CN101359434A - 用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法，其可用于交通导航***存储电子地图以及交通仿真***中定义虚拟路网。该方法为采用“道路-车道”为基本单位，以有向图为抽象数据结构，且包括对路网中实体进行描述的方法、对车道连通性进行描述的方法、对道路交叉口处的交通规则进行描述的方法和采用XML格式对路网数据文件进行存储的方法。本发明优点在于构建的路网模型可实现对道路的形状方位特征、道路中间的连通关系，车道间连通关系、邻接关系、转向限制、属性信息和道路交叉口的交通规则等内容的描述及组织和管理数量巨大的属性、连通性等信息。

Description

用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法

技术领域

本发明涉及一种城市交通路网描述模型的构建方法，特别是涉及一种模型的形式化描述及其模型的数据存储方法。

背景技术

路网模型用来描述路网拓扑结构和路网实体的信息，是交通导航***和交通仿真***的基础组成部分。对于前者，路网模型主要用来表示公路交通网(电子地图)，规划旅客出行路线并实施可视化的实时交通导航。对于后者，交通仿真通常是在路网模型上建立车辆的运动模拟模型和数据分析模型，进而执行车辆的运动仿真，并获取和分析运动结果。路网模型所描述的信息量的大小、组织结构和数据存储方式等都直接影响***的功能和性能，如路径规划的速度和交通仿真的规模等指标。因此，一个设计合理的路网模型是非常重要的，也是相当有必要的。

目前，在多数应用***中，分别使用以下两种类型的路网模型。一种以“道路交叉口(抽象为有向图的结点)”和“道路(抽象为有向图的边)”为基本单位，用有向图这种数据结构来建模，也就是“道路—道路”路网模型。使用这种模型，难以描述道路的多车道属性、车道的相关属性(如允许行驶车辆类型、优先级、限速、转向限制等)、不同车道的连通性及道路交叉口处的交通规则。例如，在北京***期间，某些道路上的车道仅供奥运特种车辆行驶，一般民用车辆禁止行驶。上述模型无法直接描述这种场景。

另一种以“车道交叉口(抽象为有向图的结点)”和“车道(抽象为有向图的边)”为基本单位，用有向图建模，也就是“车道—车道”路网模型。使用这种模型，可以解决“道路—道路”路网模型的缺陷。但是它无法表示车道之间的邻接特性，也就无法引导(或仿真)车辆行驶过程中的换车道行为；更无法有效地组织和管理数量巨大的道路属性、车道属性、车道连通性等数据。

鉴于上述问题，可以将两种模型的特点进行合并，设计一种“道路”和“车道”相结合的路网模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以“道路—车道”为基本单位，用有向图建模的路网模型构建方法。该方法构建的模型可对多车道属性、车道连通性及道路交叉口处的交通规则进行描述。为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案。

本发明所述方法构建的路网模型可对道路的形状方位特征、道路间连通关系，车道间连通关系、邻接关系、转向限制、属性信息和道路交叉口的交通规则等内容进行描述。该方法包括如下步骤：

(1)对路网中的实体进行描述。即对路网出现的道路、车道、道路的交叉口、道路分流和合流路口以及车道的起始和终止位置点等实体进行定义，并对实体的属性赋值。

(2)对道路及车道的连通性进行描述。显式地在模型中说明“车道—车道”的连接属性，以描述不同车道之间的连通性。而对同一道路上的平行车道间的横向连通性不加限制，也就是说允许车辆在行驶过程中变换车道，这也符合现实情况。

(3)对道路各交叉口处的交通规则进行描述，主要考虑对交叉口处信号灯不同相位周期性变化的规则建模。

且根据步骤1、2和3项便可构建出“道路—车道”相结合的城市交通路网。

此外，本发明还包括对路网数据进行保存的步骤，其中，为采用XML格式的文件存储路网模型中的数据。由于传统的方法是将路网数据以二进制编码形式保存在数据库中，需要通过专用的工具才能够读取、显示和编辑，因而应用***的开发成本高，灵活性差，产品性能低。而使用XML格式保存的数据，可以用常见的文本编辑器直接打开和编辑，也可以自己定制开发专用的编辑器；并且数据有良好的语义特征、逻辑结构和可读性，便于快速进行二次开发。

通过本发明所介绍的方法构建的城市交通路网可对多车道属性、连通性以及道路交叉口的交通规则进行描述，并且以XML格式的文件对路网数据文件进行存储，能够有效地组织和管理城市数据量巨大道路信息，因而具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明所述路网模型之逻辑架构示意图；

图2为本发明所述路网模型形式化描述示意图；

图3为本发明所述路网模型构建步骤流程图；

图4为本发明所述路网模型之道路交叉口实例的示意图；

图5a为本发明所述路网模型之车道连通性实例的示意图之一；

图5b为本发明所述路网模型之车道连通性实例的示意图之二；

图6a为本发明所述路网模型之自动计算车道连通性的方法示意图之一；

图6b为本发明所述路网模型之自动计算车道连通性的方法示意图之二；

图6c为本发明所述路网模型之自动计算车道连通性的方法示意图之三；

图6d为本发明所述路网模型之自动计算车道连通性的方法示意图之四；

图7为路网模型所模拟的某城市路网。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施过程对本发明所述路网模型及构建方法作详细说明。

参照图1中所示，本发明所述方法构建路网模型之逻辑架构，其包括对路网中实体描述方法1，路网连通性描述方法2，道路交叉口处交通规则描述方法3和路网数据存储方法4。

结合图2和图3中所示，本发明所述方法构建的是以“道路—车道”为基本单位，且采用有向图建模的路网模型。其中，有向图中的结点表示路网中的交叉点实体，有向图的边表示路网中的道路实体。由于车道是依附于道路而存在，并且是单向通行的，因此，实际道路的交叉口、道路分流和合流路口，以及车道的起始和终止位置点等都抽象为交叉点实体，只是分配不同的属性值以区别其类型。在实际应用中，所述交叉点可采用多边形绘制。

本路网模型采用二元组RN＝(G，C)来形式化描述。其中，G为描述路网基本实体结构的有向图，由二元组G＝(R，J)表示；C为路网中道路连通性及交叉点连通逻辑结构的集合，由二元组C＝(E_c，J_c)表示。

在二元组G＝(R，J)中，R为路网中道路的集合；J是路网中交叉点的集合。

在二元组C＝(E_c，J_c)中，E_c表示道路连通性，J_c表示交叉点连通逻辑。

下面分别解释三元组G＝(R，J)和二元组C＝(E_c，J_c)的含义。

1.二元组G＝(R，J)——路网模型中实体建模方法

二元组G＝(R，J)对应路网实体建模方法1，用以对路网中出现的各个实体进行描述定义(步骤11)。该实体可为道路、车道、道路交叉口、道路分流和合流路口、车道的起始和终止位置点、以及公交车站台、车道限速标记等等。

1)道路描述

R表示路网中道路的集合{r₁，r₂，r₃，...，r_n}，抽象为有向图中的边。R的每个元素r均是由三元组(prop_basic，prop_lane，LaneVector)组成。

prop_basic＝(ID，FromNode，ToNode，Length，Angle，Maxspeed，Priority，Type)是一个八元组，用以描述道路的基本属性，各个元素的意义可参照表1所示：

     表1  道路基本属性表

属性	意义
		ID	道路的名字
FromNode	连接道路的起始结点
		ToNode	连接道路的终止结点
Length	道路的长度
		Angle	道路的角度
Maxspeed	道路的最大允许速度
		Priority	道路的优先级
Type	道路类型

prop_lane＝(LaneNum，LaneSpreadMode)是一个二元组，用以描述当前道路上车道的相关属性。LaneNum表示道路包含的车道数量；LaneSpreadMode表示车道在道路上的展开模式。

LaneVector是当前道路上车道的集合{l₁，l₂，l₃，...，l_n}，它的每个元素l表示一条具体的车道，依附于具体的道路存在。

l＝(ID，Shape，Depart，AllowedVType)是一个四元组。其中，ID是车道的唯一标识号，按照道路的方向，从左至右进行命名。Shape表示车道的形状，是一组坐标点{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)}的集合。Depart是一个布尔值变量，表示此车道是否允许发车：1表示允许发车，0表示不允许发车。AllowedVType用以表示车道允许通行的车辆类型，其需要根据具体应用来加以定义；另外，还可以添加其他参数表示车道的特殊性。

通过上述描述从而完成道路及跟道路有关的道路上的车道、道路交叉口、道路分流和合流路口、车道的起始和终止位置点、以及公交车站台、车道限速标记等等实体描述(参照图1所示的道路实例)。

2)交叉点描述

J是路网中交叉点的集合{j₁，j₂，j₃，...，j_n}，用以表示交通路网中的实际道路交叉点，抽象为有向图中的结点。实施中，J中每个元素j表示单个交叉点，并表示为四元组(ID，Position，Type，Shape，Inc)，其具体含义可参照表2中所示。

         表2  交叉点属性表

属性	意义
		ID	交叉点的名字
Position	交叉点的位置
		Type	交叉点的类型
Shape	交叉点的形状
		Inc	进入交叉点的车道集合

其中，类型Type表示交叉点处的交通规则或交通约束，其具体取值如表3所示。

 表3  交叉点类型分类表

类型	意义
		unknown	未知类型

traffic light	受交通灯控制的交叉点
		priority junction	优先权交叉点
right before left	右行优先交叉点
		no junction	非右行优先交叉点
dead end	终止交叉点

上表中，no junction用于描述两条高速路相交的特殊情况；dead end表示道路的终点，即沿着道路的方向车辆已无法向前行进。

交叉点的属性Inc表示进入交叉点的车道集合{inc₁，inc₂，inc₃，...，inc_n}，其每个元素inc表示一条车道的编号laneID。Shape描述路网交叉点的形状，是一个多边形，实际取值为多边形顶点坐标的集合{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)}(参照图4所示道路交叉口实例)。

2.二元组C＝(E_c，J_c)——路网连通性建模方法

二元组C＝(E_c，J_c)对应路网连通性建模方法2，用以对路网中出现的道路实体、车道实体的连通性进行作描述定义(步骤12)。

在实际路网中，位置相邻的两条道路或是车道，它们之间可能并不连通。如图5a所示，由于转向限制，行驶在道路left的车辆不允许左转，所以和道路top并不连通。而在图5b中所示的路网中，行驶在道路left的车辆可以驶向其他三条道路，并且可以掉头转向。

因此，实际构建路网时，需要使用道路连通性表示临近道路之间的实际可达性。在路网模型中使用E_c表示。

道路的连通性使用E_c表示。E_c＝(E2E，L2L)，是一个二元组。其中E2E为描述路网中“道路—道路”连接的集合；每个元素e2e表示一条连接，而e2e又可表示为三元组(ID，FromEdge，ToEdge)，ID用以表示“道路—道路”连接的唯一标识号，FromEdge和ToEdge则用以表示连接的起始和终止道路编号；L2L表示路网中“车道—车道”连接的集合，它的每个元素l2l表示为(ID，EdgeID，LaneID，JunctionID，ConnLanes)，是一个五元组。其中，ID是“车道—车道”连接的唯一标识号，EdgeID、LaneID和JunctionID分别表示当前道路、车道及连接通过的交叉点的编号，ConnLanes表示连接的后续车道，每个元素connlane表示为二元组(LaneID，prop)，LaneID是车道标识号，prop表示与连接相关的属性信息。

J_c表示连通逻辑，用来描述道路交叉口处的交通规则。具体意义在下节解释。

此外，在没有指定特殊连通限制的情况下，可采用自动化的算法快速计算路网中所有道路交叉口处的道路、车道的连通性。该所述算法示意图示如图6a、图6b、图6c、和图6d中所示。

第1步：顺序遍历路网中所有道路，保存每条道路能够连通的道路，也就是会产生转向的道路。

第2步：顺序遍历路网中所有的道路交叉口，对交叉口处的所有道路按照顺时针方向进行编号(也就是排序)。执行结果如图6a所示。

第3步：顺序遍历路网中所有的道路交叉口，并根据路网中保存的道路交叉口类型，设置每个道路交叉口的交通规则属性为表3中所列举的某一项的值。

第4步：顺序遍历路网中所有的道路交叉口，并根据路网中保存的道路交叉口类型，顺时针设置道路的优先级别。

第5步：根据第1步的执行结果，保存道路与道路的连接信息。执行结果如图6b所示。

第6步：根据每条道路上车道的数量，计算每条车道能够连通的道路。如果是单车道，可以向3个方向转向；如果是双车道，外车道可以右转向，内车道可以有向2个方向转向；如果是3车道，外车道可以右转向，中间车道直行，内车道直行和左转向；如果是4车道，外车道可以右转向，中间2个车道直行，内车道可以左转向

第7步：根据每条道路上车道的数量，计算每条车道能够连通的车道。也就是说，确定车辆通过道路交叉口后，能够在哪条车道上行驶。执行结果如图6c所示。

第8步：复查车道的连通性，检查是否有道路之间已经设定为连通，但是道路上的车道之间没有建立连通关系的情况。

第9步：根据每条车道的连通信息，绘制转向标志。执行结果如图6d所示。

3.道路交叉口处交通规则建模方法

所述道路交叉口处交通规则建模方法3为用以对路网中的交叉点处的交通规则进行定义和描述(步骤13)。车辆在道路交叉口处通行时需要遵守一定的交通规则。在构建模型时，可定义受交通灯控制的交叉点、具有优先权的交叉点以及右行优先的交叉点(如表4中所示)。

  表4  道路交叉口处交通规则可选类型

traffic light	受交通灯控制的交叉点
		priority junction	优先权交叉点
right before left	右行优先交叉点

所述道路交叉***通规则为包括受交通信号灯控制的交通规则和没有交通信号灯控制的交通规则。受交通信号灯控制的交通规则主要为考虑如何描述每个车道上交通信号灯相位变化规则；没有交通信号灯控制的交通规则主要考虑如何描述不同行驶方向是否冲突，发生冲突时的避让规则，如支路的车辆要避让主干道上的车辆。

因此，本发明所述路网模型对于道路交叉口处的交通规则进行建模的方法包括对于交通信号灯规则的建模方法和对优先权规则的建模方法。

1)交通信号灯规则建模方法

对交通信号灯规则的建模方法如下。

对交通信号灯的属性进行描述，定义交通灯信号灯的属性包括位置和相位集合。位置用以说明交通信号灯所处的道路交叉口。相位集合的元素是相位，用以描述交通信号灯的变换规则，表示一个道路交叉口上的所有信号灯一次变换的情况，且所述相位亦包括四个属性：持续时间，显示绿灯信号的车道，显示红灯信号的车道和显示黄灯信号的车道。

实际运用中，可如：<phase duration＝″6″phase＝″001100001100″brake＝″110011000000″yellow＝″000000110011″>。其中，该所列数据为一个道路交叉口处4条道路12条车道上的交通信号灯在某一时刻的相位，所述持续时间为6秒，所示phase的某一位的值为1表示所对应的车道绿灯亮起，所示brake的某一位的值为1表示所对应的车道红灯亮起，所示yellow的某一位的值为1表示所对应的车道上黄灯亮起。

2)优先权规则建模方法

所述对优先权规则的建模方法，使用连通逻辑J_c来描述。J_c由一组位集集合组成，通过置位0或1表示当前连接车道的车辆流是否需要等待。例如，在没有交通灯控制的交叉点，选择右行车辆优先法则；而对于受交通灯控制的交叉点，车辆是否等待为采用依赖于交通灯的状态。

4.路网数据存储方法

所述路网数据存储方法4用以存储路网模型数据，使用XML格式的文件进行存储(步骤14)，该格式的文件及其说明如下：

<net>

<！—道路描述-->

   <edges no＝″路网中所有道路的数量″>所有路段的ID，用空格隔开

</edges>

   <edge id＝″路段ID″length＝″长度″speed＝″道路最高限速″name＝″

道路名称，如长安街″NoLanes＝″车道数量″XFrom＝″起点方位坐标″

YFrom＝″起点方位坐标″XTo＝″终点方位坐标″YTo＝″终点方位坐标″

from＝″起始路口″to＝″终止路口″Priority＝″路段优先级″>

       <lanes><！—附属于该道路的所有车道-->

          <lane id＝″车道_ID″vclasses＝允许通过车辆的类型″″

maxspeed＝″车道限速″length＝″长度″>车道的形状，用多边形的顶点表

示</lane>

       </lanes>

    </edge>

    <node_count>路网上的道路交叉口的数量</node_count>

<！--道路交叉口信息-->

    <junction id＝″交叉口ID″type＝″交叉口类型″x＝″位置横坐标″y＝″

位置纵坐标″>

    <inclanes>进入该交叉口的正常车道ID，用空格隔开

</inclanes>

    <intlanes>该交叉口所包含的内部车道ID，用空格隔开

</intlanes>

    <shape>交叉口的几何形状，用多边形的顶点坐标表示</shape>

   </junction>

<！--道路连通性的信息-->

   <succ edge＝″道路ID″lane＝″车道ID″junction＝″道路交叉口ID″>

      <succlane lane＝″路段ID″via＝″经过的内部车道ID″tl＝″道路使

用哪一组交通信号灯″linkno＝″车道使用交通信号灯的哪一位，对应

pahse/brake/yellow等的位置″dir＝″使用何种转向标志，r向右/l向左/s

直行/t掉头″/>

     </succ>

<！--交通信号灯逻辑-->

   <tl-logic type＝″static，表示信号灯的切换时间等是固定的″>

       <key>ID编号</key>

       <phaseno>交通灯相位变换的数量</phaseno>

       <phase duration＝″交通灯一个相位的时间跨度″phase＝″绿灯亮

起的车道″brake＝″红灯亮起的车道″yellow＝″黄灯亮起的车道″/>

</net>

该所述格式的文件具有良好的可读性和逻辑性，为目前比较通用的一种数据载体，并且可以被各种应用***直接拿来使用或进行定制。因此，使用XML格式保存路网数据，对使用本发明所述路网模型的单位或者人员而言可以很方便对路网模型的数据进行编辑。

综上所述，在本发明所述路网模型中，通过添加必要的车道属性信息和交叉点连通逻辑，并合理地、有效地、创造性地将基于道路的路网模型和基于车道的路网模型相结合，完成交通网络的建模。路网模型的整体架构如图1所示，构建路网模型的过程如图3所示。

图7为采用本发明所述方法构建的路网模型所模拟的城市路网示意图。

Claims (4)

1.一种用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对路网中的实体进行描述，且对该实体的属性赋值；

(2)对道路及车道的连通性进行描述，其显式地在模型中说明“车道-车道”的连接属性，且以描述不同车道之间的连通性，而对同一道路上的平行车道间的横向连通性不加限制，允许车辆在行驶过程中变换车道；

(3)对道路各交叉口处的交通规则进行描述，其为基于对交叉口处信号灯不同相位周期性变化的规则建模；

(4)使用XML格式的文件存储路网模型中的数据。

2.如权利要求1所述用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法，其特征在于，步骤(1)中包括对交叉点进行描述。

3.如权利要求1所述用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法，其特征在于，步骤(1)中所述实体包括道路、道路上的车道、道路的交叉口、道路分流和合流路口、车道的起始和终止位置点以及其他附加设施。

4.如权利要求1所述用于交通导航***和交通仿真***的路网模型构建方法，其特征在于，步骤(3)中还包括对于交通信号灯规则的描述和对优先权规则的描述。

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