CN101308616A - 交互式交通仿真*** - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种采用分布式体系结构的交互式交通仿真***，是一种新型的交通－驾驶混合仿真***。其核心在于将人在回路的车辆驾驶仿真器作为交通参与实体引入交通仿真***中。车辆驾驶仿真器作为受用户驾驶行为控制的交通参与实体与交通仿真***生成的虚拟交通参与实体相互作用，共同参与交通仿真计算，可实现多个车辆驾驶仿真器、多个交通环境仿真服务器在同一虚拟交通环境下的协同仿真。本发明具有结构灵活、扩展方便、支持人机交互、仿真置信度高等特点；该***不但可用于交通仿真、驾驶仿真领域，还可为驾驶行为、驾驶心理、交通安全、智能交通、道桥设计等领域的研究、应用提供一个新平台。

Description

交互式交通仿真***

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，特别涉及：交通仿真、车辆驾驶仿真领域。

背景技术

从20世纪80年代起，不少发达国家已将计算机仿真技术用于国防、航空、航天等领域。90年代，开始推广应用于能源、交通、电力等民用领域。

采用计算机仿真技术进行交通问题的研究具有经济、安全、高效等特点。目前在公路交通领域，计算机仿真技术主要用于交通仿真、驾驶仿真两个方面。交通仿真***通过模拟路网以及交通流的动态特性，解决交通管理、道路规划、交通影响评价等领域的问题，通常以软件的方式实现。根据仿真规模与仿真粒度，交通仿真***分为宏观、中观、微观交通仿真***。驾驶仿真***由相应的软、硬件构成，通过实现车辆性能仿真、驾驶环境仿真来进行驾驶技能培训、车辆性能仿真研究等。

美国、英国、德国、法国、日本等发达国家在这两个领域都做了大量的研究工作，并已形成了不少产品，这些产品包括各类交通仿真软件、汽车驾驶仿真器等。通过调查、研究发现，目前交通仿真、驾驶仿真这两个相关领域相对独立，并未有效利用双方可共享的研究成果，如：在驾驶仿真***中一般未包含高逼真度的交通流仿真模型；而交通仿真***中往往较少考虑交通流中车辆性能的仿真、驾驶行为特征的个体差异等。在这两个相关领域的成果上进一步研究，可构建新型的交通-驾驶混合仿真***。该***可有效提高交通仿真***、驾驶仿真***的仿真置信度，并将计算机仿真技术在公路交通领域的应用范围进一步扩大，为驾驶行为、驾驶心理、交通安全、智能交通、道桥设计等领域的研究、应用工作提供一个新平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用分布式体系结构的交互式交通仿真***，这是一种新型的交通-驾驶仿真***。其核心在于将人在回路的车辆驾驶仿真器作为交通参与实体引入交通仿真***中。车辆驾驶仿真器作为受用户驾驶行为控制的交通参与实体与交通仿真***生成的虚拟交通参与实体相互作用、相互影响，共同参与交通仿真计算。本发明提供的***采用分布式体系结构，可实现多个车辆驾驶仿真器、多个交通环境仿真服务器在同一虚拟交通环境下的协同仿真，具有结构灵活、扩展方便、支持人机交互、置信度高等特点；为交通领域的相关研究与应用提供了一种新平台、新仿真工具，将推动交通仿真技术及交通领域的发展。

本发明采用以下技术方案实现。本发明包括：交通环境仿真子***、车辆驾驶仿真器、仿真结果输出显示节点、网络设备。对于交通环境仿真子***，其至少包含一个交通环境仿真服务器。交通环境仿真服务器负责完成指定区域中的道路、交通设备、机动车、非机动车、行人进行仿真。***中至少包含一个人在回路的车辆驾驶仿真器，用户在车辆驾驶仿真器中可以看到交通环境仿真服务器生成的仿真结果，并通过操作车辆驾驶仿真器参与交通仿真。仿真结果输出显示节点接收交通环境仿真服务器、车辆驾驶仿真器发出的实时仿真数据，采用三维图形的方式显示***所仿真交通环境的实时状况。网络设备为***各节点提供通讯平台。

所述交通环境仿真子***由一组可扩展的交通环境仿真服务器群组成，群中服务器的数量为一个或多个。交通环境仿真服务器包含一套配备网络接口的计算机***及运行于该计算机***上的交通环境仿真软件。交通环境仿真软件分为交通环境仿真程序与基础数据库两部分，交通环境仿真程序由基础数据管理、交通参与实体行为仿真、车辆-环境作用仿真、交通环境状态发布、仿真时钟管理、协调管理、结果显示、通讯协议等部分组成。交通环境数据库中包含：道路数据、信号灯数据、交通标志数据、交通规则数据、机动车仿真模型、非机动车仿真模型、行人仿真模型。

所述交通环境仿真程序基于交通环境数据库完成交通环境的实时仿真运算。实时仿真计算的内容包括：计算所仿真的交通区域内所有虚拟交通参与实体的状态，这些交通参与实体包括机动车、非机动车、行人；根据配时信息计算该区域内信号灯的状态；计算道路沿途状态可更改实体的实时状态，这些实体包括：道路隔离设施、信号灯、电杆、植物、市政设施、小型建筑。

所述虚拟交通参与实体状态的仿真计算建立在交通参与者的行为仿真模型、其所处的道路环境、其所处路段的交通管理信息、周边其他交通参与者的状态的基础上。每个交通参与实体的状态将会对周围其他交通参与者造成影响；并有可能改变道路沿途状态可更改实体的状态，如：车辆与树木发生碰撞，树木的状态将发生改变。

在所述机动车仿真模型中，将驾驶员作为虚拟交通环境中的具有人工生命特征的实体看待，通过建立完整的驾驶行为模型来全面、***地仿真交通环境对驾驶行为的影响。在该模型中，将可能影响驾驶行为的各类因素视为虚拟交通环境。驾驶行为仿真模型具备独立的感知层、决策层、行动层模型。感知***可模拟驾驶员对交通环境的感知特性；决策***决定了驾驶员的行为模式与驾驶风格；行动***反映了驾驶员执行驾驶动作的物理属性。根据统计数据或通过训练对各层次模型中的属性参数进行调节，该模型可适应不同的虚拟交通环境，并可仿真不同风格的驾驶行为。由于具备环境感知与独立行为能力，将该模型作为交通参与者放入不同的虚拟交通环境中，可实现包括复杂交通环境在内的各类交通环境的微观仿真。另外由于虚拟个体具有不同驾驶风格和不同行为特征，该模型还可充分地表现出交通流在微观层面的复杂性与多样性。

所述交通环境仿真服务器将计算得到的仿真结果通过三维图形的方式加以显示的同时，通过通讯协议、网络接口向***中可能存在的其它交通环境仿真服务器、车辆驾驶仿真器、仿真结果输出显示节点实时传送仿真结果。交通环境仿真服务器同时接收其它交通环境仿真服务器、车辆驾驶仿真器发送的仿真计算结果。并将接收到的仿真结果用于本区域交通环境的仿真计算。

所述交通环境仿真子***中多个交通环境仿真服务器以服务器群的模式工作时，多个交通环境仿真服务器可协同完成大范围的交通环境仿真。当一个交通实体离开所在区域进入下一区域时，原区域对应的交通环境仿真服务器将该交通参与实体对应的仿真对象转交下一区域对应的交通环境仿真服务器进行仿真计算。

所述车辆驾驶仿真器为人在回路的半实物仿真***，由硬件设备与软件***构成。所述车辆驾驶仿真器的硬件设备至少包括：车辆操纵设备、接口设备、计算机***、显示设备、音响设备与至少一个网络接口。所述车辆驾驶仿真器的软件***包括：仿真器主控程序、通讯协议、视景仿真程序、三维场景模型数据库、车辆动力学仿真程序、碰撞检测程序、声音生成程序、音源地图、音源数据库。

所述车辆驾驶仿真器通过接口设备采集操作者在车辆操纵设备上施加的控制动作，根据车辆控制仿真模型、车辆动力学模型、道路数据、轮胎-路面耦合模型计算该车辆驾驶仿真器所仿真机动车对象的状态。车辆驾驶仿真器所代表的机动车仿真对象实体作为交通环境仿真子***所仿真的交通环境中的一个交通参与实体参与整个交通仿真运算，所述车辆驾驶仿真器所代表的机动车仿真对象能够与交通环境中的其它交通参与者、道路、道路沿途的实体发生相互影响，这些影响包括：碰撞、干扰、地表跟随，影响结果在所述车辆驾驶仿真器所在区域对应的交通环境仿真服务器上计算。

所述车辆驾驶仿真器采用三维图形的方式实现视觉仿真。视景仿真软件由三维场景模型数据库、实时视景仿真程序组成。运行时，实时视景仿真程序根据所述仿真机动车对象的状态进行实时绘制。车辆驾驶仿真器同时接收来自交通环境仿真子***、其它车辆驾驶仿真器发送的仿真数据，并在视景画面中，显示所在区域的交通环境状况；通过声音仿真***仿真其它交通参与实体、环境噪音。

所述仿真结果输出显示节点由一个计算机***，安装在计算机***上输出显示软件构成。所述观察者计算机***包含至少一个网络接口、至少一种显示设备。仿真结果输出显示节点能够接收来自交通环境仿真子***以及车辆驾驶仿真器发送的仿真数据，采用三维图形的方式显示所在位置的交通环境状况。操作者可控制观察的位置与角度。

所述交互式交通仿真***中的交通环境仿真子***、车辆驾驶仿真器、仿真结果输出显示节点通过所述网络设备及相关通讯协议进行数据交换。

附图说明

图1本发明的***结构框图

图2本发明的软件部署图

图3交通环境数据管理模块框图

图4交通参与实行行为仿真模块框图

图5交通环境仿真服务器仿真结果数据发布过程同步图

图6交通区域场景模型结构图

具体实施方式

本发明以高性能计算机、图形工作站及车辆驾驶仿真器为硬件平台，采用微观交通仿真、人工智能、车辆动力学、视景仿真、数字音频等技术实现。主要过程如下：

1、对所需要仿真的交通区域进行测绘、调查，获得相应的基础数据，并将这些数据存入交通环境数据库中。这些基础数据包括：道路、信号灯、交通标志、交通规则等方面的数据。其中道路数据包括道路的几何信息、车道划分、路面材质与附加属性、路面高程、限速信息等；信号灯数据包括信号灯数量、类型、分布位置、信号配时等；交通标示数据包括：标示类型、几何信息、位置分布等；交通规则包括《道法》中的规则以及本交通区域内临时***通管理规则。

2、进行调查、测试、分析、研究、验证等手段建立逼真的机动车行为仿真模型。其中机动车性能的仿真模型建立在车型、发动机、传动***特性等车辆性能参数的基础上。驾驶行为仿真模型则具备独立的感知层、决策层、行动层模型。通过调研、掌握对驾驶行为有影响的主要环境因素，研究这些因素在虚拟交通环境下的表达形式与实现方法。在此基础上，结合人类感官***特点建立驾驶员感知***模型。感知模型包括虚拟视觉、虚拟听觉、视觉遮挡判断、感知信息融合、注意焦点选择等部分。建立驾驶员行为决策***的模型。通过统计数据、学习及训练，令该模型掌握一种以上的驾驶风格。行为决策模型包含动机、记忆、决策三部分。通过调研、查阅资料，收集不同类型人群执行驾驶动作的特征数据，建立驾驶员行动执行仿真模型。在上述工作的基础上，建立可适用于复杂交通环境的驾驶行为仿真模型，并在交通仿真***中进行模型验证。

3、非机动车、行人的行为仿真模型具备独立的感知层、决策层、行动层模型。通过调研、掌握对非机动车、行人行为有影响的主要环境因素，研究这些因素在虚拟交通环境下的表达形式与实现方法。在此基础上，结合人类感官***特点建立非机动车使用者、行人的感知***模型。感知模型包括虚拟视觉、虚拟听觉、视觉遮挡判断、感知信息融合、注意焦点选择等部分。建立非机动车使用者、行人的行为决策***的模型。通过统计数据、学习及训练，令该模型掌握一种以上的行为风格。行为决策模型包含动机、记忆、决策三部分。在上述工作的基础上，建立可适用于复杂交通环境的非机动车、行人行为仿真模型，并在交通仿真***中进行模型验证。

4、通过理论分析、调查、测试等手段获得车辆的车辆控制仿真模型、车辆动力学模型及模型的相关参数，采用龙格-库塔法将根据这些模型建立相关的计算机仿真模型，并进行模型的验证。将验证的模型作为车辆驾驶仿真器中性能仿真部分的模型。

5、对所需要仿真的交通区域进行测量、拍摄，获得相应的道路、周边景观、建筑等景物的尺寸信息、外观纹理特征。基于这些数据，采用人机交互的方式利用三维建模工具软件建立所仿真区域的三维场景模型。在进行仿真运行时，通过视景仿真程序，调用并实时渲染该场景模型。

6、对需要仿真的机动车、非机动车、行人进行测量、拍摄，获得其尺寸信息、外观纹理特征、运动规律。基于这些数据，采用人机交互的方式利用三维建模工具软件建立这些对象的三维模型。在进行仿真运行时，视景仿真程序调用这些三维场景模型，并在仿真计算结果的控制下实时地渲染这些对象，生成动态的场景画面。

7、在交通环境仿真子***、车辆驾驶仿真器、仿真结果输出显示节点中都安装有视景仿真程序、三维场景模型用于显示仿真结果。动态的场景画面通过数字视频信号输出，可采用多种方式进行显示。这些显示方式包括：采用CRT、LCD、等离子等不同类型的显示器，CRT、LCD、DLP等不同类型的投影显示***，投影屏幕可采用平面、柱面、球面或其它曲面屏幕。显示通道的数量根据硬件配置的情况而定。

8、通过录制、调制、合成的方式生成与仿真运行相关的各类数字音频文件，这些音频包括：车辆发出的各类声音、各类环境声音等。采用实地调查的方式确定主要环境音源的位置、特性等，建立音源地图。在仿真运行时，数字化的音频信号根据仿真运行的结果经过频率、幅值的变换、叠加等处理过程后经高精度的A/D转换被输出，通过多声道立体声功放、音响***进行播放。

Claims (10)

1.一种交互式交通仿真***，其特征在于包含：

一个交通环境仿真子***，所述交通环境仿真子***由至少一个交通环境仿真服务器组成。所述的每个交通环境仿真服务器包含一套计算机***、计算机***上执行的交通环境仿真软件。所述计算机***每套至少有一个网络接口。所述交通环境仿真软件包含交通环境数据库，这些数据库中包括：道路数据、信号灯数据、交通标志数据、交通规则数据、机动车仿真模型、非机动车仿真模型、行人仿真模型。基于所述交通环境数据库，所述交通环境仿真软件能够在操作者的控制下，实现交通环境的实时仿真，同时通过网络接口向所述交通环境仿真子***中可能存在的其它交通环境仿真服务器组、所述交通仿真***中的车辆驾驶仿真器实时传送仿真结果。

至少一台具备网络接口的人在回路车辆驾驶仿真器。所述车辆驾驶仿真器由硬件设备与软件***构成。所述车辆驾驶仿真器的硬件设备至少包括：车辆操纵设备、接口设备、计算机***、显示设备、音响设备与至少一个网络接口。所述车辆驾驶仿真器的软件***包括：通讯协议、视景仿真程序、三维场景模型数据库、车辆动力学仿真程序、碰撞检测程序、声音生成程序、音源数据库。

至少一个仿真结果输出显示节点，所述仿真结果输出显示节点由一个计算机***，安装在计算机***上观察者软件构成。所述观察者计算机***包含至少一个网络接口、至少一种显示设备。

一套网络设备，所述网络设备支持TCP/IP协议，所述计算机***、车辆驾驶仿真器通过所述网络设备进行数据交换。

2.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于构成所述交通环境仿真子***由一组可扩展的交通环境仿真服务器群组成。所述交通环境仿真服务器群中可包含一个或多个交通环境仿真服务器。群中的每个交通环境仿真服务器负责对指定区域的交通环境进行仿真计算，所述每个交通环境仿真服务器仿真计算的内容包括：计算该区域内所有交通参与实体的状态，根据配时信息计算该区域内信号灯的状态、计算道路沿途状态可更改实体的实时状态。所述交通参与者包括：机动车、非机动车、行人。所述道路沿途状态可更改的实体包括：道路隔离设施、信号灯、电杆、植物、市政设施、小型建筑。

3.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于所述每个交通环境仿真服务器能够通过网络接口接收所述其它交通环境仿真服务器、所述交通仿真***中的车辆驾驶仿真器发送的仿真计算结果。并将接收到的仿真结果用于本区域交通环境的仿真计算。

4.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于所述交通环境仿真子***中多个交通环境仿真服务器以服务器群的模式工作时，多个交通环境仿真服务器可协同完成大范围的交通环境仿真。当一个交通实体离开所在区域进入下一区域时，原区域对应的交通环境仿真服务器将该交通参与实体对应的仿真对象转交下一区域对应的交通环境仿真服务器进行仿真计算。

5.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于所述每个交通环境仿真服务器将计算得到的仿真结果通过三维图形的方式加以显示。

6.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于***中所述车辆驾驶仿真器通过接口设备采集操作者在车辆操纵设备上施加的控制动作，根据车辆控制仿真模型、车辆动力学模型、道路数据、轮胎-路面耦合模型计算该车辆驾驶仿真器所仿真机动车对象的状态。

7.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于***中所述车辆驾驶仿真器所代表的机动车仿真对象实体作为交通环境仿真子***所仿真的交通环境中的一个交通参与实体参与整个交通仿真运算，所述车辆驾驶仿真器所代表的机动车仿真对象能够与交通环境中的其它交通参与者、道路、道路沿途的实体发生相互影响，这些影响包括：碰撞、干扰、地表跟随，影响结果在所述车辆驾驶仿真器所在区域对应的交通环境仿真服务器上计算。

8.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于***中所述车辆驾驶仿真器采用三维图形的方式实现视觉仿真。视景仿真软件由三维场景模型数据库、实时视景仿真程序组成。运行时，实时视景仿真程序根据所述仿真机动车对象的状态进行实时绘制。

9.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于***中所述车辆驾驶仿真器接收来自交通环境仿真子***以及其它车辆驾驶仿真器发送的仿真数据，并在视景画面中，显示所在区域的交通环境状况；通过声音仿真***仿真其它交通参与实体、环境噪音。

10.如权利要求1所述的交通仿真***，其特征在于所述仿真结果输出显示节点能够接收来自交通环境仿真子***以及车辆驾驶仿真器发送的仿真数据，采用三维图形的方式显示所在位置的交通环境状况。操作者可控制观察的位置与角度。

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