微观仿真车道变换模型研究

车道变换

第18卷第1期　　　　　　　山　东　理　工　大　学　学　报(自然科学版)　　　　　　　Vol.18No.12004年1月　　　　　　　JournalofShandongUniversityofTechnology(Sci&Tech)　　　　　　　Jan.2004文章编号:1672-6197(2004)01-0001-05

微观仿真车道变换模型研究

王晓原1,孟昭为1,宿宝臣2

(1.山东理工大学数学与信息科学学院,山东淄博255049;

2.山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049)

摘要:利用模糊逻辑方法刻划建立在驾驶员知识和经验基础上的主观判断过程,设计了模糊推断的语言规则和基于模糊逻辑的车道变换算法,构建了微观交通流仿真的车道变换模型.采用不同流量条件下车辆换道次数的观测值与模拟值进行比较,验证了模型的有效性.

关键词:模糊逻辑;车道变换;微观仿真

中图分类号:U491.2文献标识码:A

Studyonmodel

GXiao2yuan1,MENGZhao2wei1,SUBao2chen2

(1.SchoolofMathematicsandInformationScience,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.SchoolofElectronicsandElectricalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:Thefuzzylogicmethodisusedtodescribethejudgementprocessbasedonthedrivers’knowl2edgeandexperience.Thefuzzyinferencerulesandthefuzzyalgorithmaredesigned,andthemicroscopiclane2changingmodelisestablished.Bycomparingthelane2changingtimeswiththatofthesimulationval2uesunderdifferenttrafficflows,theeffectivenessofthemodelisvalidated.

Keywords:fuzzylogic;lane2changing;microscopicsimulation

随着城市交通的蓬勃发展,驾驶员行为对交通安全、通行能力起到了越来越重要的作用.以计算机技术为基础的微观交通流仿真模型,可以再现单个车辆在大型、复杂城市路网中运行的随机动态行为,越来越成为交通运输领域、特别是目前广泛开展的智能运输系统(ITS)开发和研究的重要手段[1].构建科学、合理的微观仿真模型,既要仔细分析驾驶员在纵向跟驰过程中所具有的感觉、理解、判断、决定等的一系列心理—物理特征,还应认真研究驾驶过程中掌握不同车辆类型的不同驾驶员组在车道选择时的个人偏好和变换车道的横向行为.车道变换行为的本质是一决策思维过程,模糊逻辑方法采用语言变量进行近似推理的形式,适于刻划建立在驾驶员知识和经验基础上的主观判断过程[2～4].本文综合考虑目标车与相邻车道后车的相对速度和相对距离两方面因素,建立了模糊推断的语言规则和基于模糊收稿日期:2003-10-12

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178033),山东理工大学博士基金

作者简介:王晓原(1970-),男,副教授,博士,硕士生导师.

车道变换

　　　　　　　　　　　　　　　　　　山　东　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　2004年　2

逻辑的车道变换算法,并在此基础上构建了微观交通流仿真的车道变换模型.将不同流量条件下车辆换道次数的实际值与模拟值进行了对比,证明了模型的有效性.

1　算法的推导

当研究车辆在上下游交叉口间的基本路段的行驶过程时,应考虑驾驶员对利益的选择[5,6].一般说来,越靠左侧车速越快,因此,若某一车道上后车车速较快,而前车车速相对较慢或处于不断减速的状态时(到达交叉口时的情况除外),后车驾驶员可能在满足安全条件的情况下选择靠左侧的车道;反之,若车速较慢且不断感到快速驶近的后车的压力,则可能在考虑能否保持原来车速的前提下向右侧暂时转换车道.这一过程中,驾驶员特性及其所驾驶的车辆特性是很重要的影响因素.驾驶员车道变换行为的判断过程如图1所示.

当本车道后车驾驶员不满意目前的行驶状态并且产生向两侧换道的要求后,相邻车道能否提供安全、舒适的间隙成为本车道后车驾驶员决定是否换道的重要影响因素.综合考虑本车道目标车和相邻车道后车的相对速度和相对距离两方面因素,并对安全和舒适进行合理的评分,见表1.

一条典型的语言模糊规则如下.

若相对距离大且相对速度小,则安全评分为5.

表1列出了12条规则.其中相对速度和相对距离表示两个不同的输入变量,　　　表1　相对速度

相对距离

小

大

居中

小

危险5430居中4320大3210图1　车道变换仿真子模块逻辑结构示意图

表1中危险、小、居中、大表示输入的语言变量(模糊集),使用三角隶属度函数,如图2、图3所示.

图2　相对速度语言变量模糊集隶属度函数图3　相对距离语言变量模糊集隶属度函数

图2、图3中,D1,D2,D3,D4以及V1,V2分别是论域相对距离和论域相对速度中模糊子集的边界值.驾驶员对相对距离的感受随相对速度的变化而变化,因此相对距离的隶属函数中应含有带相对速度

车道变换

第1期　　　　　　　　　　　　王晓原,等:微观仿真车道变换模型研究　　3参数的项.将这些隶属函数作为驾驶员的经验放入仿真系统的知识库中[7,8],以便模拟中随时调用.

如图4所示,假设相邻车道后车速度大于本车道目标车速度,目标车辆的速度为Vown,其相邻车道正后方车辆速度为Vbackword,则图2中从不安全到安全程度一般的门界值D1由下式给定

D1=+τVbackword+δ　2Bmax22(1

)

图4　交通状态释义图

其中Bmax为车辆的最大加速度,τ为相邻车道后车的反应时间.上式是当目标车辆在换道过程中因前方.从安全程度一般到安全的阈值为

()2

　　D4=D0+δ其中　　D0=+δ2(2)(3)

a.图2中的D2和D3是D1和D4的中间值.经反复模拟试算,图2中的V1,V2分别取为2.78m/s和5.56m/s.模型中对期望速度较高的人车单元,车道变换的安全阈值取为2,对期望速度较低的人车单元,车道变换的安全阈值取为4,对期望速度居中的人车单元,车道变换的安全阈值取为3.

2　模型设计

车道变换是多车道路段仿真的重点和难点,本模型将超车视为两次换道,并以利益驱动为基础,认为司机换道是为了获得更有利的驾驶状态,否则不会换道,换道判断过程分为以下几个阶段:

1)首先应初始化换道标志的代码,并考虑目标车是否是其所在车道的首车.若非首车,则应纳入考虑换道的行列;否则,还应考虑目标车所在车道是否存在利益影响因素.若存在影响目标车行驶的因素(象事故、施工、管控措施、前方交叉口左右转等),则将其纳入考虑换道的行列,否则反之.

2)判断是否存在左(右)车道,若存在相应的车道,则需考虑以下两种换道影响因素:

a.对当前行驶满意否?模型认为左向换道车辆主要是为获得令其更加满意的速度,当目标车受本车道前车或其它因素限制无法满足这一要求时,必然产生向左换道的愿望;同时认为,右向换道车辆主要是为摆脱其快速驶近的后车的压力,所以当目标车受到较大程度的压力后,考虑向右换道的可能.

b.是否存在更有利的行驶空间?要考虑相邻车道前车和后车两种影响因素.相邻车道前车的行驶状状态对目标车换道过程中安全、舒适等因素产生影响.模型认为,当相邻车道前车和本车道前车的速度差和车头时距的差值大于一定程度时,满足目标车换道的利益要求;而对安全和舒适的要求按上节所述的模糊方法判断.

3)选择换道方向.当目标车同时满足向左转和向右转两方面的条件时,模型认为,左向换道的概率略大于右向换道的概率.

车道变换

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