CN106097421B - 基于真实数据的交通动画模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于真实数据的交通动画模拟系统，包括：导入模块，用于导入真实车辆运行数据初始化交通流动画中的真实车辆的运行轨迹，所述运行数据包括：真实车辆的位置、速度以及加速度；控制模块，用于根据所述真实车辆运行数据和预设数据确定交通流动画中的虚拟车辆运行轨迹，所述运行轨迹包括：车辆的实时速度、实时位移。本发明可以在整个交通流模拟过程中通过引入不规则的真实车辆驾驶行为，真实车辆与虚拟车辆相结合，产生更为真实的交通流动画模拟。

Description

基于真实数据的交通动画模拟系统

技术领域

本发明实施例涉及交通动画模拟技术领域，尤其涉及一种基于真实数据的交通动画模拟系统。

背景技术

交通运输系统的有效性一直是现代工业社会的重要问题。随着经济的发展，车辆的数量不断增长，出现了交通拥堵、道路网络设计、信号优化等方面的诸多挑战。如何解决这些问题已经成为一个全球问题，它直接影响到经济、能源和环境领域的发展，而交通仿真技术已成为计算机技术的辅助工具。此外，随着可视化技术的发展，交通仿真也在娱乐业中应用。

改良的现代检测技术，如全球定位系统，嵌入式传感器和流量监测有助于在虚拟环境中展现现实场景。基于这些获取到的数据的各种方法已经被开发出来，为了产生更真实的和详细的个性化的流量。现有的方法是构建基于模拟参数或离散采样点的交通流。由于计算过程是基于输入参数，一次性输入数据显示模拟流量具有明显的弱点。传统方法是重复迭代过程，这意味着所有的计算程序都是在初始化时一次性输入参数，经过一系列的计算过程后，车辆的运动状态产生一定的变化。

一个真实的场景要复杂得多，交通情况取决于很多连续变化的因素。在大多数情况下，在汽车行进过程中，相邻车辆的不断变化，道路情况在不同地方会发生改变，车辆行进状况的多样化和驾驶员的不同主观处理，这些全都导致了驾驶行为迅速变化，在另一方面意味着车辆的控制参数变化很快。为了更好地模拟真实交通情况，本发明引入真实交通数据直接模拟交通流，用不断变化的真实数据流来模拟交通流的变化。当引入的真实数据要求解决真实数据控制的车辆和虚拟车辆的交互的时候，这些方法在不断变化的数据中展现车辆运动状态时有局限性。

发明内容

本发明实施例提供一种基于真实数据的交通动画模拟系统，以克服上述技术问题。

本发明基于真实数据的交通动画模拟系统，包括：

导入模块，用于导入真实车辆运行数据初始化交通流动画中的真实车辆的运行轨迹，所述运行数据包括：真实车辆的位置、速度以及加速度；

控制模块，用于根据所述真实车辆运行数据和预设数据确定交通流动画中的虚拟车辆运行轨迹，所述运行轨迹包括：车辆的实时速度、实时位移。

进一步地，所述控制模块，具体用于：

根据公式

v(t+Δt)＝v(t)+aΔt (1)

p(t+Δt)＝p(t)+v(t+Δt)Δt (2)

确定虚拟车辆变道时的运行轨迹，其中，所述v(t+Δt)为虚拟车辆(t+Δt)时刻的速度，所述p(t+Δt)为虚拟车辆(t+Δt)时刻的位置，所述v(t)为t时刻虚拟车辆的速度，所述a为虚拟车辆的加速度，所述p(t)为t时刻虚拟车辆的位置；所述Δt为时间间隔。

进一步地，所述控制模块，具体用于：

根据公式

确定两辆车中虚拟车辆为前车时，所述虚拟车辆的运行轨迹，其中，所述t_d为期望时间，所述s_d为期望距离，所述v_d为期望速度，所述a_max为最大加速度，v:当前车在当前时刻的速度，b_com为最大减速加速度，所述s为当前车与前车距离，所述s′为中间优化距离。

进一步地，所述控制模块，具体用于：

根据公式

确定三辆车中虚拟车辆为中间车辆时，所述虚拟车辆的运行轨迹，其中，所述s₁为所述虚拟车辆与前车的距离，所述s₂为所述虚拟车辆与后车的距离，所述a_{follower-driven}为所述虚拟车辆通过公式(3)至(5)计算得到的加速度，所述a_following为虚拟车辆通过跟驰模型计算得到的加速度。

进一步地，所述控制模块，具体用于：

根据公式

a_follower＝(1-k)a_data+ka_virtual (7)

确定三辆车中虚拟车辆为中间车辆时，所述虚拟车辆后面真实车辆的运行轨迹，其中，所述S_R为两辆真实车辆之间的距离，所述Len为车辆长度，所述k为平衡指数，用于平衡极端情况下真实数据和将该车当作虚拟车辆的作用，所述a_data为真实数据输入的加速度，所述a_virtual为将所述真实视作虚拟车辆，对应的加速度，所述a_follower为所述真实车辆计算后最终的加速度。

本发明基于真实数据的交通动画模拟系统，能够使真实数据和虚拟车辆进行交互来产生更加真实的交通动画。导入模块导入真实数据来直接用于交通流模拟过程，用不断变化的真实数据来驱动模拟交通流的不断变化。真实数据可以在本发明所设计的融合模型协助下驱动车辆的行进，最终使模拟交通流可以更好地反应真实数据的特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于真实数据的交通动画模拟系统结构示意图；

图2为本发明控制模块实施例一示意图；

图3为本发明真实车辆变道过程的示意图；

图4为本发明虚拟车辆在两辆真实车辆之间正常情况下受控制示意图；

图5为本发明虚拟车辆在极端情况下示意图；

图6为本发明和现有技术方法所产生的车流加速度对比示意图；

图7为本发明多车协同模型对比示意图；

图8为本发明极端情况下对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明基于真实数据的交通动画模拟系统结构示意图，如图1所示，本实施例系统，包括：

导入模块101，用于导入真实车辆运行数据初始化交通流动画中的真实车辆的运行轨迹，所述运行数据包括：真实车辆的位置、速度以及加速度；

控制模块102，用于根据所述真实车辆运行数据和预设数据确定交通流动画中的虚拟车辆运行轨迹，所述运行轨迹包括：车辆的实时速度、实时位移。

具体来说，本系统的导入模块将真实车辆的运行数据导入作为交通流动画中的真实车辆的运行轨迹，控制模块根据该运行数据和预设数据确定该交通流动画中虚拟车辆的运行轨迹。具体有如下四种情况的虚拟车辆的运行轨迹：

第一种，所述控制模块，具体用于：

根据公式

v(t+Δt)＝v(t)+aΔt (1)

p(t+Δt)＝p(t)+v(t+Δt)Δt (2)

确定虚拟车辆变道时的运行轨迹，其中，所述v(t+Δt)为虚拟车辆(t+Δt)时刻的速度，所述p(t+Δt)为虚拟车辆(t+Δt)时刻的位置，所述v(t)为t时刻虚拟车辆的速度，所述a为虚拟车辆的加速度，所述p(t)为t时刻虚拟车辆的位置；所述Δt为时间间隔。

具体来说，本实施例应用场景为虚拟车辆变道，根据公式(1)和公式(2)计算得出该虚拟车辆在变道时的速度以及位置，从而确定该虚拟车辆变道时的运行轨迹。

在真实的情况下，汽车变道有很多种原因，例如驾驶员的倾向，为了获取更大的加速度等。真实车辆可以行驶在不同车道上，在本发明中，虚拟车辆必须配合真实车辆完成变道。真实数据记录了车辆的运动状态，因为交通动画模拟中真实车辆的运动轨迹是由真实数据控制的，所以真实车辆和虚拟车辆相比优先级更高，即虚拟车辆必须配合真实车辆完成变道行为。如图3所示。

第二种，所述控制模块，具体用于：

根据公式

确定两辆车中虚拟车辆为前车时，所述虚拟车辆的运行轨迹，其中，所述t_d为期望时间，所述s_d为期望距离，所述v_d为期望速度，所述a_max为最大加速度，v:当前车在当前时刻的速度，b_com为最大减速加速度，所述s为当前车与前车距离，所述s′为中间优化距离。

具体来说，本实施例的应用场景为两辆车中虚拟车辆为前车，通过该虚拟车辆后面的真实车辆的运行数据，从而确定虚拟车辆的运行轨迹。现有技术中的车辆动画模拟模型是基于前车为基准的，也即跟随的车辆调整自身的控制参数是依据前车的状态的跟驰模型，本实施例中对应的模型称为前驱模型。

基于现有技术中的跟驰模型，跟驰模型通过距离s，期望速度v_d和后车的速度v_f控制真实数据控制的车辆的前车的位置状态，本实施例中控制单元的核心目的是驱动主体车辆的当前距离s接近于期望距离s_d。当前距离s比期望距离s_d小的时候，主体车辆加速，反之亦然。如图2所示，真实车辆201前的第一虚拟车辆202根据该真实车辆的状态调整自身的行驶状态，第一虚拟车辆前面的第二虚拟车辆被第一虚拟车辆控制，如此迭代下去，在该真实车辆前面的所有车辆可以被控制。

本实施例中，期望距离s_d是主体车辆的最终目标，期望时间t_d是根据当前两辆相关车获取到的动态参数。本实施例构建了一个规则来更好地计算t_d。例如，当s<<s_d，为了防止碰撞，主体真实车辆必须迅速减速。为了实现这个目的，本发明设置了一个最小值。同理，当s>>s_d，本发明也设置一个t_d的最小值来使主体车辆能够立即减速或者停车。对比之前的情况，当处于次紧急情况的时候(s≈s_d)，t_d将被分配一个更大的值，这样的结果是减少必要的控制。期望距离可以根据邻车的距离和当前的交通密度以动态的方式设置。

本实施例中控制模块，当引入真实数据来驱动车辆后，能控制真实车辆之前的虚拟车辆，通过虚实车辆与真实车辆相互影响，实现了虚拟车辆配合真实车辆的驱动，扩展了仿真的多样性，提高了交通流的准确性。

第三种，所述控制模块，具体用于：

根据公式

确定三辆车中虚拟车辆为中间车辆时，所述虚拟车辆的运行轨迹，其中，所述s₁为所述虚拟车辆与前车的距离，所述s₂为所述虚拟车辆与后车的距离，所述a_{follower-driven}为所述虚拟车辆通过公式(3)至(5)计算得到的加速度，所述a_following为虚拟车辆通过跟驰模型计算得到的加速度。

具体来说，本实施例控制模块是用于协调在两辆真实车辆之间的虚拟车辆的跟驰模型。在交通动画模拟系统中，可以为多组两辆真实车辆和中间虚拟车辆的单元。其中，虚拟车辆的加速度是由公式(6)计算。如图4所示，s₁和s₂分别代表三车中间的主体车辆和前车R₁和后车R₂的距离。当s₁<s₂时，跟驰模型的效果比前驱模型的效果强，反之亦然。

对于多真实数据的情况，在实验中构造了一种两辆虚拟车辆在两辆真实车辆之间行驶的情况。本发明的前提是不改变两辆真实车辆的轨迹，所以本发明需要确保在这两辆真实车辆之间的虚拟车辆表现得更加真实。首先，将跟驰模型和前驱模型应用于该系统，然后只用前驱模型来测试没有协调作用时的表现。两个实验的结果如图7所示，图中展示了位移随时间变化的情况。图7(a)中，真实车辆和虚拟车辆的距离比较平均，从图7(b)中可以看出，虚拟车辆不受第一辆真实车辆的控制。

在图7(a)中，可以看到前驱模型和跟驰模型这两种模型的协作，虚拟车辆和真实车辆相互配合的很好，相邻两辆车之间的距离保持的也很好。图7(b)所示，没有前驱模型和跟驰模型的协作结果，虚拟车辆仅仅根据它们的前车来调整自己的状态，在虚拟车辆和真实车辆之间并没有相互作用。

如图8所示，从t＝0s到t＝5s，两真实车辆之间的距离在减小，图(b)中间那条线代表插在两真实车辆之间的虚拟车辆的位移。

第四种，所述控制模块，具体用于：

根据公式

a_follower＝(1-k)a_data+ka_virtual (7)

确定三辆车中虚拟车辆为中间车辆时，所述虚拟车辆后面真实车辆的运行轨迹，其中，所述S_R为两辆真实车辆之间的距离，所述Len为车辆长度，所述k为平衡指数，用于平衡极端情况下真实数据和将该车当作虚拟车辆的作用，所述a_data为真实数据输入的加速度，所述a_virtual为将所述真实视作虚拟车辆，对应的加速度，所述a_follower为所述真实车辆计算后最终的加速度。

在某些极端的情况下，必须取消真实数据和车辆之间的联系来防止碰撞，在实施过程中构建了这样一个极端情况，如图5所示，到当一辆虚拟车辆在三辆真实车辆之间的情景，这三辆真实车辆一辆在虚拟车辆前，一辆在虚拟车辆后，一辆在虚拟车辆的旁边，虚拟车辆前面的真实车辆和虚拟车辆后面的真实车辆的距离不断减小。两辆真实车辆逐渐接近，同时两辆真实车辆之间的虚拟车辆不能进行变道。

具体来说，真实车辆和虚拟车辆在交互过程中显示出了相互作用。在图5中说明了这种情况，虚拟车辆使用跟驰模型和前驱模型，同时受R₁和R₂的影响。当真实车辆之间的距离减小时，虚拟车辆将试图进行变道。当情况不允许变道时，就出现了一种极限情况。在只有一辆虚拟车辆在两辆真实车辆中的极限情况下，虚拟数据同样可以影响真实数据，当两辆真实车辆距离减小时，相互作用的方程式如公式(7)和公式(8)。其中，在公式(7)中，后面的真实车辆的加速度由两部分定义：真实数据和相应车(后面的真实车辆被视为虚拟车辆)的加速度。k是协调了两个部分的协调因子。Len代表车长，s_R是两真实车辆之间的距离，公式8定义了k的值。当s_R>3Len时，用真实数据定义加速度，当s_R<1.5Len时，后面的真实车辆被视为虚拟车辆。当s_R∈[1.5Len,3Len]，后面的真实车辆的加速度由两部分同时决定。当s_R<1.5Len时k＝1，停止了虚拟车辆后面真实车辆真实数据的输入，把它视作一个虚拟车辆来避免碰撞。在随后的过程中不断判断k值，来判断当前情况，由当前情况最终决定真实车辆的加速度。

通过连续导入的真实数据建立了一个双车道的交通流。在实施过程中，每个车辆都可以智能地模拟真实交通的多样性，所使用的真实数据来自NGSIM的开源数据，举例说明，真实车辆的导入数据为2006年11月8日，下午12：45到下午1:00之间在美国乔治亚州，亚特兰大，Peachtree Street的一段交通流数据。每辆车的数据都是以10帧每秒的频率记录下来的，在实施过程中将其转化成20帧每秒来适应所设计的交互系统。在对比中对于现有技术与本申请使用了相同的初始化数据。

对比8(a)和8(b)两个图，左边图两条曲线上面是第一辆真实车辆下面是第二辆真实车辆，右面图三条曲线从上到下分别是第一辆真实车辆和第二辆真实车辆，也即是在两真实车辆之间加了一辆虚拟车辆，在正常情况下，左右两图的两条真实车辆曲线应该是完全一样的，但是因为极端情况的影响，在t＝2.2s的时候，可以在图8(a)的第二辆真实车辆曲线看到一个明显的拐点，这就是极端情况下停止第二辆真实车辆真实数据导入的体现。

在模拟中，选取其中一辆真实车辆前的第一辆虚拟车辆，和该真实车辆后的第一辆真实车辆，对比两组虚拟车辆的行进路径，两辆车分别代表了真实车辆之前和真实车辆之后的虚拟车辆，并比较本发明导入连续真实数据的方法和现有技术的方法。图6(a)和图6(b)显示了真实车辆前的虚拟车辆和真实车辆后的虚拟车辆在基于相同初始状态的实验结果。

从图6中可以看到，相比现有技术的模拟结果，本发明的模拟可以使汽车的行为更加灵活和不规则。连续输入的数据可以消除一次性输入数据的问题，在实验中共使用了300辆车，图6中的真实车辆前的虚拟车辆和真实车辆后的虚拟车辆是分别被前驱模型和跟驰模型控制的两辆车。从图中可以看到，相比现有技术，本发明可以使车辆有更多的变动和更迅速的反应，这说明本发明可以更好地适应真实数据，并且保持很快的真实数据输入。引入的真实数据增强了车辆加速度的变化，展现了一种更加多样化的交通行为。此外，曲线上更多的变化也证明了本发明的方法更加灵活。

本发明选择车辆的加速度作为交通流多样性和灵敏性的直接因素，速度和位移都是作为控制参数的结果。加速度可以在个体层面上更好地描述交通流的特性。为了演示引入真实数据的影响虚实交互模型主要针对于在交通仿真中插入真实数据，在不修改真实数据的情况下形成更加真实的无碰撞交通流。使交通流更加真实，表现真实交通的随机性和不规则性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于真实数据的交通动画模拟系统，其特征在于，包括：

导入模块，用于导入真实车辆运行数据初始化交通流动画中的真实车辆的运行轨迹，所述运行数据包括：真实车辆的位置、速度以及加速度；

控制模块，用于根据所述真实车辆运行数据和预设数据确定交通流动画中的虚拟车辆运行轨迹，所述运行轨迹包括：车辆的实时速度、实时位移；

所述控制模块，具体用于：

根据公式

v(t+Δt)＝v(t)+aΔt (1)

p(t+Δt)＝p(t)+v(t+Δt)Δt (2)

确定虚拟车辆变道时的运行轨迹，其中，所述v(t+Δt)为虚拟车辆(t+Δt)时刻的速度，所述p(t+Δt)为虚拟车辆(t+Δt)时刻的位置，所述v(t)为t时刻虚拟车辆的速度，所述a为虚拟车辆的加速度，所述p(t)为t时刻虚拟车辆的位置；所述Δt为时间间隔；

所述控制模块，具体用于：

根据公式

a_follower＝(1-k)a_data+ka_virtual (7)

确定三辆车中虚拟车辆为中间车辆时，所述虚拟车辆后面真实车辆的运行轨迹，其中，所述S_R为两辆真实车辆之间的距离，所述Len为车辆长度，所述k为平衡指数，用于平衡极端情况下真实数据和将该车当作虚拟车辆的作用，所述a_data为真实数据输入的加速度，所述a_virtual为将所述真实视作虚拟车辆，对应的加速度，所述a_follower为所述真实车辆计算后最终的加速度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块，具体用于：

根据公式

确定两辆车中虚拟车辆为前车时，所述虚拟车辆的运行轨迹，其中，所述t_d为期望时间，所述s_d为期望距离，所述v_d为期望速度，所述v_f为后车的速度；所述a_max为最大加速度，v:当前车在当前时刻的速度，b_com为最大减速加速度，所述s为当前车与前车距离，所述s′为中间优化距离，所述δ为加速指数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制模块，具体用于：

根据公式

确定三辆车中虚拟车辆为中间车辆时，所述虚拟车辆的运行轨迹，其中，所述s₁为所述虚拟车辆与前车的距离，所述s₂为所述虚拟车辆与后车的距离，所述a_{follower-driven}为所述虚拟车辆通过公式(3)至(5)计算得到的加速度，所述a_following为虚拟车辆通过跟驰模型计算得到的加速度。