模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，该方法包括以下步骤：（1）确定仿真系统的基本参数；（2）创建仿真系统，并对系统进行初始化；（3）换道，包括：检查换道动机、计算换道动机的强烈程度指数、确定换道间距和换道概率、进行换道操作；（4）演化更新，包括：加速、前车速度的预估、减速、随机慢化、运动；（5）计算交通流的密度、速度和流量关键交通参数，本发明专利技术更好地模拟车辆在双车道交通系统的真实运行情况，很好地体现驾驶心理和驾驶行为的动态变化以及由此导致的车辆之间相互作用的复杂动态的运动过程，更加真实地模拟驾驶人的动态换道行为，对交通系统的规划、设计与管理提供科学的指导。

【技术实现步骤摘要】
模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法所属领域本专利技术涉及交通工程
，具体涉及一种模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法。
技术介绍
元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散的动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。在被引入到交通领域之后，得到了迅猛的发展。单车道元胞自动机仿真系统最先被开发出来，因其具有结构简单、直观形象、便于仿真等优点，得到了最为广泛的研究和发展。然而，单车道元胞自动机模型在仿真车辆的运动时，无法模拟车辆在不同的车道之间进行换道的现象，因此也就不能就驾驶人的超车行为展开分析和研究。为了克服单车道元胞自动机仿真系统不能模拟超车的局限性，以单车道元胞自动机仿真方法为基础，通过引入一套换道规则，国内外的众多学者先后开发出多种双车道元胞自动机仿真模型，以便更好地模拟现实中的各种道路交通现象。双车道元胞自动机仿真方法在模拟车辆的运动时，一般可分为两个过程：车辆从一条车道转移到另一条车道上的换道过程；车辆在某条车道上的演化与更新过程，也即是模拟交通流在同一条车道上的跟车行驶过程。这两个过程相对独立，其中，第二个过程借鉴了单车道元胞自动机模型的模拟方法。通过在单车道元胞自动机模型的基础上引入换道过程，双车道元胞自动机仿真方法可以更加全面、真实地模拟车辆的运动。然而，现有的双车道元胞自动机仿真模型在换道的规则设置中，对驾驶人的驾驶行为进行了简单、静态的假设，不能很好地模拟真实的换道过程。在这些双车道微观交通模拟方法中，驾驶人的换道动机通常都比较单纯，没有考虑到严重不利的交通状况会引起驾驶人换道行为的变异，形成程度不同的强行换道行为；此外，在这些模拟方法中，换道过程与车辆在跟车过程中的加、减速是相对独立的，车辆是否能够顺利完成换道操作丝毫不影响其在车道上的跟车运动规则，这并不符合真实的交通状况。专利技术人在交通工程的长期研究中发现，驾驶人的换道动机通常是动态变化的，在不利的情形下可以迅速地由保守的换道行为演化为过激的换道行为，从而形成错综复杂的交通现象。此外，在遇到换道失败的情形下，驾驶人的跟车行为也会受到影响，由保守型的驾驶行为异化为具有一定激进性的行为。考虑到现有双车道元胞自动机仿真模型存在的缺点，且真实交通状况复杂、动态、多变的特点，从驾驶人在真实交通场景中的心理活动考虑，如何能够设计一种更加真实地模拟驾驶人的动态换道行为的方法，更加贴合车辆运动的实际情况，将是本领域的重大改革和进步。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中不能很好地模拟真实的换道过程，不符合真实交通状况的问题，提供了一种模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，更好地模拟车辆在双车道交通系统的真实运行情况，很好地体现驾驶心理和驾驶行为的动态变化以及由此导致的车辆之间相互作用的复杂动态的运动过程，更加真实地模拟驾驶人的动态换道行为，对交通系统的规划、设计与管理提供科学的指导，更加符合实际需求。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，该方法包括如下步骤：S1,确定仿真系统的基本参数：所述基本参数至少包括仿真系统的规模N、仿真车辆的总数M、最大车速Vmax和仿真时长T；S2，创建双车道元胞自动机微交通观仿真系统，并对系统进行初始化；S3，对双车道元胞自动机微观交通仿真系统进行换道操作；S4，对每条车道进行演化更新操作；S5，计算双车道元胞自动机微观交通仿真系统在仿真时刻t时的平均密度ρ、平均速度和平均流率S6，若未达到设定的仿真时长T，即T<t，则进入下一仿真时刻t＝t+1，返回步骤S3，继续步骤顺序；若达到设定的仿真时长T，即T≥t，则停止计算并输出仿真结果。作为本专利技术的一种改进，仿真系统的规模N指每条仿真车道所包含的元胞数目，所述步骤S2中系统初始化设置为：随机选取M个元胞，令其取值为1，其对应的速度取值为最大车速Vmax，其余的元胞及其速度都取值为0。作为本专利技术的一种改进，所述步骤S3通过检查换道动机、计算换道动机的强烈程度指数、确定换道间距和换道概率来实现双车道元胞自动机微观交通仿真系统中每个仿真车辆的换道操作，并计算换道挫折系数，分析因换道未遂而产生的挫折感。作为本专利技术的又一种改进，所述步骤S3中每个仿真车辆m的换道操作进一步包括：S31，检查换道动机：确定车辆速度vm(t)、与同车道前车的距离dm(t)、与旁道前车的距离dm,other(t)以及最大车速Vmax，如果dm(t)<min(vm(t)+1,Vmax)，并且dm,other(t)>dm(t)，则该车具有换道动机，继续步骤S32；否则，表明该车不具有换道动机，其换道动机的强烈程度指数indm(t)＝0，令m＝m+1，重复步骤S31；S32，计算换道动机的强烈程度指数indm(t)：如果并且则indm(t)＝3；如果或者则indm(t)＝2；如果上述条件都不满足，则indm(t)＝1,；其中，0<δ1<1，0<δ2<1；S33，确定换道间距和换道概率：根据换道动机的强烈程度指数indm(t)计算换道间距dm,change(t)和换道概率pm,change(t),如果indm(t)＝1，则dm,change(t)＝Δ1，pm,change(t)＝γ1；如果indm(t)＝2，则dm,change(t)＝Δ2，pm,change(t)＝γ2；如果indm(t)＝3，则dm,change(t)＝Δ3，pm,change(t)＝γ3；其中，0≤Δ3≤Δ2≤Δ1，0<γ1<γ2<γ3<1；S34，进行换道操作：如果该车与旁道后车的距离dm,back(t)满足条件dm,back(t)>dm,change(t)，以概率pm,change(t)将该车换到傍道上相应的位置。作为本专利技术的另一种改进，所述步骤S3还包括步骤S35，计算换道挫折系数frum(t)：如果换道动机的强烈程度指数indm(t)等于3，并且仿真车辆m没能执行换道操作，换道挫折系数否则，换道挫折系数frum(t)＝0；其中，α>0，是换道挫折系数计算公式的主要模型参数。作为本专利技术的另一种改进，所述步骤S4每条车道中每个仿真车辆m的演化更新操作进一步包括以下步骤：S41，加速：仿真车辆m在仿真时刻t的速度是vm(t)，下一仿真时刻的速度为vm(t+1)＝min(vm(t)+1,Vmax)；S42，计算前车速度的预估仿真车辆m的前车是仿真车辆m+1，其在下一仿真时刻的速度预估其中，vm+1(t)是仿真车辆m+1的速度，dm+1(t)是仿真车辆m+1与其前车的距离；S43，减速：为避免与前车碰撞，根据仿真车辆m与前车的间距dm(t)，进行减速操作其中，frum(t)是所述仿真车辆m的换道挫折系数，是所述仿真车辆m前车速度的预估，Int()代表取整函数，将一个数值向下取整为最接近的整数；S44，确定随机慢化概率pm,r(t)：根据换道动机的强烈程度指数indm(t),计算随机慢化概率pm,r(t)，如果indm(t)＝0，则pm,r(t)＝μ0；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1,确定仿真系统的基本参数：所述基本参数至少包括仿真系统的规模N、仿真车辆的总数M、最大车速Vmax和仿真时长T；S2，创建双车道元胞自动机微观交通仿真系统，并对系统进行初始化；S3，对双车道元胞自动机微观交通仿真系统进行换道操作；S4，对每条车道进行演化更新操作；S5，计算双车道元胞自动机微观交通仿真系统在仿真时刻t时的平均密度ρ、平均速度

【技术特征摘要】
1.模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1,确定仿真系统的基本参数：所述基本参数至少包括仿真系统的规模N、仿真车辆的总数M、最大车速Vmax和仿真时长T；S2，创建双车道元胞自动机微观交通仿真系统，并对系统进行初始化；S3，对双车道元胞自动机微观交通仿真系统进行换道操作；S4，对每条车道进行演化更新操作；S5，计算双车道元胞自动机微观交通仿真系统在仿真时刻t时的平均密度ρ、平均速度和平均流率S6，若未达到设定的仿真时长T，即T<t，则进入下一仿真时刻t＝t+1，返回步骤S3，继续步骤顺序；若达到设定的仿真时长T，即T≥t，则停止计算并输出仿真结果。2.根据权利要求1所述的模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，其特征在于：仿真系统的规模N指每条仿真车道所包含的元胞数目，所述步骤S2中系统初始化设置为：随机选取M个元胞，令其取值为1，其对应的速度取值为最大车速Vmax，其余的元胞及其速度都取值为0。3.根据权利要求1所述的模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，其特征在于：所述步骤S3通过检查换道动机、计算换道动机的强烈程度指数、确定换道间距和换道概率来实现双车道元胞自动机微观交通仿真系统中每个仿真车辆的换道操作，并计算换道挫折系数，分析因换道未遂而产生的挫折感。4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的模拟动态换道行为的双车道元胞自动机微观交通仿真方法，其特征在于：所述步骤S3中每个仿真车辆m的换道操作进一步包括：S31，检查换道动机：确定车辆速度vm(t)、与同车道前车的距离dm(t)、与旁道前车的距离dm,other(t)以及最大车速Vmax，如果dm(t)<min(vm(t)+1,Vmax)，并且dm,other(t)>dm(t)，则该车具有换道动机，继续步骤S32；否则，表明该车不具有换道动机，其换道动机的强烈程度指数indm(t)＝0，令m＝m+1，重复步骤S31；S32，计算换道动机的强烈程度指数indm(t)：如果并且则indm(t)＝3；如果或者则indm(t)＝2；如果上述条件都不满足，则indm(t)＝1,；其中，0<δ1<1，0<δ2<1；S33，确定换道间距和换道概率：根据换道动机的强烈程度指数indm(t)计算换道间距dm,change(t)和换道概率pm,change(t),如果indm(t)＝1，则dm,change(t)＝Δ1，pm,change(t)＝γ1；如果indm(t)＝2，则dm,change(t)＝Δ2，pm,change(t)＝γ2；如果indm(t)＝3，则dm,change(t)＝Δ3，pm,change(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国强，陈峻，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32