一种基于城市道路的路网构建模型的制作方法

本发明涉及图论相关知识，以及城市道路构建模型的相关背景和研究，尤其涉及在城市交通仿真中路网构建的研究和实现。

背景技术：

随着我国城镇化和现有城市规模的发展，以及普通家庭私家车的增多，交通拥堵的问题越来越突出，并且交通拥堵已经成为制约我国经济发展一个重要因素。利用真实的交通环境进行交通仿真，需要投入大量的资金，而且某些方面还隐含着很多不安全的因素，这就使得寻求最优的交通规划方案很困难，甚至是不可能实现的。因此，应用计算机技术进行交通仿真就成为了一种很有效而且经济的技术手段。交通仿真是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用领域，它不仅可以模拟交通流在时间和空间的变化、为交通道路设计提供依据，而且还可以对各种参数进行比较和评价，以及环境影响的评价，最终达到最后的交通规划方案。

其中，路网结构是交通仿真系统中重要的组成部分，路网结构设计直接影响交通仿真系统模拟交通规模的大小，系统运行的效率以及生成的参数的有效性。目前，研究者在路网建模上都取得许多进展，下面我们介绍一下Paramics，VISSIM和AIMSUN几个重要交通仿真工具中的关于路网构建模型。

Paramics对于交通路网的描述是根据路网几何特征及抽象结构。在Paramics中交通路网使用Link和Node两个元素组成，Link表示多个相同线性车道划分的路段，而Node则表示路段交叉处，即普通交叉口。若是环形交叉口则在Paramics中被视为一种特殊的Node。

VISSIM同样使用Link来表示道路，而其对于路段连接处的表示为Connector，同样，Link也表示多个相同线性车道划分的路段，但VISSIM并没有明确的交叉口的概念，而是使用连接Connector来表示几个路段相连区域。

AIMSUN则与前两者都不同，其使用Section和Join来表达路网基本结构。其中，Section与Link代表的意义相似，即多车道组成的路段，但Join与Node和Connector就不一样了，在AIMSUN中Join仅表示路段之间存在的连接关系，不具有具体的物理属性。另外，AIMSUN使用Junction来表示路网中的交叉口，与Paramics中的Node含义相近。

目前我国城镇化发展迅速，以及大城市道路情况比较复杂，导致现实中的路网状况变化节奏加快，城市道路变得越来越复杂，交通路网中的实体需要微观交通仿真系统对其进行高精度的描述。我们在此基础上以及参考以上研究，提出了一种新的路网构建模型，并在此模型的基础上成功的设计了路网构建工具，可以有效的模拟现实中的城市路网。

技术实现要素：

本发明的研究内容主要是路网模型的建立和在其基础上路网构建工具的实现。路网构建工具主要对交通仿真需求区域路网进行配置以及对其他数据格式路网进行适配转换工作，主要由包括路网编辑、基础信息配置、数据格式适配构成。结合路网构建模型和其构建工具的工作展开了如下几个方面的研究：

1.通过对路网的逻辑结构国内外研究现状进行调研，本文对路网的逻辑结构构建兼顾宏 观意义和微观意义上的需求，结合图结构相关理论，构建了一个两层次的路网逻辑结构，其中包含：路网拓扑层和网内关联层。

2.依据设计的路网逻辑结构，对各种类型路段的外形建模，并在此基础上分析各类型路段属性，并提取出其相同的共性，根据路段的相似性抽象出Link类，用于存储网络中的路段结构。

3.依据对路网逻辑结构以及路段和路口的定义，确立了一个路网编辑工具，该工具提供了可视化交互界面，使用户可以通过拖拽、旋转等简单操作就可以对仿真区域的路网进行编辑。

附图说明

图1是基础路网构造图；

图2是路网拓扑层概念图；

图3是某路段细节图；

图4是网内关联图；

图5是基数样条曲线图

图6是车道及其外形模型图

图7是Link类结构设计图；

图8是路网可视化绘制区界面图。

具体实施方式

1.路网逻辑结构的建立

本文提出的在线微观交通仿真系统对于路网逻辑结构的表达完全遵循于上述分析设计，将所需仿真交通路网分为两个逻辑层次。其中路网拓扑层是由包括路段、交叉口这两个最为基础的宏观结构组成，交叉口和路段使用拓扑网络结点表示，而交叉口与路段的可到达性使用拓扑网络的边表示。而网内关联层则表示的是微观概念的路段和交叉口中车道之间的关系。采用路网拓扑层和网内关联层结构可以很好的兼顾宏观与微观仿真的需求。例如：在路径选择规划、交通流诱导控制、流量时变评估都是属于路网拓扑层的应用。而对车辆微观行为的研究则是网内关联层的应用。基础交通路网构造如图1所示。

以图1的基础交通路网为例。该基础路网由12个路段以及4个交叉口组成。采用本文的逻辑路网构建模型，该路网将被定义为由16个拓扑结点组成的基础网络，其中包含12个路段结点、4个交叉口结点。以此构成了路网逻辑结构的路网拓扑层，概念如图2所示。

根据本文对交通路网逻辑结构的构建原则，路段与交叉口都被定义为路网拓扑层的结点，而结点与结点之间的边是描述的一种结点之间的通过性。以图2的路网拓扑层概念图为例，其中圆形的结点表示路段、方形的结点表示交叉口，而其间的连线表示两结点可以互通。

网内关联层同样是一个无向图拓扑结构。以图1的基础路网其中的某路段为例。该路段细节可以表达为：两个方向的左右路段，其中每个方向由三个车道组成，该路段细节如图3所示。依据构建原则，网内关联层的结点用车道定义，而边则被定义为车道与车道之间的可换道关系。组成了逻辑路网对于该路网的网内关联层，具体概念如图4所示。按车道左右两 个行驶方向来看，分别将两个方向的路段用圆形和三角形表示。车道结点之间的连接边表示车道的相邻关系。

2.路段模型及其数据结构的建立

路段分为直道和弯道两类。直道由两个端点确定，使用线性方程就可以构建一条直道，较为简单。因此，本小节主要介绍弯道的几何建模。系统采用5个基准点的基数样条曲线对弯道进行基础建模，基数样条曲线如图5所示。

使用基数样条函数可以创建一条平滑的曲线来连接给定的基准点集，这符合道路的几何特性，基准点可以大致描述路段定位，基数样条函数对基准点间的点进行拟合采样补全，得到拟合采样点集，构成了弯道的基准线。以基准线为标准，可以生成车道和路段的外形，过程如图6所示。

图6中，路段的外形由基准线向外扩展生成，L为该路段车道宽度；θ为该路段某段路相对于水平线的倾斜度；A为基准线上的一点。显然，路段外形生成方法如下：

(x_B,y_B)为该路段外形边缘的坐标，最终该路段的外形以及车道外形都能够通过路段样条基准线而计算得出。

交通路网中路段的属性不尽相同(外形、内部结构)，但也有一些相同的共性，根据路段的相似性抽象出Link类，用于存储网络中的路段结构，Link类的设计如图7所示。Link类结构中，Start_Object和End_Object分别表示该路段起始点和终止点类型，可以用来判断该路段中车辆行驶的方向，例如Start_Object为边缘点，End_Object为交叉口，则说明该路段为靠右边方向；Road_Id表征该路段属于哪一道路；Shape_Id是该路段的外形列表索引；Lane_Array是该路段中的车道集合；Detector_Array是该路段中探测器集合，在特殊仿真需求中完成车流统计工作；OD_Array是该路段中的交通生成点。Get_Shape()为获取路段外形方法，便于对路段进行绘制；Add_Origin()为动态添加交通生成点；Make_Lanes()为生成该路段中车道信息的方法。

3.根据以上研究内容实现路网工具。

根据对路网逻辑结构的定义和建模以及路段的建模，路网构建工具提供给用户一个可视化绘制区，用户可根据自己的仿真需求绘制仿真路网。路网可视化绘制区如图8所示。