基于車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的DynasTIM仿真路網(wǎng)建模*

張漢林，黃敏，張學(xué)強(qiáng)

(中山大學(xué)工學(xué)院∥廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室∥智能交通研究中心，廣東 廣州 510006)

基于車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的DynasTIM仿真路網(wǎng)建模*

張漢林，黃敏，張學(xué)強(qiáng)

(中山大學(xué)工學(xué)院∥廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室∥智能交通研究中心，廣東 廣州 510006)

分析了車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)和DynasTIM路網(wǎng)在路網(wǎng)構(gòu)成要素、路網(wǎng)層次、路網(wǎng)要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系三方面的差異，其中車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)分3層，路網(wǎng)要素主要包括路段、路段節(jié)點、子路段節(jié)點、子路段等，而DynasTIM路網(wǎng)分兩層，路網(wǎng)要素包括節(jié)點、節(jié)點連接線、節(jié)段、節(jié)段左邊線等，從而找出從車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)到DynasTIM路網(wǎng)轉(zhuǎn)換的要素對應(yīng)關(guān)系和整合、提取方法，最后從車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)提取數(shù)據(jù)并按照DynasTIM路網(wǎng)的路網(wǎng)模型進(jìn)行表達(dá)。該文成果簡化了DynasTIM路網(wǎng)的建模工作，也為不同路網(wǎng)模型之間的轉(zhuǎn)換提供了一種行之有效的思路。

仿真軟件；DynasTIM；車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)；智能化建模

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會各行各業(yè)都在追求更高的效率。道路交通建設(shè)作為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的其中一部分內(nèi)容，對國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用。21世紀(jì)的道路交通正在朝著大型化、高速化、專業(yè)化的方向發(fā)展[1]，對交通管理與規(guī)劃的要求越來越高。DynasTIM作為一款用于路網(wǎng)動態(tài)交通流實時分析、仿真、預(yù)測和優(yōu)化的大型數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，能夠為交通決策提供可信度高的支持[2-3]，未來能為互聯(lián)的智能車輛動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)的出行方案。然而，對路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系及道路幾何條件的描述是交通仿真模型模擬交通狀態(tài)的基礎(chǔ)[4-10]，DynasTIM也需要在建立好的路網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，各種功能才能夠?qū)崿F(xiàn)。一般而言，仿真路網(wǎng)建模耗費(fèi)的時間成本高，可移植性差[11]，饒明雷、黃敏等[12-13]學(xué)者曾經(jīng)提出一種基于通用路網(wǎng)平臺的路網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換方法，極大提高了仿真軟件路網(wǎng)建模的效率，本文在此基礎(chǔ)上，考慮由通用路網(wǎng)平臺(車道級基礎(chǔ)路網(wǎng))向DynasTIM路網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。首先分析了面向微觀交通仿真的車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，然后將其與DynasTIM路網(wǎng)模型做對比，最終通過編程實現(xiàn)從車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)到DynasTIM路網(wǎng)的智能化建模。

1 車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)簡介

車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)來源于圖論[14]，可描述為包含路段、路段結(jié)點、子路段、子路段結(jié)點、有向子路段、車道、車道連接器等要素構(gòu)成的3層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[12，15]。圖1為車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)ORM (Object Role Modeling)圖。

圖1 車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)模型圖Fig.1 Lane-level basic road network model chart

車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的第一層由道路基本單元組成，包括路段(RoadSegment)和路段結(jié)點(RoadSegmentNode)兩個要素，在此基礎(chǔ)上，以路段(RoadSegment)為參照，將路段在交通組織發(fā)生變化處打斷，生成子路段(Link)和子路段結(jié)點(Node)兩個要素，其中，子路段(Link)是有向線段，其首尾各有一個子路段結(jié)點(Node)進(jìn)行界定，子路段(Link)開始于起始結(jié)點，終止于終止結(jié)點。在子路段(Link)的基礎(chǔ)上，根據(jù)交通流方向劃分子路段為不同的有向子路段(Arc)，三者構(gòu)成基本建模單元組成車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的第二層。路網(wǎng)的第三層則在第二層的基礎(chǔ)上細(xì)化車道描述，包含車道(Lane)和車道連接器(LaneConnectors)兩個要素。整個路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)ORM圖Fig.2 ORM figure of lane-level basic road network

2 DynasTIM路網(wǎng)模型概述

DynasTIM路網(wǎng)可描述為包含節(jié)點、節(jié)點連接線、節(jié)段、節(jié)段左邊線、車道、車道連接器組成的雙層網(wǎng)絡(luò)。

DynasTIM路網(wǎng)的第一層由基本建模單元節(jié)點(Node)、節(jié)點連接線(Link)以及節(jié)段(S)3個要素組成。其中節(jié)點是將道路交叉口抽象形成的點要素，記錄著交叉口的位置、類型等數(shù)據(jù)，節(jié)點連接線是代表兩個節(jié)點間交通流方向的有向線段，節(jié)段是在同一交通流方向交通組織變化處打斷形成的，另外，每個節(jié)段最內(nèi)側(cè)車道的左分界線稱為節(jié)段左邊線(LeftCurbs)，記錄著節(jié)段最左端的位置數(shù)據(jù)。每一條節(jié)點連接線對應(yīng)一個或者多個節(jié)段。路網(wǎng)的第二層則在第一層的基礎(chǔ)上細(xì)化車道描述，包含車道(Lane)和車道連接器(LaneConnectors) 兩個要素。整個路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DynasTIM路網(wǎng)模型圖Fig.3 DynasTIM road network model chart

圖3中，節(jié)點Node1、Node2是交叉口，節(jié)段左邊線LeftCurbs1、LeftCurbs2、LeftCurbs3、LeftCurbs4分別是節(jié)段S1、S2、S3、S4的左邊線，Link1是從節(jié)點Node1到Node2的節(jié)點連接線，Link2是從節(jié)點Node2到Node1的節(jié)點連接線，節(jié)段S1、S2與節(jié)點連接線Link1相關(guān)聯(lián)，節(jié)段S3、S4與節(jié)點連接線Link2相關(guān)聯(lián)。

不同層次之間，用ORM (Object Role Modeling)圖建立DynasTIM路網(wǎng)各要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖4所示。

3 DynasTIM路網(wǎng)數(shù)據(jù)提取及轉(zhuǎn)換

通過以上分析可知，DynasTIM路網(wǎng)的節(jié)點(Node)是通過X、Y坐標(biāo)的數(shù)據(jù)得到定位的，可以通過車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的路段結(jié)點(RoadSegmentNode)的位置信息得到；節(jié)段左邊線(LeftCurb)是根據(jù)節(jié)段左邊線兩端的坐標(biāo)得到定位的，可以通過提取車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)子路段(Link)的控制點坐標(biāo)獲取左邊線兩端坐標(biāo)數(shù)據(jù)；節(jié)段(S)需要提取車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的有向子路段(Arc)關(guān)于車道數(shù)等數(shù)據(jù)；車道(Lane)需要提取車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)車道的車道寬度等數(shù)據(jù)；車道連接器(LaneConnector)需要提取車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)中車道連接器起始車道以及到達(dá)車道集。此外，對每一條節(jié)點連接線而言，在車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)中，沒有可以直接與之對應(yīng)的要素可以供數(shù)據(jù)提取，需要將車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)中位于兩個子路段結(jié)點之間的N個子路段依次進(jìn)行拼接得到一條完整的DynasTIM路網(wǎng)節(jié)點連接線(Link1)，如果此道路有相反方向的交通流，再由節(jié)點連接線(Link1)復(fù)制出一條起始節(jié)點、終止節(jié)點與此節(jié)點連接線相反的節(jié)點連接線(Link2)，從而實現(xiàn)節(jié)點連接線的數(shù)據(jù)提取。DynasTIM路網(wǎng)要素與車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)要素之間的對應(yīng)關(guān)系如表 1 所示。

表1 車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)與DynasTIM路網(wǎng)要素對應(yīng)表Table 1 Corresponding elements between DynasTIM roadnetwork and lane-level basic road network

DynasTIM路網(wǎng)提取的整體流程為：第一步提取節(jié)點數(shù)據(jù)，第二步提取節(jié)點連接線數(shù)據(jù)，第三步提取節(jié)段數(shù)據(jù)，第四步提取車道數(shù)據(jù)，第五步提取車道連接器數(shù)據(jù)，最后提起節(jié)段左邊線數(shù)據(jù)。

正如表1所示，節(jié)點、車道連接器、節(jié)段和車道，在車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)中均有相應(yīng)的要素與之對應(yīng)，因此，下面重點介紹提取節(jié)點連接線(Link)以及節(jié)段左邊線(LeftCurb)的過程。

3.1 節(jié)點連接線的提取流程

第1步：遍歷提取到的節(jié)點，獲得節(jié)點集，在車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)中，找出起始結(jié)點在此節(jié)點集中的所有子路段(Link)；

第2步：判斷第1步中找到的這些子路段(Link)的終止結(jié)點是否也在提取到的節(jié)點集內(nèi)，如果是，將此條子路段(Link)直接作為DynasTIM路網(wǎng)2個節(jié)點之間的節(jié)點連接線，并存儲到節(jié)點連接線集合中，否則轉(zhuǎn)到第3步；

第3步：對上一步?jīng)]有存儲的每條子路段A，在車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的子路段表中，查找到一條子路段B，B的起始結(jié)點跟A的終止結(jié)點相同，將A與B順次拼接，拼接完檢驗此子路段的終止結(jié)點是否在節(jié)點集內(nèi)，如果是，將拼接完的子路段作為DynasTIM路網(wǎng)2個節(jié)點之間的節(jié)點連接線，并存儲到節(jié)點連接線集合中，如果不是，繼續(xù)執(zhí)行第3步。同時，每拼接成功一條節(jié)點連接線，依次記錄此節(jié)點連接線的子路段(Link)組成。前3步提取的示意圖如圖5所示。

第4步：獲得拼接成功的節(jié)點連接線以后，根據(jù)與子路段相關(guān)聯(lián)的有向子路段個數(shù)來判斷此道路是單行道還是雙行道，如果是雙行道，則復(fù)制出一條起始節(jié)點、終止節(jié)點與此節(jié)點連接線相反的節(jié)點連接線，存儲到節(jié)點連接線集合中，如果是單行道，不執(zhí)行復(fù)制操作。其提取流程如圖6所示。

圖5 節(jié)點連接線提取示意圖Fig.5 Extracting diagram of node connector lines

圖6 節(jié)點連接線提取流程圖Fig.6 Transformation flowchart of node connector lines

3.2 節(jié)段左邊線的提取流程

第1步：獲取車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的所有子路段(Link)要素；

第2步：對于獲取到的每一條子路段(Link)要素，因為它是線要素，而線是由很多的點組成的，此步驟獲取每一條子路段(Link)上的所有點，并最終提取起點和終點的坐標(biāo)作為節(jié)段左邊線的數(shù)據(jù)；

第3步：因為一個子路段(Link)包含一個或者兩個有向子路段(Arc)，所以判斷此子路段(Link)是否包含兩個有向子路段(Arc)，如果是，則復(fù)制出起始點坐標(biāo)、終止點坐標(biāo)與第2步提取到的節(jié)段左邊線相反的另外一條節(jié)段左邊線，否則不進(jìn)行復(fù)制操作。其提取流程如圖7所示。

圖7 節(jié)段左邊線提取流程圖Fig.7 Transformation flowchart of segment left lines

4 應(yīng)用實例

選取廣州內(nèi)環(huán)區(qū)域路網(wǎng)作為實例分析。利用C#、ArcGIS二次開發(fā)組件和MicrosoftAccess關(guān)系數(shù)據(jù)庫建立實例區(qū)域的車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)，如圖8所示。

圖8 車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)原圖Fig.8 Lane-level basic road network figure

基于本文采用的DynasTIM仿真路網(wǎng)數(shù)據(jù)提取及轉(zhuǎn)換方法，可自動生成DynasTIM仿真路網(wǎng)文件(.xml)，打開后結(jié)果如圖9所示。生成的DynasTIM仿真路網(wǎng)與車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)地圖一致，能夠滿足交通仿真的要求。

圖9 轉(zhuǎn)換后的DynasTIM路網(wǎng)圖Fig.9 DynasTIM road network figure after transformation

5 結(jié) 語

在車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的基礎(chǔ)上，本文通過對比DynasTIM路網(wǎng)和車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的表達(dá)差別，實現(xiàn)了從車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)模型到DynasTIM路網(wǎng)模型的智能化轉(zhuǎn)化，并用實例進(jìn)行了驗證。這種方法能夠極大地減輕了建模工作量，為實現(xiàn)不同路網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換提供了一種行之有效的思路。針對于龐大的交通仿真路網(wǎng)模型群體，在后期的研究中，應(yīng)該完善車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)表達(dá)，使之成為更加精細(xì)化的路網(wǎng)，為路網(wǎng)模型的轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。

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Modeling DynasTIM simulation road network based on lane-level basic road network

ZHANGHanlin,HUANGMin,ZHANGXueqiang

(School of Engineering∥ Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System∥Intelligent Transportation System Research Center, Sun Yat-sen University,Guangzhou 510006，China)

This work firstly analyzes the differences between DynasTIM road network and lane-level basic road network from three aspects including components, levels and the relationship of the road network components. The lane-level basic road network can be divided into three layers and it mainly includes Roadsegment, Roadsegmentnode, Node and Arc. While DynasTIM road network can be divided into two layers and mainly includes Node, Link, Segment and LeftCurb. So the corresponding relationship of the two road network components, integrated and extract method can be easily found. Finally, it realizes intelligently modeling from lane-level basic road network to DynasTIM road network. It not only greatly simplifies modeling effort but also provides an effective way for transformation among different road network models.

simulation software; DynasTIM; lane-level basic road network; intelligently modeling

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.01.009

2016-05-11 基金項目：廣州市科技計劃項目(201510010247); 廣東省科技計劃項目(2016020223006, 2016B090918038, 2015B010110005)

張漢林(1991年生)，男；研究方向：路網(wǎng)建模及路網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換;E-mail:876407112@qq.con

黃敏(1975年生), 女；研究方向：路網(wǎng)數(shù)據(jù)模型與道路交通標(biāo)志標(biāo)識系統(tǒng);E-mail:huangm7@mail.sysu.edu.cn

TP

A

0529-6579(2017)01-0053-06