决策依据。但是现有模拟仿真中的跟驰换道方法所基于的仿真模型将车辆换道作为一个瞬间完成的动作，也就是，车辆一旦满足某种换道规则立刻从原来车道进入目标车道，对跟驰车辆的影响也从原来车道转向目标车道。而实际的换道行为则是一个持续一定时间的过程，并且在换道过程中，占据两车道之间的车辆同时会对两个车道上的跟驰车辆产生影响。因此，现有技术模拟仿真中的车辆跟驰换道不符合实际的交通行为，不能有效指导城市道路的规划设计和通行能力评估。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法及系统，技术方案如下—种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法，其中，各仿真车辆在仿真车道上处于跟驰状态，所述方法包括采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值；将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道；
其中，所述交通参量根据换道规则所需的参量确定。相应的，本发明实施例还提供一种微观交通仿真中车辆跟驰换道系统，包括初始化模块，用于在仿真车道上设置处于跟驰状态的各仿真车辆；数据采集模块，用于采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值；目标车辆确定模块，用于将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；换道角度确定模块，用于利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；换道执行模块，用于当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道；其中，所述交通参量根据换道规则所需的参量确定。本发明实施例所提供的技术方案，将交通参量满足换道规则且确定换道的仿真车辆作为目标车辆，当目标车辆以所计算的换道角度以及当前跟驰速度行驶时，将目标车辆虚拟化为原始车道和目标车道上对应的虚拟车，且在换道侧向累积位移量达到一定宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，删除原始车道的对应的虚拟车，实现目标车辆的跟驰换道。可见，本方案中，将换道过程作为一个持续一定时间的过程，且考虑了目标车辆对原始车道和目标车道上的仿真车辆的影响，因此，相对于现有技术，更加符合实际的交通行为，可有效指导城市道路的规划设计和通行能力评估。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例所提供的一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法的流程图；图2为本发明实施例所提供的一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法中的换道示意图；图3本发明实施例所提供的一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法中的又一换道示意图；图4为本发明实施例所提供的一种微观交通仿真中车辆跟驰换道系统的结构示意图。
具体实施例方式现有模拟仿真中的跟驰换道方法所基于的仿真模型将车辆换道作为一个瞬间完成的动作，也就是，车辆一旦满足某种换道规则立刻从原来车道换道进入目标车道，对跟驰车辆的影响也从原来车道转向目标车道。但是实际的换道行为则是一个持续一定时间的过程，并且在换道过程中，占据两车道之间的车辆同时会对两个车道上的跟驰车辆产生影响。所以，现有技术中的车辆跟驰换道不符合实际的交通行为，不能有效指导城市道路的规划设计和通行能力评估。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法及系统。下面首先对本发明实施例所提供的一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法进行介绍。一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法，各仿真车辆在仿真车道上处于跟驰状态，所述方法包括采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值；将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道；其中，所述交通参量根据换道规则所需的参量确定。本发明实施例所提供的技术方案，将交通参量满足换道规则且确定换道的仿真车辆作为目标车辆，以所计算的换道角度以及当前跟驰速度行驶，并将目标车辆虚拟化为原始车道和目标车道上对应的虚拟车，且在换道侧向累积位移量达到一定宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为目标车辆，删除原始车道的虚拟车，实现目标车辆的跟驰换道。可见，本方案中，将换道过程作为一个持续一定时间的过程，且考虑了换道车辆对原始车道和目标车道上的仿真车辆的影响，因此，相对于现有技术，更加符合实际的交通行为，可有效指导城市道路的规划设计和通行能力评估。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面以仿真车道为双车道，对本发明所提供的方案进行介绍。可以理解的是，本发明所提供的方案可以适用于具有其他可进行换道的车道的应用场景。一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法，如图1、图2、图3所示，可以包括S101，采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值；所述的各个交通参量可以包括每个仿真车辆的同道车距、跟驰车速差、当前车速、加速度、位移等，根据所采集的每个仿真车辆的当前交通参量值进行后续的跟驰换道判断依据。可以理解的是，可以采用定时或实时的方式采集各仿真车辆对应的当前各交通参量值。在实际仿真过程中，通常采用定时方式采集该时间步对应的各交通参量值。本方案中，仿真车道为双车道。仿真车流加载方式为固定数量的随机加载方式，即在仿真开始时将固定数量的N辆仿真车随机分布于长为Length的双车道路段上，两个车道上数量相等，且各个仿真车辆处于跟驰状态。同时，所述仿真过程采用周期性边界，即从路段出口驶出的车流作为路段入口驶入的车流，仿真过程中车辆数量N保持不变，车流密度可以N/Length表示。需要说明的是，在建立上述跟驰模型时，可以基于多Agent技术和车辆加速度方程。所述跟驰模型设定车道限速、驾驶员反应时间、车辆长度等。其中,Mult1-Agent系统(MAS)是多个Agent组成的集合,其多个Agent成员之间相互协调，相互服务，共同完成一个任务。它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的系统。在车辆跟驰模型中，单个车辆可以看作一个agent，但是agent在道路上行驶时要受到周围车辆的影响，其根据前车的速度、间距等信息来自动调整自身速度，所有的agent同时运行,构成一个mult1-agent系统。也就是,每个仿真车 辆都是一个agent，其具有特定的多个属性，该多个属性为多个交通参量。其中，单车道跟驰采用的加速方程可以采用经典的最优速度模型(OptimalVelocity model)dvn(t)/dt = κ [V(Axn(t))-vn(t)] + A Δ vn (I)V ( Δ xn) = V^Vatanh [C1 ( Δ xn-lc) -C2](2)方程(I)用于确定跟驰过程中车辆的加速度，方程(2)为是驾驶员在行驶时的期望速度。期望速度与车间距Λ X。、车身长度I。有关，VI，V2可以限定车速，驾驶员进行速度调整需要反应时间为I/κ，根据上述加速度程可确定车辆位置随时间的变化。可以理解的是，上述方程是关于时间的微分方程，解上述方程可以确定每个时间步车辆加速度，即可确定车辆加速度随时间的变化。在车辆每个时间的加速度、速度确定后，即可根据牛顿运动方程计算出此时间步内车辆运动的位移，再根据车辆对应的原始位置，即可得到车辆当前位置，最终可以确定出车辆位置随时间的变化。S102，将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；其中，预设的换道规则可以为dn,2 > dna, dn,2 > dmin, Δ vn,2 >= Δ Vml 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P1 换道；dn,2 > dna, dn,2 > dmin，Δ vn,2 < Λ vna 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P2 换道；dn,2 <= dna, dn,2 > dmin, Δ vn,2 >= Δ Vml 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P3 换道；P1 > p2 > P3 ；其中，Clna为同道车距、dn,2为换道车距、dk,2为换道后车距、Ssafe为安全间距、.Vna为跟驰车速差、Δνη>2为换道车速差、Vmax为车道车速限制、dmin为最小换道距离、P为换道期望频率。需要说明的是，即使所采集的车辆各交通参量构成的交通环境满足换道条件，但是驾驶员可以自愿选择是否换道。其中，P是一个O到I之间的实数，P越大表示驾驶员换道渴望越强，例如p = I表示一旦交通环境满足换道，驾驶员马上换道；P = O表示即使交通环境满足换道，驾驶员绝不换道；p为其他值时，表示驾驶员有P的概率选择换道。可以理解的是，P1、P2、P3不同，是由于满足车辆换道的交通环境有三种不同的可能，交通环境越好，驾驶员越渴望换道。通过设定驾驶员的换道期望频率，使得交通仿真过程更加符合实际的交通运行。因此，当仿真车辆交通参量满足换道条件，且确定进行换道时，该仿真车辆才进行后续的换道过程。而当仿真车辆不满足换道条件时，则继续进行跟驰行驶。S103，利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；由于每辆车在换道时的角度均不相同，因此，以驾驶员对目标车道上前车的视角作为换道基本角度Θ。，但是考虑到实际车辆前轮转向角最大值为30 40° ,以及驾驶的舒适性和稳定性，结合实际观测，一般换道角度不能超过20°，换道角度计算方法为Θ c = int [180arctan (w/dc) / π ]·Θ =min(0c,2O)其中，Θ为换道角度、w为原始车道中心线与目标车道中心线之间宽度、d。为目标车辆与目标车道前车的距离。S104，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；其中，目标车辆当前所在的车道为原始车道，进行换道后所在的车道为目标车道。由于实际换道过程中，目标车辆对同车道和换道车道的车辆都存在影响，为了更加符合实际，当一辆车以角度Θ以及当前跟驰速度开始换道时，将目标车辆简化为两辆位置相同的虚拟车，两车虚拟车分别在原车道和目标车道上以相同的加速度、速度进行跟驰直至换道过程结束。S105，当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为相应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道。由于换道过程为一个持续一定时间的过程，所以当目标车辆在一定时间内的侧向位移量达到一定值时，才可以完成换道过程。其中，换道侧向累积位移量的计算方式为
mWt = [Δχ.;其中，Δ Si = V (t) · sin θ · Δ t ;
i=l其中，Wt为换道侧向累计量、Δ Si为换道侧向位移量、v(t)为目标车辆的跟驰速度、Θ为目标车辆的换道角度。本发明实施例所提供方案，将仿真车辆的换道过程作为一个持续一定时间的过程，且考虑了目标车辆对原始车道和目标车道上的仿真车辆的影响，因此，相对于现有技术，更加符合实际的交通行为，可有效指导城市道路的规划设计和通行能力评估。通过以上的方法实施例的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供一种微观交通仿真中车辆跟驰换道系统，如图4所示，可以包括初始化模块110，用于在仿真车道上设置处于跟驰状态的各仿真车辆；数据采集模块120，用于采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参
量值；目标车辆确定模块130，用于将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；换道角度确定模块140，用于利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；
换道执行模块150，用于当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道；其中，所述交通参量根据换道规则所需的参量确定。通过利用本发明实施例所提供的系统，当目标车辆以特定角度以及当前跟驰速度进行换道时，将目标车辆虚拟化为原始车道和目标车道上对应的虚拟车，且在换道侧向累积位移量达到一定宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为目标车辆，删除原始车道的虚拟车，实现目标车辆的跟驰换道。因此，相对于现有技术，更加符合实际的交通行为，可有效指导城市道路的规划设计和通行能力评估。其中，所述目标车辆确定模块所利用的换道规则具体为dn,2 > dna, dn,2 > dmin, Δ vn,2 >= Δ Vml 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P1 换道；dn,2 > dna, dn,2 > dmin，Δ vn,2 < Λ vna 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P2 换道；dn,2 <= dna, dn,2 > dmin, Δ vn,2 >= Δ Vml 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P3 换道；P1 > p2 > P3 ；其中，Clna为同道车距、dn,2为换道车距、dk,2为换道后车距、Ssafe为安全间距、.Vna为跟驰车速差、Δνη>2为换道车速差、Vmax为车道车速限制、dmin为最小换道距离、P为换道期望频率。其中，所述换道角度确定模块所利用的换道角度计算公式具体为Θ = min {int [180arctan (w/dc) / π ], 20}；其中，Θ为换道角度、w为原始车道中心线与目标车道中心线之间宽度、d。为目标车辆与目标车道前车的距离。其中，所述换道执行模块中所利用的换道侧向累计位移量的计算方式为
m= Z Αχ.;其中，Δ Si = V (t) · sin θ · Δ t ;
i=l其中，Wt为换道侧向累计量、Δ Si为换道侧向位移量、v(t)为目标车辆的跟驰速度、Θ为目标车辆的换道角度。其中，所述初始化模块具体用于
在仿真车道上随机分布处于跟驰状态的仿真车辆，且各车道上的仿真车辆数量相
坐寸O以上所述仅是本发明的具体实施方式
，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法，其特征在于，各仿真车辆在仿真车道上处于跟驰状态，所述方法包括采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值；将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆； 利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道；其中，所述交通参量根据换道规则所需的参量确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换道规则为dn,2〉dn 1 dn，2〉dmin，Δνη，2〉— Avml 且dk，2〉^safe时，以概率Pl换道； dn，2〉dn 1 dn，2〉dmin，Δ vn 2〈 Avna 且dk,2〉Ssafe时，以概率P2换道； dn,2 <= dna, dn,2 > dmin, Δ Vnj2 >= λ Vna 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P3 换道；Pi > P2 > P3 ；其中，Clml为同道车距、dn,2为换道车距、dk,2为换道后车距、ssafe为安全间距、.Vna为跟驰车速差、Δνη>2为换道车速差、Vmax为车道车速限制、dmin为最小换道距离、P为换道期望频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述换道角度计算公式具体为Θ = min {int [180arctan (w/dc) / π ], 20}；其中，Θ为换道角度、w为原始车道中心线与目标车道中心线之间宽度、d。为目标车辆与目标车道前车的距离。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，换道侧向累积位移量的计算方式为mwI = Σi ;其中，Asi = V⑴· sin Θ · At ;i=l其中，Wt为换道侧向累计量、Δ Si为换道侧向位移量、V (t)为目标车辆的跟驰速度、Θ 为目标车辆的换道角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述仿真车道上随机分布处于跟驰状态的仿真车辆，且各车道上的仿真车辆数量相等。
6.一种微观交通仿真中车辆跟驰换道系统，其特征在于，包括初始化模块，用于在仿真车道上设置处于跟驰状态的各仿真车辆；数据采集模块，用于采集所述仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值； 目标车辆确定模块，用于将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；换道角度确定模块，用于利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；换道执行模块，用于当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将所述目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；所述虚拟车按照所对应目标车辆当前跟驰速度的平行车道方向速度分量进行行驶；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上的虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道；其中，所述交通参量根据换道规则所需的参量确定。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述目标车辆确定模块所利用的换道规则具体为dn，2〉dn 1 dn，2〉dmin，Δνη，2〉— Avml 且dk，2〉^safe时，以概率Pl换道； dn，2〉dn 1 dn，2〉dmin，Δ vn 2〈 Avna 且dk,2〉Ssafe时，以概率P2换道； dn,2 <= dna, dn,2 > dmin, Δ Vnj2 >= λ Vna 且 dk,2 > Ssafe 时，以概率 P3 换道；Pi > P2 > P3 ；其中，Clml为同道车距、dn,2为换道车距、dk,2为换道后车距、ssafe为安全间距、.Vna为跟驰车速差、Δνη>2为换道车速差、Vmax为车道车速限制、dmin为最小换道距离、P为换道期望频率。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述换道角度确定模块所利用的换道角度计算公式具体为Θ = min {int [180arctan (w/dc) / π ], 20}；其中，Θ为换道角度、w为原始车道中心线与目标车道中心线之间宽度、d。为目标车辆与目标车道前车的距离。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述换道执行模块中所利用的换道侧向累积位移量的计算方式为
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述初始化模块具体用于在仿真车道上随机分布处于跟驰状态的仿真车辆，且各车道上的仿真车辆数量相等。
全文摘要
本发明公开了一种微观交通仿真中车辆跟驰换道方法及系统。该方法包括采集仿真车道上各仿真车辆所对应的当前各交通参量值；将当前各交通参量值满足预设换道规则且确定实施换道的仿真车辆作为目标车辆；利用换道角度计算公式，计算所述目标车辆所对应的换道角度；当目标车辆以对应的换道角度以及当前跟驰速度进行换道时，将目标车辆虚拟化为原始车道上和目标车道上的虚拟车；当垂直车道方向的换道侧向累积位移量达到原始车道中心线和目标车道中心线之间的宽度时，将目标车道上的虚拟车更换为对应的目标车辆，原始车道上虚拟车删除，以完成目标车辆的跟驰换道。利用本方案，将更符合实际交通行为，可有效指导城市道路规划设计和通行能力评估。
文档编号G08G1/00GK102999646SQ201110270830
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者宋卫国, 吕伟, 房志明 申请人:中国科学技术大学