CN103021026B - 车路协同三维仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种车路协同三维仿真系统，包括外部程序接口及控制模块、模型间信息交互模块、模型引导控制模块、视角的动态切换模块、模型状态参数动态显示模块。所述系统以车路协同仿真系统模型间信息交互、不同典型场景仿真等为基础，通过构建仿真系统所需多状态合一的三维仿真模型，实现仿真过程中车路协同模型的实时控制。

Description

车路协同三维仿真系统

技术领域

本发明涉及大规模的公共交通系统仿真技术领域，尤其涉及一种车路协同三维仿真系统。

背景技术

随着我国城市物质文明的发展，公共交通设施也越来越完善，现代的公共交通系统正在逐步建立，公共交通系统仿真也越来越得到重视，尤以车路协同系统仿真技术发展最为迅速，但是三维可视化的车路协同系统仿真并不多见。目前来说，车路协同系统仿真的成果展示主要是根据得出的数据进行表格分析和曲线分析，缺乏一个直观的可视化体现方法，使得决策者对仿真内容与数据不能够及时的给出一个评判。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足,本发明提供一种车路协同三维仿真系统。

为了解决现有技术问题，本发明实施例公开了一种车路协同三维仿真系统，包括外部程序接口及控制模块、模型间信息交互模块、模型引导控制模块、视角的动态切换模块、模型状态参数动态显示模块，其中：

外部程序接口与控制模块，承担车路协同三维仿真系统与外部环境的信息交互功能，实现外部环境的信息与车路协同三维仿真系统的信息交换，将外部信息转义为车路协同三维仿真系统内部可识别的仿真信息；

模型间信息交互模块，根据从车路协同三维仿真系统提取的交互仿真信息，对模型进行控制，动态的改变信息交互的三维仿真变化过程；

模型引导控制模块，以典型场景仿真为基础，提取场景中仿真模型的运动坐标轨迹信息控制模型运动趋势，以位移矢量作为位姿参数控制与调整模型姿态；

视角的动态切换模块，在仿真过程中，动态的改变视角的位置，对所需目标模型作近距离的全方位观察与展示；

模型状态参数动态显示模块，动态的显示目标模型的实时状态参数信息。

进一步，作为优选，所述外部程序接口与控制模块，具备一个外部程序接口，该接口通过HLA体系框架与外部建立信息交互通道。

本发明的有益效果是：将仿真的结果及中间数据通过数据处理及运算，得到驱动计算机图形显示的数据命令。利用Creator三维建模软件构建起车路协同三维仿真系统所需的精简化模型库。并以车路协同系统中的信息交互仿真、典型场景仿真为基础，将仿真数据与模型导入到三维的可视化模型的驱动程序Vega当中，由车路协同系统仿真信息驱动模型在场景中的移动，实现车路协同三维仿真系统的可视化效果。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1、车路协同三维仿真系统模型节点组织图。

图2、仿真系统模型控制与信息交互仿真示意图。

图3、车路协同三维仿真系统实现整体方案示意图。

具体实施方式

参照图1-3对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

伴随着计算机图形学的发展，三维表现技术得以形成，可视化仿真成为仿真领域的一门新兴学科，三维仿真的实现可将测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算，在建筑、医学、军事仿真等领域内都取得了广泛的应用和发展，较好的完成了仿真结果的直观可视化效果，三维实现技术的应用对大规模的城市交通仿真产生了积极的影响。且已被世界上一些大型企业广泛地应用到工业仿真的各个环节，提高了仿真系统的开发效率，加强了系统仿真的数据采集、分析、处理能力，对减少仿真决策失误起到了重要的作用。对于车路协同系统仿真来说，以往的数据与结果表现形式已不能满足现代化仿真对结果可视化表现的需要，三维仿真方法的引入，将使仿真系统设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合车路协同系统仿真发展的需要。

一种车路协同三维仿真系统及方法主要包括以下几个部分：车路协同系统模型构建方式，外部程序接口及控制模块，模型间信息交互模块，模型引导控制模块，视角的动态切换模块，模型状态参数的动态显示模块。

车路协同系统模型构建方式，在对车路协同系统中出现的各个模型进行模型构建时，以车路和车车信息交互仿真、典型场景仿真管理为基础，采取多种细节不同层次的节点组织方式构造车路协同系统仿真模型，模型包括：车辆间信息交互模型、路侧设备广播模型、行人移动模型、信号灯状态切换模型、车载DMI实时转入模型、车辆动态信息发布模型。

外部程序接口与控制模块，车路协同三维仿真系统提供了一个接受信息的外部程序接口与控制模块，通过HLA体系框架与外部环境建立信息交互通道与外部系统进行仿真的信息交互，对接收到的外部信息进行转义，转换成车路协同三维仿真系统能够识别的内部仿真命令信息，控制与驱动Vega实现系统仿真的显示和控制。

模型间信息交互模块，车路协同三维仿真系统对模型间信息交互的表现形式为：以信息波的动态传送来表示模型之间的信息交互，车路协同仿真系统中存在大量的车辆信息交互仿真，因而对车辆模型之间的信息交互三维实现仿真显得尤为必要，车路协同仿真三维实现方式对系统中模型间的信息交互方式采用动态信息波传送方式进行模拟与仿真。

车路协同系统模型引导控制模块，车路协同三维仿真系统的方法对系统中模型的控制方式采用距离引导方式控制，通过提取路网模型中的位置坐标信息对模型进行位置的重定位，采用插值算法，增加坐标点控制运动中的仿真模型，提高模型引导控制的连贯性，达到动态显示的效果。

车路协同典型组合场景的仿真实现方式，建立包含模型状态信息所对应的数据结构体，对多车模型进行管理和控制。根据从系统或者外部数据接口提取的仿真场景合理组织多车模型的运动路径，动态的从模型库中加载仿真场景所需模型，根据提取的场景信息对多个不同运动状态的仿真模型可视化展现。

视角的动态切换模块，在仿真过程中，对选中的目标模型进行相应的全方位观察和显示，有三种内定方式：模型相对固定方式、模型相对移动方式、模型相对旋转的观察方式可供选择，亦可由外部数据接口模块接收到的交互信息作为参数进行调整。

模型状态参数的动态显示模块，在显示界面设置单独的显示通道，在通道中加载动态可变信息板模型，实时显示选中模型的状态参数信息，对车路协同三维仿真系统给出及时的反馈与监督。

下面结合图1即三维仿真模型节点组织图对模型建模做叙述。

首先，车路协同系统三维仿真模型的合理化组织与构建，根据三维建模软件Creator通过线、面、体构建起系统仿真模型的轮廓，在构建过程中根据视景显示的需要构建不同的效果模型。通过多细节多层次的节点组织管理方式控制模型状态的显示，在远景时展现较为粗糙的模型，近距离显示较为精细的结构模型，通过LOD节点控制不同距离时模型的显示效果，如车辆、路灯、信号灯等周边环境模型。可采用五级显示距离进行控制，100m以内的模型显示最为精细的模型，100-300m内显示较为中等精细的模型，300m-1000m内显示较为粗糙的模型，1000m-2000m内则只显示框架即可，2000m外使模型隐藏。

其次，车路协同三维仿真系统中对行人或者车载仪表盘模型的控制采用DOF节点进行控制，车路协同仿真系统车载DMI面板进行建模时采用DOF节点控制仪表盘中指针的转动范围，在车路协同系统仿真过程中对车辆的实时状态参数进行仿真和显示；

再次，在进行交叉口行人预警的仿真过程中，对行人的动作进行仿真与建模，对行人的肘关节加入DOF节点，并限定在肘部垂立前后15°范围内，动态的对行人模型进行仿真与模拟；

最后，车路协同仿真系统信号灯建模时加入SWI TCH节点对信号灯的不同显示状态进行控制，对仿真过程中场景所需的显示状态进行仿真和展现。模型创建过程中对不同的模型加入相应的纹理，可大幅度减少模型制作工作量和复杂度，提高真实性。

下面结合图2对仿真过程系统模型控制与信息交互示意图作具体说明。

仿真过程中，车路协同系统仿真模型之间信息交互的三维仿真实现方式，通过模型之间发送单向动态信息波进行仿真与实现，在模型构建时，制作多种类型的信息交互模型，在仿真过程中导入到场景中，根据车路协同系统场景信息交互的需要加入信息交互模型，并根据模型之间的位置，调整信息波传送方向；在模拟路侧设备的动态广播时，以路侧设备为中心，向周边发送信息波模型，模拟路侧设备的广播信息。

信息交互仿真时，仿真系统信息交互仿真的模拟如图2所示，路侧设备向周边广播消息时，通过向周边辐射动态环形信息波模拟路侧设备与环境的信息交互；模型车1和模型车2间进行的信息交互：车1向车2发送信息，则以车1到车2的单向弧形动态信息波模拟模型间的信息交互仿真；每辆模型车顶部设有信息动态发布模块，可动态向周边模型发布车辆状态信息。

仿真模型的引导控制，车路协同系统仿真模型的控制方式采用坐标引导方式进行控制，模型的运动以坐标作为引导工具，通过从仿真系统中提取的实时坐标信息对模型在场景中的位置进行调整和控制，前后相邻两次定位的方向矢量作为模型的运动方向，并作为位姿参数对模型进行调整。

如图2中所示仿真模型通过坐标对模型进行控制和定位，以车3和车4为例，通过从仿真系统中提取实时的坐标信息，对车3和车4的运动路径进行实时的修改和调整，重新定位仿真模型的位置，引导车辆进行移动，并以前后坐标差异形成的位移矢量作为位姿参数调整仿真模型的正面朝向。

车辆在行驶过程中出现的抛锚、故障及离开车队的运动可根据采集得到的实时数据信息进行驱动，在处理车辆抛锚时根据车辆状态参数，对构建的模型进行抛锚模型进行加载，显示抛锚的动态模型，将正常的车辆模型动态地从仿真环境中进行删除。车辆在行驶过程中出现的临时故障会占据车道，并且有可能改变车辆的行驶方向，对故障模型的加载可根据车辆在两次定位时产生的方向矢量对车辆的行驶方向进行调整与控制，增强仿真效果的真实性。

模型状态参数的动态显示模块，即在显示窗口中一侧增加单独通道，通道中设置车辆运行参数信息板，采用OpenGL编程语言，将系统仿真模型参数制作成三维字体输出到动态信息板中显示相应的信息，供仿真决策者参考，以便及时对仿真过程进行监控和参数调整。

视角的动态切换模块，车路协同三维仿真系统中的视角作为主要的观察方式，实现时依据模型的运动状态进行实时的视角切换，系统内部设定有三种方式：静态固定方式，模型相对移动方式，模型相对旋转方式三种方式，静态固定方式观察视角设定为一个世界坐标，模型相对移动方式和模型相对移动方式的视角观察坐标系为模型相对坐标系。

车路协同三维仿真系统在实现过程中提供了一个外部数据接口与控制模块，通过HLA高层体系框架建立与外部环境交互的信息通道，与外部仿真环境进行对应的信息交互，根据取得外部仿真信息，对车路协同三维仿真系统进行相应的仿真控制和驱动，最后由控制模块将仿真结果结果输出到显示终端进行显示。

图3为车路协同三维仿真系统实现整体方案示意图：车路协同系统三维仿真系统通过外部数据接口与控制模块接收外部仿真环境的仿真信息，将信息导入到三维仿真工作站中；三维仿真工作站承担仿真系统的信息处理及模型控制等操作，根据仿真系统内部的需要，动态的从三维模型库中调入相应的仿真模型，设定相应的仿真参数信息，驱动仿真模型按照系统仿真的需求运动，输出到终端进行显示；实时删除系统中完成仿真操作的模型，减少系统资源的占用。

车路协同仿真三维仿真系统在车路协同仿真系统的基础上引入计算机图形学技术，对车路协同中出现的多种情形进行实时的可视化仿真，能够及时的发现仿真过程中出现的各种问题，及时将仿真结果反馈至决策者，提高系统仿真的效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种车路协同三维仿真系统，其特征在于：包括外部程序接口及控制模块、模型间信息交互模块、模型引导控制模块、视角的动态切换模块、模型状态参数动态显示模块，其中：

外部程序接口与控制模块，用于承担车路协同三维仿真系统与外部环境的信息交互功能，实现外部环境的信息与车路协同三维仿真系统的信息交换，将外部信息转义为车路协同三维仿真系统内部可识别的仿真信息；

模型间信息交互模块，用于在模型构建时，制作多种类型的信息交互模型，在仿真过程中将信息交互模型导入到场景中，通过在信息交互模型之间发送单向动态信息波进行仿真与实现，并根据信息交互模型之间的位置，调整信息波传送方向；根据从车路协同三维仿真系统提取的交互仿真信息，对信息交互模型进行控制，动态的改变信息交互的三维仿真变化过程；

模型引导控制模块，用于以典型场景仿真为基础，提取场景中仿真模型的运动坐标轨迹信息控制模型运动趋势，以位移矢量作为位姿参数控制与调整模型姿态；模型的运动以坐标作为引导工具，通过从仿真系统中提取的实时坐标信息对模型在场景中的位置进行调整和控制，前后相邻两次定位的方向矢量作为模型的运动方向，并将模型的运动方向作为位姿参数对模型进行调整；

视角的动态切换模块，用于在仿真过程中，动态的改变视角的位置，对所需目标模型作近距离的全方位观察与展示；

模型状态参数动态显示模块，用于动态地显示目标模型的实时状态参数信息。

2.根据权利要求1所述的车路协同三维仿真系统，其特征在于：所述外部程序接口与控制模块，具备一个外部程序接口，该接口通过HLA体系框架与外部建立信息交互通道。