基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统

本发明涉及一种道路设计系统，具体地说，涉及基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统。

背景技术：

1、虚拟仿真技术的智能道路设计系统是利用计算机模拟和仿真技术来辅助道路设计的工具，结合了人工智能、计算机视觉、虚拟现实等技术，可以帮助工程师们更高效地规划、设计。

2、在现有的智能道路设计系统中，倾向于使用静态模型进行道路设计，且交通设施布局方案会影响交通流量，而现有技术智能道路设计系统缺少对道路项目的评估，缺少对交通设施布局方案的布局优化，导致道路设计的精确度会受到限制，引起交通拥堵等问题，因此，设计基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统，以解决上述背景技术中提出的现有的智能道路设计系统中，倾向于使用静态模型进行道路设计，且交通设施布局方案会影响交通流量，而现有技术智能道路设计系统缺少对道路项目的评估，缺少对交通设施布局方案的布局优化，导致道路设计的精确度会受到限制，引起交通拥堵的问题。

2、为实现上述目的，本发明目的在于提供了基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统，包括数据采集单元，所述数据采集单元基于gis系统采集道路设计相关的数据；

3、道路设计单元，所述道路设计单元基于数据采集单元采集的道路设计相关的数据进行道路布局设计；

4、交通仿真单元，所述交通仿真单元基于虚拟仿真技术对道路交通的流量、速度、密度进行模拟和分析，用于评估道路设计方案的交通性能；

5、设计优化单元，所述设计优化单元基于交通仿真单元模拟的结果，通过均衡交通分配模型对道路设计单元绘制的道路方案进行优化改进，用于满足智能道路的设计需求。

6、作为本技术方案的进一步改进，所述数据采集单元包括地理信息系统模块、交通流量数据模块和道路网络信息模块；

7、其中，所述地理信息系统模块用于收集地理空间数据，地理空间数据包括道路的长度、宽度、曲率、坡度数据；

8、所述交通流量数据模块用于收集道路使用情况、车流量、车速、拥堵情况相关数据；

9、所述道路网络信息模块用于收集现有道路网络的结构、道路规划、道路类型信息。

10、作为本技术方案的进一步改进，所述道路设计单元包括计算机辅助设计模块，所述计算机辅助设计模块用于进行道路绘制与建模设计。

11、作为本技术方案的进一步改进，所述交通仿真单元基于虚拟仿真技术建立道路网络和车辆行为的虚拟模型，用于对绘制的道路进行评估，以评估不同道路设计的效果和交通流量。通过模拟车辆行驶、交通信号和不同路况下的行为，可以评估道路的流量、拥堵情况、安全性等方面，则道路评估步骤具体为：

12、s4.1、基于道路设计单元的道路布局设计信息，收集道路网络信息，并使用收集的道路网络信息创建道路网络虚拟模型；

13、s4.2、定义车辆行为模型；

14、s4.3、将车辆行为模型与道路网虚拟模型结合，进行交通流模拟，根据道路设计单元定义的交通设施布局方案，模拟不同交通设施布局方案对交通流量的影响。

15、作为本技术方案的进一步改进，所述s4.1中，结合路段的属性和路网的拓扑结构构建道路网络虚拟模型；

16、其中，路段属性包括：

17、若节点的坐标为，节点的坐标为，则路段长度为

18、；

19、路网密度

20、；

21、路网密度反映了道路的分布状况或者交通网络的密集程度；路网密度的计算有助于理解和评估交通拥挤程度、规划道路建设；

22、路段坡度

23、；

24、其中，表示节点到节点的路段长度；表示节点的水平坐标；表示节点的垂直坐标；表示节点的水平坐标；表示节点的垂直坐标；表示节点到节点的路段坡度；表示两个节点之间的高度差；表示路网密度，表示路段总长度与特定区域内路段间距的比率；表示路段总长度，表示某个区域内所有道路或者路段的累计长度；表示路段间距的分布密度，表示在该区域内路段之间的距离或密集程度；

25、拓扑结构：

26、道路网络抽象为图，则：

27、；

28、其中，表示道路网络的图；表示图中的顶点集合，代表道路网络中的交叉口、路口或节点，每个顶点可能代表一个特定的地点或路口；表示图中的边集合，代表连接不同顶点的道路或路径，每条边可能包含与之相关的信息，比如长度、道路类型、交通流量等；表示邻接矩阵，用于描述一个图的拓扑结构；表示顶点的数量；

29、邻接矩阵中，表示顶点到顶点的属性；对于图，邻接矩阵是一个二维矩阵，其中，为第行第列的元素值，表示顶点到顶点是否存在边。

30、作为本技术方案的进一步改进，所述车辆行为模型具体为：

31、；

32、其中，表示车辆的加速度；表示当前速度；表示期望速度；表示期望安全距离；表示车辆间的头车距离；和均表示模型参数。

33、作为本技术方案的进一步改进，所述s4.3中，在交通流模拟中，将已知的路段坡度和路段长度转化为车辆行为模型中的参数：

34、；

35、其中，表示模型中的期望安全距离；表示基础的期望安全距离；和均表示调整参数，用来表示坡度和长度对期望安全距离的影响；

36、路网密度对车辆间的头车距离的影响：

37、；

38、其中，表示车辆间的头车距离；表示车辆的平均行驶速度，表示车辆间的跟车距离；表示交通流量；表示路网密度；上述计算公式表示随着路网密度的增加，车辆间的头车距离将减少。

39、则车辆的加速度具体为：

40、。

41、作为本技术方案的进一步改进，所述在交通流模拟中，基于车辆的加速度和已知的路段属性，计算得到交通流量：

42、；

43、其中，表示交通流量；表示车辆的平均速度；表示车辆密度；

44、车辆密度的表达式为：

45、；

46、其中，表示特定时间段内通过某段道路的车辆数目；表示该段道路的长度；

47、则交通流量的具体表达式为：

48、。

49、交通流量用于衡量道路网络的效率，通过道路上车辆的数量、速度和密度有助于评估交通系统的整体运行情况，高交通流量可能表示效率低下或拥堵，而低交通流量可能表明道路未能充分利用；通过分析交通流量，可以评估不同道路设计和交通设施布局方案的效果。这有助于改进道路设计，优化路段布局、交叉口设置和车道规划，以提高交通流畅度和效率；

50、作为本技术方案的进一步改进，所述设计优化单元基于交通仿真单元评估的结果，通过均衡交通分配模型对交通流量进行优化设计：

51、所述均衡交通分配模型是由道路容量模型和交通信号控制模型组成的混合模型，用于优化交通并减少拥堵；

52、其中，所述交通信号控制优化模型具体为：

53、；

54、式中，表示道路方向上交通信号灯的绿灯时间；表示信号周期，即信号灯从一个方向切换到下一个方向所需的时间；表示在道路方向上的道路容量；表示所有方向交通流量的总和，表示方向的数量。

55、作为本技术方案的进一步改进，所述道路容量模型具体表达式为：

56、；

57、式中，表示在道路方向上的车道数；表示在道路方向上的车道的单位容量；表示第个方向的流量调整因子；表示在道路方向上的实际车速；表示在道路方向上的自由流速度；表示流量-密度函数的指数；用于模拟不同道路设计方案对道路容量的影响；通过调整参数来优化交通流量，提高道路的利用效率。

58、则混合模型具体为：

59、。

60、将道路容量模型引入至交通信号控制模型中，结合道路容量模型中的车道数、单位车道容量、流量调整因子和流量-密度函数指数，以确定各个方向的交通流量，用于交通信号控制优化模型中的绿灯时间分配，进而实现对交通流量的优化改进。

61、与现有技术相比，本发明的有益效果：

62、1、该基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统中，基于虚拟仿真技术建立道路网络和车辆行为的虚拟模型，分析交通设施布局方案对交通流量的影响，通过分析交通流量，评估不同道路设计和交通设施布局方案的效果，并确定交通高峰时段和拥堵热点地区，为设计优化单元提供数据支撑。

63、2、该基于虚拟仿真技术的智能道路设计系统中，设计优化单元通过均衡交通分配模型优化提高交通效率和减少交通拥堵；

64、均衡交通分配模型是由道路容量模型和交通信号控制模型组成的混合模型，将道路容量模型引入至交通信号控制模型中，结合道路容量模型中的车道数、单位车道容量、流量调整因子和流量-密度函数指数，以确定各个方向的交通流量，用于交通信号控制优化模型中的绿灯时间分配，进而实现对交通流量的优化改进。