專利名稱：面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能交通信息領(lǐng)域，具體涉及一種面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著ITS(智能交通系統(tǒng))、計算機(jī)、通信等技術(shù)的迅猛發(fā)展，在不少國家和地區(qū)，能夠?qū)崟r地提供道路交通狀況信息的車載交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)(簡稱車載動態(tài)信息系統(tǒng))已經(jīng)從早期的實驗室探索、示范工程應(yīng)用，逐漸轉(zhuǎn)向?qū)嵱没A段。車載動態(tài)信息系統(tǒng)能夠以文字和地圖等形式顯示道路交通狀況
(如擁擠、事故、不利氣候、施工、行程時間、延誤等)，還能給出最優(yōu)路徑指示以實現(xiàn)導(dǎo)行目的。這里所述的車載動態(tài)信息系統(tǒng)，是在交通信息采集、處理和發(fā)布技術(shù)較完備的背景下的新技術(shù)，與傳統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)概念不同。傳統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)的最優(yōu)路線指示根據(jù)正常交通狀況生成，不考慮或很少考慮實時的路況變化情況，給出的最優(yōu)路線指示本質(zhì)上是靜態(tài)信息。國內(nèi)，動態(tài)車載信息系統(tǒng)相關(guān)研究起步較晚，但近年來在借鑒發(fā)達(dá)國家研究成果基礎(chǔ)上，研發(fā)車載動態(tài)信息系統(tǒng)的硬件技術(shù)已具備， 一些城市已初步應(yīng)用
(或正在規(guī)劃)實例系統(tǒng)。隨著我國許多城市的高速道路(巿郊/城際高速公路、市內(nèi)快速路)形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，城市居民旅游出行需求日益旺盛，交通信息采集與處理技術(shù)不斷完善，車載動態(tài)信息系統(tǒng)應(yīng)用于高速道路出行將是必然趨勢。
在上述背景下，研究駕駛員在動態(tài)車載交通信息影響下的動態(tài)響應(yīng)行為成為了學(xué)術(shù)界ITS研究的熱點(diǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)報道已經(jīng)不少。這里所述的動態(tài)響應(yīng)行為是指路徑選擇、中途換道等個體決策行為，不涉及微觀車輛駕駛行為。研究成果能夠為駕駛員行為分析、車載動態(tài)信息系統(tǒng)的設(shè)計、運(yùn)行管理、效益評價等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。目前主流研究方法是應(yīng)用計算機(jī)模擬技術(shù)，針對假象的(或存在的)車載動態(tài)信息系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，對車載動態(tài)信息系統(tǒng)進(jìn)行模擬設(shè)計，開發(fā)車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬器(計算機(jī)模擬程序)，通過模擬器人機(jī)界面將駕駛員置于虛擬出行情境中，采集駕駛員響應(yīng)行為數(shù)據(jù)。顯然，模擬器為駕駛員營造的虛擬出行情境是否足夠逼真，將影響所采集的行為數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，以往研究設(shè)計的車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬程序，限于當(dāng)時理論和技術(shù)水平，沒有能夠運(yùn)用交通流模型來生成虛擬出行情境，駕駛員在虛擬出行中經(jīng)歷的路網(wǎng)交通狀況(車速、擁堵、事故等)一般是預(yù)設(shè)的或者符合一定隨機(jī)變化規(guī)律的。簡言之，以往的車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬設(shè)計方法都不是交通流模型驅(qū)動的。這樣做的不足主要有(1)模擬
器不能很好地復(fù)現(xiàn)現(xiàn)實世界中交通擁擠時車流停停走走(stop and go)、沖擊波(shock wave)、擁擠傳播(congestion propagation)等重要的交通流動態(tài)非線性特征；(2)模擬的交通狀況很難反映交通流在路網(wǎng)中的動態(tài)演化規(guī)律；(3)駕駛員出行途中所經(jīng)歷的交通狀況不夠逼真、不夠符合實際；(4)很難保證駕駛員的決策行為與經(jīng)歷的交通狀態(tài)真正融合在一起。
隨著交通流建模技術(shù)日漸成熟，探索基于交通流模型的車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬設(shè)計方法，克服以往技術(shù)不足，將是一個具有前景的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬設(shè)計方法的不足問題，提出了一種面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法，用于獲取駕 駛員在提供動態(tài)車載信息條件下的動態(tài)響應(yīng)行為數(shù)據(jù)，確保收集的行為數(shù)據(jù) 更符合駕駛員實際行為，為科研人員探索車載信息與駕駛員行為之間的動態(tài) 復(fù)雜關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為車載動態(tài)信息系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、評價等提供科學(xué) 依據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng) 模擬設(shè)計方法，包括如下步驟
1)利用計算機(jī)作為界面，運(yùn)用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，建立快速路網(wǎng)宏 觀交通流仿真數(shù)學(xué)模型路網(wǎng)由節(jié)點(diǎn)和有向路段組成，節(jié)點(diǎn)為存在出、入口 匝道或道路屬性發(fā)生變化的位置；路段是屬性，如車道數(shù)、坡度，相同的一 段高速公路；路段分為若干等長小段，路段^分為"個長度為A",的小段， 小段車道數(shù)記為、，路段瓜的第/小段在A時刻的交通狀態(tài)用密度、速度和 流量表示，分別記作/V,(Q、 ^W和^，,W，網(wǎng)絡(luò)流模型由路段模型、節(jié)點(diǎn) 模型、起點(diǎn)排隊模型三部分組成，相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式如下-
A:路段模型
、,0) = 附
,,(A +1) = F(F￡ (Pm,, "))， ^ (W， v加,卜,("，W)
公式中，/V,，,W表示A^("中終點(diǎn)為J的分密度 為模型取樣周期； ^，,A^/A^，稱為交通組成比例；函數(shù),O是動態(tài)速度-密度方程，表示 小段速度與上下游小段交通狀態(tài)有關(guān)，^(.)為穩(wěn)態(tài)速度-密度關(guān)系，尸(9和 ^(.)都是經(jīng)驗性公式，可以結(jié)合實測高速路數(shù)據(jù)建立，也可以直接采用其他學(xué)者如payne和papagorgiou等提出的公式； B-節(jié)點(diǎn)模型
<formula>formula see original document page 8</formula>公式中，4為流入節(jié)點(diǎn)n的路段集合，化為從節(jié)點(diǎn)n流出的路段集合；人為 經(jīng)路段m能夠到達(dá)的終點(diǎn)集合；a，,("為從節(jié)點(diǎn)出發(fā)駛往終點(diǎn)J的流量；/^, 為O^W中選擇路段m的流量所占比例，稱作分流比例；^，。W為路段m入口 處流量，、，。，#)為^,。(*)中流向終點(diǎn)j的比例； C-起點(diǎn)排隊模型-
<formula>formula see original document page 8</formula>
以上公式中，w。，,為起點(diǎn)o處排隊車輛數(shù)w。中終點(diǎn)為y的數(shù)量；《是入口需
求；％是0D比例。g。是入口流量；r。，,是車流組成比例；2。為入口通行能
力，；i。為入口車道數(shù)，p"是阻塞密度。A，,為入口下游緊鄰路段s的第一小
段的密度，A,，《是路段S的臨界密度；
網(wǎng)絡(luò)流模型仿真任意時刻路網(wǎng)中任意位置的速度、密度、流量、起點(diǎn)處排隊 車輛數(shù)，根據(jù)輸出結(jié)果，可以計算路徑行程時間、網(wǎng)絡(luò)總旅行時間常見的交 通指標(biāo)，駕駛員的車輛一旦進(jìn)入高速道路網(wǎng)，車輛就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流模型計算的
速度自動向前行進(jìn)；
2)在網(wǎng)絡(luò)流模型基礎(chǔ)上，建立交通流運(yùn)行狀況生成模塊、駕駛員駕車任務(wù)
模塊、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊、基本出行信息生成模塊、其他輔助信息生成模塊，功能模塊在車載動態(tài)信息系統(tǒng)人機(jī)界面上對應(yīng)功能視 窗，主要的功能視窗及其驅(qū)動模塊如下-
A、 車流運(yùn)行狀況視窗
視窗中車流由運(yùn)動的小方格組成，駕駛員的車輛用黑色閃爍小方格表示；小 方格數(shù)量根據(jù)小段密度確定，小方格越多表示越擁堵；駕駛員用鍵盤操作所 駕駛的車輛，避免與周圍其他車輛相撞；該視窗由交通流運(yùn)行狀況生成模塊 和駕駛員駕車任務(wù)模塊驅(qū)動；
B、 動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)視窗
視窗中高速道路網(wǎng)分割為若干信息單元段，信息單元段與小段之間建立映射 關(guān)系，其顯示狀態(tài)根據(jù)交通擁擠程度分為若干個等級，并且視窗將最優(yōu)路徑 指示提供給駕駛員；該視窗由動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊驅(qū)動；
C、 基本出行信息視窗
視窗顯示的信息包括出發(fā)時間、當(dāng)前時間、已行駛距離、路網(wǎng)地圖、車輛 方位信息；路網(wǎng)地圖根據(jù)駕駛員需要有開啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)，該視窗由基本 出行信息生成模塊驅(qū)動；
D、 其他輔助信息視窗-
視窗提供的信息包括標(biāo)示速度的汽車儀表盤、車輛發(fā)動機(jī)聲音、可變信息 標(biāo)志(VMS)信息等視覺和聽覺信息，該視窗由其他輔助信息生成模塊驅(qū)動； 3)、運(yùn)用軟件工程、人因工程與圖形學(xué)學(xué)科知識，以步驟1)中的網(wǎng)絡(luò)流模 型和步驟2)各功能模塊為主要程序模塊，開發(fā)車載動態(tài)信息系統(tǒng)計算機(jī)模 擬程序，對動態(tài)車載信息影響下的駕駛員動態(tài)響應(yīng)行為進(jìn)行模擬。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法，能夠為駕駛員提供符合網(wǎng)絡(luò)交通流動態(tài)演化特征的較逼 真的快速路網(wǎng)虛擬出行情境，具有高效的人機(jī)界面設(shè)計，能夠采集豐富的駕
駛員信息響應(yīng)行為數(shù)據(jù)；較之高逼真的模擬駕車器，系統(tǒng)開發(fā)成本低得多； 模擬系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)簡便易操作，可以在臺式機(jī)上進(jìn)行，也可以用便攜式筆記 本進(jìn)行，試驗場地不受限制；試驗過程快速，僅需幾分鐘；試驗成本較低， 克服了傳統(tǒng)的問巻調(diào)查"出行情景設(shè)計不宜太復(fù)雜、問題不宜過多、易引起 駕駛員疲勞"等不足。收集的駕駛員信息響應(yīng)行為數(shù)據(jù)為駕駛員行為的分析 與建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于宏觀網(wǎng)絡(luò)流模型屬于面向?qū)嶋H控制的模型，因此 本發(fā)明設(shè)計的車載信息系統(tǒng)模擬程序有很好的功能擴(kuò)展性，例如，能夠為研 究人員考察交通控制(如匝道控制、動態(tài)限速等)環(huán)境下的車載信息誘導(dǎo)效 果提供試驗平臺。


圖1為本發(fā)明車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬器運(yùn)行結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬器的出行情境主界面示意圖3為本發(fā)明實際路網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)流模型和路網(wǎng)全局交通狀態(tài)圖中的表達(dá)形式示例。
具體實施例方式
如圖1所示車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬器運(yùn)行結(jié)構(gòu)示意圖，計算機(jī) 界面提供的高速道路網(wǎng)虛擬出行情境4由交通流運(yùn)行狀況生成模塊8、駕駛 員駕車任務(wù)模塊3、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊7、基本出行信 息生成模塊1、其他輔助信息生成模塊2等主要功能模塊驅(qū)動，主要功能模 塊在高速道路網(wǎng)宏觀交通流仿真模型6的基礎(chǔ)上構(gòu)建，運(yùn)行宏觀交通流仿真模型6和主要功能模塊1、 2、 3、 7、 8所需的基本數(shù)據(jù)由虛擬出行情境初始 化數(shù)據(jù)11提供，駕駛員5和計算機(jī)之間互動，計算機(jī)提供虛擬出行情境4， 駕駛員5在虛擬出行情境4中出行，在行駛至分流點(diǎn)時，將路徑選擇、途中 改道等的決策結(jié)果輸入計算機(jī)，整個出行過程中，駕駛員5的響應(yīng)行為數(shù)據(jù) 9和其他出行相關(guān)信息10由計算機(jī)自動存儲在數(shù)據(jù)庫中。
車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬程序的人機(jī)界面對各功能視窗進(jìn)行合理的布局， 為駕駛員營造出虛擬出行情境。駕駛員在虛擬出行情境中駕車出行，出行途 中接收來自車載動態(tài)信息系統(tǒng)的信息，在道路分叉點(diǎn)做出路徑選擇和途中改 道等決策，通過鼠標(biāo)和鍵盤把決策輸入給計算機(jī)，車輛繼續(xù)前進(jìn)，直至到達(dá) 終點(diǎn)，完成一次人機(jī)交互的虛擬出行。虛擬出行的時鐘推進(jìn)速度可以根據(jù)需 要調(diào)整，從而減少出行所需時間。模擬程序自動記錄整個出行過程中駕駛員 的動態(tài)響應(yīng)行為(包括出行前路徑選擇和出行途中改道)，同時自動存儲其 它出行相關(guān)信息，將行為數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫，供研究人員分析數(shù)據(jù)使用。
如圖2所示示意圖，高速道路路網(wǎng)虛擬出行情境主界面由以下幾個功能 視窗構(gòu)成車流運(yùn)行狀況視窗、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)視窗、基本出行信息視 窗、其他輔助信息視窗。這些功能視窗顯示的信息，由網(wǎng)絡(luò)流模型、交通流 運(yùn)行狀況生成模塊和駕駛員駕車任務(wù)模塊、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生 成模塊驅(qū)動、基本出行信息生成模塊、其他輔助信息生成模塊驅(qū)動。
如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)流模型中，實際路網(wǎng)被表達(dá)為由節(jié)點(diǎn)和有向路段組成 的網(wǎng)絡(luò)，路段分割為若干小段，小段的交通狀態(tài)(速度、流量、密度)由網(wǎng) 絡(luò)流模型仿真得到，如圖3 (b)網(wǎng)絡(luò)流模型路網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖所示，模 了現(xiàn) 實世界中交通監(jiān)控系統(tǒng)利用交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備(例如路面線圈檢測器)檢測速度、流量等交通流參數(shù)，如圖3 (a)高速道路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，01、 02、 03、 04都是路網(wǎng)的起點(diǎn)，Dl、 D2、 D3都是路網(wǎng)的終點(diǎn)。動態(tài)路網(wǎng)全局交通 狀態(tài)圖顯示駕駛員前方的路況信息，如圖3 (c)所示，動態(tài)路網(wǎng)全局交通狀 態(tài)圖中的各段道路的交通狀態(tài)與小段交通狀態(tài)對應(yīng)，如果某小段發(fā)生事故、 施工等，則相應(yīng)位置將出現(xiàn)紅色閃爍的"X"圖標(biāo)，起警示作用。此外，動 態(tài)路網(wǎng)全局交通狀態(tài)圖中還能為駕駛員提供最優(yōu)路徑的指示信息，最優(yōu)路徑 用一條加粗的虛線條圖形化地標(biāo)示出來，如圖3 (c)所示。
下面為車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法的具體實現(xiàn)步驟
1、建立高速道路網(wǎng)宏觀動態(tài)交通流仿真模型
應(yīng)用Papageorgiou在《Transportation Research Part B》第24巻第6期發(fā) 表的"Dynamic modeling, assignment, and route guidance in traffic networks" —
文中提出的宏觀動態(tài)網(wǎng)絡(luò)交通流建模理論與方法，運(yùn)用面向?qū)ο蟮木幊碳?術(shù)，建立高速道路網(wǎng)宏觀動態(tài)交通流仿真模型(簡稱網(wǎng)絡(luò)流模型)。路網(wǎng)由 節(jié)點(diǎn)和有向路段組成。節(jié)點(diǎn)為存在出(入)口匝道或道路屬性發(fā)生變化的位 置。路段是屬性(如車道數(shù)、坡度)相同的一段高速公路。路段分為若干等長 小段。例如，路段^分為乂個長度為么 )的小段，小段車道數(shù)記為&。路段m
的第i小段在A時刻的交通狀態(tài)用密度、速度和流量表示，分別記作 W、 ％詢和^#)。
網(wǎng)絡(luò)流模型由路段模型、節(jié)點(diǎn)模型、起點(diǎn)排隊模型三部分組成，相應(yīng)的
數(shù)學(xué)公式如下 A.路段模型(2)
(" 1)=早￡ W)， 、,, ("， v一 ("， /v,+, W) (3) 以上公式中，/V,，,("是分密度；7為模型取樣周期；&,,,=/^,"/^，為交通 組成比例；函數(shù),O是動態(tài)速度-密度方程，表示小段速度與上下游小段交通 狀態(tài)有關(guān)，^(.)為穩(wěn)態(tài)速度-密度關(guān)系；尸(9是經(jīng)驗關(guān)系是，具體形式可以根 據(jù)高速道路實測數(shù)據(jù)建立，也可采用其他學(xué)者提出的關(guān)系式，例如選用
Papageorgiou在《Transportation Research - B》第23巻第1期發(fā)表的 "Macroscopic modeling of traffic flow on the BOULEVARD PERIPHERIQUE in Paris" —文中提出的關(guān)系式。
B. 節(jié)點(diǎn)模型
z^, (u" V("，刀
^力("=W 附,。WV附e化,y/ e (6) 以上公式中，人為流入節(jié)點(diǎn)n的路段集合，O,，為從節(jié)點(diǎn)n流出的路段集合； /m為經(jīng)路段m能夠到達(dá)的終點(diǎn)集合；0^(W為駛往終點(diǎn)j的流量；為對應(yīng) 路段m的分流比例；^,。W和;V(uW分別為路段m入口處的流量和交通組成 比例。
C. 起點(diǎn)排隊模型
W。,; +1)= (A:) +1 W - 亂("]
/,、 . (J "、 WoW八 ， .n 一A,I("、、
。 (A) = mm {《(A:) +， 義。
mm {l， -1——}}
以上公式中，MV,為起點(diǎn)0處排隊車輛數(shù)w。中終點(diǎn)為y的數(shù)量；《是入口需 求；P。，是0D比例?！丁Ｊ侨肟诹髁?；/。.,是車流組成比例；g。為入口通行能力，義。為入口車道數(shù)，p一是阻塞密度。A，,為入口下游緊鄰路段S的第一小 段的密度，p^是路段S的臨界密度。
針對特定路網(wǎng)，只要已知初始時刻G^O)的、,(0)、 (0)，已 知仿真時間內(nèi)所有的《("、《,W、 r。("，就可以模擬出任意時刻 路網(wǎng)中任意位置(小段)的速度、流量、密度。
一旦駕駛員從路網(wǎng)起點(diǎn)進(jìn)入路網(wǎng)，駕駛員的車輛就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流模型計算 的速度自動向前行駛。
此外，網(wǎng)絡(luò)流仿真模型還能夠模擬事故的發(fā)生。例如，在某個時段內(nèi)， 通過改變路網(wǎng)中某小段的車道數(shù)，就能近似模擬該小段發(fā)生事故的情形。、 在建立網(wǎng)絡(luò)流仿真模型的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建以下各功能模塊和相應(yīng)的功能視 窗。
2、 建立交通流運(yùn)行狀況生成模塊
交通流運(yùn)行狀況生成模塊的基本工作原理是車輛在路網(wǎng)中行駛，會遇 到不同的車流密度，密度由網(wǎng)絡(luò)流模型計算得到。交通流運(yùn)行狀況視窗中顯 示一定長度(如1公里)的道路，視窗中小方格數(shù)量與小段密度成正比。小 方格越多，代表密度越大，車流越擁堵。該視窗如圖2中的①。
3、 建立駕駛員駕車任務(wù)模塊
交通流運(yùn)行狀況視窗中的運(yùn)動小方格(駕駛員所駕車輛周圍的車輛)由 計算機(jī)自動產(chǎn)生，勻速地向前運(yùn)動。駕駛員的車輛(用黑色小方格表示)被 周邊車輛包圍，駕駛員通過鍵盤對其進(jìn)行操控。駕駛員通過操作車輛確保車 輛保持前進(jìn)狀態(tài)，并避免與周邊車輛相撞。駕駛員操控車輛的情形該視窗如 圖2中的②。4、建立動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊-
動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)生成方法是高速道路網(wǎng)分割為若干信息單元段，信 息單元段與小段建立對應(yīng)關(guān)系，其顯示狀態(tài)根據(jù)交通擁擠程度分成若干個等 級(或服務(wù)水平，Level Of Service),例如分成暢通(綠色)、擁擠(黃 色)、阻塞(紅色)三個等級。如果某位置(小段)發(fā)生事故，則在動態(tài)路 網(wǎng)交通狀態(tài)圖中，該位置將出現(xiàn)閃爍的紅"X"圖標(biāo)，警示駕駛員事故的存 在。動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)圖的顯示方向為駕駛員行車方向，如圖2中的③。
該模塊以網(wǎng)絡(luò)流模型計算的小段速度為依據(jù)，根據(jù)一定規(guī)則確定信息單 元段的顯示狀態(tài)，并每隔一定間隔(信息更新周期)更新顯示狀態(tài)。所述信息 單元段顯示狀態(tài)的確定規(guī)則為假設(shè)信息更新周期為Tinfo， Tinfo包含p 個T，設(shè)當(dāng)前時刻是k時刻，那么把k時刻前p個T的時間段內(nèi)的小段速度 進(jìn)行平均，將平均值對照預(yù)先設(shè)定的"速度-顯示狀態(tài)映射關(guān)系"，確定信息 單元段的顯示狀態(tài)。例如，速度-顯示狀態(tài)映射關(guān)系為速度在30公里/小 時以下發(fā)布紅色，速度在30-60公里/小時之間發(fā)布黃色，速度大于60公里 /小時發(fā)布綠色。根據(jù)需要，顯示狀態(tài)確定規(guī)則也可以采用其它方法。
該模塊能生成距離最短和時間最短兩種最優(yōu)路徑。時間最短的最優(yōu)路徑 的計算方法如下
"("=E 、, = ; (vm，, + v ("1) + + ("p +1)) / p
上計算式中，r表示路徑r， m與i的意義同前，p為整數(shù)，為參與小 段速度平均值運(yùn)算的模型取樣周期個數(shù)，U為路段m行程時間，仁為路徑r 行程時間。最優(yōu)路徑在動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)圖中用一條加粗的虛線圖形化地標(biāo)示出
來，如圖2中的③。
5、 建立基本出行信息生成模塊
基本出行信息模塊，生成出發(fā)時間、當(dāng)前時間、已行駛距離、路網(wǎng)地 圖、車輛方位信息等信息。出發(fā)時間就是虛擬出行開始的時刻，可以由駕駛 員選擇。例如，駕駛員選擇早上6點(diǎn)50分出發(fā)。當(dāng)前時間隨著虛擬出行的 推進(jìn)，由計算機(jī)自動計算。己行駛距離在運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)流模型基礎(chǔ)上自動得到。 虛擬出行的時鐘快慢與現(xiàn)實世界的時鐘不同，程序設(shè)計人員可以設(shè)定虛擬出 行的時鐘快慢。例如，實際的10秒鐘在虛擬出行中為1秒鐘。這樣虛擬出 行所花費(fèi)的時間可以大大縮短，這正是本發(fā)明優(yōu)于真車模擬駕駛(類似玩電 動真車駕駛游戲)的一大特點(diǎn)。出發(fā)時間、當(dāng)前時間、已行駛距離等信息如 圖2中的 。
當(dāng)車輛臨近快速道路轉(zhuǎn)換點(diǎn)(如立交、出口匝道)時,車輛方位信息向 駕駛員提供前方相關(guān)道路的信息，以模擬現(xiàn)實世界中的指路標(biāo)志和預(yù)告標(biāo) 志。車輛方位信息如圖2中的⑤。
路網(wǎng)地圖在計算機(jī)界面中可以有開啟和關(guān)閉兩種模式。開啟模式用于模 擬車輛中有其他乘客，其他乘客可以幫忙看地圖。如圖2中的⑥。
6、 建立其他輔助信息生成模塊-
該模塊用于生成其他輔助信息，信息包括標(biāo)示速度的汽車儀表盤、車 輛發(fā)動機(jī)聲音、可變信息標(biāo)志(VMS)信息等視覺和聽覺信息。儀表盤顯示的 速度近似為車輛當(dāng)前所處位置上的平均車速，由網(wǎng)絡(luò)流模型計算得到。發(fā)動 機(jī)轟鳴聲的響度與車速有關(guān)系，該關(guān)系通過對車輛發(fā)動機(jī)聲音的實際采樣和編輯后得到。如果道路分叉點(diǎn)上設(shè)置了 VMS，則在駕駛員臨近分叉點(diǎn)時VMS 發(fā)布前方路況，例如，擁堵路段、交通事故、道路施工等，用于模擬現(xiàn)實世 界中交通監(jiān)控中心發(fā)布的VMS信息。VMS信息顯示框如圖2中的⑦。速度顯 示表如圖2中的⑧。
7、建立車載動態(tài)信息系統(tǒng)計算機(jī)模擬程序(模擬器) 運(yùn)用軟件工程、人因工程與圖形學(xué)等學(xué)科知識，采用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z 言，以上述的網(wǎng)絡(luò)流模型和各功能模塊為主要程序模塊，開發(fā)車載動態(tài)信息 系統(tǒng)模擬程序，對動態(tài)車載信息影響下的駕駛員動態(tài)響應(yīng)行為進(jìn)行模擬。
車載動態(tài)信息系統(tǒng)模擬程序主界面對各功能視窗進(jìn)行了合理的布局，為 駕駛員營造出逼真的虛擬出行情境。駕駛員在虛擬出行情境中駕車出行，出 行途中接收來自車載動態(tài)信息系統(tǒng)的信息，在道路分叉點(diǎn)做出路徑選擇和途 中改道等決策，通過鼠標(biāo)和鍵盤把決策輸入給計算機(jī)，車輛繼續(xù)前進(jìn)，直至 到達(dá)終點(diǎn)，完成一次人機(jī)交互的虛擬出行。模擬程序自動記錄整個出行過程 中駕駛員的動態(tài)響應(yīng)行為(包括出行前路徑選擇和途中改道)，同時還自動 存儲其它出行相關(guān)信息，將行為數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫。圖2中的⑨給出了模擬 程序(在駕駛員面臨分流點(diǎn)時)要求駕駛員做出路徑選擇決策的對話框的示 例。
模擬程序采集和存儲行為數(shù)據(jù)的具體過程為在駕駛員虛擬出行前詢問 和記錄下駕駛員社會經(jīng)濟(jì)屬性，在虛擬出行過程中會自動記錄駕駛員的路徑 選擇和途中改道等行為，在模擬出行后記錄駕駛員對動態(tài)車載信息的有用性 和可理解性的評分，并且存儲其它出行相關(guān)數(shù)據(jù)，例如，路徑行程時間，道 路信息、出行目的、出行起訖點(diǎn)、事故信息、VMS信息、動態(tài)路網(wǎng)全局交通狀態(tài)圖等。這些數(shù)據(jù)為研究人員探索駕駛員與車載信息之間的關(guān)系、車載動 態(tài)信息系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、運(yùn)營、評價等提供了豐富、寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法，包括如下步驟1)利用計算機(jī)作為界面，運(yùn)用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，采用宏觀動態(tài)網(wǎng)絡(luò)交通流建模方法，建立高速道路網(wǎng)宏觀動態(tài)交通流仿真模型路網(wǎng)由節(jié)點(diǎn)和有向路段組成，節(jié)點(diǎn)為存在出、入口匝道或道路屬性發(fā)生變化的位置；路段是屬性，如車道數(shù)、坡度，相同的一段高速公路；路段分為若干等長小段，路段m分為Nm個長度為Δm的小段，小段車道數(shù)記為λm，路段m的第i小段在k時刻的交通狀態(tài)用密度、速度和流量表示，分別記作ρm，i(k)、vm，i(k)和qm，i(k)，網(wǎng)絡(luò)流模型由路段模型、節(jié)點(diǎn)模型、起點(diǎn)排隊模型三部分組成，相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式如下A路段模型ρm，i，j(k+1)＝ρm，i，j(k)+(T/λmΔm)[γm，i-1，j(k)qm，i-1(k)-γm，i，j(k)qm，i(k)]qm，i(k)＝ρm，i(k)vm，i(k)λmvm，i(k+1)＝F(VE(ρm，i(k))，vm，i(k)，vm，i-1(k)，ρm，i+1(k))公式中，ρm，i，j(k)表示ρm，i，j(k)中終點(diǎn)為j的分密度；T為模型取樣周期；γm，i，j＝ρm，i，j/ρm，j，稱為交通組成比例；函數(shù)F()是動態(tài)速度-密度方程，表示小段速度與上下游小段交通狀態(tài)有關(guān)，VE(·)為穩(wěn)態(tài)速度-密度關(guān)系，F(xiàn)()和VE(·)為經(jīng)驗性公式，結(jié)合實測高速路數(shù)據(jù)建立；B節(jié)點(diǎn)模型<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>&mu;</mi><mo>&Element;</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>n</mi></msub> </mrow></munder><msub> <mi>q</mi> <mrow><mi>&mu;</mi><mo>,</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>&mu;</mi></msub> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>&gamma;</mi> <mrow><mi>&mu;</mi><mo>,</mo><msub> <mi>N</mi> <mrow><mi>&mu;</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100551990002C1.tif" wi="52" he="7" top= "238" left = "25" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>&ForAll;</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100551990002C2.tif" wi="11" he="4" top= "238" left = "84" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>q</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mn>0</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munder> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>&Element;</mo><msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi></msub> </mrow></munder><msubsup> <mi>&beta;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>m</mi></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>Q</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009100551990002C3.tif" wi="46" he="7" top= "249" left = "25" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>&ForAll;</mo><mi>m</mi><mo>&Element;</mo><msub> <mi>O</mi> <mi>n</mi></msub> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2009100551990002C4.tif" wi="14" he="4" top= "249" left = "88" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&gamma;</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup> <mi>&beta;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow> <mi>m</mi></msubsup><msub> <mi>Q</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>q</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mn>0</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2009100551990002C5.tif" wi="51" he="5" top= "261" left = "24" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>&ForAll;</mo><mi>m</mi><mo>&Element;</mo><msub> <mi>O</mi> <mi>n</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0006" file="A2009100551990002C6.tif" wi="15" he="4" top= "261" left = "90" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0007" num="0007" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>&ForAll;</mo><mi>j</mi><mo>&Element;</mo><msub> <mi>J</mi> <mi>m</mi></msub> </mrow>]]></math> id="icf0007" file="A2009100551990002C7.tif" wi="12" he="4" top= "261" left = "106" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>公式中，In為流入節(jié)點(diǎn)n的路段集合，On為從節(jié)點(diǎn)n流出的路段集合；Jm為經(jīng)路段m能夠到達(dá)的終點(diǎn)集合；Qn，j(k)為從節(jié)點(diǎn)出發(fā)駛往終點(diǎn)j的流量；βn，jm為Qn，j(k)中選擇路段m的流量所占比例，稱作分流比例；qm，0(k)為路段m入口處流量，γm，0，j(k)為qm，0(k)中流向終點(diǎn)j的比例；C起點(diǎn)排隊模型wo，j(k+1)＝wo，j(k)+T[θo，j(k)do(k)-γo，j(k)qo(k)]<maths id="math0008" num="0008" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>q</mi> <mi>o</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>o</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>w</mi> <mi>o</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0008" file="A2009100551990003C1.tif" wi="49" he="9" top= "96" left = "21" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0009" num="0009" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>o</mi></msub><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>o</mi></msub><mo>&CenterDot;</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>&rho;</mi> <mi>jam</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>&rho;</mi> <mi>jam</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mrow><mi>cr</mi><mo>,</mo><mi>s</mi> </mrow></msub> </mrow></mfrac><mo>}</mo><mo>}</mo> </mrow>]]></math> id="icf0009" file="A2009100551990003C2.tif" wi="54" he="11" top= "95" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>以上公式中，wo，j為起點(diǎn)o處排隊車輛數(shù)wo中終點(diǎn)為j的數(shù)量；do是入口需求；θo，j是OD比例。qo是入口流量；γo，j是車流組成比例；Qo為入口通行能力，λo為入口車道數(shù)，ρjam是阻塞密度。ρs，1為入口下游緊鄰路段s的第一小段的密度，ρcr，s是路段s的臨界密度；網(wǎng)絡(luò)流模型仿真任意時刻路網(wǎng)中任意位置的速度、密度、流量、起點(diǎn)處排隊車輛數(shù)，根據(jù)輸出結(jié)果，可以計算路徑行程時間、網(wǎng)絡(luò)總旅行時間常見的交通指標(biāo)，駕駛員的車輛一旦進(jìn)入高速道路網(wǎng)，車輛就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流模型計算的速度自動向前行進(jìn)；2)在網(wǎng)絡(luò)流模型基礎(chǔ)上，建立交通流運(yùn)行狀況生成模塊、駕駛員駕車任務(wù)模塊、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊、基本出行信息生成模塊、其他輔助信息生成模塊，功能模塊在車載動態(tài)信息系統(tǒng)人機(jī)界面上對應(yīng)功能視窗，主要的功能視窗及其驅(qū)動模塊如下A、車流運(yùn)行狀況視窗視窗中車流由運(yùn)動的小方格組成，駕駛員的車輛用黑色閃爍小方格表示；小方格數(shù)量根據(jù)小段密度確定，小方格越多表示越擁堵；駕駛員用鍵盤操作所駕駛的車輛，避免與周圍其他車輛相撞；該視窗由交通流運(yùn)行狀況生成模塊和駕駛員駕車任務(wù)模塊驅(qū)動；B、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)視窗視窗中高速道路網(wǎng)分割為若干信息單元段，信息單元段與小段之間建立映射關(guān)系，其顯示狀態(tài)根據(jù)交通擁擠程度分為若干個等級，并且視窗將最優(yōu)路徑指示提供給駕駛員；該視窗由動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊驅(qū)動；C、基本出行信息視窗視窗顯示的信息包括出發(fā)時間、當(dāng)前時間、已行駛距離、路網(wǎng)地圖、車輛方位信息；路網(wǎng)地圖根據(jù)駕駛員需要有開啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)，該視窗由基本出行信息生成模塊驅(qū)動；D、其他輔助信息視窗視窗提供的信息包括標(biāo)示速度的汽車儀表盤、車輛發(fā)動機(jī)聲音、可變信息標(biāo)志(VMS)信息等視覺和聽覺信息，該視窗由其他輔助信息生成模塊驅(qū)動；3)、運(yùn)用軟件工程、人因工程與圖形學(xué)學(xué)科知識，以步驟1)中的網(wǎng)絡(luò)流模型和步驟2)各功能模塊為主要程序模塊，開發(fā)車載動態(tài)信息系統(tǒng)計算機(jī)模擬程序，對動態(tài)車載信息影響下的駕駛員動態(tài)響應(yīng)行為進(jìn)行模擬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向行為研究的車載動態(tài)交通信息誘導(dǎo)系統(tǒng)模擬設(shè)計方法，建立高速道路網(wǎng)宏觀交通流仿真模型、交通流運(yùn)行狀況生成模塊、駕駛員駕車任務(wù)模塊、動態(tài)路網(wǎng)交通狀態(tài)及導(dǎo)行信息生成模塊、基本出行信息生成模塊、其他輔助信息生成模塊等程序模塊，驅(qū)動以計算機(jī)界面為載體的虛擬出行情境。能使駕駛員經(jīng)歷逼真的交通流狀態(tài)，確保采集的駕駛員行為數(shù)據(jù)更可靠，車載信息系統(tǒng)模擬程序的開發(fā)成本低、模擬試驗簡便且易操作、試驗場地不受限制、試驗過程快速、試驗成本較低等特點(diǎn)，能為交通信息環(huán)境下駕駛員行為分析、車載動態(tài)交通信息系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、運(yùn)營、評價等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
文檔編號G06F17/50GK101639871SQ200910055199
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者干宏程, 晴 汪 申請人:上海理工大學(xué)