[发明专利]基于Simulink仿真的路网动态交通流预测方法

权利要求书

1.一种基于Simulink仿真的路网动态交通流预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤10)获取待预测路网的基础交通信息，所述基础交通信息包括路网拓扑结构信息和路网交通运行信息；

步骤20)根据步骤10)获取待预测路网的基础交通信息，创建基于Simulink的路网交通仿真系统；

所述的步骤20)包括以下步骤：

步骤201)创建九类路网结构S函数模块：打开Matlab/Simulink的空白编辑器，选择User-Defined Functions模块库中的S函数模块，添加九个S函数模块到模块编辑器中；九个S函数模块分别命名为：车辆生成模块、车辆进入路段模块、车辆单车道前进模块、车辆换道模块、进口区域行驶模块、进口车辆驶入交叉口模块、信号控制模块、交叉口内部行驶模块和接口模块，创建九类路网结构S函数模块；

步骤202)设置九类路网结构S函数模块参数属性：

在车辆生成模块中设置输入参数O_i；

在车辆进入路段模块中设置输入参数M_J；

在车辆单车道前进模块中设置输入参数Lm_j；

在车辆换道模块中设置输入参数Pl_i，Pt_i，Pr_i；

在进口区域行驶模块中设置输入参数A_K，La_k；

在进口车辆驶入交叉口模块中设置输入参数H_I；

在信号控制模块中设置输入参数S_I；

在交叉口内部区域行驶模块中设置输入参数Il_i，Tl_i，Tr_i；

在接口模块中设置输入参数R_I；

步骤203)搭建路网交通仿真系统：根据步骤10)获取的待预测路网的拓扑结构信息，与待预测的路网结构一一对应，通过在Matlab/Simulink组件中添加和连接步骤201)创建的九类路网结构S函数模块和步骤202)设置的九类S函数模块参数，搭建面向实际交通环境的Simulink路网交通仿真系统；

步骤30)根据步骤20)创建的路网交通仿真系统，进行路网交通流动态预测，提取预测的交通信息；

所述的步骤30)包括以下步骤：

步骤301)采用精细化可变元胞自动机，建立车辆行驶模型；

步骤302)将步骤301)建立的车辆行驶模型添加到S函数模块中；

步骤303)执行Simulink仿真，提取预测交通信息；

所述步骤301)包括以下步骤：

步骤3011)进行网格化处理待预测路网，具体包括：按照1m×0.9m的精细化元胞尺寸将待预测路网网格化，并在路网空间上建立坐标系；所述坐标系以西向东方向为X轴，以南向北方向为Y轴；采用车头位置所在坐标作为车辆坐标；

步骤3012)按式(1)计算每辆车在t时刻占用的元胞数：

式中，Nx表示车辆沿X轴方向占用的元胞个数，Ny表示车辆沿Y轴方向占用的元胞个数，ceil表示向下取整，L_veh表示车辆的宽度，v_n(t)表示车辆n在t时刻的速度；

步骤3013)建立车辆行驶模型，包括车辆前行运动模型、车辆侧向运动模型、车辆冲突消除模型；定义x_n(t)表示车辆n在t时刻的横坐标；x_n(t+1)表示车辆n在t+1时刻的横坐标；y_n(t+1)表示车辆n在t+1时刻的纵坐标；将车辆的速度v_n按照元胞/秒进行量纲转换；

所述车辆前行运动模型包括：车辆加速运动、车辆减速运动、车辆随机慢化和车辆的前行运动位置；

所述车辆加速运动模型如式(2)所示：

其中，v_n(t+1)表示车辆n在t+1时刻的速度，表示车辆平均加速度，v_max表示车辆的最大速度；

所述车辆减速运动模型如式(3)所示：

其中，表示车辆的平均减速度，d^f_n(t)表示车辆减速后与前车保持的安全间距，d^f_n(t)＝x_n+1(t)-x_n(t)，x_n+1(t)表示车辆n+1在t时刻的横坐标；

所述车辆随机慢化模型为：设t+1时刻车辆n的速度v_n(t+1)以概率p_r减速，0＜p_r＜1，并生成概率随机数R1，0＜R1＜1；如果R1≥p_r，那么t+1时刻车辆n的速度按照车辆的平均减速度再次减速；如果R1＜p_r，那么t+1时刻车辆n的速度保持不变；

依次执行加速运动模型、减速运动模型和随机慢化模型，得到最终速度；车辆n根据t+1时刻的最终速度向前行驶；

所述确定车辆的前行运动位置模型如式(4)所示：

x_n(t+1)＝x_n(t)+v_n(t+1) 式(4)

所述车辆侧向运动模型包括：

首先，分配车辆的转向属性，生成概率随机数R2，0≤R2≤1；根据步骤10)获取的参数Pl_i、Pt_i和Pr_i，如果R2＜Pt_i，那么将车辆n设定为直行车；如果Pl_i+Pt_i＞R2≥Pt_i，那么将车辆n设定为左转车；如果R2≥Pl_i+Pt_i+Pr_i，那么将车辆n设定为右转车；

其次，判断是否具有换道倾向：当车辆满足下列条件，则车辆n在t时刻具有换道倾向：在t时刻车辆n与正前方车辆的间距d^f_n(t)，不能保证t时刻车辆n按速度值v_n(t)行驶；或者，在t时刻车辆n不在路段或进口区域的最右侧车道上行驶，且车辆n为右转车；或者，在t时刻车辆n不在路段或进口区域的最左侧车道上行驶，且车辆n为左转车；或者，在t时刻车辆n不在路段或进口区域的中间车道上行驶，且车辆n为直行车；

最后，确定车辆的侧向运动位置：如果t时刻车辆n具有换道倾向，并将车辆的速度v_n按照元胞/秒进行量纲转换，满足d^lf_n(t)>v_n(t)或d^rf_n(t)>v_n(t)，那么车辆n可安全换道；如果d^lf_n(t)>d^rf_n(t)，则车辆n向左侧车道换道；如果d^lf_n(t)≤d^rf_n(t)，则车辆n向右侧车道换道；其中，d^lf_n(t)表示在t时刻车辆n与左前方车辆的间距，d^rf_n(t)表示在t时刻车辆n与右前方车辆的间距；确定车辆的侧向运动位置后，更新车辆的纵坐标y_n(t+1)；

所述车辆冲突消除模型包括：在交叉口内部右转车不受信号控制，存在右转车辆与对向直行车辆的交织冲突；如果右转车辆抵达冲突元胞的时间大于对向直行车，即d_n^r(t)/v_n^r(t)>d_n^z(t)/v_n^z(t)，那么右转车优先通行；如果右转车抵达冲突元胞的时间小于或等于对向直行车，即d_n^r(t)/v_r(t)≤d_n^z(t)/v_z(t)，那么直行车优先通行；其中，d_n^r(t)表示第n辆右转车距离冲突元胞的位置，v_n^r(t)表示第n辆右转车在t时刻的速度，d_n^z(t)表示第n辆直行车距离冲突元胞的位置，v_n^z(t)表示第n辆直行车在t时刻的速度；

所述步骤302)包括以下步骤：

对于车辆生成模块，将步骤10)获取的边界路网占有率O_i输入信号发生器；

对于车辆进入路段模块，将步骤3013)中的车辆侧向运动模型编译成M文件，并限定车辆的纵坐标取值小于路段上的车道数M_J，即y_n(t+1)<M_J；

对于车辆单车道前进模块，将步骤3013)中的车辆前行运动模型编译成M文件，并限定车辆的前行运动位置小于路段上的车道长度Lm_j，即x_n(t)<Lm_j；

对于车辆换道模块，将步骤3013)中的车辆侧向运动模型编译成M文件，在分配车辆转向属性时，左转车比例为Pl_i，直行车比例为Pt_i，右转车比例为Pr_i；

对于进口区域行驶模块，将步骤3013)中的车辆前行运动模型编译成M文件，并限定车辆的前行运动位置小于进口区域的车道长度La_k，即x_n(t)<La_k；同时，将步骤3013)中的车辆侧向运动模型编译成M文件，并限定车辆的侧向位置小于进口区域的车道数A_K，即y_n(t)<A_K；

对于进口车辆驶入交叉口模块，将步骤3013)中的车辆冲突消除模型编译成M文件，冲突元胞位置按H_I取值；

对于信号控制模块，将步骤10)获取的交叉口信号控制方案S_I输入信号发生器；

对于交叉口内部区域行驶模块，将步骤301)中的车辆前行运动模型编译成M文件，并且限定直行车辆的前行运动位置小于交叉口长度Il_i，左转车辆的前行不能超过左转轨迹长度Tl_i，右转车辆的前行不能超过右转轨迹长度Tr_i；

对于接口模块，采用开放边界条件，将接收到的车辆剔除出仿真系统。