一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法

本发明涉及智能交通仿真技术领域，特别是一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法。

背景技术：

环形交叉口是一种自组织的道路平面交叉形式，中央一般设置中心岛，采用“入环让行”规则，车辆都以同一方向环绕中心岛行驶。信控环形交叉口是结合环形交叉口在空间上将环交车辆进行隔离后，再对其加以信号控制，在时间上对环交各进口道或环道的车流进行组织优化的一类交叉口。利用以计算机为基础的仿真方法研究信控环形交叉口是智能交通仿真领域的一项重要课题。交通微观仿真可以再现各种交通条件下交叉口范围内交通流的实际动态行为，反映单个车辆在车辆跟驰、车道变换等方面的随机特性。

根据信控环形交叉口内车辆行驶过程中的不同特征，通常将车辆的行驶过程分为入环运行、环中运行和出环运行三个过程，建立对应的仿真模块，分别描述微观仿真模型。针对车辆入环运行的交通仿真目前有两种方法：一是将仿真车辆的入环行为作为一个瞬间完成动作，仿真车辆一旦满足入环规则立刻从进口车道进入环内目标车道；二是仿真车辆考虑可插间隙，在满足入环路径的条件下沿着确定行驶曲线进入目标车道。

实际的车辆入环行为是一个持续一定时间的过程，且在多路信控环形交叉口中入环车辆跨越多个车道时会与环内车辆相互产生影响，因此第一种仿真车辆入环方法不符合实际的交通行为。而第二种仿真方法中预设的车辆入环行驶曲线目前一般由简单的圆曲线和直线段组合生成，车辆行驶轨迹不够平滑，且不适用于几何线形复杂的多路信控环形交叉口。综上可见，两种常用的车辆入环仿真方法不能有效模拟现实交通场景的复杂多样化，致使针对信控环形交叉口的仿真质量不高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法，以入环区域范围内所有仿真车辆的速度、加速度、od信息和坐标数据为基本信息，预先计算入环仿真车辆进入目标车道后与目标车道上前车、后车的距离，根据换道规则确定仿真车辆入环路径的曲线控制点坐标、基于曲线函数构建信控环形交叉口的入环区域内仿真车辆入环路径对应的目标曲线，使得仿真车辆能够沿目标曲线平滑地进入不同几何线形的信控环形交叉口，提升特定交通场景的仿真质量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法，包括以下步骤：

步骤(1)、划分信控环形交叉口为入环区域、环中区域和出环区域，采集入环区域内仿真车道的形状参数值；

步骤(2)、设置信控环形交叉口的信号灯控制方案，采集信控环形交叉口的入环区域内各仿真车辆的交通参数值，仿真车辆的交通参数值包括车辆速度、加速度、同道车距、位置数据和od数据；

步骤(3)、将交通参数值满足预设入环规则的仿真车辆作为目标车辆，根据目标车辆的od数据确定目标车道，以目标车辆入环位置为原点，目标车道的中心线方向为横坐标，中心线的法线方向为纵坐标，构建入环路径坐标系；

步骤(4)、根据信控环形交叉口的入环区域内仿真车道的形状参数值、所述入环路径坐标系和预设的换道规则，确定目标车辆入环路径的五个曲线控制点，根据五个曲线控制点确定所述信控环形交叉口的入环区域内仿真车辆入环路径对应的目标曲线。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，步骤(3)中，根据目标车辆的od数据确定目标车辆的行驶方向及目标车道，信控环形交叉口的入环区域的入环规则为：根据信号灯控制信息，仿真车辆的质心越过信控环形交叉口的入环区域内进口车道的停车线时，将仿真车辆确定为目标车辆；在进口车道中心线方向确定目标车辆的入环位置，以所述入环位置为原点构建入环路径坐标系。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，步骤(4)中，所述预设的换道规则基于车辆换道安全距离模型构建，所述换道安全距离模型为：

sf＝sfi+vftc-d；

sr＝sri+d-vrtc；

其中，sf为目标车辆换道进入目标车道后与目标车道上前车的距离、sfi为目标车辆在入环位置与目标车道上前车的横向距离、vf为目标车道上前车的速度、sr为目标车辆换道进入目标车道后与后车的距离、sri为目标车辆在入环位置与目标车道上后车的横向距离、vr为目标车道上后车的速度，tc为换道入环时间，d为目标车辆由入环位置行驶至目标车道上换道位置的横向距离。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，基于换道安全距离模型构建的换道规则具体为：

sf≥smin且sr≥ssafe时，目标车辆驶入目标车道；

sf<smin或sr<ssafe时，目标车辆在目标车道前停止等待；

其中，smin为预设最小换道距离、ssafe为预设安全车间距离。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，步骤(4)中，目标曲线的函数为：

p(τ)＝p0(1-τ)⁴+4p1(1-τ)³τ+6p2(1-τ)²τ²+4p3(1-τ)τ³+p4τ⁴,τ∈[0,1]；

其中，p(τ)为目标曲线上任一点坐标，p0、p1、p2、p3、p4为确定目标曲线的第一个、第二个、第三个、第四个和第五个曲线控制点的坐标，τ为目标曲线参数。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，根据目标曲线的函数的线性代数矩阵表达式和五个曲线控制点的坐标，得到关于目标曲线的参数方程为：

其中，x(τ)为目标曲线上任一点的横坐标，y(τ)为目标曲线上任一点的纵坐标，xi为所述入环路径坐标系内确定目标曲线的第(i+1)个曲线控制点的横坐标，yi为所述入环路径坐标系内确定目标曲线的第(i+1)个曲线控制点的纵坐标，i＝0,1,2,3,4。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，根据目标曲线的性质确定五个曲线控制点的坐标：

确定所述目标车辆的入环位置为所述入环路径坐标系的原点，将所述入环路径坐标系原点确定为目标曲线的第一个曲线控制点，第一个曲线控制点的坐标p0为：

p0＝(x0,y0)＝(0,0)；

目标车辆驶入信控环形交叉口初始阶段，继续沿信控环形交叉口的入环区域内进口车道方向行驶，确定目标曲线的第二个曲线控制点的坐标p1为：

p1＝(x1,y1)＝(0,l)，θ＝90°；

其中，l为所述目标车辆入环位置到信控环形交叉口最外侧车道中心线的垂直纵向距离；θ为信控环形交叉口的入环区域内进口车道与所述入环路径坐标系横坐标之间的夹角角度。

目标车辆满足换道规则时驶入目标车道，根据仿真交叉口的几何线形和车辆换道行为分布，确定目标曲线的第三个曲线控制点的坐标p2、第四曲线控制点的坐标p3、第五个曲线控制点的坐标p4为：

p2＝(x2,y2)＝(vrtc/3,l+(n-1)w)，n≥1；

p3＝(x3,y3)＝(d,l+nw)，n≥1；

p4＝(x4,y4)＝(d+sf,l+nw)，n≥1；

其中，w为信控环形交叉口相邻环道中心线的纵向距离、n为信控环形交叉口的环道数目。

作为本发明所述的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法进一步优化方案，将五个曲线控制点的坐标代入目标曲线的参数方程，确定所述信控环形交叉口的入环区域内仿真车辆入环路径对应的目标曲线的参数方程：

其中，vr为目标车道上后车的速度、tc为换道入环时间、sf为目标车辆换道进入目标车道后与目标车道上前车的距离、l为目标车辆入环位置到信控环形交叉口最外侧车道中心线的垂直纵向距离、θ为信控环形交叉口的入环区域内进口车道与入环路径坐标系横坐标之间的夹角角度、w为所述信控环形交叉口相邻环道中心线的纵向距离、n为所述信控环形交叉口的环道数目，d为目标车辆由入环位置行驶至目标车道上换道位置的横向距离。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明基于信控环形交叉口入环区域范围内所有仿真车辆的数据库，确定目标车辆、目标车道和目标车辆入环位置并构建入环路径坐标系，通过预设换道规则来分析环内车流对目标车辆入环的影响并确定入环曲线的控制点，基于曲线函数构建信控环形交叉口的入环区域内仿真车辆入环路径对应的目标曲线；

(2)本发明提供的方法在考虑了信控环形交叉口入环区域内环内车流对入环车流影响的基础上，解决了信控环形交叉口入环区域内仿真车辆入环行驶路径平滑度不高、不能灵活适用于不同几何线形的信控环形交叉口而导致生成的入环路径质量不高的技术问题，能够更准确的拟合仿真车辆的入环行驶路径，提升复杂交通场景的仿真质量。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图。

图2是本发明实施例的示例中车辆入环路径坐标系示意图。

图3是本发明实施例的示例中仿真车辆入环路径示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例公开的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法，包括如下步骤：

s01，划分信控环形交叉口为入环区域、环中区域和出环区域，采集所述入环区域内仿真车道的形状参数值。

具体的，本实施例的研究范围可以由人为指定，根据车辆换道行为的集中分布来划定研究区域。例如，可首先在获取的视频文件或者文本文件中，分析车辆在信控环形交叉口内集中实施换道行为的路段，根据车辆换道的集中程度来划定研究区域：

(1)入环区域，车辆的换道行为主要发生于车辆的入环过程，车辆根据信号灯控制信息及“入环让行”规则，由进口道车道驶入环形交叉口内部，利用目标车道上的间隙进行换道；

(2)环中区域，车辆绕环行驶，车辆根据本车道的行驶状态及邻道是否具有更好的行驶条件来决定是否需要换道，但由于环内车间距较小，换道行为较少出现；

(3)出环区域，内侧行驶的左转或直行车辆为了能够出环，必须换入外侧车道，造成出环区域内车辆换道行为频繁发生。

根据实际交叉口的几何线形和车辆换道行为分布划分确定研究范围后，利用计算机程序模拟信控环形交叉口入环区域的交通场景，其中入环区域内仿真车道的形状参数值可以由手工输入，或者从视频文件中分析提取，也可以从第三方平台获取。

s02，设置信号灯控制方案，采集信控环形交叉口入环区域内各仿真车辆的交通参数值。

仿真模拟信控环形交叉口入环区域的交通场景时，需要预设信号灯控制方案，根据信号灯控制信息设定仿真车辆的入环规则。入环区域内各仿真车辆的交通参数值包括：每个仿真车辆的车辆速度、加速度、同道车距、位置数据和od数据，可以采用定时或实时的方式采集研究范围内各仿真车辆该时间步对应的当前交通参数值，将所采集的目标车辆的当前交通参数值作为后续仿真车辆入环换道的判断依据。

本方案中，仿真车流的加载方式为固定数量的加载方式，即在仿真开始时固定数量的n辆仿真车由信控环形交叉口的进口道一端进入所述入环区域，各个仿真车辆处于跟驰状态。

本方案主要基于multi-agent技术和idm跟驰模型来仿真模拟信控环形交叉口入环区域的交通场景。其中，multi-agent系统由多个相互通信协调的agent组成，主要用多个相互服务、易于管理的agent来研究大而复杂的系统。本方案中，单个仿真车辆可以看做一个agent，多个agent同时运行构成一个trafficmulti-agent系统，车辆agent要根据信号灯控制信息进入环形交叉口，在入环行驶时要受到目标车道上车辆的影响，根据目标车道上前车与后车的速度、间距等信息来自动调整入环行驶路径。

需要说明的是，每个仿真车辆都是一个具有多个特定属性的agent，该多个属性为多个交通参数。入环区域内车辆agent在越过进口车道停车线时还需要判断自身是否为进口车道上的首车agent或跟随agent。在同一个绿色信号相位内只有首车agent产生入环行驶路径，跟随agent沿首车agent产生的入环路径采用idm跟驰模型跟驰行驶，所述idm跟驰模型为：

vfree＝vmax；

其中，s^*为期望车间距离、s0为静止安全距离、s1为系数、vfollow为跟驰后车速度、vfree为自由流速度、t为安全时间间隔、a为最大加速度、b为舒适减速度、vlead为跟驰前车速度、afollow为跟驰后车目标加速度、sact为实际车间距离、vmax为所述信控环形交叉口内最大速度。

在仿真车辆每个时间步的速度、加速度确定后，即可根据牛顿运动方程计算出此时间步内车辆运动的位移，根据车辆原始位置即可得到当前车辆的位置信息。

s03，将交通参数值满足预设入环规则的仿真车辆作为目标车辆，确定目标车道，构建入环路径坐标系。

所述信控环形交叉口的入环区域的入环规则为：根据信号灯控制信息，仿真车辆的质心越过信控环形交叉口的入环区域内进口车道的停车线时，将仿真车辆确定为目标车辆；在进口车道中心线方向确定目标车辆的入环位置，以所述入环位置为原点构建入环路径坐标系。

s04，根据车辆换道安全距离模型计算目标车辆驶入目标车道后与前车、后车的距离，确定目标车辆入环路径对应目标曲线的控制点的坐标。

目标车辆在入环位置上根据车辆的换道安全距离模型，计算并判断目标车道上的车辆间隙是否允许目标车辆驶入目标车道，所述换道安全距离模型为：

sf＝sfi+vftc-d；

sr＝sri+d-vrtc；

其中，sf为目标车辆换道进入目标车道后与目标车道上前车的距离、sfi为目标车辆在入环位置与目标车道上前车的横向距离、vf为目标车道上前车的速度、sr为目标车辆换道进入目标车道后与后车的距离、sri为目标车辆在入环位置与目标车道上后车的横向距离、vr为目标车道上后车的速度，tc为换道入环时间，d为目标车辆由入环位置行驶至目标车道上换道位置的横向距离。

其中，目标车辆的换道入环时间tc的计算公式为：

其中，，d为目标车辆由入环位置行驶至目标车道上换道位置的横向距离、θ为所述信控环形交叉口入环区域内进口车道与所述入环路径坐标系横坐标之间的夹角角度。

目标车辆在入环位置处根据sf与sr判断是否驶入目标车道，换道规则具体为：

sf≥smin且sr≥ssafe时，目标车辆驶入目标车道；

sf<smin或sr<ssafe时，目标车辆在目标车道前停止等待；

其中，smin为预设最小换道距离、ssafe为预设安全车间距离。

当所采集的仿真车辆各交通参数值满足换道规则时，目标车辆通过确定五个目标曲线的控制点坐标来确定目标曲线的参数方程。如图3所示，第一个曲线控制点的坐标p0为目标车辆的入环位置，即所述入环路径坐标系的原点；第二个曲线控制点的坐标p1为进口道车道方向沿线与交叉口最外侧环道中心线的交点；第三个曲线控制点的坐标p2、第四曲线控制点的坐标p3、第五个曲线控制点的坐标p4根据仿真交叉口的几何线形和车辆换道行为分布来确定：

p0＝(x0,y0)＝(0,0)；

p2＝(x2,y2)＝(vrtc/3,l+(n-1)w)，n≥1；

p3＝(x3,y3)＝(d,l+nw)，n≥1；

p4＝(x4,y4)＝(d+sf,l+nw)，n≥1；

其中，l为所述目标车辆入环位置到所述信控环形交叉口最外侧车道中心线的垂直纵向距离、θ为所述信控环形交叉口入环区域内进口车道与所述入环路径坐标系横坐标之间的夹角角度、vr为目标车道上后车的速度、tc为换道入环时间、w为所述信控环形交叉口相邻环道中心线的纵向距离、n为所述信控环形交叉口的环道数目、d为目标车辆由所述入环位置行驶至目标车道上换道位置的横向距离、sf为目标车辆换道进入目标车道后与目标车道上前车的距离。

s05，根据目标曲线的函数的线性代数矩阵表达式和五个曲线控制点的坐标，确定目标曲线的参数方程。

利用一种曲线来仿真所述信控环形交叉口入环区域内目标车辆的入环路径，目标曲线的函数为：

p(τ)＝p0(1-τ)⁴+4p1(1-τ)³τ+6p2(1-τ)²τ²+4p3(1-τ)τ³+p4τ⁴,τ∈[0,1]；

其中，p(τ)为目标曲线上任一点坐标，p0、p1、p2、p3、p4为确定目标曲线的第一个、第二个、第三个、第四个和第五个曲线控制点的坐标，τ为目标曲线参数。

根据目标曲线的函数的线性代数矩阵表达式和五个曲线控制点的坐标，得到关于目标曲线的参数方程为：

其中，x(τ)为目标曲线上任一点的横坐标，y(τ)为目标曲线上任一点的纵坐标，xi为所述入环路径坐标系内确定目标曲线的第(i+1)个曲线控制点的横坐标，yi为所述入环路径坐标系内确定目标曲线的第(i+1)个曲线控制点的纵坐标，i＝0,1,2,3,4。

将目标车辆确定的五个控制点坐标代入目标曲线的参数方程，确定所述信控环形交叉口的入环区域内仿真车辆入环路径对应的目标曲线的参数方程：

由目标曲线的参数方程可见，在信控环形交叉口入环区域内构建车辆入环路径时，需要根据所需模拟的实际交通场景，确定所述入环区域的形状参数值：l、θ、d、n、w,，采集车辆入环时刻所述入环区域内目标车辆和目标车道上仿真车辆的交通参数值：vr、vt、vf、sf，即能得到与目标车辆入环路径对应的目标曲线，随后目标车辆沿目标曲线由进口道驶入环内目标车道。

以上，vr为目标车道上后车的速度、vf为目标车道上前车的速度、vt为目标车辆在入环位置处的速度、tc为换道入环时间、sf为目标车辆换道进入目标车道后与目标车道上前车的距离、l为所述目标车辆入环位置到所述信控环形交叉口最外侧车道中心线的垂直纵向距离、θ为所述信控环形交叉口入环区域内进口车道与所述入环路径坐标系横坐标之间的夹角角度、w为所述信控环形交叉口相邻环道中心线的纵向距离、n为所述信控环形交叉口的环道数目。

下面根据某多路信控环形交叉口入口区域示例对本发明作进一步阐述。图2是本发明实施例的示例中车辆入环路径坐标系示意图。

交通示例：某多路信控环形交叉口有四条环道，其中最内侧环道用于左转，中间两条环道用于直行，最外侧环道用于右转，一条主干道与环形交叉口斜交，该信控环形交叉口入环区域如图3所示。其中，目标车辆入环位置到所述信控环形交叉口最外侧车道中心线的垂直纵向距离：l＝7m；信控环形交叉口入环区域内进口车道与所述入环路径坐标系横坐标之间的夹角角度：θ＝60°；目标车辆由所述入环位置行驶至目标车道上换道位置的横向距离：d＝15m；、信控环形交叉口的环道数目：n＝4；信控环形交叉口相邻环道中心线的纵向距离：w＝3.5m。预设最小换道距离：smin＝5m；安全车间距离：ssafe＝2m。

某一左转仿真车辆越过进口道停车线被标记为目标车辆，目标车辆到达入环位置后编号为0，该时刻目标车辆和目标车道上仿真车辆的交通参数值如表1所示：

表1仿真车辆部分交通参数值

(1)表中的坐标系是目标车辆在入环位置构建的入环路径坐标系，可见：

目标车辆在入环位置处的速度：vt＝4.17m/s；

目标车道上前车的速度：vf＝2.22m/s；

目标车道上后车的速度：vr＝3.06m/s；

目标车辆在入环位置与目标车道上前车的横向距离：sfi＝6.40m；

目标车辆在入环位置与目标车道上后车的横向距离：sri＝9.30m。

根据vt计算得到目标车辆的换道入环时间tc：

(2)根据换道安全距离模型可以计算得到：

目标车辆换道进入目标车道后与目标车道上前车的距离：

sf＝sfi+vftc-d＝7.36m；

目标车辆换道进入目标车道后与后车的距离：

sr＝sri+d-vrtc＝2.30m。

目标车辆换道规则具体为：

sf≥smin且sr≥ssafe时，目标车辆驶入目标车道；

sf<smin或sr<ssafe时，目标车辆在目标车道前停止等待；

其中，预设最小换道距离，smin＝5m；安全车间距离，ssafe＝2m。

由计算结果可见，sf＝7.36m＞smin且sr＝2.3m＞ssafe，因此目标车辆在入环位置处进行判断后确定能够驶入环内目标车道。

(3)根据目标曲线的性质确定五个曲线控制点的坐标：

第一个曲线控制点的坐标p0：p0＝(x0,y0)＝(0,0)；

第二个曲线控制点的坐标p1：

第三个曲线控制点的坐标p2：

第四曲线控制点的坐标p3：p3＝(x3,y3)＝(d,l+nw)＝(15,21)；

第五个曲线控制点的坐标p4：p4＝(x4,y4)＝(d+sf,l+nw)＝(22.36,21)；

(4)将五个曲线控制点的坐标代入目标曲线的参数方程，即能够确定信控环形交叉口的入环区域内仿真车辆入环路径对应的目标曲线的参数方程：

目标车辆将沿上述目标曲线由入环位置驶入环内目标车道。

本实施例公开的一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建装置与一种信控环形交叉口仿真车辆入环路径构建方法实施例属于同一构思，具体实现过程详见方法实施例，此处不再赘述。一种构建信控环形交叉口仿真车辆入环路径的装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述的一种基于信控环形交叉口仿真车辆入环路径的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。