交通流仿真建模 | 路网生成

这一节主要介绍交通流仿真中的路网生成工作。

交通仿真是车辆与路网相互作用的一种形式。底层道路网络的获取和建模是一个重要但具有挑战性的方面。真实世界道路网络的数字表示已经越来越有可用性,但这些数据往往不能直接用于模拟交通。基于宏观和微观建模方法的交通模拟是在由车道组成的道路网络上进行的。道路网络包含许多特性,如车道、十字路口、合并区域和坡道。对于道路网络的过程建模和几何表示,已经提出了许多方法

Parish等[PM06]提出了一个名为CityEngine[cit18]的软件,该系统采用基于L-system的过程方法来生成道路网络(图7(a))。以地图图像为输入,生成一组公路和街道,将土地分割成地块,并在相应的地块上为建筑物构建合适的几何形状。后来,许多研究者改进了基于CityEngine的路网生成模型[CEW 08, BN08, GPMG10]。例如,Sun等人[SYBG02]提出了一个基于模板的路网生成模型。具有更大的灵活性,用户可以直接使用Chen等人[CEW 08]的自动路网生成模型编辑路网。最近,Nishida等人[NGDA16]提出了一种交互式道路设计系统,该系统使用从示例道路网络中提取的补丁和统计信息。Hartmann等人[HWWK17]提出了一种基于实例的方法,利用生成对抗网络(GAN)来合成道路网络。他们使用二值图像来表示道路网络补丁,由于这些方法是为构建虚拟场景而设计的,因此它们常常无法为交通模拟提供必要的信息,如车道到车道的连接和邻接。

目前有几种用于交通仿真的道路建模技术。Yang和Koutsopoulos [YK96]使用node,link,segment和lane来描述道路网络的语义,他们的模型已被纳入交通模拟软件MITSIM [BAKY02]。在该模型中,segment表示具有相同几何线的lane集合,link表示segment集合,向量数据存储在segment的数据结构中,所存储的信息包括起始点/结束点和段弧的曲率,一个node用来描述一个交点,这里,node必须作为输入数据提供给模型,并且仅用于描述link是否连接,不考虑交叉口各方向link之间的冲突关系。在VISSIM [PTV11]交通模拟软件中,link和connector被用来描述道路网络的拓扑结构,这有助于描述具有更复杂几何形状的道路。然而,VISSIM的路网只由连续的路段组成,因此在交叉口处理不同方向的冲突是很困难的。类似地,其他道路网络表示模型[Par03, BC05, SWL11, SJ12]已经可用。最近,Cura等[CPP18]利用真实地理信息系统(real Geographic Information System, GIS)数据建立了一个包含拓扑交通信息、路面和街道对象的连贯的街道网络模型,该系统可以提供车道和车道间的相互连接,以作为交通仿真所需的基本几何信息,然而,他们使用lane作为原子单位来定义和组织道路网络,而忽略了道路网络的矢量数据。值得一提的是,为了方便不同驾驶模拟器之间的数据交换,目前提出了一种开放数据格式OpenDRIVE [DG06]来规范逻辑道路描述。

Wilkie等[WSL12]针对提高车辆运动的可视化,提出了一种新的道路网络模型图7(b)),将低细节的GIS数据自动转换为高细节的功能道路网络进行仿真。利用该模型可以生成区域中心拓扑结构和弧路表示。该模型以车道为基础定义交叉口,通过交通信号和预先确定的移动优先级,在模拟中对交叉路口进行管理,生成的道路网络库[WSLL15]可以在http://gamma.cs.unc.edu/RoadLib/上找到。该模型激发了更多基于车道的模拟技术,如Mao等[MWDW15]在Frenet框架下基于道路轴线的车道模型,以方便复杂的交通模拟。

有意义的是,根据不同的应用程序,不同细节级别的交通模拟需要不同的关于底层道路网络的信息。
一般情况下,宏观交通仿真对路网的细节要求较少,主要是需要几何信息,以便对交通流密度和速度的传播进行建模。相比之下,微观交通模拟由于输出单个车辆的详细运动,通常需要更多关于道路网络的信息。这些信息包括车道的分隔和连接、交通信号逻辑、在十字路口和坡道上移动优先级等。

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