CN115578857A - 基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法及系统，所述方法包括：将道路网络导入选定的三维场景中；将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；按照三维立体城市路网规则，基于所述道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；通过跟驰模型模拟所述仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。本发明能够高效实现三维场景车辆仿真。
Description
技术领域
本发明涉及道路仿真建模技术领域，特别是一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法及系统。
背景技术
随着城市交通管理的发展，对于城市交通治理与建设工作提出了更高的要求，当前基本的分析方法是通过采集城市交通数据进行分析，通过零散的传感器、线圈点位进行城市路网交通数据分析。此方法能够获取实时数据进行拥堵分析，但无法模拟红绿灯时间变化、车流量增大对于城市路网的影响，同时采用历史数据做直接的预测准确率较低，不具备可靠性。
现有的物理仿真软件存在有红绿灯或者限速设置，由于速度与道路路权之间的复杂关系，红绿灯设置与路口连接的道路数量关系等问题，使得红绿灯、道路限速设置问题成为复杂难解的专业性难题，无法直接通过界面操作实现交通仿真，且仅有程序编写实现的方法，由此使得交通仿真算法在实际应用中无法与三维交互界面直接交互，在三维仿真应用中存在较高应用难度。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法及系统，以解决上述技术问题。
本发明公开了一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法，包括：
将道路网络导入选定的三维场景中；
将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；
按照三维立体城市路网规则，基于所述道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；
通过跟驰模型模拟所述仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。
进一步地，所述将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，包括：
所述道路限速模型结合道路网络，并通过在三维场景中点选投影路口，选中路口，然后设置红绿灯与时间。
进一步地，所述道路限速模型对所述跟驰模型中车速的影响公式为：
vf＝min[vmax,v(t)+aΔt,vlimit,vsafe]
其中，vf为当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度，vmax为车辆所能达到的最大速度，v(t)表示t时刻车辆速度，a表示车辆的加速度，Δt表示时间间隔，vlimit表示道路限速，vsafe表示与前车应当保持的安全距离速度。
进一步地，所述将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯，包括：
在路口分析接入道路的角度，从正北12点方向为0度开始，依次为接入路口的车道编号，编号后逐次分析不同车道之间的夹角，并定义车辆行驶时的转向角，实现红灯与绿灯状态切换时，通行规则也同时切换，加入交通法规定的右转让左转，左转让直行的路权规定；所述转向角包括直行、左转、微左转、右转、微右转。
进一步地，所述将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯，还包括：
在多路段车道线路接入路口时，通过车道与正北方向夹角直接分析通行规则，并自动根据其他车道与该线路车道之间的夹角计算转向角度，从而调整自身车道向新加入车道的红绿灯转向规则，实现自动化设置多路段接入路口的仿真设置。
进一步地，对于每条车道，其他车道均被分类为对向直行车道或者左转或者右转车道，而红绿灯状态在三者之间切换，并在不同车道之间统一红绿灯放行信号，实现多车道接入路口的自动设置。
进一步地，所述三维立体城市路网规则包括：
基于二维地图图形的道路网路绘制，设定路网图层并将其变换为三维立体城市路网。
进一步地，所述二维地图图形的道路网路绘制包括：
采用折线绘制，通过共点概念实现同一图层的连接或跨图层的连接，图层0代表路网位于地面；图层序号为正数表示道路位于空中高于地面；图层序号为负数表示路网位于地下，低于地面深度。
进一步地，在所述跟驰模型中，采用以下公式计算车辆的刹车距离；
L(v)＝vt-bt2/2
其中，L(v)为刹车距离，v为车辆速度，t为时间，b为刹车加速度；
并使用Euler数值积分在仿真中实时计算更新车辆位置，并结合刹车距离与速度分析公式，计算得出当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度；
所述速度分析公式为：
L(vf)+vfτ<L(vl)+g
其中，L(vf)为后车的刹车距离，vf为当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度，vl为前车的速度，τ为驾驶员的反应时间，L(vl)为前车的刹车距离，g为车间距。
本发明公开了一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真系统，包括：
导入模块，用于将道路网络导入选定的三维场景中；
设置模块，用于将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；
生成模块，用于按照三维立体城市路网规则，基于所述道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；
仿真模块，通过跟驰模型模拟所述仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明通过微观交通仿真技术能够再现城市路网的车流，采用微观交通中的跟驰模型结合本发明提出的红绿灯配置分析模型与道路限速模型，可以实现真实的仿真效果。用户通过与真实环境一致的限速、红绿灯配置可以获得更加真实的交通流量分析结果，从宏观和微观上都可以了解城市路网的拥堵状态与流量，展现效果直观准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的一种将多段多方向车道接入路口的示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
本发明创新性的提出了多道路连接路口的红绿灯分析模型与道路限速模型，并使得仿真能简便灵巧的设置路口的道路连接状况与红绿灯设置，并在路网中实现道路限速，脱离当前使用复杂代码进行设置的方法，极大地简便了用户的操作流程。在红绿灯配置与道路限速两项重要技术上实现了可直接通过应用三维场景中的点选操作进行配置，操作方法直观便捷，真正适配于三维场景车辆仿真。最后，本发明通过分析现有三维立体城市路网的缺陷之处，提出了三维立体城市路网的分级高度算法模型，算法解决了三维场景中的立体城市路网实施问题，通过创新性的提出路网图层概念分级路网高度至地下、地面、地上多个层级，从而解决道路、车辆穿模问题，方法可靠高效。
参见图1，本发明提供了一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法的实施例，具体地，该方法包括如下步骤：
将道路网络导入选定的三维场景中；
将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；
按照三维立体城市路网规则，基于道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；
通过跟驰模型模拟仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。
更为具体地，
跟驰模型：
跟驰模型是微观交通仿真模型的仿真核心模块，在交通仿真中具有重要的作用。跟驰模型是通过模拟在路网体系中行驶的车辆行驶状态实现车流的运动，跟驰模型融合心理学，动力学计算特点，与交通驾驶经验紧密相关。
据此跟驰模型将驾驶情形分为两类：无前车(自由流)和有前车(拥堵流)。自由流情形下，车辆在前方几乎无前车，根据车辆驾驶人驾驶水平、道路限速与路况以及车辆自身性能水平共同决定行驶车辆的最高速度，而在拥堵流状态下，则需保证在前车突然刹车下与前车时刻保持安全距离。
本实施例提出了改进的carFollowing-Krauss模型，修改了关于在有前车情形下的后车速度分析方法，在原始carFollowing-Krauss模型中，由前车与后车平均速度在
处的泰勒展开实现刹车距离计算。此种分析方法在后车与前车有一车加速偏大的情况下，容易计算出偏离实际的数值，从而可能导致仿真中不该出现的相撞事故出现，影响仿真的正确性。
因此采用动力学方法替代成为势在必行的解决方法，在本实施例中，提出采用L(v)＝vt-bt2/2动力学算法进行刹车距离计算，并使用Euler数值积分在仿真中实时计算更新车辆位置，并结合刹车距离与速度分析公式L(vf)+vfτ<L(vl)+g计算得出基于前车的最大后车速度，为微观交通仿真提供更可靠的理论基础。其中，L(v)为刹车距离，v为车辆速度，t为时间，b为刹车加速度；L(vf)为后车的刹车距离，vf为当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度，vl为前车的速度，τ为驾驶员的反应时间，L(vl)为前车的刹车距离，g为车间距。
红绿灯与路口分析模型：
城市体系中存在有大量的路口，在实际交通中，通过肉眼观察道路走向确定N条道路所连接的路口红绿灯状态下很容易判断道路的连接情况，从而判断红绿灯所控制的路口通行规则，但在超过四条道路所连接的路口，以及多车道每条车道均有不同的通行规则时，在设计仿真时，单个路口即便通过连线逐车道设置通行规则，可能需要设置红灯、绿灯状态下的百余条通行规则，这对于微观交通仿真是不小的工作量，在城市发展的同时，通过手工设置路口通行规则将很难应对当前的交通仿真需求发展。
在现有模型的基础上结合提出了新的智能算法，通过分析路口的连接关系实现自动实现车道之间的路权优先级计算，首先在路口分析接入道路的角度，如图2所示，从正北12点方向为0度开始，依次为接入路口的车道编号，编号后逐次分析不同车道之间的夹角，并定义车辆行驶时的转向角(直行、左转、微左转、右转、微右转)实现红灯与绿灯状态切换时通行规则也同时切换，加入我国交通法规定的右转让左转，左转让直行的路权规定。在多路段车道线路接入路口时，会通过车道与正北方向夹角直接分析通行规则，并自动根据其他车道与该线路车道之间的夹角计算转向角度，从而调整自己车道向新加入车道的红绿灯转向规则，实现自动化设置多路段接入路口的仿真设置。对于每条车道，其他车道均被分类为对向直行车道或者左转右转车道，而红绿灯状态在三者之间切换，并在不同车道之间统一红绿灯放行信号，实现了自动化的多车道接入路口的自动设置。
道路限速模型：
道路限速模型与跟驰模型密切相关，是以真实交通状况下存在的道路限速的模拟。加入道路限速使得微观交通仿真更加接近真实情况，跟驰模型中自由流的状态下，同时拥堵流在道路限速较低的情况下也可能受到限速影响，
道路限速模型结合路网通过在三维场景中点选投影路口，选中路口设置红绿灯与时间从而实现，具体对跟驰模型中的车速影响公式为：
vf＝min[vmax,v(t)+aΔt,vlimit,vsafe]
式中，vf为当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度，vmax为车辆所能达到的最大速度，v(t)表示t时刻车辆速度，a表示车辆的加速度，Δt表示时间间隔，vlimit表示道路限速，vsafe表示与前车应当保持的安全距离速度。道路限速模型通过结合我国交通法规定与仿真公式，为合理进行仿真奠定了基础。
三维立体城市路网：
真实的城市交通存在立体跨越的情形十分多见，如立交桥，地下通道等等多种情况的立体交叉穿越路段，由于以往仿真技术通常采用二维仿真技术，使得车辆交错情况发生，但应用于三维场景时，在非立体城市路网上交叉的路段会导致车辆穿模情形出现。为从路网高效生成角度解决此问题，本实施例提出采用路网图层概念，在二维地图图形中，路网通常采用折线绘制，通过共点概念实现同一图层的连接或跨图层的连接，图层0代表路网位于地面，图层序号为正数表示道路位于空中高于地面，序号为负数表示路网位于地下，低于地面深度，从而模拟立交桥、盘山公路、地下通道多种立体交通形态，使用简单的方法打破传统的二维交通仿真形态，从而实现交通仿真在三维场景中展现，此方法可以指导高效快捷的三维立体城市路网生成算法，极大地减轻了服务器后端对于三维立体城市路网的计算压力同时，不会使得路网在三维场景中直接交叉引起车辆穿模问题。
本实施例通过提出新的跟驰模型，构建自动化的红绿灯交互方式，并通过道路限速模型进一步完善跟驰模型功能，实现全新的仿真模式，同时实现了仿真任务的自动化功能，而最终通过构建三维立体城市路网，使得仿真运行在三维场景中可以完善运行，增添了非编程操作的三维可视化交通规则设置，当前交通仿真领域未实现交通仿真的自动化构建，也缺乏三维场景中的交通仿真呈现，本实施例提出的三维场景中的交通仿真呈现将带来全新的视觉感知，为智慧城市，智慧交通赋能。
本发明还提供了一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真系统的实施例，其包括：
导入模块，用于将道路网络导入选定的三维场景中；
设置模块，用于将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；
生成模块，用于按照三维立体城市路网规则，基于所述道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；
仿真模块，通过跟驰模型模拟所述仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真方法，其特征在于，包括：
将道路网络导入选定的三维场景中；
将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；
按照三维立体城市路网规则，基于所述道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；
通过跟驰模型模拟所述仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，包括：
所述道路限速模型结合道路网络，并通过在三维场景中点选投影路口，选中路口，然后设置红绿灯与时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述道路限速模型对所述跟驰模型中车速的影响公式为：
vf＝min[vmax,v(t)+aΔt,vlimit,vsafe]
其中，vf为当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度，vmax为车辆所能达到的最大速度，v(t)表示t时刻车辆速度，a表示车辆的加速度，Δt表示时间间隔，vlimit表示道路限速，vsafe表示与前车应当保持的安全距离速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯，包括：
在路口分析接入道路的角度，从正北12点方向为0度开始，依次为接入路口的车道编号，编号后逐次分析不同车道之间的夹角，并定义车辆行驶时的转向角，实现红灯与绿灯状态切换时，通行规则也同时切换，加入交通法规定的右转让左转，左转让直行的路权规定；所述转向角包括直行、左转、微左转、右转、微右转。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯，还包括：
在多路段车道线路接入路口时，通过车道与正北方向夹角直接分析通行规则，并自动根据其他车道与该线路车道之间的夹角计算转向角度，从而调整自身车道向新加入车道的红绿灯转向规则，实现自动化设置多路段接入路口的仿真设置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于每条车道，其他车道均被分类为对向直行车道或者左转或者右转车道，而红绿灯状态在三者之间切换，并在不同车道之间统一红绿灯放行信号，实现多车道接入路口的自动设置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三维立体城市路网规则包括：
基于二维地图图形的道路网路绘制，设定路网图层并将其变换为三维立体城市路网。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二维地图图形的道路网路绘制包括：
采用折线绘制，通过共点概念实现同一图层的连接或跨图层的连接，图层0代表路网位于地面；图层序号为正数表示道路位于空中高于地面；图层序号为负数表示路网位于地下，低于地面深度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述跟驰模型中，采用以下公式计算车辆的刹车距离；
L(v)＝vt-bt2/2
其中，L(v)为刹车距离，v为车辆速度，t为时间，b为刹车加速度；
并使用Euler数值积分在仿真中实时计算更新车辆位置，并结合刹车距离与速度分析公式，计算得出当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度；
所述速度分析公式为：
L(vf)+vfτ<L(vl)+g
其中，L(vf)为后车的刹车距离，vf为当前车辆与前车保持安全距离所能允许的最大后车速度，vl为前车的速度，τ为驾驶员的反应时间，L(vl)为前车的刹车距离，g为车间距。
10.一种基于跟驰模型与路权的三维场景车辆仿真系统，其特征在于，包括：
导入模块，用于将道路网络导入选定的三维场景中；
设置模块，用于将道路限速模型结合道路网络设置道路限速，将红绿灯与路口分析模型结合道路网络通过点选设置道路连接与红绿灯；
生成模块，用于按照三维立体城市路网规则，基于所述道路限速、道路连接与红绿灯和车辆流量，生成仿真道路路网；
仿真模块，通过跟驰模型模拟所述仿真道路路网，得到三维场景下的车辆仿真文件。
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| CN117709811A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 河北省交通规划设计研究院有限公司 | 一种基于城市仿真的城市规划系统及方法 |
| CN117709811B (zh) * | 2024-02-05 | 2024-04-19 | 河北省交通规划设计研究院有限公司 | 一种基于城市仿真的城市规划系统及方法 |
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