CN110795805A - 一种精细化交叉口几何拓扑构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细化交叉口几何拓扑构建方法及系统，方法包括以下步骤：获取交叉路口的物理基础拓扑和逻辑拓扑；获取外部几何参数；根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑；其中，所述交叉口几何拓扑用于描述承载交通规则的标志标线的几何表达和位置关系；构件交叉口集合拓扑时，具体以物理基础拓扑为基准参照系，以逻辑拓扑为基础，遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素。本发明实施例根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑，使得交叉口几何拓扑更加精细。本发明可以广泛应用于交通建模技术领域。

Description

一种精细化交叉口几何拓扑构建方法及系统

技术领域

本发明涉及交通建模技术领域，尤其是一种精细化交叉口几何拓扑构建方法及系统。

背景技术

智能交通系统(ITS)是20世纪90年代以来交通领域的一项重要变革。传统的智能交通系统由于众多的业务需要众多的业务系统支持，而各个业务系统分别建设基础设施这一模式，造成了资源重复建设，数据形成孤岛，技术形成壁垒。

IDPS(即Infrastructure、Data、Platform和System的缩写)智能交通体系的诞生能够很好地解决上述问题。它是通过完善的基础设施I，采集到完整的数据D，再经过智能化的平台P进行计算分析，从而提供系统服务S。其核心思想是“数据高度复用”，旨在减少设备堆砌，从而可以智能化地对城市交通进行管理，节约建设成本。

IDPS智能交通体系的基础是可计算GIS-T。可计算GIS-T对交通路网进行从宏观概貌到精细化表达的跨尺度建模，同时支持各类交通设施(如卡口电警、信号机、标线标牌)数据的有效加载，并能实时关联动态交通数据。在可计算GIS-T平台上，交通领域的各类分析计算包括交通容量计算、交通状态计算、交通需求分析、交通仿真等都离不开精细化交叉口数据模型的支持。因此，精细化的交叉口数据模型是可计算GIS-T实现的关键。

但是现阶段，交叉口数据模型在国内外的研究中，绝大部分不对交叉口进行单独建模，而是将其作为路网的一部分放入路网模型中进行建模处理，关于路网模型主要分为路段级模型和车道级模型两个方面。

以上这些模型，基本上都是以图论为基础，以点和弧段的形式来对路网进行抽象。路段级模型建模单元为有向路段，车道级模型建模单元侧重于车道。对于交叉口的表达，都是将其当作路网的一部分，放入路网模型中进行描述，拓扑的精细度较低。不能满足可计算GIS-T对精细化交叉口数据的需求。

发明内容

为解决上述技术问题的至少之一，本发明的目的在于：提供一种精细化交叉口几何拓扑构建方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供了：

一种精细化交叉口几何拓扑构建方法，包括以下步骤：

获取交叉路口的物理基础拓扑和逻辑拓扑；

获取外部几何参数；

根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑；

其中，所述交叉口几何拓扑用于描述承载交通规则的标志标线的几何表达和位置关系。

进一步，所述构建交叉口几何拓扑，其具体包括：

以物理基础拓扑为基准参照系，以逻辑拓扑为基础，遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素。

进一步，所述遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素，其具体包括：

获取右转弯曲线半径；

根据右转弯曲线半径构建右转弯曲线，以及右转渠化道车行道分界线；

获取人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离；

根据人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离构建人行横道；

获取进口道停止线与出口道路段的距离；

根据进口道停止线与出口道路段的距离构建停止线；

获取展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度；

根据展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度，构建展宽段、渐变段和普通路段车行道分界线；

获取导向箭头与进口道停止线的距离；

根据导向箭头与进口道停止线的距离构建导向箭头；

获取左待转区车行道分界线半径；

根据左待转区车行道分界线半径构建左转待转区；

构建导向线。

进一步，所述几何拓扑用G_g＝(LB,PC,SL,TA,GL,RTC)表示，其中LB＝{lb_i}表示车行道分界线的集合，lb_i表示某一条车行道分界线；PC＝{pc_i}表示人行横道集合，pc_i表示单条人行横道；SL＝{sl_i}表示停止线集合，sl_i表示单条停止线；TA＝{ta_i}表示导向箭头集合，ta_i表示单个导向箭头；GL＝{gl_i}表示导向线集合，gl_i表示单条导向线；RTC＝{rtc_i}表示右转弯曲线集合，rtc_i表示单条右转弯曲线。

进一步，所述物理基础拓扑用G_p＝(V,E)表示，其中V＝{v_i}为路段结点集，v_i为路段结点，表示道路中心线交叉点；E＝{e_i|e_i＝(v_m,v_n)}为路段集，e_i表示连接路段结点v_m和v_n的路段；定义为路段e_i中以v_m为终点的方向路段；

进一步，所述逻辑拓扑用G_l＝(A,L,LCL,LCV)表示，其中A＝{a_i}表示有向路段集，a_i为有向路段，方向为路段交通流向；L＝{l_i}表示车道集，l_i表示车道，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元；LCV＝{lcv_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的纵向连通关系集，其中lcv_i表示从车道l_f到车道l_t的纵向通行是允许的；LCL＝{lcl_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的横向连通关系集，其中lcl_i表示从车道l_f到车道l_t的横向连通关系。

第二方面，本发明实施例提供了：

一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，包括：

第一获取单元，用于获取交叉路口的物理基础拓扑和逻辑拓扑；

第二获取单元，用于获取外部几何参数；

构建单元，用于根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑；

其中，所述交叉口几何拓扑用于描述承载交通规则的标志标线的几何表达和位置关系。

进一步，所述构建交叉口几何拓扑，其具体包括：

以物理基础拓扑为基准参照系，以逻辑拓扑为基础，遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素。

进一步，所述遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素，其具体包括：

获取右转弯曲线半径；

根据右转弯曲线半径构建右转弯曲线，以及右转渠化道车行道分界线；

获取人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离；

根据人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离构建人行横道；

获取进口道停止线与出口道路段的距离；

根据进口道停止线与出口道路段的距离构建停止线；

获取展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度；

根据展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度，构建展宽段、渐变段和普通路段车行道分界线；

获取导向箭头与进口道停止线的距离；

根据导向箭头与进口道停止线的距离构建导向箭头；

获取左待转区车行道分界线半径；

根据左待转区车行道分界线半径构建左转待转区；

构建导向线。

进一步，所述几何拓扑用G_g＝(LB,PC,SL,TA,GL,RTC)表示，其中LB＝{lb_i}表示车行道分界线的集合，lb_i表示某一条车行道分界线；PC＝{pc_i}表示人行横道集合，pc_i表示单条人行横道；SL＝{sl_i}表示停止线集合，sl_i表示单条停止线；TA＝{ta_i}表示导向箭头集合，ta_i表示单个导向箭头；GL＝{gl_i}表示导向线集合，gl_i表示单条导向线；RTC＝{rtc_i}表示右转弯曲线集合，rtc_i表示单条右转弯曲线。

进一步，所述物理基础拓扑用G_p＝(V,E)表示，其中V＝{v_i}为路段结点集，v_i为路段结点，表示道路中心线交叉点；E＝{e_i|e_i＝(v_m,v_n)}为路段集，e_i表示连接路段结点v_m和v_n的路段；定义

为路段e_i中以v_m为终点的方向路段；

所述逻辑拓扑用G_l＝(A,L,LCL,LCV)表示，其中A＝{a_i}表示有向路段集，a_i为有向路段，方向为路段交通流向；L＝{l_i}表示车道集，l_i表示车道，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元；LCV＝{lcv_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的纵向连通关系集，其中lcv_i表示从车道l_f到车道l_t的纵向通行是允许的；LCL＝{lcl_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的横向连通关系集，其中lcl_i表示从车道l_f到车道l_t的横向连通关系。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑，为几何拓扑数据获取提供了新的方法，使得交叉口几何拓扑更加精细化；本方案通过物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑，提高了数据的复用度，可以减少数据采集成本，还能提高工作效率。

附图说明

图1a是本发明实施例的基准参照系图；

图1b是本发明实施例的点的位置表示参照图；

图2a是本发明实施例的物理基础拓扑的第一示意图；

图2b是本发明实施例的物理基础拓扑的第二示意图；

图2c是本发明实施例的物理基础拓扑的第三示意图；

图3a是本发明实施例的逻辑拓扑示意图；

图3b是本发明实施例的逻辑拓扑示意图；

图3c是本发明实施例的逻辑拓扑示意图；

图3d是本发明实施例的逻辑拓扑示意图；

图3e是本发明实施例的逻辑拓扑示意图；

图4是本发明实施例所构建交叉口几何拓扑的总流程图；

图5a是本发明实施例的右转弯曲线的构建的第一示意图；

图5b是本发明实施例的右转弯曲线的构建的第二示意图；

图6是本发明实施例的右转渠化道车行道分界线检验流程图；

图7是本发明实施例的进出口道端点与所在路段间的车道数示意图；

图8是本发明实施例的右转渠化道车行道分界线构建示意图；

图9a是本发明实施例的人行横道构建的第一示意图；

图9b是本发明实施例的人行横道构建的第二示意图；

图10是本发明实施例的进口道停止线示意图；

图11a是本发明实施例的右转渠化道停止线构建的第一示意图；

图11b是本发明实施例的右转渠化道停止线构建的第二示意图；

图12a是本发明实施例的展宽段、渐变段、普通路段车行道分界线构建的第一示意图；

图12b是本发明实施例的展宽段、渐变段、普通路段车行道分界线构建的第二示意图；

图13a是本发明实施例的导向箭头设置的第一示意图；

图13b是本发明实施例的导向箭头设置的第二示意图；

图14a是本发明实施例的左转待转区车行道分界线构建的第一示意图；

图14b是本发明实施例的左转待转区车行道分界线构建的第二示意图；

图15是本发明实施例的导向线构建示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

参照图4，本实施例公开一种精细化交叉口集合拓扑构建方法及系统，步骤如下：

S1.根据物理基础拓扑构建基准参照系；

S2.构建右转弯曲线；

S3.构建右转弯渠化道车行道分界线；

S4.构建人行横道；

S5.构建停止线；

S6.构建展宽段、渐变段、普通路段车行道分界线；

S7.构建导向箭头；

S8.构建左转待转区车行道分界线；

S9.构建导向线。

下面对本实施例中的物理基础拓扑、逻辑拓扑和几何拓扑进行介绍：

1)、物理基础拓扑

物理基础拓扑包含路段结点和路段两个组成部分，用G_p＝(V,E)表示。路段结点是对现实中交叉口或者道路端点的抽象，路段是两个路段结点之间道路中心线的抽象。路段结点集表示为V＝{v_i}，v_i为路段结点，v_i包含属性edge，v_i.edge表示与路段结点v_i相连的路段集合。E＝{e_i}为路段集，e_i表示连接两个路段结点v_m和v_n的路段，如图2a所示。

方向路段的定义，见图2b、图2c所示，

为路段e_i中以v_m为终点的方向路段，

为路段e_i中以v_m为起点的方向路段，

则e_i包含属性adjnode,diredge，其中e_i.adjnode＝{v_m,v_n},v_m,v_n∈V表示路段e_i两端的路段结点，

表示路段e_i所包含的允许行驶的方向路段。

2)、逻辑拓扑

逻辑拓扑用G_l＝(A,L,LCL,LCV)表示，分为两层，包含有向路段、车道、车道连接器等要素，如图3a所示。第一层为有向路段层，包含有向路段，有向路段是对同一路段不同交通流向按照交通组织不变的原则进行划分。有向路段关联到物理基础拓扑中的方向路段，从而建立逻辑拓扑与物理基础拓扑的关联关系。第二层为车道层，包含车道和车道连接器，车道是车辆行驶所依附的最小载体，一个有向路段一般包含多条车道，每条车道可以有不同的转向类型。车道连接器分为两种，其中纵向车道连接器表示当前车道与下游车道的拓扑连接关系，横向车道连接器表示两条相邻车道之间的拓扑连通关系。

有向路段层用A＝{a_i}表示有向路段集，如图3b所示，它对同一路段不同交通流向按照交通组织不变的原则进行划分。a_i包含属性diredge,pos,lnum,lane，其中a_i.lane表示关联到有向路段a_i的车道集合。a_i.lnum表示有向路段包含的车道数，此处的车道数不包括右转渠化道和左转待转区的车道。a_i.diredge表示有向路段a_i关联的方向路段，即或

a_i.pos表示有向路段a_i在当前方向上所处的次序，次序的编号是对每个路段每个交通流方向从上游往下游依次将有向路段编号为1、2、3…。

车道层中，如图3c、图3d所示，用L＝{l_i}表示车道集，l_i包含属性arc,pos,typ,wid,len，其中l_i.wid表示车道的宽度。l_i.len表示车道的长度。l_i.arc表示车道l_i关联的有向路段。车道在有向路段中的次序记录为l_i.pos，记录方式为顺着交通流方向从最内侧到最外侧依次对车道排序，l_i.typ表示车道的类型，l_i.typ＝{普通车道，左转待转区，右转渠化道，拓宽车道}，其中右转渠化道归属于进口道有向路段中最下游的有向路段，若存在专用的右转车道，则车道次序l_i.pos与此右转车道相同，反之则车道次序依次叠加；左转待转区归属于进口道有向路段中最下游的有向路段，且左转待转区的车道次序与进入此左转待转区的车道的次序相同。利用有向组<l_f,l_t>记录车道连接器，如图3e所示，其表示从车道l_f到车道l_t的连通关系。车道间的连通关系可分为纵向连通关系个和横向连通关系两类。若车道连接器为纵向连通，车道间的连通存在确定的起止点，因此将此类车道连接器记录为LCV＝{lcv_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}，其中lcv_i表示从车道l_f到车道l_t的纵向连通关系。若车道连接器为横向连通，则车道间的连通存在于起始车道的任意位置，因此将此类车道连接器记录为LCL＝{lcl_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}，其中lcl_i表示从车道l_f到车道l_t的横向连通关系，lcl_i包含属性rule，若车辆允许从车道l_f到车道l_t的变换，则lcl_i.rule＝1，反之则lcl_i.rule＝0。

3)、几何拓扑

几何拓扑用G_g＝(LB,PC,SL,TA,GL,RTC)，其中LB＝{lb_i}表示车行道分界线的集合，lb_i表示某一条车行道分界线；PC＝{pc_i}表示人行横道集合，pc_i表示单条人行横道；SL＝{sl_i}表示停止线集合，sl_i表示单条停止线；TA＝{ta_i}表示导向箭头集合，ta_i表示单个导向箭头；GL＝{gl_i}表示导向线集合，gl_i表示单条导向线；RTC＝{rtc_i}表示右转弯曲线集合，rtc_i表示单条右转弯曲线。

步骤S1具体为：

如图1a所示，根据物理基础拓扑构建几何拓扑的基准参照系。物理基础拓扑包含路段和路段结点两类要素，v_i为路段结点，e_i表示路段，

为路段e_i以v_m为起点的方向路段。对于交叉口v_m，路段e_i进口道的展宽段车行道分界线、渐变段车行道分界线、普通路段车行道分界线、右转渠化道车行道分界线、左转待转区车行道分界线、人行横道、停止线、导向箭头、右转弯曲线、导向线以及路段e_i出口道的展宽段车行道分界线、渐变段车行道分界线、普通路段车行道分界线、人行横道、导向箭头为归属于路段e_i的标志标线，在基准参照系中选取方向路段

作为有向的参考线，归属于路段e_i的标志标线都可以参照

进行位置关系描述。

交叉口的标志标线归属于不同的几何要素。用fea表示任意一种几何要素，fea可以表示点要素p，线段l，圆弧a，二次贝赛尔曲线b，平行曲线pl以及矩形sq，定义fea.loc为几何要素fea在基准参照系中的位置，则可以用简单的几何形式表述为fea.loc＝<line,para>，其中line为基础参照系中的参考线，也就是方向路段。para为几何要素fea相对于line的偏移参数。fea.loc也可以用复合几何形式表述为fea.loc＝<obj,para>，其中obj为由基准参照系表述的对象，例如可以利用点要素作为对象去描述线要素。para为几何要素fea相对于obj的偏移参数。

点是最简单的形，是几何图形最基本的组成部分。在空间中作为1个0维的对象。点要素的几何位置用三元组p.loc＝<line,ver,lat>表示。其中line为物理基础拓扑中的参考线，ver为纵向偏移距离，lat为横向偏移距离。纵向偏移距离ver是指参考线line从起点开始到p'的线上距离，其中p'是p在参考线line上的最近距离点。横向偏移距离lat是指点p'和p连线的长度。对横向偏移来说，顺着参考线line方向左面的偏移为正，右面的偏移为负。对于点p，p.loc.line表示参考线line，p.loc.lat表示点相对参考线line的横向偏移距离，p.loc.ver表示点相对参考线line的纵向偏移距离，具体如图1b所示。其它几何要素的位置表达均在基准参照系的基础上以点为基本要素表达。

步骤S2具体为：

根据逻辑拓扑数据，引入右转弯曲线半径构建几何拓扑的右转弯曲线。右转弯曲线集合用RTC＝{rtc_i}描述，包含属性loc,sty,col，rtc_i.sty表示右转弯曲线的样式，一般为单实线，rtc_i.col表示右转弯曲线的颜色，一般为白色，rtc_i.loc描述右转弯曲线的几何要素位置信息，右转弯曲线的几何要素类型为圆弧。这里主要是构造其位置信息。

具体实现方法为，右转弯曲线在进口道处与展宽段最外侧的车行道分界线501或者普通路段最外侧的车行道分界线502相切，在出口道处与展宽段或者普通路段最外侧的车行道分界线相切。首先，根据逻辑拓扑构建右转弯曲线，需要寻找右转弯曲线所在进口道与路段结点v₁最靠近的有向路段a_m以及所在出口道与路段结点v₁最靠近的有向路段a_m'，如图5a所示。

e₁路段进口道的有向路段集合

在集合中寻找到有向路段a_m满足a_m∈A₁且对任意a_n∈A₁，当m≠n时,有a_m.pos>a_n.pos。e₂路段出口道的有向路段集合

在集合中寻找到有向路段a_m'满足a_m'∈A₂,且对任意a_n'∈A₂，当m≠n时,有a_m'.pos<a_n'.pos，根据上述条件可以得到归属于有向路段a_m的普通车道以及拓宽车道集合L_m＝{l_i|l_i∈a_m.lane,l_i.typ≠"右转渠化道",l_i.typ≠"左转待转区"}，以及归属于有向路段a_m'的普通车道和拓宽车道集合L_m'＝{l_i|l_i∈a_m'.lane}。

其次，引入右转弯曲线的半径rtc₁.rad作为外部几何参数，对于e₁路段进口道的右转弯曲线rtc₁，rtc₁与a_m,a_m'代表的普通路段或者展宽段的最外侧车行道分界线相切。右转弯曲线的几何要素类型为圆弧。任意圆弧a的几何位置描述为三元组a.loc＝<p₁,p₂,o>。其中p₁,p₂,o为点要素，p₁,p₂对应圆弧的起终点，o对应圆弧的圆心。

如图5b所示，此处规定所有标志标线中的圆弧类型均按照逆时针方向确定起终点，则右转弯曲线的几何要素的位置rtc₁.loc可记为：

rtc₁.loc＝<p₁,p₂,o>,其中：

步骤S3：

构建右转渠化道车行道分界线。车行道分界线的集合用LB＝{lb_i}表示，lb_i表示某一条车行道分界线。车行道分界线包含属性loc,sty,col,typ,pos。lb_i.typ表示车行道分界线的类型，lb_i.sty表示lb_i的样式，lb_i.col表示lb_i的颜色，lb_i.loc表示lb_i的几何要素位置信息，lb_i.pos表示lb_i的次序，对每一种类型的车行道分界线按照其进、出口道划分以后进行编号，进、出口道的车行道分界线均为顺着交通流方向从内侧往外侧依次编号为1、2、3…。这里主要是对其几何要素位置信息进行构建。

具体实现方法为，首先根据逻辑拓扑检验是否具有右转渠化道。然后判断车辆进入和离开右转渠化道的类型，如图6所示。

第一，检验是否存在右转渠化道检验的实现方法。根据S2中右转弯曲线所在进口道与路段结点v₁最靠近的有向路段a_m以及所在出口道与路段结点v₁最靠近的有向路段a_m'，在此基础上，右转渠化道的集合可以表示为L_r＝{l_i|l_i.typ＝"右转渠化道",l_i∈a_m.lane}，如果cardL_r＝0，说明不存在右转渠化道，否则说明存在右转渠化道。

车辆在进入和离开右转渠化道时有两种类型，一种是车辆从专门的右转车道进入右转渠化道；另一种是车辆从直右车道分流进入右转渠化道。同理，车辆在离开右转渠化道时也有两种类型，一种是有专门的直行车道用于右转车辆汇入；另一种是没有专门的直行车道用于右转车辆汇入。根据逻辑拓扑构建右转渠化道车行道分界线关键在于确定右转渠化道车行道分界线进口道端点与进口道路段之间的车道数N以及出口道端点与出口道路段之间的车道数N'。这里以最内侧右转渠化道车行道分界线lb₁为例，如图7所示。

第二，检验是否存在专门的右转车道的具体实现方法。根据有向路段a_m包含的车道的次序来判断。如果存在专门的右转车道，那么对于右转渠化道中的任意l_q∈L_r，能够在有向路段a_m中找到一条车道l_p，满足l_p.pos＝l_q.pos,其中l_p∈a_m.lane但

具体可参见前文逻辑拓扑中关于车道次序的描述。如果有专门的右转车道，则N＝cardL_m-cardL_r，否则N＝cardL_m。

第三，检验是否存在专门的右转汇入车道的具体实现方法。根据有向路段a_m'最外侧车道的纵向车道连接器来判断。因为对于有向路段a_m'的最外侧车道l_s,满足l_s∈a_m'.lane且l_s.pos＝a_m'.lnum，以l_s作为终止车道的纵向车道连接器集合LCV₁＝{lcv_i＝<l_f,l_t>|l_t＝l_s}，如果有专门的右转汇入车道，则对任意一个车道连接器lcv_p∈LCV₁，必满足lcv_p.l_f∈a_m.lane。如果没有专门的右转汇入车道，则至少存在一个车道连接器lcv_q∈LCV₁，但不满足lcv_q.l_f∈a_m.lane。如果存在专门的右转汇入车道，则N'＝cardL_m'-cardL_r，否则N'＝cardL_m'。

检验完成，以图7所示为例实现右转渠化道车行道分界线的构建。右转渠化道车行道分界线的几何要素类型为圆弧，所有右转渠化道车行道分界线均为同心圆弧，根据S2可以得到右转弯曲线rtc₁的圆心o的几何位置为

右转渠化道最内侧车行道分界线lb₁的圆心几何位置与右转弯曲线rtc₁的圆心o几何位置相同。lb₁的半径为

lb₁进口道端点与进口道路段的横向偏移距离为

出口道端点与出口道路段的横向偏移距离为

结合lb₁的圆心o以及lb₁的半径lb₁.rad，如图8所示，利用简单的几何求解能够确定最内侧右转渠化道车行道分界线lb₁的几何要素位置，其中图8中

则lb₁的几何要素位置信息可记为：

lb₁.loc＝<p₁,p₂,o>,其中:

步骤S4：

构建人行横道。人行横道集合表达为PC＝{pc_i}，其包含属性loc,sty,col,typ，pc_i.sty描述人行横道的样式，一般为斑马线，pc_i.col描述人行横道的颜色，一般为白色。pc_i.loc分别描述人行横道的几何要素位置信息，其中人行横道的几何要素类型为矩形。pc_i.typ表示人行横道的类型，pc_i.typ＝{进口道人行横道，出口道人行横道，右转渠化道人行横道}。

人行横道包含进口道人行横道、出口道人行横道以及右转渠化道的人行横道三种类型。在此只以进口道人行横道构建为例。具体实现方法为，首先，引入外部几何参数人行横道内侧边线与路段e₂间的偏移距离pc₁.dis以及人行横道的宽度pc₁.wid。国标中对于人行横道的宽度以及位置设置有参考范围规定，如表1所示，主干路的人行横道宽度不宜小于5m，其他等级道路的人行横道宽度不宜小于3m，宜采用1m为单位增减。人行过街横道应设置在车辆驾驶员容易看清的位置，应与车行道垂直，应平行于路段路缘石的延长线，并应后退1m～2m。

表1-人行横道宽度范围

这里以路段e₁进口道的人行横道pc₁为例，如图9a所示，人行横道的几何要素类型为矩形，箭头方向为交通流方向。任意矩形的几何位置可以表述为四元组sq.loc＝<p₁,p₂,p₃,p₄>，其中p₁,p₂,p₃,p₄分别为矩形的四个端点。此处规定其四个端点的记录次序为顺着交通流方向右上角端点为起点，按照逆时针方向依次记录，如图9b所示，p₁,p₂,p₃,p₄为矩形面要素四个端点的记录次序。因此，人行横道pc₁的几何要素位置信息可记为：

pc₁.loc＝<p₁,p₂,p₃,p₄>,其中：

步骤S5：

实现对停止线的构建。停止线集合用SL＝{sl_i}描述，其包含属性sty,col,loc,typ，sl_i.sty表示停止线的样式，一般为单实线，sl_i.col表示停止线的颜色，一般为白色，sl_i.typ表示停止线的类型，sl_i.typ＝{进口道停止线,右转渠化道停止线,左转待转区停止线}。这里主要是实现停止线几何要素位置的构建。左转待转区的停止线构建方法与右转渠化道停止线类似，因此在此只以进口道停止线和右转渠化道停止线为例阐述构建方法。

1)进口道停止线的构建

以路段e₁进口道的停止线sl₁为例阐述实现方法，引入停止线与路段e₂间的偏移距离sl₁.dis，如图10所示。停止线的几何要素类型为线段。线段l的几何位置可以用二元组l.loc＝<p₁,p₂>表示，其中p₁,p₂为点要素，分别对应线段两个端点。

规定线段的起点为纵向偏移小的端点，当线段的两端纵向偏移一样时，则横向偏移大的一端为线段的起点。则停止线sl₁的几何要素位置信息可记为：

sl₁.loc＝<p₁,p₂>,其中：

2)构建右转渠化道停止线

以路段e₁进口道的右转渠化道停止线sl₂为例阐述实现方法，右转渠化道的车行道分界线是同心的圆弧，停止线的起终点分别位于右转渠化道最内侧车行道分界线和最外侧车行道分界线上，且停止线的延长线经过圆心。如图11a所示。

右转渠化道的集合可以表示为L_r＝{l_i|l_i.typ＝"右转渠化道",l_i∈a_m.lane}。最外侧的右转渠化车道l₁满足l₁∈L_r且l₁.pos＝a_m.lnum，根据逻辑拓扑可以获取车道l₁长度为l₁.len，宽度为l₁.wid。根据简单的几何知识有(rtc₁.rad+l₁.wid/2)β＝l₁.len，由此可得圆心角β＝l₁.len/(rtc₁.rad+l₁.wid/2)。右转渠化道最内侧车行道边界线lb₁，最外侧车行道分界线lb₂。其半径分别为

lb₂.rad＝rtc₁.rad。

对于停止线sl₂的终点p₂，如图11b所示，已知圆心角和半径的情况下，不难求得两条直线边的长度分别为lb₂.radcosβ，lb₂.radsinβ。右转渠化道最外侧车行道分界线的圆心为o，因此

同理，停止线sl₂的起点p₁的几何位置可记为：

则停止线sl₂的几何要素位置信息可记为：

sl₂.loc＝<p₁,p₂>,其中：

步骤S6：

实现构建展宽段、渐变段、普通路段车行道分界线。首先需要检验交叉口路段e₁进口道是否存在展宽段。根据S2中可得到右转弯曲线所在进口道与路段结点v₁最靠近的有向路段a_m，如果有展宽则必然存在拓宽车道，因此可以用拓宽车道的集合L_s＝{l_i|l_i.typ＝"拓宽车道",l_i∈a_m.lane}的元素个数判断，如果

则存在展宽段，否则不存在展宽段。本发明假设经过验证，交叉口e₁进口道存在展宽段。其次，对于渐变段而言，包含内侧展宽、外侧展宽和两侧展宽三种类型。这里以渐变段外侧展宽为例阐述实现方法。关于展宽段、渐变段、普通路段车行道分界线的构建，需要引入外部几何参数包括展宽段的长度slen，渐变段长度tlen，以及普通路段长度nlen。

1)构建展宽段车行道分界线

逻辑拓扑中是按照交通组织不变的原则划分有向路段的，对于展宽段和渐变段，逻辑拓扑中将其两者的交通流统一抽象为一个有向路段，如图12a的有向路段a_m所示。右转渠化道最内侧车行道分界线进口道端点与进口道的路段之间的车道数为N，关于N的计算方法同S3中右转渠化道车行道分界线的构建。对于路段e₁进口道的任意一条展宽段车行道分界线lb_i而言，当lb_i.pos≤N+1时，其是从停止线开始到展宽段与渐变段的交界处终止；当lb_i.pos>N+1时，其起点则为其对应的右转渠化道车行道分界线的进口道端点，终点不变。如图12a所示。以路段e₁进口道最内侧展宽段车行道分界线lb₃和最外侧车行道分界线lb₇为例阐述实现方法，引入展宽段的长度slen作为外部几何参数，展宽段车行道分界线的类型为平行曲线，任意平行曲线pl的几何位置表述为pl.loc＝<line,p₁,p₂>，其中line为平行曲线的参考线，p₁,p₂为平行曲线的两个端点。则lb₃与lb₇的几何要素位置信息可记为：

其中：

其中：

2)构建普通路段车行道分界线

由S2中，a_m是路段e₁进口道展宽段和渐变段交通流的抽象，那么满足a_n∈A₁且a_n.pos＝a_m.pos-1的有向路段a_n则是路段e₁进口道普通路段交通流的抽象，如图12b所示。普通路段车行道分界线的几何要素类型为平行曲线，以普通路段最外侧车行道分界线lb₈为例阐述实现方法，可将其几何位置信息记为：

其中：

3)构建渐变段车行道分界线

渐变段车行道分界线的几何要素类型有两种，在外侧展宽类型中，内侧渐变段车行道分界线的几何要素类型为平行曲线，而外侧渐变段车行道分界线的几何要素类型为线段，以渐变段外侧车行道分界线lb₉为例阐述实现方法，根据有向路段a_m的普通车道和拓宽车道集合L_m，可将渐变段外侧车行道分界线lb₉的几何位置信息记为：

lb₉.loc＝<p₃,p₁>,其中：

步骤S7：

导向箭头集合用TA＝{ta_i}来描述，包含属性loc,typ,pos,seq，ta_i.typ描述导向箭头的类型，根据国标中的相关规定，导向箭头一共包含11种类型，记为：

ta_i.typ＝{直行，左转，右转，掉头，向左合流，向右合流，

直左，直右，左转掉头，直行掉头，左转和右转}

在本发明中将各种类型的导向箭头的几何要素类型为点要素，ta_i.loc表示导向箭头的位置信息。pos,seq分别表示纵向次序和横向次序，同一组导向箭头的纵向次序一致，对于同一个进口道或出口道的导向箭头，顺着交通流依次编号为1、2、3…。同一组导向箭头的横向次序，则按照从道路内侧往外侧的顺序依次编号为1、2、3…。

导向箭头设置在车道中，用于规定车辆的允许行驶方向。逻辑拓扑中将车道的连通关系用车道连接器来表示，实现导向箭头构建的方法主要是根据车道连接器的信息推导车道的导向箭头类型。在图13a中，由上至下所标出的是：普通路段上有1301、展宽路段下游1302、展宽路段上有1303和普通路段下游1304。在交叉口处，如果有展宽段，则设置三组导向箭头，具体如图13a所示。

这里以具有展宽段为例阐述构建方法，如图13b所示。以有向路段a_m内侧的第一条车道l₂为例，有l₂∈L_m且l₂.pos＝1，首先寻找到以车道l₂作为起始点的纵向车道连接器集合，车道l₂存在掉头、右转、直行、左转、与右转渠化道连通或者与左转待转区连通的可能，有向路段a_m的右转渠化道集合L_r＝{l_i|l_i.typ＝"右转渠化道",l_i∈a_m.lane}，有向路段a_m的左转待转区的集合L_f＝{l_i|l_i.typ＝"左转待转区",l_i∈a_m.lane}，那么：

掉头车道连接器集合：

右转车道连接器集合：

直行车道连接器集合：

左转车道连接器集合：

连接右转渠化道的车道连接器集合：LCV₅＝{lcv_i|lcv_i.fl＝l₂,lcv_i.t_l∈L_r}，

连接左转待转区的车道连接器集合：LCV₆＝{lcv_i|lcv_i.fl＝l₂,lcv_i.t_l∈L_f}。

根据上述六个集合是否为空集，可以判断导向箭头的类型，例如，上述六个集合中，只有左转待转区车道连接器集合

那么说明车道l₂只与左转待转区车道连通，则其导向箭头类型为左转。以l₂车道的导向箭头ta₁、ta₂为例，引入外部几何参数ta₁.dis,ta₂.dis表示导向箭头与停止线的距离，并且认为导向箭头是设置在车道的正中间，导向箭头的几何要素类型为点要素，则其几何要素位置信息可记为：

其中ta₁.pos＝3,ta₁.seq＝1,ta₁.typ＝"左转"

其中ta₂.pos＝2,ta₂.seq＝1,ta₂.typ＝"左转"

以有向路段a_n内侧的第一条车道l₃为例，有l₃∈a_n.lane且l₃.pos＝1，首先寻找到以车道l₃作为起始点的纵向车道连接器集合，车道l₃存在掉头以及与有向路段a_m中任意一条普通车道或者拓宽车道连通的可能，那么：

掉头车道连接器集合：

连接l₂车道的连接器集合：LCV₈＝{lcv_i|lcv_i.fl＝l₃,lcv_i.tl＝l₂}，

连接l₄车道的连接器集合：LCV₉＝{lcv_i|lcv_i.fl＝l₃,lcv_i.tl＝l₄}，

连接l₅车道的连接器集合：LCV₁₀＝{lcv_i|lcv_i.fl＝l₃,lcv_i.tl＝l₅}。

例如

其余集合为空，则说明l₃与车道l₂,l₄连通，车道l₂的导向箭头类型ta₁.typ＝ta₂.typ＝"左转"，车道l₄的导向箭头类型ta₄.typ＝ta₅.typ＝"直行"，那么可知车道l₃的导向箭头ta₃.typ＝"直左"。引入外部几何参数ta₃.dis表示导向箭头与停止线的距离，导向箭头的几何要素类型为点要素，则其几何要素位置信息可记为：

其中ta₃.pos＝1,ta₃.seq＝1,ta₃.typ＝"直左"。

步骤S8：

构建左转待转区车行道分界线。左转待转区是指当同向直行道绿灯亮时，左转弯车道的车辆必须前移到待转的区域，等待信号灯变化，才能转弯。首先检验是否存在左转待转区，具体实现方法可以根据集合L_f＝{l_i|l_i∈a_m.lane且l_i.typ＝"左转待转区"}的元素个数，元素个数代表有左转待转车道的数量。

左转待转区车行道分界线的几何要素类型为圆弧。左转待转区左右两侧的车行道分界线是同心的圆弧，两条圆弧的终点是左转待转区停止线的起终点。因此，左转待转区的停止线的延长线是经过圆弧的圆心的，如图14a所示。

以最内侧左转待转区的左侧车行道分界线lb₁₀为例阐述实现方法，lb₁₀与最内侧左转车道的内侧边界线相切，如图14a和图14b所示。引入车行道分界线的半径lb₁₀.rad作为外部几何参数，l₆是最内侧的左转待转区车道，其满足l₆∈L_f,且l₆.pos＝1。车道l₆的宽度为l₆.wid，车道l₆的长度为l₆.len，那么根据几何知识易得(lb₁₀.rad+l₆.wid/2)×α＝l₆.len，因此圆心角α＝l₆.len/(lb₁₀.rad+l₆.wid/2)。圆弧终点p₂的几何位置可以记为

此处几何计算方法与S5中右转渠化道停止线计算方法类似。因此，最内侧左转待转区的左侧车行道分界线lb₁₀的几何要素位置可记为：

lb₁₀.loc＝<p₁,p₂,o>,其中：

步骤S9：

构建导向线。导向线的几何要素类型为二次贝塞尔曲线，由三个控制点控制曲线的形态。二次贝塞尔曲线的几何位置信息可用三元组记为b.loc＝<p₀,p₁,p₂>，p₀,p₁,p₂为点要素，p₀,p₂分别为二次贝塞尔曲线的两个端点控制点，p₁为二次贝塞尔曲线的中间控制点。

导向线的类型包含左转导向线和右转导向线两种。以路段e₁进口道的左转导向线gl₁为例，其起点控制点为e₁进口道允许左转的车道最外侧车行道分界线与停止线的交点，其终点控制点为左转出口道路段e₄允许左转车驶入的车道最外侧车行道分界线的端点，其中间控制点为e₁进口道允许左转的车道最外侧车行道分界线所在直线与路段e₄允许左转车驶入的车道最外侧车行道分界线所在直线的交点，如图15的三个控制点p₀,p₁,p₂所示。

首先根据纵向车道连接器的情况来判断有向路段a_m中允许左转的车道，a_m的普通车道和拓宽车道集合L_m＝{l_i|l_i∈a_m.lane,l_i.typ≠"右转渠化道",l_i.typ≠"左转待转区"}，对于任意的车道l_i∈L_m，检验是否存在一个lcv_i满足lcv_i.lf＝l_i且

若存在则表明车道l_i允许左转，否则车道l_i不允许左转。由此可以能够得到有向路段a_m中允许左转的全部车道。

假设经过检验，路段e₁进口道允许左转的车道为l₇，为避免推导过程过于复杂，对于控制点p₃，引入其相对方向路段

的横向偏移为x，纵向偏移为y，结合前文的外部几何数据，停止线sl₁与路段e₂间的偏移距离sl₁.dis，左转导向线gl₁的几何要素位置可记为：

gl₁.loc＝<p₁,p₂,p₃>,

以上实施例具备以下优点：

1)、本发明基于逻辑拓扑构建了交叉口的几何拓扑。逻辑拓扑侧重于表达交叉口的逻辑连通关系，通过对逻辑拓扑中交通流、车道等要素及其逻辑连通关系的获取，结合外部引入的几何参数，参考国标中相关的规划规范，构建交叉口几何拓扑，为几何拓扑数据获取提供了新的方法。

2)、本发明能够满足可计算GIS-T对精细化交叉口数据模型的需求，为各类交通计算及交通仿真等交通领域各项业务开展提供支持。

本实施例公开了一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，其用于实施上述方法实施例，其包括：

第一获取单元，用于获取交叉路口的物理基础拓扑和逻辑拓扑；

第二获取单元，用于获取外部几何参数；

构建单元，用于根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑；

其中，所述交叉口几何拓扑用于描述承载交通规则的标志标线的几何表达和位置关系。

对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种精细化交叉口几何拓扑构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取交叉路口的物理基础拓扑和逻辑拓扑；

获取外部几何参数；

根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑；

其中，所述交叉口几何拓扑用于描述承载交通规则的标志标线的几何表达和位置关系。

2.根据权利要求1所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建方法，其特征在于：所述构建交叉口几何拓扑，其具体包括：

以物理基础拓扑为基准参照系，以逻辑拓扑为基础，遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素。

3.根据权利要求2所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建方法，其特征在于：所述遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素，其具体包括：

获取右转弯曲线半径；

根据右转弯曲线半径构建右转弯曲线以及右转渠化道车行道分界线；

获取人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离；

根据人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离构建人行横道；

获取进口道停止线与出口道路段的距离；

根据进口道停止线与出口道路段的距离构建停止线；

获取展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度；

根据展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度，构建展宽段、渐变段和普通路段车行道分界线；

获取导向箭头与进口道停止线的距离；

根据导向箭头与进口道停止线的距离构建导向箭头；

获取左待转区车行道分界线半径；

根据左待转区车行道分界线半径构建左转待转区；

构建导向线。

4.根据权利要求1所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建方法，其特征在于：

所述几何拓扑用G_g＝(LB,PC,SL,TA,GL,RTC)表示，其中LB＝{lb_i}表示车行道分界线的集合，lb_i表示某一条车行道分界线；PC＝{pc_i}表示人行横道集合，pc_i表示单条人行横道；SL＝{sl_i}表示停止线集合，sl_i表示单条停止线；TA＝{ta_i}表示导向箭头集合，ta_i表示单个导向箭头；GL＝{gl_i}表示导向线集合，gl_i表示单条导向线；RTC＝{rtc_i}表示右转弯曲线集合，rtc_i表示单条右转弯曲线。

5.根据权利要求1所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建方法，其特征在于：

所述物理基础拓扑用G_p＝(V,E)表示，其中V＝{v_i}为路段结点集，v_i为路段结点，表示道路中心线交叉点；E＝{e_i|e_i＝(v_m,v_n)}为路段集，e_i表示连接路段结点v_m和v_n的路段；定义

为路段e_i中以v_m为终点的方向路段；

所述逻辑拓扑用G_l＝(A,L,LCL,LCV)表示，其中A＝{a_i}表示有向路段集，a_i为有向路段，方向为路段交通流向；L＝{l_i}表示车道集，l_i表示车道，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元；LCV＝{lcv_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的纵向连通关系集，其中lcv_i表示从车道l_f到车道l_t的纵向通行是允许的；LCL＝{lcl_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的横向连通关系集，其中lcl_i表示从车道l_f到车道l_t的横向连通关系。

6.一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，其特征在于：包括：

第一获取单元，用于获取交叉路口的物理基础拓扑和逻辑拓扑；

第二获取单元，用于获取外部几何参数；

构建单元，用于根据所述物理基础拓扑、逻辑拓扑和外部几何参数，构建交叉口几何拓扑；

其中，所述交叉口几何拓扑用于描述承载交通规则的标志标线的几何表达和位置关系。

7.根据权利要求6所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，其特征在于：所述构建交叉口几何拓扑，其具体包括：

以物理基础拓扑为基准参照系，以逻辑拓扑为基础，遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素。

8.根据权利要求7所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，其特征在于：所述遵循设定的推导顺序，依次导入外部几何参数，并构建交叉口的几何拓扑要素，其具体包括：

获取右转弯曲线半径；

根据右转弯曲线半径构建右转弯曲线，以及右转渠化道车行道分界线；

获取人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离；

根据人行道宽度以及人行道与出口道路段的距离构建人行横道；

获取进口道停止线与出口道路段的距离；

根据进口道停止线与出口道路段的距离构建停止线；

获取展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度；

根据展宽段的长度、渐变段的长度和普通路段的长度，构建展宽段、渐变段和普通路段车行道分界线；

获取导向箭头与进口道停止线的距离；

根据导向箭头与进口道停止线的距离构建导向箭头；

获取左待转区车行道分界线半径；

根据左待转区车行道分界线半径构建左转待转区；

构建导向线。

9.根据权利要求6所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，其特征在于：

所述几何拓扑用G_g＝(LB,PC,SL,TA,GL,RTC)表示，其中LB＝{lb_i}表示车行道分界线的集合，lb_i表示某一条车行道分界线；PC＝{pc_i}表示人行横道集合，pc_i表示单条人行横道；SL＝{sl_i}表示停止线集合，sl_i表示单条停止线；TA＝{ta_i}表示导向箭头集合，ta_i表示单个导向箭头；GL＝{gl_i}表示导向线集合，gl_i表示单条导向线；RTC＝{rtc_i}表示右转弯曲线集合，rtc_i表示单条右转弯曲线。

10.根据权利要求6所述的一种精细化交叉口几何拓扑构建系统，其特征在于：

所述物理基础拓扑用G_p＝(V,E)表示，其中V＝{v_i}为路段结点集，v_i为路段结点，表示道路中心线交叉点；E＝{e_i|e_i＝(v_m,v_n)}为路段集，e_i表示连接路段结点v_m和v_n的路段；定义

为路段e_i中以v_m为终点的方向路段；

所述逻辑拓扑用G_l＝(A,L,LCL,LCV)表示，其中A＝{a_i}表示有向路段集，a_i为有向路段，方向为路段交通流向；L＝{l_i}表示车道集，l_i表示车道，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元；LCV＝{lcv_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的纵向连通关系集，其中lcv_i表示从车道l_f到车道l_t的纵向通行是允许的；LCL＝{lcl_i＝<l_f,l_t>|l_f,l_t∈L}表示车道的横向连通关系集，其中lcl_i表示从车道l_f到车道l_t的横向连通关系。

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