專利名稱：面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及道路交通設計技術領域，具體講，涉及面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法。
背景技術：
分、合流區(qū)是地下道路基本組成部分之一，分、合流區(qū)的設計是影響地下道路安全性和通行能力的重要因素，而分、合流影響區(qū)的通行能力更是制約分、合流區(qū)安全性和通行能力的關鍵所在。在地下道路系統(tǒng)中，由于施工難度大、費用高，使得出入口間距一般較小，加上地下道路視距交差，特別是在大型車輛較多的條件下，這種影響就更為明顯，因此，對上述條件下地下道路分合流區(qū)進行優(yōu)化設計具有極其重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術的不足，提出面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)進行交通仿真及優(yōu)化設計方法，為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是，面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法:包含場景輸入模塊、感知模塊、換道規(guī)則生成和選擇模塊、行為及動作產(chǎn)生模塊以及交通評價模塊5個部分；其中場景輸入模塊包含可變場景和靜態(tài)場景；駕駛員感知模塊是駕駛員感知外界環(huán)境并形成反應的交互通道，主要感知車道交通擁堵狀況，相鄰車輛位置，相鄰車輛速度，相鄰車輛信號，交通標志；換道規(guī)則生成和選擇模塊是根據(jù)現(xiàn)狀交通狀況、駕駛員類型和駕駛目標生成可能的換道規(guī)則并進行選擇，此模塊的輸出直接決定了駕駛動作的選擇；動作產(chǎn)生模塊是駕駛行為的直接輸出，主要包括跟馳、換道、超車行為，這些行為涉及的動作主要是加速、減速和轉向；仿真評價模塊是在對一定分合流區(qū)設計方案前提下，根據(jù)一定的評價指標對仿真結果進行評價模塊，采用的評價指標主要包括分合流區(qū)通行能力、交通沖突和平均車速，根據(jù)不同的優(yōu)化目標采用不同的指標進行評價。感知模塊的感知位置表述為:C表示當前車輛，LB, LF, F，分別表示位于當前車輛左后、左前、前位置的相鄰車輛；設元胞長度Iy，道路允許的最大車速為Vmax，將車輛速度離散為Nv個區(qū)間，NV = vmax/ly，則每個感知點速度的等級數(shù)為隊個，分別表示的實際車速范圍為[(k-l)ly，kly]，k = 1，2，...，Νν。換道規(guī)則生成和選擇模塊中的換道規(guī)則為:設t時刻對應位置C，LB, LF, F的車輛速度分別為 Vc (t)，Vlb (t)，Vlf (t)，Vf (t),其所在元胞位置分別為 Pc (t)，Plb (t)，pLF (t)，pF (t),換道不發(fā)生碰撞需要滿足的條件為Vc(t+l)-\B(t+l)>PM(t)-pc(t)，Vuj (t+1)-Vc (t+1) >pc(t)-Pu(t),駕駛員可加減速已滿足換道條件，即 vc (t+1) e Sc(t+1) OSc (t+1) = {\(0-1，\(0，\(0+1}，考慮其它車輛行駛速度，換道時存在以下幾種狀態(tài):LI: vLB (t+1) ( vLB (t), vLF (t+1)彡 vLF (t),此情況下車輛 LB 減速或勻速行駛，，LF加速或勻速行駛，可進行換道的條件為Vvr(, + I) G ,Sr0 + 1).M#PLB(t)+vLB(t)-pc(t)
<vc (t+1) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)；
L2 vLB (t+1) = vLB(t)+l, vLF (t+1) = (t)，此情況下車輛 LB 加速行駛，LF 勻速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ +l)e &(/ + 1) , PLB (t)+vLB (t)+l-pc (t) < vc (t+1)
<VLF(t)+pLF(t)-pc(t);L3 vLB(t+l) = vLB (t), vLF (t+1) = Vlp (t) _1，此情況下車輛 LB 勻速行駛,LF 減速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ + I) G Sc(t +1),使得Plb⑴+Vlb⑴-P。⑴+1〈 Vc (t+1)
<Vlf (t)+pLF (t)-Pc (t)-1 ；L4 vLB(t+1) = vLB(t)+l, vLF(t+1) = vLF(t)-1o 此情況下車輛 LB 加速行駛，LF減速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ + l)e5c(/ + l) ，Plb(t) +vLB (t) -pc(t) +1
<vc (t+1) < vLF (t) +pLF (t) -pc (t)-1。換道規(guī)則生成和選擇模塊中的換道規(guī)則中的目標函數(shù)為令Vn(k，xc)表示駕駛員類型k在位置X。的換道意愿，X。位置向\方向移動，換道意愿逐漸增強，對vn(k，x。)進行標定，從Xs開始依次設置三個特征區(qū)域，分別用表示為Ltl，Lt2, Lt3,當上述LI，L2, L3, L4四種狀態(tài)中，不同特征區(qū)域設置的換道條件為區(qū)域Ltl駕駛員滿足LI條件，區(qū)域Lt2駕駛員滿足LI，L2, L3中任意一種，區(qū)域Lt3駕駛員在上述4種條件下?lián)Q道均可進行。本發(fā)明的技術特點及效果本發(fā)明通過場景輸入模塊、感知模塊、換道規(guī)則生成和選擇模塊、行為及動作產(chǎn)生模塊以及交通評價模塊，在不同的地下道路分合流區(qū)設置方案和特定交通環(huán)境下，仿真不同屬性駕駛員和車輛動特性通過分合流區(qū)的場景，通過對不同方案下通過該區(qū)域的交通流進行評價，得到優(yōu)化的地下道路分合流區(qū)設計方案，所得到的方案準確無誤，能夠用于評價各種設計方案。


圖1面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)仿真及設計框架。圖2分流區(qū)示意圖。圖3合流區(qū)示意圖。圖4分流區(qū)元胞劃分。圖5合流區(qū)元胞劃分。圖6相鄰車輛感知點位置。圖7車輛接近道路交叉口的換道示意圖(a) t時刻，(b) t+Ι時刻。圖8合流區(qū)特征點。圖9模擬場景I。圖10模擬場景2。圖11仿真實驗I交通流時空圖。圖12仿真實驗2交通流時空圖。圖13仿真實驗3交通流時空圖。圖14仿真實驗4交通流時空圖。圖15仿真實驗5交通流時空圖。圖16仿真實驗6交通流時空圖。
圖17不同仿真實驗下的交通沖突數(shù)量。
具體實施例方式本發(fā)明基于STCA模型構建多智能體仿真模型，提出面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)進行交通仿真及優(yōu)化設計方法。I仿真及設計框架如圖1所示，在不同的地下道路分合流區(qū)設置方案和特定交通環(huán)境下，仿真不同屬性駕駛員和車輛動特性通過分合流區(qū)的場景，通過對不同方案下通過該區(qū)域的交通流進行評價，得到優(yōu)化的地下道路分合流區(qū)設計方案?；赟TCA模型的交通仿真框架主要包含場景輸入模塊、感知模塊、換道規(guī)則生成和選擇模塊、行為及動作產(chǎn)生模塊以及交通評價模塊5個部分。其中場景輸入模塊包含可變場景和靜態(tài)場景，可變場景在本仿真中主要是地下道路分合流區(qū)設計方案的變化，如分合流匝道接入形式、出入口交通標志、匝道平縱線形和主線平縱線形的關系等，靜態(tài)場景主要包括交通環(huán)境、交通狀況等；駕駛員感知模塊是駕駛員感知外界環(huán)境并形成反應的交互通道，主要感知車道交通擁堵狀況，相鄰車輛位置，相鄰車輛速度，相鄰車輛信號，交通標志等；換道規(guī)則生成和選擇模塊是根據(jù)現(xiàn)狀交通狀況、駕駛員類型和駕駛目標生成可能的換道規(guī)則并進行選擇，此模塊的輸出直接決定了駕駛動作的選擇，換道規(guī)則生成和選擇模塊中共包含8個規(guī)則，其中不同規(guī)則的組合對應不同類型的駕駛員和駕駛目標；動作產(chǎn)生模塊是駕駛行為的直接輸出，主要包括跟馳、換道、超車等行為，這些行為涉及的動作主要是加速、減速和轉向；仿真評價模塊是在對一定分合流區(qū)設計方案前提下，根據(jù)一定的評價指標對仿真結果進行評價模塊，采用的評價指標主要包括分合流區(qū)通行能力、交通沖突和平均車速等，實際上這些指標是相互關聯(lián)的，可根據(jù)不同的優(yōu)化目標采用不同的指標進行評價。2交通仿真模型構建2.1分合流區(qū)元胞設計地下道路分合流區(qū)示意圖如2-5圖所示，在分流區(qū)，車輛經(jīng)過進入漸變段，通過分流匝道駛出，在合流區(qū)，車輛經(jīng)過漸變段駛入加速車道，加速后并入主線，如圖4-5所示，車輛轉彎所在的區(qū)域為LI。如圖5所示，一維元胞設置的長度為8. 75米，二維元胞長寬各為1. 25米，I個一維元胞長度為7個二維元胞長度，采用這樣的設置，能將一維和二維元胞進行較好的結合，既能保持較快的仿真速度，也能兼顧分合流區(qū)大型車輛的運行特征，能對駕駛員微觀駕駛行為和車輛動特性進行較好的刻畫。2. 2分合流區(qū)駕駛感知位置Chowdhury提出的著名的STCA模型，STCA模型中定義了雙車道換道規(guī)則為1)當前車輛加速或者保持限制車速后，前車阻礙了車輛的狀態(tài)保持；2)當前車輛與相鄰車道前車的距離能夠滿足當前車輛加速或保持限制車速的要求；3)當前車輛與相鄰車道前后車的距離大于安全距離。由于本場景下僅涉及的左轉，因此采用3個感知點來描述相鄰車輛狀態(tài)，如圖6所示。如圖6所示，無填充的方格表示各車道元胞，填充方格C表示當前車輛，填充方格LB, LF, F,分別表示位于當前車輛左后、左前、前位置的相鄰車輛。設元胞長度Iy，道路允許的最大車速為Vmax，將車輛速度離散為Nv個區(qū)間，Nv = vmax/ly，則每個感知點速度的等級數(shù)為Nv個,分別表示的實際車速范圍為[(k-1) ly, kly], k = 1，2，…，Nv。2.3換道規(guī)則如圖7所示，方框中第一個字母表示車輛代號，第二個數(shù)字表示車輛速度。如圖7所示，車輛c以速度4向前行駛，由于c車前方無車輛阻擋，因此在STCA模型規(guī)則下，不可能產(chǎn)生換道意愿，另外，即使c4產(chǎn)生了換道意愿，由于在加速或者保持現(xiàn)狀車速下，c車會與b車發(fā)生碰撞，因此也不可能換道成功。然而在本研究的換道規(guī)則中，駕駛員會尋求減速的方式使得換道成功。圖7中，當車輛c減速后以速度3向左換道時，不會與b發(fā)生沖突，這是本研究場景中允許的換道行為。設t時刻對應位置C，LB, LF, F的車輛速度分別為 Vc (t)，Vlb (t)，Vlf (t)，Vf (t),其所在元胞位置分別為 Pc (t)，Plb (t)，pLF (t)，pF (t),換道不發(fā)生碰撞需要滿足的條件為 Vc (t+1) -Vlb (t+1) >pLB (t) -pc (t), Vlf (t+1) -Vc (t+1) >pc (t) -pLF (t),在本研究場景中，駕駛員可加減速已滿足換道條件，即Vc(t+1) e Sc(t+1) 0 Sc(t+1)={vc (t)-1, vc (t)，vc (t) +1}，考慮其它車輛行駛速度，換道時存在以下幾種狀態(tài):LI:vLB(t+l) ^ vLB(t), vLF(t+1)彡 VLF(t)。此情況下車輛 LB 減速或勻速行駛,，LF
加速或勻速行駛，可進行換道的條件為Vvr(/+ 1)^(, +1) ,j|!i#pLB(t)+vLB(t)-pc(t)
<vc (t+1) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)。L2:vLB (t+1) = vLB(t)+l, vLF (t+1) = vLF(t)。此情況下車輛 LB 加速行駛,LF 勻速行駛，可進行換道的條件為+ G、'(..(/ + !)，使得 pLB (t)+vLB (t)+l_pc (t) < vc(t+1)
<vLF(t)+pLF(t)-pc(t)。L3:vLB(t+l) = vLB (t), vLF (t+1) = Vlp (t)_l。此情況下車輛 LB 勻速行駛,LF 減速行駛，可進行換道的條件為:Vvc( + I) G Sc{t +1)，使得Plb⑴+Vlb⑴-P。⑴+1 < Vc(t+1)
<Vlf (t) +Plf (t) -pc (t)-1。L4:vLB (t+1) = vLB(t)+l, vLF (t+1) = Vlii ⑴ 。此情況下車輛 LB 加速行駛,LF減速行駛，可進行換道的條件為:+ l)e Sc{t +1),使得如(t) +vLB (t) -pc (t) +1 < vc (t+1)
<Vlf (t) +Plf (t) -pc (t)-1。2.4目標函數(shù)普通元胞自動機模型中將駕駛員的目標設為追求最高車速，即在前方車輛阻擋當前駕駛員加速或保持最高車速，而相鄰車道能滿足駕駛員目標時，產(chǎn)生換道意愿，換道后不會產(chǎn)生減速行為。這與分合流處的換道目標明顯不符，實際上，分合流處的換道目標是在一定的車道指引和速度限制下追求最高通行效率。以合流區(qū)為例，將車輛在LI區(qū)域的換道可以看作換道意愿逐漸增強的過程，并且會直接影響到行車速度。如圖8所示，令Xs表示合流區(qū)的起始點，Xe表示合流區(qū)的終點，Xc表示合流區(qū)車輛當前位置，則隨著。令Vn(k, Xc)表示駕駛員類型k在位置X。的換道意愿，Xc位置向\方向移動，換道意愿逐漸增強。Χ vn (k, Xc)進行標定，從\開始依次設置三個特征區(qū)域，分別用表示為Ltl, Lt2, Lt3,當上述LI，L2, L3, L4四種狀態(tài)中，不同特征區(qū)域設置的換道條件為:區(qū)域Ltl駕駛員滿足LI條件，區(qū)域L t2駕駛員滿足LI，L2, L3中任意一種，區(qū)域Lt3駕駛員在上述4種條件下?lián)Q道均可進行。3仿真實驗及分析
3.1仿真條件采用uc win/road虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構建地下道路合流區(qū)域場景,如圖9-10所示。采用本研究方法對大型車輛為主的合流區(qū)進行仿真，設置的條件為采用平行式加速車道，仿真不同車速和交通流條件下加速車道的長度設置方案，仿真條件如下表所示。表仿真條件
權利要求
1.一種面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法，其特征是，包含場景輸入模塊、感知模塊、換道規(guī)則生成和選擇模塊、行為及動作產(chǎn)生模塊以及交通評價模塊5個部分；其中場景輸入模塊包含可變場景和靜態(tài)場景；駕駛員感知模塊是駕駛員感知外界環(huán)境并形成反應的交互通道，主要感知車道交通擁堵狀況，相鄰車輛位置，相鄰車輛速度，相鄰車輛信號，交通標志；換道規(guī)則生成和選擇模塊是根據(jù)現(xiàn)狀交通狀況、駕駛員類型和駕駛目標生成可能的換道規(guī)則并進行選擇，此模塊的輸出直接決定了駕駛動作的選擇；動作產(chǎn)生模塊是駕駛行為的直接輸出，主要包括跟馳、換道、超車行為，這些行為涉及的動作主要是加速、減速和轉向；仿真評價模塊是在對一定分合流區(qū)設計方案前提下，根據(jù)一定的評價指標對仿真結果進行評價模塊，采用的評價指標主要包括分合流區(qū)通行能力、交通沖突和平均車速，根據(jù)不同的優(yōu)化目標采用不同的指標進行評價。
2.如權利要求1所述的面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法，其特征是，感知模塊的感知位置表述為:C表示當前車輛，LB，LF，F(xiàn)，分別表示位于當前車輛左后、左前、前位置的相鄰車輛；設元胞長度Iy，道路允許的最大車速為Vmax，將車輛速度離散為Nv個區(qū)間，NV = vmax/ly，則每個感知點速度的等級數(shù)為隊個，分別表示的實際車速范圍為[(k-1) ly, kly]，k = 1，2，...，Nv。
3.如權利要求2所述的面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法，其特征是，換道規(guī)則生成和選擇模塊中的換道規(guī)則為:設t時刻對應位置C，LB, LF, F的車輛速度分別為 Vc (t)，Vu3 (t)，Vlf (t)，Vf (t),其所在元胞位置分別為 Pc(t), PLB(t), PLF(t), PF(t),換道不發(fā)生碰撞需要滿足的條件為Vc(t+l)-\B(t+l)>PM(t)-pc(t)，Vy^t+D-vJt+lDpcW-pJt),駕駛員可加減速已滿足換道條件，即vc(t+l) e Sc(t+1) OSc(t+1) = {\(0-1，\(0，\(0+1}，考慮其它車輛行駛速度，換道時存在以下幾種狀態(tài): LI:vLB(t+l) ^ Vlb (t), Vlf (t+1)彡Vlf (t)，此情況下車輛LB減速或勻速行駛,，LF加速或勻速行駛，可進行換道的條件為'+ 1) e Sc(t +1),使得Ρ Β⑴+vLB (t) -pc (t) < vc(t+l)<vLF (t)+pLF (t)-pc (t)； L2:vLB(t+l) = vLB(t)+l, vLF(t+1) = vLF(t),此情況下車輛 LB 加速行駛，LF 勻速行駛，可進行換道的條件為:Vvc(z* +1) e Sc(t +1)，使得 pLB (t)+vLB (t)+l_pc (t) < vc(t+1)<vLF(t)+pLF(t)-pc(t)； L3:vLB(t+1) = vLB(t), vLF(t+1) = νυ( )-1,此情況下車輛 LB 勻速行駛，LF 減速行駛，可進行換道的條件為:Vvc(t +1) e Sc{i + 1)，使得 Plb (t)+vLB (t)-p。(t)+1 < vc(t+1) <vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；L4:Vlb (t+1) = vLB(t)+l, Vlf (t+1) = Vlf (t)-1 o 此情況下車輛 LB 加速行駛,LF 減速行駛，可進行換道的條件為:Vvr(/ + 1) G Sc(i +1)，使得 pLB (t)+vLB (t)-p。(t)+1 < vc(t+1)<Vlf (t) +Plf (t) -pc (t)-1。
4.如權利要求2所述的面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法，其特征是，換道規(guī)則生成和選擇模塊中的換道規(guī)則中的目標函數(shù)為:$vn(k，x。)表示駕駛員類型k在位置X。的換道意愿，X。位置向\方向移動，換道意愿逐漸增強，對vn(k，x。)進行標定，從Xs開始依次設置三個特征區(qū)域，分別用表示為Ltl，Lt2, Lt3,當上述LI，L2, L3, L4四種狀態(tài)中，不同特征區(qū)域設置的換道條件為:區(qū)域Ltl駕駛員滿足LI條件，區(qū)域Lt2駕駛員滿足LI，L2, L3中任意一種，區(qū) 域Lt3駕駛員在上述4種條件下?lián)Q道均可進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及道路交通設計技術領域。為提出面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)進行交通仿真及優(yōu)化設計方法，本發(fā)明采用的技術方案是，面向大型車輛安全性的地下道路分合流區(qū)交通設計方法包含場景輸入模塊、感知模塊、換道規(guī)則生成和選擇模塊、行為及動作產(chǎn)生模塊以及交通評價模塊5個部分；其中場景輸入模塊包含可變場景和靜態(tài)場景；動作產(chǎn)生模塊是駕駛行為的直接輸出；仿真評價模塊是在對一定分合流區(qū)設計方案前提下，根據(jù)一定的評價指標對仿真結果進行評價模塊，采用的評價指標主要包括分合流區(qū)通行能力、交通沖突和平均車速，根據(jù)不同的優(yōu)化目標采用不同的指標進行評價。本發(fā)明主要應用于圖像傳感器的設計制造。
文檔編號G06F17/50GK103077280SQ20131001129
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月12日 優(yōu)先權日2013年1月12日
發(fā)明者白子建, 王海燕, 王曉華, 苑中丹, 楊凱, 劉大歡, 柯水平, 馬紅偉, 趙巍, 鄭利, 林建新 申請人:天津市市政工程設計研究院