专利名称：城市道路交通网络分析微观仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明属于汽车技术领域。
ニ背景技术：
交通仿真作为ー种分析工具，辅助城市交通系统的规划、设计和运行管理，能使交通系统的建设和运行管理更加科学有效，缓解交通拥挤，节约出行时间，降低燃料消耗，减少交通事故和污染，从而带来巨大的经济效益。微观交通流仿真模型构建的途径是目前国际上交通运输仿真领域研究的前沿课题之一，而一体化的系统仿真环境是当今国际仿真环境发展的主流，是先进的仿真环境。
发明内容
本发明在分析已有模型、算法的基础上，对微观交通流仿真的理论基础作进一歩研究，探索计算机仿真实现的途径，并在此基础上，开发了城市道路微观交通流路段仿真系统。本发明的目标是以交通流理论的最新研究成果以及我国典型城市状况的调查与分析为基础，依据离散系统建模理论、模糊理论和随机应用理论对交通流运行过程进行严密合理地抽象，对传统的微观仿真模型进行改迸，建立新一代的交通流微观仿真模型；对不同交通环境下驾驶员变换车道、跟驰等不确定性行为和“心理-物理”反应进行研究，在一体化仿真环境下建立新的微观仿真算法；探索构建交通仿真一体化环境的途径，研究对仿真过程中所涉及到的各种资源，如模型、算法、实验框架以及行为数据进行统一管理、使仿真过程中不同步骤的数据可以相互共享、使用户可以利用多窗ロ技术同时进行建摸、实验、结果分析等多种工作的实现方法。城市道路微观交通流路段仿真系统，包括计算机硬件、外围的传感器装置和计算机软件，其中，计算机软件通过人机对话方式进行，客户通过程序对话界面调用数据库，软件程序包含道路模块、人-车单元模块、仿真模块、结果模块。其中，仿真模块又包括人-车单元发车模型、跟驰模型、换车道模型。用户通过计算机交互界面，自主选择模块组合以及各种条件。道路模块描述的是城市道路系统中的静态环境，包括路段单元和交叉ロ单元两部分；系统采用面向对象的模型构建技术(Object Oriented Modeling Technology),在Visual C++环境下进行了开发，结合对道路环境的认识，按照基本路段的实际类型构造仿真对象。用户可以通过菜单和对话框方式，自由组合道路各组成部分，形成系统仿真的道路环境。路段单元模块设置了路段起点、路段终点、路段长度、车道数目、路段交通量等特 征參数，车道宽度、车道流量百分比；交叉ロ単元模块设置了交叉ロ类型、地区类型、长向停车线距离、短向停车线距离等特征參数，以及信号周期、红灯时长、绿灯时长、黄灯时长、保护灯时长等特征參数、大车比例、中车比例、右转比例、左转比例、单位小时公共汽车停车次数、进ロ流量；还有交叉ロ进ロ坡度、进ロ左侧车道宽、进口中间车道宽、进ロ右侧车道宽等特征參数。人-车单元模块描述的是驾驶员和车辆等动态对象的总体特征，它最終与道路环境共同形成仿真的基本框架。人-车单元模块的仿真对象包括驾驶员类型和车辆类型，驾驶员类型包括性别、年龄、驾驶倾向性參数，车辆类型包括类型编号、几何尺寸(包括车辆长度和宽度等特征參数)、加速度參数(包括最大加/减速度等特征參数)、速度參数。仿真模块是城市道路微观交通流路段仿真系统最核心的部分，系统中针对不同的仿真对象调用不同的仿真模块。仿真模块主要包括路段仿真模块、交叉ロ仿真、路网仿真。路段仿真模块包括人-车单元的发车模型、约束驾驶行为的跟驰和换道模型、换 车道模型以及仿真时钟的推进机制等必须的组成部分。结果模块主要是实现仿真数据的记录、分析和处理。交通流仿真数据从形式上讲，包括ニ进制数据、文本数据和显示数据；从内容讲，既包括每个仿真単元在各个扫描时刻的特性，即位置、速度、加速度等，又包括仿真交通流的宏观特性数据。通过以上设计方案，本系统实现了如下效果(I)面向用户开放的仿真环境用户可以建立符合自己仿真实验要求的道路环境、驾驶员类型、车辆类型等，随意选择仿真模型和算法、时钟扫描的步长、交叉ロ类型和信号控制方式，设置安放车辆检测器、道路区间数据采集器等来收集仿真数据，并在路段上某一特定位置和某ー时间范围内设置事件等，为用户完成仿真实验提供足够的发挥空间。(2)可按特定的交通流统计特性进行数字仿真依据交通流统计特性，如驾驶员类型、交通组成、地点速度、车头时距、最大加/减速度、期望速度等特性，随机生成符合特定分布的交通流，如均匀分布、正态分布、厄尔兰分布等，并根据用户选定的车辆产生模型、车辆跟驰模型和车道变换模型等进行仿真。(3)可以多种方式收集仿真数据系统不但可以选择收集每一扫描时刻各个车辆的实时数据，还可以收集车辆检测器数据、面向特定区间范围的路段收集仿真数据，并对特定的实验框架予以保存。仿真数据既可以ニ进制文件保存，也可以文本文件保存，还可以在Excel中打开并进行统计处理、绘制曲线等。(4)能统计交通流特性系统不但可以统计交通流中各人-车单元的微观特性，还可以统计交通流的宏观特性。如在路段仿真研究中可以利用车辆检测器数据统计出区间平均速度、密度、流量、车道分布率、车道占用率等宏观指标；在交叉ロ模拟中可以统计交叉ロ的平均延误、交叉ロ各进ロ的平均延误、每ー进ロ不同车道的平均延误、最大排队长度、最大等待时间和饱和度等性能指标。
图I仿真系统的总体结构；
图2道路模块结构示意图；图3人-车单元模块结构示意图；图4仿真对象选择结构示意图；图5路段仿真模块结构示意图；；图6跟驰仿真子模块跟车状态判断结构示意图；图7驾驶员车道变换结构示意图；图8路段仿真模块程序流程图；图9路段仿真车辆发生子模块程序流程图；图10路段仿真车辆跟驰子模块程序流程图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，详细介绍本发明的内容。I仿真系统概述交通仿真作为ー种分析工具，辅助城市交通系统的规划、设计和运行管理，能使交通系统的建设和运行管理更加科学有效，缓解交通拥挤，节约出行时间，降低燃料消耗，减少交通事故和污染，从而带来巨大的经济效益。微观交通流仿真模型构建的途径是目前国际上交通运输仿真领域研究的前沿课题之一，而一体化的系统仿真环境是当今国际仿真环境发展的主流，是先进的仿真环境。本发明在分析已有模型、算法的基础上，对微观交通流 仿真的理论基础作进一歩研究，探索计算机仿真实现的途径，并在此基础上，开发了微观交通流系统仿真一体化环境。I. I仿真的目标仿真的目标是以交通流理论的最新研究成果以及我国典型城市状况的调查与分析为基础，依据离散系统建模理论、模糊理论和随机应用理论对交通流运行过程进行严密合理地抽象，对传统的微观仿真模型进行改迸，建立新一代的交通流微观仿真模型；对不同交通环境下驾驶员变换车道、跟驰等不确定性行为和“心理-物理”反应进行研究，在一体化仿真环境下建立新的微观仿真算法；探索构建交通仿真一体化环境的途径，研究对仿真过程中所涉及到的各种资源，如模型、算法、实验框架以及行为数据进行统一管理、使仿真过程中不同步骤的数据可以相互共享、使用户可以利用多窗ロ技术同时进行建模、实验、结果分析等多种工作的实现方法。I. 2仿真系统的总体结构为实现系统仿真的一体化环境，并考虑到未来微观仿真的发展，系统构建采用模块化思想。系统仿真的总体结构如图I所示。I. 3仿真系统的开发环境及其主要功能为使仿真系统具有可延展性和可扩充性，以便能够适应交通状况不断变化和发展的需要，系统采用面向对象的模型构建技术(Object Oriented Modeling Technology),在Visual C++环境下进行了开发。仿真系统具有以下主要功能和特点2道路模块的开发道路模块描述的是城市道路系统中的静态环境，包括路段和交叉ロ两部分，本发明重点设计路段部分。用户可以通过菜单和对话框方式，自由组合道路各组成部分，形成系统仿真的道路环境。道路模块的详细结构如图2所示2. I路段模块的基本仿真对象采用面向对象的设计思路，结合对道路环境的认识，按照基本路段的实际类型构造仿真对象，在程序中体现为CLUDUANCANSHUSHEZHI类和CCHEDAOCANSHUSHEZHI类。CLUDUANCANSHUSHEZHI类包括路段起点编号、路段终点编号、路段长度、车道数目、路段交通量等特征參数。CCHEDAOCANSHUSHEZHI类包括车道宽度、车道流量百分比等特征參数。2. 2交叉ロ模块的基本仿真对象 交叉ロ模块的仿真对象包括CJIA0CHAK0UBIANMA类、CJIA0CHAK0ULEIXINGXUANZEYUJIHESHEJI 类、CXINHAOPEISHI 类、CJIA0CHAK0UGEJINK0UM0XINGCANSHUSHEJI 类以及CJIA0CHAK0UGEJINK0UJIHESHEJI 类等。CJIA0CHAK0UBIANMA类包括交叉ロ编号等特征參数。CJIAOCHAKOULEIXINGXUANZEYUJIHESHEJI 类包括交叉 ロ类型、地区类型、长向停车线距离、短向停车线距离等4项特征參数。CXINHAOPEISHI类包括信号周期、红灯时长、绿灯时长、黄灯时长、保护灯时长等5项特征參数。CJIA0CHAK0UGEJINK0UM0XINGCANSHUSHEJI 类包括大车比例、中车比例、右转比例、左转比例、単位小时公共汽车停车次数、进ロ流量等6项特征參数。CJIA0CHAK0UGEJINK0UJIHESHEJI类包括交叉ロ进ロ坡度、进ロ左侧车道宽、进口中间车道宽、进ロ右侧车道宽等4项特征參数。由于模型的开发目前还处于起步阶段，忽略了与道路构成有关的许多细节，另外，随着研究的深入和交通的发展，很可能在道路中需要添加新的组成部分。采用面向对象的设计方法，可适应发展，为将来丰富和完善模型提供了方便。3人-车单元模块的开发人-车单元模块描述的是驾驶员和车辆等动态对象的总体特征，它最终与道路环境共同形成仿真的基本框架。人-车单元模块的结构如图3所示。人-车单元模块的仿真对象包括驾驶员类型(CJIASHIYUANLEIXINGCANSSHURU类)和车辆类型(CCHELIANGLEIXINGCANSHUSHEZHI 类)。CJIASHIYUANLEIXINGCANSHUSHURU类包括性别(包括男性驾驶员比例这ー特征參数)、年龄(包括青年驾驶员比例和中年驾驶员比例等特征參数)、驾驶倾向性(包括冲动型驾驶员比例和普通型驾驶员比例等特征參数)。CCHELIANGLEIXINGCANSHUSHEZHI类包括类型编号、几何尺寸(包括车辆长度和宽度等特征參数)、加速度參数(包括最大加/减速度等特征參数)、速度參数(包括自由流速度和速度标准差等特征參数)等。4仿真模块的开发仿真模块是交通流仿真模型中最核心的部分，系统中针对不同的仿真对象调用不同的仿真模块。其逻辑如图4所示。
4. I路段仿真模块的开发路段仿真模块包括人-车单元的发车模型、约束驾驶行为的跟驰和换道模型，以及仿真时钟的推进机制等必须的组成部分。(I)路段仿真模块的基本仿真对象路段仿真模块的基本仿真对象包括Visual C++的主应用程序类CMICROSIMULATIONlApp和从Vi sual C++的底层类Cobject继承并专用于路段仿真的CFANGZHENDANYUAN 类。CMICROSIMULATIONlApp类是仿真系统中仿真基本框架的实现类，集成并包括了驾驶员、车辆和道路环境等的所有信息。在仿真过程中，由框架所设置的基本參数可通过这个类随时为模拟程序所调用。CFANGZHENDANYUAN类此类的对象是仿真过程中最基本的单元和形成交通流的 基本元素，包括车牌号、路段起点标识码、路段終点标识码、车道标识码、性別、年龄、驾驶倾向性、车辆类型、转弯方向、进入系统时间、离开系统时间、换道次数、停车次数、目标车速度、目标车位置、目标车加速度等參数。事实上，CMICROSMULATIONlApp类和CFANGZHENDANYUAN类分别是仿真系统中道路环境、人-车单元的组合体和人-车单元的实现对象。针对不同的用途，系统采用多种方法描述道路环境和交通环境，前面阐述的道路模块以及人-车单元模块的基本对象都是为用户设计的，而此处的CMICROSMULATIONlApp类和CFANGZHENDANYUAN类是专门用于仿真过程的。这样既可以为实验框架实现友好的用户界面，又可节约仿真时间，提高程序运行效率。路段仿真模块的结构如图5所示。(2)发车模型发车模型是仿真模块知识库的ー个重要组成部分，包括两种方式ー是利用实测交通流数据作为输入数据，产生与实际情况完全相同的交通流，这种方式主要用于仿真模型的验证；ニ是根据用户设定的仿真參数，如驾驶员类型组成、车辆类型组成、车道分布、车头时距分布、车速分布以及不同车型的期望速度分布等參数，随机生成符合特定分布的交通流。发车模型中常用的分布形式有离散型经验分布、均匀分布、正态分布、指数分布以及厄尔兰分布等。仿真单元的初始化是仿真模块发车模型中的ー个重要环节，在一定程度上决定了整个仿真模型宏观特性的基调。由于是微观模拟，所以需要随时了解仿真过程中各个基本単元的运行状态。因此，在车辆产生时，需要初始化包括车牌号、路段起点标识码、路段終点标识码、车道标识码、性別、年龄、驾驶倾向性、车辆类型、转弯方向、进入系统时间、离开系统时间、换道次数、停车次数、目标车速度、目标车位置、目标车加速度等在内的一系列与仿真单元有关的參数。①车牌号利用车牌号可以进行车辆的查询检索，随时掌握每辆车的运行信息；②路段起点标识码、路段終点标识码可以提供车辆在路网中哪条路段或哪个交叉ロ的具体信息，为图形显示提供可准确查询的资料数据；③车道标识码不同的车流代码表示车辆在不同的车道上运行、跟踪、排队等；④性别、年龄、驾驶倾向性、车辆类型用于记录仿真单体的基本信息；⑤转弯方向可以表示车辆的左转、右转和直行，确保车辆在路网中按用户要求正确运行；⑥进入系统时间、离开系统时间这两个计数器可以帮助得出车辆在某条路段或某个交叉ロ或整个道路系统的运行时间，进而推导出平均运行速度、延误等；⑦换道次数、停车次数记录姆ー辆车的换道次数、停车次数；⑧目标车速度、目标车位置、目标车加速度实时记录每ー辆车的运行状态，进而控制车辆的跟驰、换道、自由行驶等行为。由于每ー辆车包含非常详细的内容，因此每ー辆车所占的内存字节数也很大,只靠计算机内部数据区域很难满足要求，所以在模拟过程中需要使用文件管理，即建立一数据文件，存储于硬盘，使用时打开文件，待使用完毕后，关闭数据文件。为提高程序运行速度，本系统采用了链表和文件映象对象相结合的动态管理内存的方法。在模拟开始前，仿真系统在进ロ路段内置了长200米的虚拟路段，作为仿真过程的“预热”阶段，这一路段的道路环境为理想的基本路段条件。经过“预热”路段的仿真单 元可以与整个仿真交通流的特性充分协调。(3)跟驰模型驾驶行为的研究，从大处说，可分为无干扰驾驶和有干扰驾驶两个方面。前者主要是指驾驶员在不受其它车辆和道路条件、交通环境等的影响下，逐步达到其理想速度的自由行驶过程，这时后车与其前车的间距或时距一般大于某ー阈值(如间距> 70米或时距>5秒)；后者又可分为有意识条件下的驾驶行为和无意识条件下的驾驶行为，表现为距离控制和速度控制两个阶段。应当说距离控制和速度控制是在驾驶员行为过程中同时存在并且交织在一起的两个方面，在有意识的条件下，后车行为受到前车的干扰，但源于后车距前车较远、驾驶员对前车行驶速度观察受视距限制等因素，距离控制成为驾驶员行为过程中矛盾的主要方面，本质是通过感受和估计前车速度来有意识地将车间距逐步控制到期望间距的水平。这ー阶段又可分为减速驰近和加速紧跟两个不同的方面。減速驰近是指后车逐步减速驶近前车，以期达到两车间满意的视距或期望间距的过程；加速紧跟是指当后车跟随前车并因其它原因(如道路控制措施)減速或停车后，当前车再次启动或加速远去时，后车跟随前车并逐渐加速达到两车间满意的视距或期望间距的过程。速度控制阶段是指当后车获得满意的视距或期望间距后，后车行为虽然受到前车行为的限制，但处于无意识的跟车状态。此时，后车驾驶员虽然不会过多地注意到其本身速度的大小，但却是通过在小范围内不断地加速或減速以调整速度来达到保持其期望间距的目的。这ー阶段的本质是通过感受间距来无意识地控制速度以达到将速度同时控制到前车速度水平的目的，因此速度控制成为矛盾的主要方面。仿真过程中驾驶员行驶状态判断过程如图6所示。(4)换车道模型构建科学、合理的微观仿真模型，不但要仔细分析驾驶员在纵向行驶过程中感觉、理解、判断、决定等一系列心理-物理特征，还要认真研究驾驶过程中掌握不同车辆类型的不同驾驶员组在车道选择时的个人偏好和变换车道的横向行为。车道变换行为的本质是ー决策思维过程，驾驶员车道变换行为的判断过程如图7所示。5结果模块的开发结果模块主要是实现仿真数据的记录、分析和处理。交通流仿真数据从形式上讲，包括ニ进制数据、文本数据和显示数据；从内容讲，既包括每个仿真単元在各个扫描时刻的特性，即位置、速度、加速度等，又包括仿真交通流的宏观特性数据。ニ进制数据的收集主要是用于仿真过程数据的共享和调用。包括每个仿真単元在每个扫描时刻的车牌号、路段起点标识码、路段終点标识码、车道标识码、性別、年龄、驾驶倾向性、车辆类型、转弯方向、进入系统时间、离开系统时间、换道次数、停车次数、目标车速度、目标车位置、目标车加速度等參数，可供仿真系统随时检索。文本数据的收集主要是用于仿真数据的分析和处理。它不但可以收集每个仿真单元在每个扫描时刻的特性參数，还可收集保存实验框架、几个特定仿真单元的实时信息，在某一断面收集来自车辆检测器的信息(既包括通过该断面的各车辆的单车信息，还包括毎隔一定时间间隔收集的宏观数据，如车道分布率、车道占用率、各车道密度、车道区间平均速度、车道区间平均流量、区间平均速度、区间平均密度、区间平均流量等)、某一路段区间的仿真结果等。文本数据可用统计软件EXCEL打开，在其中绘制各种曲线和进行各种分析。显示数据目前包括基本路段仿真结果的显示及道路交叉ロ仿真结果的显示。前者 又包括路段车辆总(平均)运行时间、路段车辆总(平均)延误、路段车辆总(平均)换道次数、路段车辆总(平均)停车次数等；后者包括交叉ロ各进ロ的平均延误、交叉ロ各进ロ的最大排队长度、交叉ロ各进ロ车道的平均延误、交叉ロ各进ロ车道的最大等待时间、交叉 ロ各进ロ左转相和直行相的饱和度以及整个交叉ロ的平均延误等。
权利要求
1.城市道路微观交通流路段仿真系统，包括计算机硬件、外围的传感器装置和计算机软件，其中，计算机软件通过人机对话方式进行，客户通过程序对话界面调用数据库，软件程序包含道路模块、人-车单元模块、仿真模块、结果模块。
2.根据权利要求I所述的城市道路微观交通流路段仿真系统，其特征在于仿真模块包括人-车单元发车模型、跟驰模型、换车道模型；用户通过计算机交互界面，自主选择模块组合以及各种条件。
3.根据权利要求I所述的城市道路微观交通流路段仿真系统，其特征在于道路模块描述的是城市道路系统中的静态环境，包括路段和交叉ロ两部分；用户可以通过菜单和对话框方式，自由组合道路各组成部分，形成系统仿真的道路环境；路段单元模块设置了路段起点、路段终点、路段长度、车道数目、路段交通量等特征參数，车道宽度、车道流量百分比； 交叉ロ単元模块设置了交叉ロ类型、地区类型、长向停车线距离、短向停车线距离等特征參数，以及信号周期、红灯时长、绿灯时长、黄灯时长、保护灯时长等特征參数、大车比例、中车比例、右转比例、左转比例、单位小时公共汽车停车次数、进ロ流量；还有交叉ロ进ロ坡度、进ロ左侧车道宽、进口中间车道宽、进ロ右侧车道宽等特征參数。
4.根据权利要求I所述的城市道路微观交通流路段仿真系统，其特征在于人-车单元模块描述的是驾驶员和车辆等动态对象的总体特征，它最終与道路环境共同形成仿真的基本框架。人-车单元模块的仿真对象包括驾驶员类型和车辆类型，驾驶员类型包括性別、年龄、驾驶倾向性參数，车辆类型包括类型编号、几何尺寸(包括车辆长度和宽度等特征參数)、加速度參数(包括最大加/减速度等特征參数)、速度參数。
5.根据权利要求I所述的城市道路微观交通流路段仿真系统，其特征在于仿真模块包括路段仿真模块、交叉ロ仿真、路网仿真；客户根据需要，通过人机界面，针对不同的仿真对象调用不同的仿真模块。
6.根据权利要求I所述的城市道路微观交通流路段仿真系统，其特征在于路段仿真模块包括人-车单元的发车模型、约束驾驶行为的跟驰和换道模型、换车道模型。
全文摘要
本发明公开一种城市道路微观交通流路段仿真系统。以交通流理论的最新研究成果以及我国典型城市状况的调查与分析为基础，依据离散系统建模理论、模糊理论和随机应用理论对交通流运行过程进行严密合理地抽象，对传统的微观仿真模型进行改进，建立新一代的交通流微观仿真模型；对不同交通环境下驾驶员变换车道、跟驰等不确定性行为和“心理-物理”反应进行研究，在一体化仿真环境下建立新的微观仿真算法；探索构建交通仿真一体化环境的途径，研究对仿真过程中所涉及到的各种资源，如模型、算法、实验框架以及行为数据进行统一管理、使仿真过程中不同步骤的数据可以相互共享、使用户利用多窗口技术同时进行建模、实验、结果分析多种工作的实现。
文档编号G06F17/50GK102682155SQ20121006879
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者吴磊, 张敬磊, 杨新月, 王晓原 申请人:王晓原