專利名稱：基于act-r的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于港區(qū)道路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在區(qū)域經(jīng)濟(jì)聯(lián)動(dòng)發(fā)展日益廣泛的今天，港口作為城市對(duì)外貿(mào)易主要窗口而成為城 市發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)，近年新港規(guī)劃設(shè)計(jì)、舊港改擴(kuò)建工程在全國各地如火如荼。然而，港區(qū) 規(guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)工程面臨著許多問題，即港區(qū)道路交通需求合理預(yù)測(cè)、道路路基處理技術(shù)、 港區(qū)道路設(shè)計(jì)規(guī)范、港區(qū)道路網(wǎng)合理規(guī)模、道路設(shè)計(jì)后評(píng)估等，這些都成為港口快速規(guī)劃建 設(shè)的制約因素，傳統(tǒng)交通規(guī)劃管理或者道路設(shè)計(jì)方法無法有效地解決這些難題，歸根結(jié)底， 是沒有把港區(qū)交通特點(diǎn)與交通設(shè)計(jì)方法很好的結(jié)合起來，其中港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)是其中一 個(gè)重要的問題。目前，港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法主要采用公路線形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其不合理性主要 體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1)大型車輛多、動(dòng)特性復(fù)雜由于港區(qū)道路承擔(dān)集、疏港任務(wù)，因此集裝箱卡車、貨車等成為港區(qū)道路主要行駛 車輛。以天津市為例，根據(jù)實(shí)際交通調(diào)查結(jié)果，大中型車輛比例高達(dá)50%-90%，大、中型車 輛比例高是港內(nèi)道路車輛構(gòu)成的主要特征。由于大型車輛具有車型大、車身長(zhǎng)、慣性大等特 點(diǎn)，在港區(qū)道路行駛時(shí)表現(xiàn)出與小汽車截然不同的動(dòng)特性，這些特征在城市道路駕駛模型 中都沒有體現(xiàn)，因此在港區(qū)道路駕駛模型中要考慮到大型車輛動(dòng)特性對(duì)駕駛行為的影響。2)港區(qū)駕駛員行為的特殊性城市道路車流主要是通勤、通學(xué)等日常出行交通流，駕駛員一股都熟悉城市路網(wǎng) 狀況，超速、疲勞駕駛等行為較少。港區(qū)道路駕駛員中，主要分為長(zhǎng)途運(yùn)輸和港內(nèi)運(yùn)輸兩部 分。從始發(fā)地到港區(qū)長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)鸟{駛員由于連續(xù)駕駛時(shí)間長(zhǎng)，其疲勞駕駛、超速、忽視交通 信號(hào)標(biāo)志等特征明顯，由于上述港區(qū)駕駛員行為的存在，需要針對(duì)港區(qū)交通特征構(gòu)造駕駛 員行為決策模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，結(jié)合港區(qū)交通特點(diǎn)，提出一種彎道線 形設(shè)計(jì)方法。為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下一種基于ACT-R的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟(1)估計(jì)彎道圓曲線半徑范圍，并將其以20-60米的間隔進(jìn)行離散；(2)根據(jù)彎道環(huán)境確定不同位置駕駛員視距及離散之后的距離長(zhǎng)度，建立交通擁 堵感知參數(shù)；(3)建立相鄰車輛位置和信號(hào)感知參數(shù)設(shè)定彎道行駛操作的相鄰車輛位置感知 點(diǎn)，將相鄰車輛位置和信號(hào)感知參數(shù)利用含有離散分量的向量表示，每個(gè)分量位置對(duì)應(yīng)一 個(gè)感知點(diǎn)編號(hào)，分量取值為1，2，3，4，5，6，分別表示對(duì)應(yīng)感知位置上無車、勻速行駛、加速行 駛、減速行駛、左轉(zhuǎn)指示、右轉(zhuǎn)指示6種狀態(tài)，并確定彎道行駛的各個(gè)操作影響的主要感知占.
^ \\\ (4)建立觸覺感知參數(shù)利用公式σ = 計(jì)算在圓曲線上行駛車輛的近似加速
3R2
度干擾值，式中，V表示車輛行駛速度，R表示圓曲線半徑，根據(jù)該值大小，將觸覺感知參數(shù) 分為1，2，3，4個(gè)等級(jí)，分別表示加速度干擾值在
m + W2 / max(0, ^max式中，η (ο)表示
g=l K
執(zhí)行動(dòng)作O的主要感知點(diǎn)數(shù)量；W1 (0，g)表示動(dòng)作ο的第g個(gè)感知點(diǎn)的對(duì)動(dòng)作效用的權(quán)重；dfflin(o, g)表示當(dāng)前車輛與動(dòng)作ο的第g個(gè)感知點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的最小感知安全距離， 不同類型駕駛員的最小感知安全距離不一樣，保守型最小感知安全距離小，冒險(xiǎn)型的最小 感知安全距離大；d(o, g)表示當(dāng)前車輛與動(dòng)作ο的第g個(gè)感知點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的感知安全距離；W2表示感知舒適度對(duì)動(dòng)作效用的的權(quán)重；Sfflax表示感知舒適的最大加速度干擾值；表示車輛在圓曲線上行駛車輛的近似加速度干擾值； R2(7)在上述的(2)至(6)步驟建立的ACT-R模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)港區(qū)彎道環(huán)境及道 路交通流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)確定ACT-R模型參數(shù)；(8)在離散后的不同圓曲線半徑的彎道上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)駕駛員動(dòng)作進(jìn)行效用 評(píng)價(jià)，得到不同條件下的彎道通行能力、舒適度和等級(jí)4舒適度比例，在滿足彎道設(shè)計(jì)通行 能力基礎(chǔ)上，選取舒適度最優(yōu)或等級(jí)4舒適度比例最低的方案，如果無滿足要求的方案，則 轉(zhuǎn)1，調(diào)整設(shè)計(jì)要求，重新估計(jì)彎道圓曲線半徑范圍。作為進(jìn)一步的實(shí)施方式，其中的步驟(2)，可采用如下的方法獲得交通擁堵交通擁 堵感知參數(shù)設(shè)t時(shí)亥Ij 感知的交通擁堵程度ρ ( X，t )為
S(I)L(X)
P(XJ) = Σ ^(/,s)d(l)p[r(l,χ) + sd(l), 1,t,d(l)]/^ v[r(/,x),/]，式中，
5=1I=IL(χ)表示χ點(diǎn)所在路段位置的車道數(shù)；r(l, χ)表示車道1對(duì)應(yīng)于車輛所在點(diǎn)χ的左視或右視參照點(diǎn)，如果車道1為點(diǎn)χ
5所在車道，則r(l，x) =x；v[r(l,x), 1]表示車道1上r(l，x)位置的視距；s (1)表示將車道1上視距均分后的距離數(shù)量；cKl)表示車道1上視距長(zhǎng)度離散之后的距離長(zhǎng)度，d(l) = ν (χ, l)/s(l)；ω (1，s)表示車道1視距離散后第s段所占本車道交通擁堵感知的權(quán)重，s越大， ω (1，s)越??； P [r (1，χ) +sd (L)，1，t，d (1)]表示 t 時(shí)刻在車道 1 上，從位置 r(l,x) + (s-1) d (1) 到位置r(l，χ)+sd(l)范圍內(nèi)的交通流密度；將t時(shí)刻感知的交通擁堵程度ρ (X，t)交通擁堵狀況感知參數(shù)分為1，2，3，4四個(gè) 等級(jí)，分別表示 P (X，t)值在
四個(gè)區(qū)間。其中的步驟(8)，在仿真實(shí)驗(yàn)中，駕駛員在駕駛過程中對(duì)動(dòng)作的評(píng)價(jià)采用的學(xué)習(xí)機(jī) 制步驟如下1)初始化 u (p，S，ο) = 0 ；2)輸入感知狀態(tài)S，采用輪盤賭方法選擇動(dòng)作集合中的某一動(dòng)作ο ；3)執(zhí)行動(dòng)作ο并根據(jù)動(dòng)作效果產(chǎn)生下一個(gè)狀態(tài)S'；4)u(p+l，s，ο) := u(p，s，ο) + λ [u(p+l，s，o)_u(p，s，ο)]，其中 λ e (0，1)為學(xué)習(xí)率。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，采用基于ACT-R的彎道駕駛行為決策模型，較 好了結(jié)合了港區(qū)彎道的特點(diǎn)，特別是細(xì)致刻畫了駕駛員彎道轉(zhuǎn)彎行為，模擬了駕駛員彎道 的視覺、聽覺和觸覺感知及駕駛學(xué)習(xí)的過程，通過多次仿真發(fā)現(xiàn)，模擬具有很好的穩(wěn)定性和 真實(shí)性，除了應(yīng)用于港區(qū)彎道平面線形之外，還可指導(dǎo)港區(qū)彎道橫坡度、車道寬度等設(shè)計(jì)。


圖IACT-R認(rèn)知模型結(jié)構(gòu)框架。圖2駕駛行為的ACT-R認(rèn)知模型框架。圖3交通擁堵狀況感知示意圖。圖4感知點(diǎn)示意圖。圖5實(shí)驗(yàn)1彎道車輛平均速度。圖6實(shí)驗(yàn)2彎道車輛平均速度。圖7實(shí)驗(yàn)3彎道車輛平均速度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要結(jié)合港區(qū)交通特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于ACT-R認(rèn)知模型，對(duì)駕駛員駕駛行為進(jìn) 行描述，繼而通過仿真對(duì)港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)主要因素進(jìn)行確定。完整步驟如下1.根據(jù)港區(qū)道路設(shè)計(jì)速度、紅線范圍、道路等級(jí)、通行能力等指標(biāo)估計(jì)彎道圓曲線 半徑范圍，將圓曲線半徑范圍以20-60米間隔進(jìn)行離散；2.根據(jù)彎道環(huán)境確定不同位置駕駛員視距及離散之后的距離長(zhǎng)度等擁堵感知參 數(shù)；境及道路交通流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)確定ACT-R模型參數(shù)；4.在離散后的不同圓曲線半徑的彎道上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到不同條件下的彎道通 行能力、舒適度和等級(jí)4舒適度比例。在滿足彎道設(shè)計(jì)通行能力基礎(chǔ)上，選取舒適度最優(yōu)或 等級(jí)4舒適度比例最低的方案。如果無滿足要求的方案，則重新確定輸入條件(設(shè)計(jì)速度、 紅線范圍、道路等級(jí)、通行能力等指標(biāo))，轉(zhuǎn)1。下面首先介紹ACT-R認(rèn)知模型。ACT-R認(rèn)知模型的原理是采用基于規(guī)則的學(xué)習(xí)和 推理機(jī)制來處理人的認(rèn)知問題，其系統(tǒng)框架如下圖1所示。ACT-R認(rèn)知模型框架主要由感知_動(dòng)作模塊、記憶模塊、緩沖及模式匹配器組成。 感知-動(dòng)作模塊是聯(lián)系系統(tǒng)與外界環(huán)境交互的紐帶，通過感知得到外界環(huán)境狀態(tài)，并用動(dòng) 作執(zhí)行系統(tǒng)決策；記憶模塊內(nèi)存儲(chǔ)了全部的知識(shí)，包括以陳述性知識(shí)為主的短時(shí)記憶和以 程序性知識(shí)為主的長(zhǎng)期記憶，這些知識(shí)用來支持狀態(tài)識(shí)別、學(xué)習(xí)和決策；ACR-R緩沖模塊包 含了關(guān)于外界狀態(tài)和內(nèi)部推理的所有動(dòng)態(tài)信息。上述系統(tǒng)框架包含了決策和學(xué)習(xí)兩個(gè)回 路，決策回路主要包括感知_決策_(dá)動(dòng)作執(zhí)行，學(xué)習(xí)回路則是在緩沖模塊和模式匹配器之間 交互，并最終影響程序性記憶。采用ACT-R認(rèn)知模型對(duì)港區(qū)道路駕駛行為進(jìn)行描述的系統(tǒng)框架如圖2所示。如圖所示，駕駛行為的ACT-R認(rèn)知模型中，感知模塊主要包括視覺、聽覺和觸覺三 個(gè)部分，這是駕駛員從外界接受信息的“傳感器”，模型中的決策部分是在陳述性記憶和程 序性記憶支持下在ACT-R緩沖模塊中完成的，其中，狀態(tài)描述單元將輸入信息標(biāo)準(zhǔn)化，加工 成能完成模式匹配的信息格式，在長(zhǎng)期記憶中匹配對(duì)應(yīng)動(dòng)作，成功后得到可能發(fā)生的動(dòng)作 集合，繼而采用效用函數(shù)評(píng)價(jià)動(dòng)作的效用，采用選擇機(jī)制得到下一步動(dòng)作，如果是目標(biāo)動(dòng)作 (可執(zhí)行的操作，如轉(zhuǎn)向、加速、制動(dòng)等)，則直接輸出執(zhí)行，如果是中間動(dòng)作(如改變當(dāng)前狀 態(tài)的動(dòng)作，如情緒變化等)，則根據(jù)改變的結(jié)果返回狀態(tài)描述單元對(duì)當(dāng)前狀態(tài)重新描述，在 知識(shí)支持下重新做出決策，直至動(dòng)作輸出。下面結(jié)合駕駛行為的ACT-R認(rèn)知模型對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法做詳細(xì)說明?！⒏鶕?jù)港區(qū)交通狀況及駕駛員特點(diǎn)設(shè)計(jì)駕駛員感知規(guī)則。主要包括視覺、聽覺 感知規(guī)則和觸覺感知兩種感知規(guī)則。1)視覺、聽覺感知規(guī)則視覺感知單元主要對(duì)交通擁堵狀況、相鄰車輛位置、相鄰 車輛信號(hào)及交通信號(hào)進(jìn)行感知，此模型主要仿真港區(qū)彎道駕駛行為，不考慮交通信號(hào)的影 響。聽覺感知主要考慮相鄰車輛喇叭刺激，不考慮發(fā)生交通安全事故的碰撞聲音刺激。因 此可以采用交通擁堵狀況和相鄰車輛位置及信號(hào)來描述，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下(1)、(2)所示。(1)交通擁堵狀況。采用行車視距范圍內(nèi)的交通流密度表示，則t時(shí)刻感知的交通 擁堵程度P(x，t)可表示為
S(I)L(X)p(x,t) = Y^ m(l,s)d(l)p[r(I, χ)+ Sd(I)JjJ(I)]/^ v[r(l,x),l]
5=1I=IL(χ)表示χ點(diǎn)所在路段位置的車道數(shù)，r(l,x)表示車道1對(duì)應(yīng)于車輛所在點(diǎn)χ的左視(或右視)參照點(diǎn)，如果車道1為 點(diǎn)X所在車道，則r(l，x) =x；v[r(l,x), 1]表示車道1上r(l，x)位置的視距；s⑴表示將車道1上視距均分后的距離數(shù)量；
cKl)表示車道1上視距長(zhǎng)度離散之后的距離長(zhǎng)度，d(l) = ν (χ, l)/s(l)；ω (1，s)表示車道1視距離散后第s段所占本車道交通擁堵感知的權(quán)重，s越大， ω (1，s)越小；ρ [r(l, x)+sd(l), 1，t，d(l)]表示 t 時(shí)刻車道 1 在位置[r(l, χ) + (s-1) d(1), r(l,x) +sd (1)]范圍內(nèi)的交通流密度(即車道1上，從位置r (1，χ) + (s-1) d (1)到位置r (1， x)+sd(l)范圍內(nèi)的交通流密度)；本發(fā)明將交通擁堵狀況感知分為1，2，3，4四個(gè)等級(jí)，分別表示p(x，t)值在
四個(gè)區(qū)間。(2)相鄰車輛位置和信號(hào)。車輛要進(jìn)行轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速等操作，需要對(duì)相鄰車輛位 置和信號(hào)進(jìn)行感知并判斷操作空間和風(fēng)險(xiǎn)，是決策跟馳、換道和超車等行為的前提。本發(fā)明 采用的視覺、聽覺感知點(diǎn)示意圖如圖4所示，對(duì)于當(dāng)前車輛位置，。第1-8個(gè)感知點(diǎn)的位置為如圖4所示的相鄰車輛對(duì)應(yīng)位置，采用圖4感知點(diǎn)，可為 加速、減速、轉(zhuǎn)向等操作提供決策依據(jù)，相關(guān)決策涉及的主要感知點(diǎn)如表1所示。表1彎道行駛操作主要感知點(diǎn)
權(quán)利要求
一種基于ACT R的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟(1)估計(jì)彎道圓曲線半徑范圍，并將其以20 60米的間隔進(jìn)行離散；(2)根據(jù)彎道環(huán)境確定不同位置駕駛員視距及離散之后的距離長(zhǎng)度，建立交通擁堵感知參數(shù)；(3)建立相鄰車輛位置和信號(hào)感知參數(shù)設(shè)定彎道行駛操作的相鄰車輛位置感知點(diǎn)，將相鄰車輛位置和信號(hào)感知參數(shù)利用含有離散分量的向量表示，每個(gè)分量位置對(duì)應(yīng)一個(gè)感知點(diǎn)編號(hào)，分量取值為1，2，3，4，5，6，分別表示對(duì)應(yīng)感知位置上無車、勻速行駛、加速行駛、減速行駛、左轉(zhuǎn)指示、右轉(zhuǎn)指示6種狀態(tài)，并確定彎道行駛的各個(gè)操作影響的主要感知點(diǎn)；(4)建立觸覺感知參數(shù)利用公式計(jì)算在圓曲線上行駛車輛的近似加速度干擾值，式中，V表示車輛行駛速度，R表示圓曲線半徑，根據(jù)該值大小，將觸覺感知參數(shù)分為1，2，3，4個(gè)等級(jí)，分別表示加速度干擾值在
/^ v[r(/,x),/]，式中，5=1I=IL(χ)表示χ點(diǎn)所在路段位置的車道數(shù)；r(l,x)表示車道1對(duì)應(yīng)于車輛所在點(diǎn)χ的左視或右視參照點(diǎn)，如果車道1為點(diǎn)χ所在 車道，則 r(l，χ) = χ ；v[r(l,x), 1]表示車道1上r(l，x)位置的視距； s(l)表示將車道1上視距均分后的距離數(shù)量；d(l)表示車道1上視距長(zhǎng)度離散之后的距離長(zhǎng)度，d(l) =v(χ, l)/s(l)； ω (l，s)表示車道1視距離散后第s段所占本車道交通擁堵感知的權(quán)重，s越大，ω (1， s)越?。籔 [r(l, x)+sd(l), 1，t，d(l)]表示 t 時(shí)刻在車道 1 上，從位置 r(l，x) + (s-l)d(l)到 位置r(l，x)+sd(l)范圍內(nèi)的交通流密度；將t時(shí)刻感知的交通擁堵程度ρ (x，t)交通擁堵狀況感知參數(shù)分為1，2，3，4四個(gè)等級(jí)， 分別表示 P (X，t)值在
四個(gè)區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ACT-R的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中的步 驟(8)，在仿真實(shí)驗(yàn)中，駕駛員在駕駛過程中對(duì)動(dòng)作的評(píng)價(jià)采用的學(xué)習(xí)機(jī)制步驟如下1)初始化u (p，s，ο) = 0 ；2)輸入感知狀態(tài)s，采用輪盤賭方法選擇動(dòng)作集合中的某一動(dòng)作ο；3)執(zhí)行動(dòng)作ο并根據(jù)動(dòng)作效果產(chǎn)生下一個(gè)狀態(tài)s'；
全文摘要
本發(fā)明屬于港區(qū)道路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于ACT-R的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟估計(jì)彎道圓曲線半徑范圍，并將其以20-60米的間隔進(jìn)行離散；根據(jù)彎道環(huán)境確定不同位置駕駛員視距及離散之后的距離長(zhǎng)度，建立交通擁堵感知參數(shù)；建立相鄰車輛位置和信號(hào)感知參數(shù)；建立觸覺感知參數(shù)；對(duì)駕駛員港區(qū)彎道駕駛可能的動(dòng)作進(jìn)行描述；設(shè)計(jì)駕駛員動(dòng)作的效用評(píng)價(jià)函數(shù)；根據(jù)港區(qū)彎道環(huán)境及道路交通流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)確定ACT-R模型參數(shù)；在離散后的不同圓曲線半徑的彎道上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在滿足彎道設(shè)計(jì)通行能力基礎(chǔ)上，選取舒適度最優(yōu)的方案。與傳統(tǒng)方法相比，采用本發(fā)明法人設(shè)計(jì)方法得到的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方案更為符合港區(qū)交通特性。
文檔編號(hào)E01C1/00GK101942790SQ201010278700
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者付曉敦, 代茂華, 馮煒, 劉寶忠, 劉潤(rùn)有, 劉超, 周驪巍, 張國梁, 張洋, 曹立松, 曾偉, 李明劍, 段緒斌, 焦占武, 狄升貫, 王志華, 王新岐, 王曉華, 申嬋, 白子建, 程海波, 練象平, 苑紅凱, 賀海, 靳燦章, 龔鳳剛 申請(qǐng)人:天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院