本發(fā)明涉及圖論相關(guān)知識(shí)，以及城市道路構(gòu)建模型的相關(guān)背景和研究，尤其涉及在城市交通仿真中路網(wǎng)構(gòu)建的研究和實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化和現(xiàn)有城市規(guī)模的發(fā)展，以及普通家庭私家車的增多，交通擁堵的問題越來越突出，并且交通擁堵已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展一個(gè)重要因素。利用真實(shí)的交通環(huán)境進(jìn)行交通仿真，需要投入大量的資金，而且某些方面還隱含著很多不安全的因素，這就使得尋求最優(yōu)的交通規(guī)劃方案很困難，甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行交通仿真就成為了一種很有效而且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。交通仿真是計(jì)算機(jī)技術(shù)在交通工程領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，它不僅可以模擬交通流在時(shí)間和空間的變化、為交通道路設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且還可以對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，以及環(huán)境影響的評(píng)價(jià)，最終達(dá)到最后的交通規(guī)劃方案。

其中，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)是交通仿真系統(tǒng)中重要的組成部分，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響交通仿真系統(tǒng)模擬交通規(guī)模的大小，系統(tǒng)運(yùn)行的效率以及生成的參數(shù)的有效性。目前，研究者在路網(wǎng)建模上都取得許多進(jìn)展，下面我們介紹一下Paramics，VISSIM和AIMSUN幾個(gè)重要交通仿真工具中的關(guān)于路網(wǎng)構(gòu)建模型。

Paramics對(duì)于交通路網(wǎng)的描述是根據(jù)路網(wǎng)幾何特征及抽象結(jié)構(gòu)。在Paramics中交通路網(wǎng)使用Link和Node兩個(gè)元素組成，Link表示多個(gè)相同線性車道劃分的路段，而Node則表示路段交叉處，即普通交叉口。若是環(huán)形交叉口則在Paramics中被視為一種特殊的Node。

VISSIM同樣使用Link來表示道路，而其對(duì)于路段連接處的表示為Connector，同樣，Link也表示多個(gè)相同線性車道劃分的路段，但VISSIM并沒有明確的交叉口的概念，而是使用連接Connector來表示幾個(gè)路段相連區(qū)域。

AIMSUN則與前兩者都不同，其使用Section和Join來表達(dá)路網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。其中，Section與Link代表的意義相似，即多車道組成的路段，但Join與Node和Connector就不一樣了，在AIMSUN中Join僅表示路段之間存在的連接關(guān)系，不具有具體的物理屬性。另外，AIMSUN使用Junction來表示路網(wǎng)中的交叉口，與Paramics中的Node含義相近。

目前我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，以及大城市道路情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)中的路網(wǎng)狀況變化節(jié)奏加快，城市道路變得越來越復(fù)雜，交通路網(wǎng)中的實(shí)體需要微觀交通仿真系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行高精度的描述。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上以及參考以上研究，提出了一種新的路網(wǎng)構(gòu)建模型，并在此模型的基礎(chǔ)上成功的設(shè)計(jì)了路網(wǎng)構(gòu)建工具，可以有效的模擬現(xiàn)實(shí)中的城市路網(wǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的研究?jī)?nèi)容主要是路網(wǎng)模型的建立和在其基礎(chǔ)上路網(wǎng)構(gòu)建工具的實(shí)現(xiàn)。路網(wǎng)構(gòu)建工具主要對(duì)交通仿真需求區(qū)域路網(wǎng)進(jìn)行配置以及對(duì)其他數(shù)據(jù)格式路網(wǎng)進(jìn)行適配轉(zhuǎn)換工作，主要由包括路網(wǎng)編輯、基礎(chǔ)信息配置、數(shù)據(jù)格式適配構(gòu)成。結(jié)合路網(wǎng)構(gòu)建模型和其構(gòu)建工具的工作展開了如下幾個(gè)方面的研究：

1.通過對(duì)路網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，本文對(duì)路網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)建兼顧宏 觀意義和微觀意義上的需求，結(jié)合圖結(jié)構(gòu)相關(guān)理論，構(gòu)建了一個(gè)兩層次的路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)，其中包含：路網(wǎng)拓?fù)鋵雍途W(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層。

2.依據(jù)設(shè)計(jì)的路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)，對(duì)各種類型路段的外形建模，并在此基礎(chǔ)上分析各類型路段屬性，并提取出其相同的共性，根據(jù)路段的相似性抽象出Link類，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的路段結(jié)構(gòu)。

3.依據(jù)對(duì)路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)以及路段和路口的定義，確立了一個(gè)路網(wǎng)編輯工具，該工具提供了可視化交互界面，使用戶可以通過拖拽、旋轉(zhuǎn)等簡(jiǎn)單操作就可以對(duì)仿真區(qū)域的路網(wǎng)進(jìn)行編輯。

附圖說明

圖1是基礎(chǔ)路網(wǎng)構(gòu)造圖；

圖2是路網(wǎng)拓?fù)鋵痈拍顖D；

圖3是某路段細(xì)節(jié)圖；

圖4是網(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)圖；

圖5是基數(shù)樣條曲線圖

圖6是車道及其外形模型圖

圖7是Link類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；

圖8是路網(wǎng)可視化繪制區(qū)界面圖。

具體實(shí)施方式

1.路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)的建立

本文提出的在線微觀交通仿真系統(tǒng)對(duì)于路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)的表達(dá)完全遵循于上述分析設(shè)計(jì)，將所需仿真交通路網(wǎng)分為兩個(gè)邏輯層次。其中路網(wǎng)拓?fù)鋵邮怯砂范巍⒔徊婵谶@兩個(gè)最為基礎(chǔ)的宏觀結(jié)構(gòu)組成，交叉口和路段使用拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)表示，而交叉口與路段的可到達(dá)性使用拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的邊表示。而網(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層則表示的是微觀概念的路段和交叉口中車道之間的關(guān)系。采用路網(wǎng)拓?fù)鋵雍途W(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層結(jié)構(gòu)可以很好的兼顧宏觀與微觀仿真的需求。例如：在路徑選擇規(guī)劃、交通流誘導(dǎo)控制、流量時(shí)變?cè)u(píng)估都是屬于路網(wǎng)拓?fù)鋵拥膽?yīng)用。而對(duì)車輛微觀行為的研究則是網(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層的應(yīng)用?；A(chǔ)交通路網(wǎng)構(gòu)造如圖1所示。

以圖1的基礎(chǔ)交通路網(wǎng)為例。該基礎(chǔ)路網(wǎng)由12個(gè)路段以及4個(gè)交叉口組成。采用本文的邏輯路網(wǎng)構(gòu)建模型，該路網(wǎng)將被定義為由16個(gè)拓?fù)浣Y(jié)點(diǎn)組成的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，其中包含12個(gè)路段結(jié)點(diǎn)、4個(gè)交叉口結(jié)點(diǎn)。以此構(gòu)成了路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)的路網(wǎng)拓?fù)鋵樱拍钊鐖D2所示。

根據(jù)本文對(duì)交通路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原則，路段與交叉口都被定義為路網(wǎng)拓?fù)鋵拥慕Y(jié)點(diǎn)，而結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間的邊是描述的一種結(jié)點(diǎn)之間的通過性。以圖2的路網(wǎng)拓?fù)鋵痈拍顖D為例，其中圓形的結(jié)點(diǎn)表示路段、方形的結(jié)點(diǎn)表示交叉口，而其間的連線表示兩結(jié)點(diǎn)可以互通。

網(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層同樣是一個(gè)無向圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以圖1的基礎(chǔ)路網(wǎng)其中的某路段為例。該路段細(xì)節(jié)可以表達(dá)為：兩個(gè)方向的左右路段，其中每個(gè)方向由三個(gè)車道組成，該路段細(xì)節(jié)如圖3所示。依據(jù)構(gòu)建原則，網(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層的結(jié)點(diǎn)用車道定義，而邊則被定義為車道與車道之間的可換道關(guān)系。組成了邏輯路網(wǎng)對(duì)于該路網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)關(guān)聯(lián)層，具體概念如圖4所示。按車道左右兩 個(gè)行駛方向來看，分別將兩個(gè)方向的路段用圓形和三角形表示。車道結(jié)點(diǎn)之間的連接邊表示車道的相鄰關(guān)系。

2.路段模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立

路段分為直道和彎道兩類。直道由兩個(gè)端點(diǎn)確定，使用線性方程就可以構(gòu)建一條直道，較為簡(jiǎn)單。因此，本小節(jié)主要介紹彎道的幾何建模。系統(tǒng)采用5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的基數(shù)樣條曲線對(duì)彎道進(jìn)行基礎(chǔ)建模，基數(shù)樣條曲線如圖5所示。

使用基數(shù)樣條函數(shù)可以創(chuàng)建一條平滑的曲線來連接給定的基準(zhǔn)點(diǎn)集，這符合道路的幾何特性，基準(zhǔn)點(diǎn)可以大致描述路段定位，基數(shù)樣條函數(shù)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)間的點(diǎn)進(jìn)行擬合采樣補(bǔ)全，得到擬合采樣點(diǎn)集，構(gòu)成了彎道的基準(zhǔn)線。以基準(zhǔn)線為標(biāo)準(zhǔn)，可以生成車道和路段的外形，過程如圖6所示。

圖6中，路段的外形由基準(zhǔn)線向外擴(kuò)展生成，L為該路段車道寬度；θ為該路段某段路相對(duì)于水平線的傾斜度；A為基準(zhǔn)線上的一點(diǎn)。顯然，路段外形生成方法如下：

(x_B,y_B)為該路段外形邊緣的坐標(biāo)，最終該路段的外形以及車道外形都能夠通過路段樣條基準(zhǔn)線而計(jì)算得出。

交通路網(wǎng)中路段的屬性不盡相同(外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu))，但也有一些相同的共性，根據(jù)路段的相似性抽象出Link類，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的路段結(jié)構(gòu)，Link類的設(shè)計(jì)如圖7所示。Link類結(jié)構(gòu)中，Start_Object和End_Object分別表示該路段起始點(diǎn)和終止點(diǎn)類型，可以用來判斷該路段中車輛行駛的方向，例如Start_Object為邊緣點(diǎn)，End_Object為交叉口，則說明該路段為靠右邊方向；Road_Id表征該路段屬于哪一道路；Shape_Id是該路段的外形列表索引；Lane_Array是該路段中的車道集合；Detector_Array是該路段中探測(cè)器集合，在特殊仿真需求中完成車流統(tǒng)計(jì)工作；OD_Array是該路段中的交通生成點(diǎn)。Get_Shape()為獲取路段外形方法，便于對(duì)路段進(jìn)行繪制；Add_Origin()為動(dòng)態(tài)添加交通生成點(diǎn)；Make_Lanes()為生成該路段中車道信息的方法。

3.根據(jù)以上研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)工具。

根據(jù)對(duì)路網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)的定義和建模以及路段的建模，路網(wǎng)構(gòu)建工具提供給用戶一個(gè)可視化繪制區(qū)，用戶可根據(jù)自己的仿真需求繪制仿真路網(wǎng)。路網(wǎng)可視化繪制區(qū)如圖8所示。