专利名称：支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统的制作方法
技术领域：
本发明提出的是一种仿真技术领域的系统，具体说是一种支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统。
背景技术：
随着城市交通复杂程度急剧增大，解决现实交通问题往往需要投入大量资金，同时在实际环境中操作存在许多不安全因素，这使得寻求优化方案的难度加大，甚至不可行。此时，应用计算机技术进行交通仿真成为解决交通问题的有效技术手段。它不仅可以复现交通流时空变化，而且可以对各种参数进行比较和评价，为交通规划、交通指挥及交通应急状况的应急处理方案提供重要的决策依据。
交通仿真的运算量极大，传统集中式的仿真环境只能仿真模拟数量较少路口的情况，远远满足不了包含成百上千路口路网交通流的情况。由于当前的分布式仿真环境恰好能够协同提供高性能的计算资源来完成复杂计算任务，因此，利用基于分布式的动态仿真技术能够很好地适应当前复杂交通仿真的需求。
目前，美国、英国、德国、日本等国家在交通仿真软件方面作了相当多的研究。通过分析国内外典型交通仿真系统如CORSIM，CONTRAM，CORFLO，PARAMICS等发现虽然各个仿真系统在某些方面或多或少地占据一些优势，但基本面向单一研究目的和仿真功能，局限于模拟城市交通系统的某一个侧面、某一个局部，不能很好地满足智能交通发展对综合性仿真平台的需要。因此，为了从根本上解决综合交通仿真系统的适应性、灵活性、可扩展性和重用性，以组合的方式研发一个开放的，可以适应技术和需求不断发展的交通综合仿真体系系统，是交通仿真发展的一个重要趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服当前仿真方法技术上的不足，提供一种支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统。本发明采用当前的Agent(在网络中具有自治性，感知性，移动性的软件实体)技术及HLA(高层仿真体系结构)技术相结合，使其能够在分布式的环境下提供一种协同，灵活，可订制的仿真系统，解决当前微观仿真中汁算资源的巨大需求，仿真结构不具备灵活性、可扩展性的问题，推动交通仿真技术及交通领域的发展。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括同步服务器、区域管理服务器、交通实体仿真服务器、交通实体模型库服务器、交通流分布状态模型库服务器、灾难疏散模型及指挥模型库服务器、交通实体产生服务器、仿真显示终端。交通实体产生服务器负责按照交通流分布状态模型库服务器中的交通流分布模型及交通实体模型库服务器中的交通实体模型动态产生交通实体，并把它们加入到相应的交通实体仿真服务器中进行实体仿真，同时由区域管理服务器协调本仿真区域的交通实体之间的通信和交互；各交通区域管理服务器中的管理单元通过同步服务器实现各个仿真区域的仿真同步。最后通过仿真显示终端采用二维图形和三维图形动态显示交通仿真环境中的实时仿真情况。
所述同步服务器是系统中的同步单元，同步单元主要负责各个仿真区域及显示模块之间的时间同步协调工作，所有的仿真区域通过向同步单元请求时间推进请求，当同步单元收到所有的同步请求后，根据不同的时间策略，通过回调方法允许各仿真区域进行时间推进。
所述区域管理服务器包括与同步服务器通信的单元、业务逻辑计算单元、与交通实体通信的单元。它主要负责小仿真区域的协调与同步及相关的逻辑计算。与同步服务器通信的单元主要负责与同步服务器进行时间同步中的时间推进请求及接受同步服务器中的时间推进准许的回调请求。业务逻辑计算单元主要负责所管理区域的交通状况的计算，比如对当前的交通流情况进行归类，当交通实体发生区域转换时，各管理服务器之间的协调工作。与交通实体的通信单元主要负责收集各个交通实体的状态信息，同时，对各交通实体发布环境信息及时间同步信息。
所述交通实体仿真服务器，其中包含各种交通实体的仿真对象，采用Agent进行描述，比如车，人，信号灯等各种交通实体。各种交通实体根据对应的实体模型，对各种交通实体的行为及属性进行描述，同时，根据交通环境信息自主决定自己的下一个行为及属性值的修改。
所述交通实体模型库服务器，其中包含各种交通实体的模型，比如不同机动车的模型，行人模型，信号灯模型，自行车模型，摩托车模型，路况显示板模型等。各种模型对各种交通实体的行为规则进行刻画与描述。该模型库是通过对交通实体信息描述并进行反复验证抽象得到。
所述交通流分布状态模型库服务器，其中包括各交通区域的交通流分布状态的概率模型，该模型库是通过交通流的历史数据统计分析得到。
所述灾难疏散模型及指挥模型库服务器，其中包括火灾、化学药品泄漏等各种灾难情况下特定地点的人员疏散模型以及各种大型警卫任务及大型集会时所总结得出的针对不同地方的交通指挥模型。
所述交通实体产生服务器，其中包括交通实体产生单元。交通实体产生单元根据交通流分布状态模型库中的交通流分布状态及要产生的交通实体所对应的实体模型产生符合概率分布模型的交通实体数量，并发送到相应的仿真区域中。
所述仿真显示终端包括管理单元和显示单元。管理单元可以根据用户的需求有选择的显示具体的仿真信息到图形界面上，同时可以选择不同的显示方式，比如柱状图等比例信息、文字信息，还可以把交通实体的动态运行的图形界面按照二维或三维的形式进行显示。显示单元主要负责接受管理单元的命令及各仿真区域发过来的交通实体信息进行动态显示。
本发明所述的各服务器处在分布式的环境中，可以通过局域网互连，也可以广域网互联，并遵循统一的通信协议，能够相互通信和交换信息。在交通微观仿真开始时，首先启动同步服务器中的同步单元，然后启动各区域管理服务器中应用程序及仿真显示终端的应用程序，各程序调用同步服务器中的同步单元的加入方法加入到同步环境中，最后启动交通实体产生服务器中的交通实体产生单元，该单元通过用户仿真需求读取交通流分布状态模型库服务器中的交通分布概率模型及交通实体模型库服务器中的交通实体模型，生成对应分布模型、对应交通实体模型的特定数量的交通实体，并通过指定相应的区域管理服务器及相应程序的标识使之加入到相应的管理区域中。交通仿真显示终端根据从各个仿真区域发来的信息实时显示仿真结果。在仿真的过程中，交通指挥中心区域管理服务器根据仿真用户的需求读取灾难疏散模型及指挥模型库服务器中的相应的模型，对各个警察实体发布相应的指挥信息。
本发明能够有效的实现微观交通的有效准确的仿真，同时又具有用户界面直观，用户可定制所需要的仿真区域及仿真重点和显示方式，具有兼容性好，可扩展性强，很强的灵活性，仿真效果明显的特征。本发明系统通过采用HLA技术与Agent技术相结合，采用Agent实现对交通实体行为模型进行刻画，同时采用HLA的RTI(运行支撑环境)对全局仿真进行时间同步。交通实体包括人，车，路，信号灯，交通指挥中心，交警，路况显示板等各种交通实体。通过对各种交通实体行为进行抽象建模，存放于交通实体行为模型库，同时把交通流的分布状态进行抽象建模，存放于交通流分布状态模型库中，交通实体产生器通过交通实体行为模型库中的描述行为按照交通状况分布状态动态实时生成相应的交通实体Agent，并加入到相应的仿真区域中，从而根据交通环境信息自主决定下一步行为。由于采用分布式的仿真环境，系统仿真效率高，同时用户操作简单，不需要涉及仿真的细节操作，只需要在界面上配置相应的参数则可。
本发明提出了一种可扩展的Agent与HLA技术相结合进行仿真的通信模型，以该模型为核心，采用分布式系统和对交通区域进行划分的模式，实现仿真系统分布式进行。在该模型中，通过在Agent内部内嵌RTI大使及联邦成员大使作为成员变量，从而实现与RTI之间的通信，这里的通信包括请求时间推进及时间推进得到准许的回调函数。通过以上方法，实现不同仿真区域的时间同步。
本发明提出了一种模块化的仿真结构，实现交通实体产生模块、仿真模块及交通流分布状态相分离，实现仿真效果的灵活性。在本发明仿真体系结构中，采用交通仿真实体Agent的产生模块与运行模块独立化，从而使仿真结构的各个模块的职责及功能清晰明确化。如果仿真用户需要对仿真实体的行为模型需要进行优化改进，则只需要对仿真模型库进行修改则可。同时，如果不同交通区域的交通流分布状态发生变化时，只需修改交通流分布状态模型则可，由交通实体产生器根据交通流状态分布模型及实体模型动态产生仿真实体。
本发明提出了一种可定制性的仿真框架，针对不同的仿真环境及特征选择合适的参数则可以进行相应区域的仿真。本发明仿真系统具有可定制性，由于上面所提到的模块化结构，当处理不同的仿真区域或仿真类型时，只需要根据特定区域的交通实体的行为特征进行刻画建模以及抽象出该区域的交通流状态分布模型，则可对该区域进行仿真。
本发明的特点和效果1)高效性及分布性本发明采用分布式的仿真系统，能够针对仿真的实时负载情况进行实时负荷调度，实现仿真的并行化，从而提高仿真的效率；2)灵活性及可订制性由于采用交通实体行为模型库的独立化，则只要通过配置相应的模型库，则可以对不同的仿真情况进行订制，具有较强的灵活性；3)仿真系统的通用性本发明具有很强的通用性，只要通过订制不同的实体模型，部可纳入到该仿真框架中；4)系统具有很强的可扩展性，由于本发明采用分布式系统，同时该系统具有通用性，因此，可以根据仿真的复杂程度动态的扩展仿真中所需的计算节点，从而达到仿真的要求。
图1交通实体与区域管理器的交互2为仿真模型中Agent与RTI的通信模型3为系统主要模块之间的交互4为系统各个仿真区域之间的同步5为系统的整体架构示意图具体实施方式
本发明系统以微机及高性能计算机为平台，采用HLA与Agent技术相结合，主要过程如下(1)交通实体模型库服务器通过抽象出各种交通实体行为的参数，找出它们的共性，并反复验证，把最终确定的信息存放于数据库中，通过该方法，使得仿真是只需更新不同区域的交通实体特征，则可把仿真重新定位到新的交通仿真区域。
(2)交通流分布状态模型服务器通过抽象各交通仿真区域的交通流分布概率模型，并把各个参数信息存放于数据库中，通过该方法，使得仿真时只需要更新不同区域的交通流分布特征模型，则可把仿真重新定位到新的交通仿真区域。
(3)灾难疏散模型及指挥模型库服务器，其中将火灾、化学药品泄漏等各种灾难及特定地点的人员疏散策略进行抽象建模并存放于数据库中，以及各种大型警卫任务及大型集会时所总结得出的针对不同地方的交通指挥模型。在进行仿真时，通过选取不同的策略进行仿真比较，从而作出优化的决策。同时也可以通过制定不同的策略，通过仿真进行验证，把好的策略存放于模型库中。
(4)交通实体产生服务器只需读取交通流分布状态模型服务器和交通实体模型库服务器中的模型，按照模型产生对应数量和特征的交通实体Agent则可，通过把实体产生器独立，使得仿真系统的可扩展性，可订制性得到增强。
(5)对仿真区域进行划分，每个仿真区域由一个协调Agent负责管理与协调，在本发明中，主要采用以路段为划分单位，每个路段或一个小区域对应一个协调Agent，路段上所有的交通实体(自行车，行人，车等)所对应的交通实体Agent归属该协调Agent管理，各交通实体Agent通过协调Agent汇报自身的位置、速度、方向等信息，同时协调Agent把所有管辖的交通实体Agent的信息进行收集作为环境信息采用广播的方式发送给所有管辖区域内的交通实体Agent。它们之间的通信采用ACL(Agent通信语言)进行实现，如图1所示，同时，指挥中心在同一个时间步内通过ACL(Agent通信语言)直接跟其他区域的协调Agent进行通信，把信号灯状态信息、警察指挥信息发送给各个区域，同时通过各个协调Agent获取总体的交通环境信息。
(6)整个环境靠RTI进行同步，其他联邦成员通过RTI大使来对RTI进行操作和调用。各个协调Agent通过RTI进行时间同步，实现方式通过在协调Agent中内嵌一个联邦成员大使和RTI大使来实现与RTI进行通信，协调Agent通过调用联邦成员大使以联邦的身份加入到整个联邦当中，每个时间步通过调用RTI大使的时间推进请求方法来请求时间推进，在RTI得到所有协调Agent的推进请求后，通过各个联邦成员大使的回调方法允许时间推进，整个过程反复进行，直到仿真结束，如图2所示。
(7)在启动交通微观仿真时，仿真实体产生器按照用户仿真需求通过读取交通流分布状态模型库中的交通流分布模型，然后按照该模型读取交通实体模型库中的实体行为产生相应数量和特征的交通实体Agent，并加入到相应的仿真区域中去；过程如图3所示；(8)在交通仿真的过程中，各个交通仿真区域采用统一的时间推进机制，主要过程如下开始RTI通过回调方法通知协调Agent中的联邦成员大使，则此时协调Agent广播所管辖的所有交通实体的信息给各交通实体Agent，同时发布时间推进命令，各交通实体Agent接到时间推进命令后，根据接收到的交通环境信息自主进行行为计算，并做相应的动作(如向前推进0.5米等动作)，执行完毕后把自身信息汇报给协调Agent，当协调Agent接收到所有交通实体Agent信息后，通过RTI大使请求RTI进行下一个时间推进，当RTI收到所有区域推进请求后，允许下一个时间步骤的推进，如此反复，直到仿真结束为止，如图4所示。
(9)整体仿真系统如图5所示。所有的协调Agent及显示模块通过RTI进行时间同步，也就是各个仿真区域通过RTI进行同步，同时仿真实体产生器(Agent产生器)根据用户仿真需求读取交通流分布状态中的交通流分布概率模型，从交通实体模型库中读取符合要求的交通实体模型，产生相应特征及数量交通实体agent，并通过指定相应协调agent的标识信息，使之加入到对应的仿真区域，同时它们之间通过agent通信语言(ACL)进行通信，与此同时，启动交通指挥中心agent，它通过与各协调agent通信获取各个区域的交通状况，通过从灾难疏散模型及指挥模型库中读取合适的灾难疏散及交通指挥模型发送指令到警察agent和信号灯agent，实现交通状况的控制。
权利要求
1.一种支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，包括同步服务器、区域管理服务器、交通实体仿真服务器、交通实体行为模型库服务器、交通流状态分布模型服务器、交通实体产生服务器、仿真显示终端，其特征在于交通实体产生服务器通过读取交通流分布状态模型服务器及交通实体模型库服务器中的相应模型，按照设定的数量和特征产生各种交通仿真实体Agent，并加入到各交通实体仿真服务器中，各交通仿真服务器通过区域管理服务器进行管理，同时各区域管理服务器通过同步服务器进行时间同步，最后通过仿真显示终端显示仿真效果。
2.根据权利1所要求的支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，其特征是，区域管理服务器负责管理整个区域中的所有交通仿真实体Agent的管理和通信，所有的交通仿真实体运行在各交通实体仿真服务器中，各交通实体仿真服务器中运行有Agent运行平台，区域管理服务器中也运行Agent运行平台，它们之间的通信采用ACL的Agent通信语言进行通信，从而实现交通环境信息的收集与发布。
3.根据权利1所要求的支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，其特征是，各区域管理服务器通过同步服务器进行同步，它们之间的同步通过Agent与RTI之间的通信模型，主要通过在Agent中内嵌一个联邦成员大使和RTI大使进行实现，在区域管理服务器中通过协调Agent来管理区域的交通实体Agent，同时与RTI进行通信，主要通过调用内部联邦成员大使和RTI大使类成员来实现，当要时间推进时，通过它们请求时间推进，在RTI接收到所有的请求后，通过调用相应的回调函数准许时间推进，从而实现各交通区域的仿真同步。
4.根据权利1所要求的支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，其特征是，交通实体模型库服务器通过抽象出各种交通实体行为的参数，找出它们的共性，存放于数据库中，通过该方法，使得仿真是只需更新不同区域的交通实体特征，则可把仿真重新定位到新的交通仿真区域。
5.根据权利1所要求的支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，其特征是，交通流分布状态模型服务器通过抽象各交通仿真区域的交通流分布概率模型存放于数据库中，通过该方法，使得仿真只需要更新不同区域的交通分布特征，则可把仿真重新定位到新的交通仿真区域。
6.根据权利1所要求的支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，其特征是，交通实体产生服务器只需读取交通流分布状态模型服务器和交通实体模型库服务器中的模型，按照模型产生对应数量和特征的交通实体Agent则可，通过把实体产生器独立，使得仿真系统的可扩展性，可订制性得到增强。
7.根据权利1所要求的支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，其特征是，灾难疏散模型及指挥模型库服务器，其中将火灾、化学药品泄漏等各种灾难及特定地点的人员疏散策略进行抽象建模并存放于数据库中，以及各种大型警卫任务及大型集会时所总结得出的针对不同地方的交通指挥模型，在进行仿真时，通过选取不同的策略进行仿真比较，从而作出优化的决策，同时也可以通过制定不同的策略，通过仿真进行验证，把好的策略存放于模型库中。
全文摘要
一种支持大规模微观交通仿真的可扩展分布式系统，该系统采用Agent技术及HLA技术相结合，通过仿真实体产生服务器根据交通流分布状态模型及交通实体行为模型产生出相应的仿真实体Agent，并归入到相应的区域管理Agent协调Agent中，各个区域的协调Agent通过HLA的RTI进行时间同步管理，通过仿真可以为各种交通灾难疏散、交通指挥及规划的决策的制定和评估提供依据。同时可以通过显示模块对仿真效果进行实时显示，该仿真系统模块清晰，具有可订制性、可扩展性、及灵活性。本发明采用分布式的仿真系统，采用Agent技术与HLA技术相结合，能有效的、快捷的实现微观交通的仿真。
文档编号G06F9/455GK1912837SQ20061003060
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月31日 优先权日2006年8月31日
发明者伍建焜, 黄林鹏, 曹健, 李明禄 申请人:上海交通大学