一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，包括交通数据采集模块采集高速公路车辆车道级位置轨迹信息；气象数据采集模块采集高速公路沿途气象信息；数据处理模块在边端及云端进行数据结构化处理；数据传输模块将路侧处理好的数据发送至云端的在线仿真模块；在线仿真模块对未来短时交通气象情况和路面状态进行预测仿真；风险判断模块判断当前交通运行风险状态；可变限速决策模块建立各个条件下的可变限速控制方案，形成控制方案策略库。本发明专利技术利用实时高精度车辆轨迹数据及气象数据构建交通数字孪生系统，利用微观仿真模型及交通数字孪生系统实现交通平行仿真，同时通过可变限速闭环优化算法，实现可变限速最优化控制策略的制定。控制策略的制定。控制策略的制定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统


[0001]本专利技术属于交通智能控制
，更具体的说是涉及一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统。

技术介绍

[0002]随着机动车的普及及交通运输需求的增长，高速公路安全问题愈发突出。目前高速公路安全主动管控技术主要采用限速的方法，因此，科学合理的限速值能够有效降低道路交通运行安全风险，然而传统高速公路采用的都是静态限速方法，无法在动态的道路交通环境下为不同工况及特定条件下提供安全合理的限速值，由于交通系统是一个典型的分布式系统，具有非线性、模糊性和不确定性的特点，因此固定的限速值不能体现道路交通系统的动态特征，从而激化了速度管理与交通安全及运输效率的矛盾。
[0003]因此可变限速控制成为解决高速公路交通安全问题的有效手段，随着交通传感技术的发展，交通数字孪生技术和平行仿真系统的构建为可变限速控制提供了强大的数据基础和有效的决策依据。数字孪生指的是对物理系统的虚拟映射，其与平行仿真在概念上存在包含关系。传统的交通仿真系统在概念层面可以作为平行仿真的依据。
[0004]因此，如何提供一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，利用实时高精度车辆轨迹数据及气象数据构建交通数字孪生系统，利用微观仿真模型及交通数字孪生系统实现交通平行仿真，同时通过可变限速闭环优化算法，实现可变限速最优化控制策略的制定。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，包括：交通数据采集模块、气象数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、在线仿真模块、风险判断模块和可变限速决策模块；其特征在于，所述交通数据采集模块负责实时采集高速公路车辆车道级位置轨迹信息；气象数据采集模块负责实时采集高速公路沿途气象信息；数据处理模块负责在边端及云端进行数据结构化处理；数据传输模块负责将路侧处理好的数据发送至云端的在线仿真模块；在线仿真模块负责利用Gipps跟驰和换道模型对未来短时车辆位置进行预测仿真，根据实时气象数据和路面状态数据利用多元Logistics模型对未来短时交通气象情况和路面状态进行预测仿真；风险判断模块负责根据在线仿真模块获取的参数判断当前交通运行风险状态；可变限速决策模块利用闭环强化学习算法对各种可变限速控制策略进行遍历，利用交通运行风险状态作为目标函数进行最优化选择，最终建立各个条件下的可变限速控制方案，形成控制方案策略库。
[0008]进一步的，还包括可变限速信息发布模块，利用路域车道级可变信息标志向道路
使用者发布限速信息。
[0009]进一步的，所述交通数据采集模块利用毫米波雷达或激光雷达负责实时采集高速公路车辆车道级位置轨迹信息，其车辆位置采集和传输的频率应为毫秒级，车辆位置定位精度应为分米级，能适应全天候及多种气象条件下的车辆位置及车速监测。
[0010]进一步的，所述气象数据采集模块采用微气象站负责实时采集高速公路沿途气象信息，包括气温、能见度、降雨量、风力、风向、路面水膜厚度以及路面水膜状态，其信息采集和传输的频率应为秒级，其水膜厚度传感器可监测的水膜高度不小于6000μm，路面状况包括：干、潮、湿、冰、雪/冰、严重潮湿以及危险。
[0011]进一步的，所述数据处理模块负责在边端及云端进行数据结构化处理及分析，利用分布式处理方法将雷达车辆轨迹信息和气象信息处理成结构化数据，其输入的雷达车辆轨迹信息为雷达帧数据格式，输出的结构化车辆轨迹数据为基于时间序列的完成全域车辆ID统一及轨迹拼接的具有车辆经纬度坐标及速度信息的车辆轨迹时序数据，时间序列采用UTC时间，与世界时的时间延误应为100毫秒以内。
[0012]进一步的，可变限速决策模块依据在线仿真模块的数据作为风险判断模块对未来短时交通运行风险判断的依据，并以未来短时交通运行费风险为目标函数，对可变限速控制方法进行闭环优化，具体内容如下：
[0013]1)在线仿真模块负责根据数据采集模块获取的实时车辆位置信息利用Gipps跟驰模型和换道模型对未来短时车辆位置进行平行仿真，同时根据实时气象数据利用多元Logistics模型实现对未来短时交通气象情况进行预测仿真；
[0014]2)风险判断模块负责根据实时车辆位置信息、速度信息及气象信息利用基于随机森林模型综合研判当前交通运行风险状态，随机森林是通过多颗决策分类树{h(x,θ
k
)}构成的整体分类器，基于基本交通流参数及气象参数对交通运行风险等级进行预测判断，同时利用在线仿真模块获取未来5min，10min，20min及30min时刻的交通运行风险状态，其中在线仿真模块是应用在线仿真软件，通过采用以实时交通流为初始化参数的仿真模拟未来短时车辆位置速度，并根据仿真结果对交通运行风险进行评价。
[0015]进一步的，基于随机森林模型的具体内容为：
[0016]1)基于交通特征参数，包括：交通流量、各车道车辆占有率、车辆速度、车辆加速度、车辆相对车道中心线的横向偏移量、各车道车辆密度、车头时距及数据采集模块获取的气象参数，包括：气温、能见度、降雨量、路面水膜厚度、路面状态，以及跟驰风险参数建立数据集，其中跟驰风险参数PET通过下式表达：
[0017][0018]PET
i
是i车在t时刻相对于前车的碰撞时间，因为数据采集到的车辆位置是车头的位置，所以X
i
(t)是t时刻i车车头的位置，X
h
(t)是t时刻i车前车h车头的位置，l
h
是h车的车身长度，V
i
(t)是t时刻i车的瞬时速度；
[0019]2)定义交通风险参数Q
i
：
[0020][0021]V
h
(t)是t时刻i车前车h车的瞬时速度，Q
i
＜0.05一次记为高风险交通冲突；
[0022]3)以5分钟为一时间片段的长度，以100米为路段长度进行统计，将整条道路分为若干段路段及若干个时间片段，来收集冲突段的交通冲突情况，建立交通冲突数据集；
[0023]4)采用K
‑
means聚类算法对每个时间段的每个路段的交通冲突数量，即Q
i
＜0.05的数量进行聚类分析，采用欧氏距离来作为衡量数据点相似性的指标，计算样本集中各个数据点距离初始质点的距离，并采用距离最近原则，将数据点分配至距离最近的质点，即可将相似的数据归为一簇。将交通冲突数据集分为2簇，分别定位为交通冲突高风险(1)、低风险(0)；
[0024]5)将交通流量、各车道车辆占有率、车辆速度、车辆加速度、车辆相对车道中心线的横向偏移量、各车道车辆密度、车头时距、气温、能见度、降雨量、路面水膜厚度、路面状态作为输入变量并进行数据标准化处理，利用步骤4)中的交通冲突数据集建立原始本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，其特征在于，包括：交通数据采集模块、气象数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、在线仿真模块、风险判断模块和可变限速决策模块；所述交通数据采集模块负责实时采集高速公路车辆车道级位置轨迹信息；气象数据采集模块负责实时采集高速公路沿途气象信息；数据处理模块负责在边端及云端进行数据结构化处理；数据传输模块负责将路侧处理好的数据发送至云端的在线仿真模块；在线仿真模块负责利用Gipps跟驰和换道模型对未来短时车辆位置进行预测仿真，根据实时气象数据和路面状态数据利用多元Logistics模型对未来短时交通气象情况和路面状态进行预测仿真；风险判断模块负责根据在线仿真模块获取的参数判断当前交通运行风险状态；可变限速决策模块利用闭环强化学习算法对各种可变限速控制策略进行遍历，利用交通运行风险状态作为目标函数进行最优化选择，最终建立各个条件下的可变限速控制方案，形成控制方案策略库。2.根据权利要求1所述的一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，其特征在于，还包括可变限速信息发布模块，利用路域车道级可变信息标志向道路使用者发布限速信息。3.根据权利要求1所述的一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，其特征在于，所述交通数据采集模块利用毫米波雷达或激光雷达负责实时采集高速公路车辆车道级位置轨迹信息，其车辆位置采集和传输的频率应为毫秒级，车辆位置定位精度应为分米级，能适应全天候及多种气象条件下的车辆位置及车速监测。4.根据权利要求1所述的一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，其特征在于，所述气象数据采集模块采用微气象站负责实时采集高速公路沿途气象信息，包括气温、能见度、降雨量、风力、风向、路面水膜厚度以及路面水膜状态，其信息采集和传输的频率应为秒级，其水膜厚度传感器可监测的水膜高度不小于6000μm，路面状况包括：干、潮、湿、冰、雪/冰、严重潮湿以及危险。5.根据权利要求1所述的一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，其特征在于，所述数据处理模块负责在边端及云端进行数据结构化处理及分析，利用分布式处理方法将雷达车辆轨迹信息和气象信息处理成结构化数据，其输入的雷达车辆轨迹信息为雷达帧数据格式，输出的结构化车辆轨迹数据为基于时间序列的完成全域车辆ID统一及轨迹拼接的具有车辆经纬度坐标及速度信息的车辆轨迹时序数据，时间序列采用UTC时间，与世界时的时间延误应为100毫秒以内。6.根据权利要求1所述的一种基于平行仿真系统的可变限速控制系统，其特征在于，可变限速决策模块依据在线仿真模块的数据作为风险判断模块对未来短时交通运行风险判断的依据，并以未来短时交通运行费风险为目标函数，对可变限速控制方法进行闭环优化，具体内容如下：1)在线仿真模块负责根据数据采集模块获取的实时车辆位置信息利用Gipps跟驰模型和换道模型对未来短时车辆位置进行平行仿真，同时根据实时气象数据利用多元Logistics模型实现对未来短时交通气象情况进行预测仿真；2)风险判断模块负责根据实时车辆位置信息、速度信息及气象信息利用基于随机森林模型综合研判当前交通运行风险状态，随机森林是通过多颗决策分类树{h(x,θ
k
)}构成的整体分类器，基于基本交通流参数及气象参数对交通运行风险等级进行预测判断，同时利用在线仿真模块获取未来5min，10min，20min及30min时刻的交通运行风险状态，其中在线
仿真模块是应用在线仿真软件，通过采用以实时交通流为初始化参数的仿真模拟未来短时车辆位置速度，并根据仿真结果对交通运行风险进行评价。7.根据权利要求6所述的一种基于平行仿真系统的可变限速控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏涛，宋昊，王俊骅，张军，牛秉青，孟颖，周丽军，张林梁，李朝霞，李臻，
申请(专利权)人：山西省交通科技研发有限公司同济大学，
类型：发明
国别省市：