一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實現方法

2023-10-06 08:02:44 3

專利名稱:一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實現方法
技術領域：
本發明涉及一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實境方法，屬於計算機仿真技術和智能交通微觀的技術領域：
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背景技術：
上海外環隧道是一條橫穿黃浦江的三孔隧道，為緩解了越江交通擁擠的壓力，完善上海市城市道路交通網而建的一條越江隧道。為確保隧道運營、人身安全及提高車輛通過能力，達到疏通交通、防災和消災的目的，故建立一套行之有效的隧道智能交通系統。該系統的一個基本特徵是，系統可以對路網交通條件的變化做出實時反應，系統中各個組成元素可以進行實時的信息交流。為了有效地評估隧道智能交通系統的效益，需要一個合適的系統對隧道交通控制系統進行建模評價分析，模型能夠描述單個車輛-駕駛員這樣的微觀層面的各種相互作用.這樣交通工程師可以對路網交通條件的變化進行自主的控制，從而可以對方案實施前後的效果進行有效的評價。
交通仿真技術作為智能交通運輸系統(ITS)的一項重要內容，伴隨著ITS的蓬勃發展，目前已成為國內外交通工程界研究的熱點領域之一。
交互式的動態虛擬實現技術是目前國際上信息技術應用的尖端技術之一。現代計算機技術的高速發展使得其成為各個領域的重要研究工具，運用計算機仿真技術已成為許多領域系統分析和設計的重要技術手段。計算機仿真是指以計算機為主要工具，以真實系統或預設系統的仿真模型為依據，通過運行具體仿真模型和對計算機輸出信息的分析，實現對實際系統運行狀態和變化規律的綜合評估與預測，進而實現對真實系統設計與結構的改善或優化。它是分析評價現有系統運行狀態或設計優化未來系統性能與功能的一種技術手段。在工程設計、航空航天、交通運輸、經濟管理、生態環境、通訊網絡和計算機集成等領域中均有著廣泛的應用。是高技術產業不可缺少的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段。
隨著計算機技術的微處理器性能的增長使得利用微型計算機和工作站進行複雜系統的仿真分析成為可能。在軟體設計中廣泛採用了面向對象的思想和方法，再加上計算機圖形技術的進步，出現了交互式的虛擬實現技術，它是傳統仿真技術的突破和發展，目前已形成為一門相對獨立的學科，它與傳統的計算機圖形學和計算機仿真技術相比，有自己顯著的特性，即我們通常所說的3I(Immersion、Interaction、Imagination)。這一學科是仿真技術發展的最新成果，其發展趨勢突出表現在以下幾個方面1 建模方法學中出現了目前研究較多的面向對象的建模方法和圖形建模技術，都是利用計算機軟體技術設法提供一種直觀可視化的建模環境，使複雜的建模過程得到簡化。
2 面向對象仿真則在理論上突破了傳統仿真方法觀念，使建模過程具有較高的智能化水平，所建立的模型具有內在的可擴充性和可重用性，有利於可視化建模仿真環境的建立，從而為大型複雜系統的仿真分析提供了方便的手段。
3 人工智慧技術在仿真中的應用得以實現。人工智慧與計算機仿真在學科上的交叉涉及到三個方面知識庫用於建模與仿真，包括利用知識庫和專家系統為仿真模型的建立和綜合提供諮詢服務及用於仿真結果的檢驗和可信度分析，仿真技術與人工智慧技術的結合產生智能化仿真。
4 虛擬實境技術也稱為靈境技術，使用戶仿佛置身於一個虛擬的環境中，使用戶可以進入虛擬環境內部直接模擬、觀察或感受事物內在的變化，並可以直接參與到事物的相互作用中去。交互動態虛擬實境技術系統與傳統的仿真技術相比，有著不可比擬的優越性。
採用交互動態虛擬實境技術來研究指導具有較大的現實意義。僅上海計劃2010年底建成越江隧道20多座，計劃完成後，上海將成為世界上隧道最多的城市。目前上海已建成3條公路隧道，2條鐵路隧道和1條觀光隧道。2004年底前還要建成3條公路隧道，2條鐵路隧道。另外南京、浙江、武漢等地也將建設大量的江底隧道。上海到崇明島將投資120億建設海底隧道，港粵也將建設長距離的海底隧道。各個隧道隨著地理位置、隧道的結構長短、形狀等的不同，在設計建設階段、運行管理階段均有許多不確定的因素，由於缺乏研究的手段，許多問題目前僅是通過論證和經驗解決。建立基於交互式動態虛擬實境技術的隧道設計、建設和管理平臺具有重大意義和迫切性。

發明內容本發明的目的是為了研究各個隧道隨著地理位置、隧道的結構長短、形狀的不同，在設計建設階段、運行管理階段等許多不確定的因素，提出一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實境方法。
本發明的技術方案是一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實境方法，其特點是，方法包括以下步驟1、採用VC構建系統平臺和相關界面，應用三維圖形仿真工具OpenInventor來實現三維場景的虛擬仿真；2、建立三維場景；對於複雜的模型可藉助三維CAD軟體，如UG、Pro-E等建立，再通過VRLM方式讀如仿真場景；3、建立包含仿真數據和系統所需知識庫，具體包括●模型數據包括車輛、隧道模型數據；●仿真的原始數據和參數包括車輛屬性參數、隧道狀況參數、外界環境狀況參數；●仿真結果的分析和統計數據包括隧道內車輛數量、平均速度、最大CO濃度的統計；●仿真分析知識庫是指應用仿真結果數據對隧道狀況進行分析評價的知識或模型，應用它們可以給出對隧道進行控制建議；4、採用三維滑鼠實現隧道全景或局部的交互式三維漫遊；5、車輛的動態產生、存儲和動態消失；應用VC本身的一個鍊表類CobList，CobList進行車輛的存儲；當車輛到達預定的位置時，就必須使之消失，在車輛到達目的需要消失的時候，就必須取消以前分配的那塊內存，並同時從隧道仿真場景中消失；6、建立交通流仿真數學模型包括(1)車輛產生模型即發車模型；
(2)出行時間產生模型；(3)跟車模型；(4)車道變換模型；7、實現交通仿真每個車道的車流採用鍊表形式的結構保存，訪真過程用周期掃描法；8、確定空氣狀況決定因素；它包括車輛數量、車輛汙染物排放因子、車輛平均速度、風速、隧道長度、外界環境狀況；9、建立三維虛擬仿真系統它包括以下模塊●檢測數據的預處理模塊檢測隧道內車輛、環境狀況等數據，並傳遞給仿真模型；●隧道三維漫遊模塊實現隧道的全景和局部的交互式三維漫遊，使觀察者可以根據自己的意願，察看隧道的各個部分，包括這種設施的工作狀態；●隧道交通仿真模塊交通仿真模塊能夠根據檢測數據實時仿真隧道中交通狀況；●隧道空氣狀況仿真可以通過顏色的不同，在虛擬的三維隧道場景中實時顯示隧道中空氣的CO濃度、空氣溫度等方面的分布和變化；●隧道照明狀況仿真模塊通過三維場景中的亮度來反應隧道的光照狀態，光照狀態隨實時檢測的光照情況變化；●智能控制模塊智能控制模塊是利用仿真模塊中的數學模型，並結合經積累的知識和經驗，建立智能控制模型，做出對隧道設備的智能控制建議或實現對設備的實時控制；本發明的有益效果是(1)提供虛擬試驗環境。可以在隧道施工以前了解設計效果、有效安排施工方案，從而縮短隧道設計周期，提高設計質量，節省設計和施工費用。
(2)為隧道的控制和維護提供虛擬的檢驗環境。可以使我們方便地優化控制方案、改善控制策略，而不是在控制方案實現以後才發現問題，從而有效地提高控制的效率。
(3)虛擬仿真技術在隧道仿真的成功應用可以為其它行業提供借鑑和參考。
圖1為強制性換道示意圖；圖2為選擇性換道示意圖；圖3為交通仿真實現框圖；圖4為三維虛擬仿真系統總體結構框圖。
具體實施方式本發明具體實施方式
結合附圖加以說明一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實境方法，其特點是，方法包括以下具體步驟1、採用VC構建系統平臺和相關界面，應用三維圖形仿真工具OpenInventor來實現三維場景的虛擬仿真。Open Inventor是由SGI公司推出的面向對象的三維圖形軟體包，是基於Open GL的高層圖形開發環境，也是一種相對獨立的窗口系統，它可以通過支持不同的窗口系統移植到不同的硬體平臺上。Open Inventor由於採用了面向對象思想，它創建的圖形對象不同於用傳統方法(如用C語言或GL)產生的圖形。用傳統方法產生的圖形和圖形的操作之間是沒有聯繫或聯繫很弱的，因此，用傳統的方法產生複雜的三維圖形並實現複雜的圖形操作是十分繁瑣的。然而，Open Inventor把它創建的圖形對象和對這些圖形對象的操作「捆綁」在一起，從而使三維圖形的創建與操作變得簡單。Open Inventor所創建的對象的所有信息，如對象的位置、形狀、大小、色彩、表現紋理、光源等都儲存在Open Inventor的場景資料庫中，用戶可讀取或顯示這些信息。OpenInventor把圖形對象的信息和對圖形對象的操作封裝在一起。這樣，用戶很容易對創建的圖形對象實現改變顏色、大小、紋理、移動位置、變換視角、動畫、滑鼠選取，高亮度顯示，包圍盒計算，搜索等一系列操作。
2、建立三維場景對於複雜的模型可藉助三維CAD軟體，如UG、Pro-E等建立，再通過VRLM方式讀如仿真場景。可在CAD軟體或Open Inventor環境中給主要的物體表面添加紋理。採用『相同結構多次使用』的方法可以有效減少模型調入時間，如同類型的車輛多次出現時，可調用內存中的同一個三維車輛模型。再如很上的隧道可通過多次調用短的隧道來實現。
3、建立包含仿真數據和系統所需知識庫，具體包括●模型數據包括車輛、隧道、其它附件等模型數據。
●仿真的原始數據和參數包括車輛屬性參數、隧道狀況參數、外界環境狀況參數等。
●仿真結果的分析和統計數據包括隧道內車輛數量、平均速度、最大CO濃度等的統計。
●仿真分析知識庫是指應用仿真結果數據對隧道狀況進行分析評價的知識或模型，應用它們可以給出對隧道進行控制建議。
4、採用三維滑鼠實現隧道全景或局部的交互式三維漫遊；可採用三維滑鼠實現隧道全景或局部的交互式三維漫遊，這裡設計三維滑鼠在場景中實現漫遊。虛擬圖形仿真子系統的人機互動模塊在隧道場景繪製模塊初始化後，就檢索三維滑鼠的存在，對三維滑鼠類進行初始化，建立三維滑鼠狀態與視點節點和隧道本體的位姿變換節點之間的聯繫。這樣，每當操作者改變三維滑鼠的當前狀態時，消息循環就會觸發對視點節點或隧道本體位姿變換節點的相應操作，從而實現場景視點或隧道位姿的變化。
5、車輛的動態產生、存儲和動態消失；車輛的動態產生實質上是把車模型節點加到隧道場景根節點下，成為其子節點.由於隧道和車模型是由UG圖形轉化而成的VRML文件格式，其存在硬碟上，這樣每產生一輛車就要從硬碟上讀取一次，造成CPU使用的極大的浪費，同時也造成了仿真的停頓現象。解決這一問題的方法是預先打開模型文件，並讀取一個OpenInventor節點，車輛產生時只要加此節點到隧道場景的根節點下。車輛的存儲應用VC本身的一個鍊表類CobList，CobList的功能類似雙向鍊表，並且用VC本身具有的類節省了運行空間，提高了運行速度。當車輛到達預定的位置時，就必須使之消失，否則，隨著仿真程序的不斷運行，計算機的內存空間會越來越小，直至死機.由於在車輛產生的時候，就給每一輛車分配了內存，所以在車輛到達目的需要消失的時候，就必須取消以前分配的那塊內存，並同時從隧道仿真場景中消失。
6、建立交通流仿真數學模型(1)車輛產生模型即發車模型是交通仿真模塊的一個重要組成部分，發車模型主要用於仿真單體的初始化。仿真單體的初始化是仿真模型中的一個關鍵性環節，在一定程度上，仿真單體的初始化決定了整個仿真模型宏觀特性的基調。此模型完成以下屬性的初始化。
A、初始化駕駛員—車輛屬性駕駛員屬性通過隨機數發生器，將駕駛員行為參數(如期望車速、目標車速、跟隨慢車的忍耐程度、駕駛員反應時間、駕駛員敏感性、變換車道時的可接受空當、對交通信號和交通標誌的屈從程度等)按某一分布(由調查數據獲得)隨機地賦給每一個駕駛員；車輛屬性根據調查所得的分布，將車輛種類、車輛性能等參數隨機地賦予每一輛車輛。車輛種類包括根據車身長度或載重進行車輛等級的分類、等分類。相應的車輛性能包括最大加速度、最大減速度、正常加速度、正常減速度。
B、出行時間產生模型泊松分布被成功地用於描述連續時間間隔內源節點的出發車輛數，這種計數分布所對應的間隔分布(車頭時距分布)就是負指數分布。由於兩輛車之間總存在最小車頭時距，因此移位負指數分布(SNED)被用於描述更具現實性的車頭時距分布。以下給出由Bunker所開發的SNED模型f(t)=EXP[-(t-T)],tT0,tT]]>式中，t為前後相繼出發的兩輛車之間的車頭時距(s)；(=aq1-Tq)]]>為單位時車輛出發的平均數；T為最小車頭時距，a為具有大於T的車頭時距的車輛的比率；q為平均車輛出發率，輛/s。
為了得到符合上式分布的車頭時距t，需要使用稱為逆變換(ITM)的數學方法，結果t=1lnar+T]]>式中，r為在區間[0，1]間均勻分布的隨機數。
記tn為後車n的出發時間，tn-1為前車n-1的出發時間，則tn-tn-1＝t，替換式中的t得到tn=tn-1+1lnar+T]]>參數T的存在基本上限制了車輛最大出發率為1/T(輛/s)。
(2)跟車模型車輛在路段上同一車道的駕駛過程中。車輛運動受到其前車的影響，駕駛員一方面希望以期望的速度行駛，另一方面又必須與前車保持一定的安全距離。後車相對於同車道前車可能處於三種狀態自由行駛、跟車行駛和緊急減速三種狀態；劃分路段上不同行車狀態的閥值用前後相鄰兩車的車頭時距來界定。當同一車道相鄰兩車的車頭時距大於某一閥值時，後車的行駛狀態已經不受前車的影響，該車處於自由行駛狀態，這裡的「自由行駛」指不受前車的約束，但仍然受到道路條件、交通管理法規、車輛性能、駕駛員的駕駛習慣的約束和影響；在這種情形下，假設駕駛員會調整加速度，達到其目標車速。當同一車道相鄰兩車的車頭時距小於該閥值時，車輛處於跟駛狀態通常的跟車模型基於刺激-反應模式，跟隨車輛改變其駕駛行為(加速度)的直接刺激來自於前後車的速度差，反應的靈敏度隨當前車速度的增加而增加，隨前後車距離的增加而變小。當車頭時距小於設定的最小值時，車輛處於緊急制動狀態，避免與前車相撞。
A、自由流模式當車輛處於頭車位置或與同車道的前車距離大於跟馳界限時(車頭時距大於8s)，車輛處於自由行駛狀態。此刻車輛所採用的加速度由車輛的當前速度與期望速度之間的差距確定。公式如下afree=amax+[1-[VVexp]2],(Vexp>V)amax-[1-[VexpV]2],(VexpV)]]>式中afree為自由行駛狀態下的加速度(m/s2)；amax+，amax-分別為跟馳車輛類型的最大加、減速度(m/s2)；V為跟馳車輛的當前速度(km/h)；Vexp為跟馳車輛的理想期望速度(km/h)。
B、緊急跟車模型當後行車輛與前車距離小於某一預設值時，採用緊急跟車模型an=minan-1-(Vn-Vn-1)22gap_lead,an-Vn>Vn-1minan-1,an-Vnvn-1]]>式中，an-1為前車的加速度，an-為後車的正常減速度，gap_lead離前車車尾的空間間距，Vn-1為前車速度C、一般跟馳模型當相鄰兩車的車頭時距小於跟駛閥值而又未到車頭時距的最小值時，車輛處於跟駛狀態。
一般情況下的跟車模型為採用EDIE非線性跟馳模型x**n(t+T)=0x*nm(t+T)[xn-1(t)-xn(t)]t*[x*n-1(t)-x*n(t)]]]>式中
為跟馳車輛在跟馳行駛過程中採用的加、減速度(m/s2)；T為駕駛員反應時間(s)；
為車輛n在t+T時刻的速度(m/s)；xn-1(t)、xn(t)分別為車輛n-1、n在t時刻的坐標(m)；
分別為車輛n-1、n在t時刻的速度(m/s)；α0、m、l為跟馳模型的標定參數。
由於仿真採用掃描時段法，因此，駕駛員不可能在每個掃描時段都經過一段反應時間後才作出加速度判斷，因此，在本仿真模型中忽略反應時間T，模型如下x**n(t)=0x*nm(t)[xn-1(t)-xn(t)]t*[x*n-1(t)-x*n(t)]]]>這裡的加、減速度在仿真過程中受到各車輛類型的最大加、減速度的限制，避免純粹按照公式計算出現極端狀況。
(3)車道變換模型在早期的換道模型中，人們只是考慮目標車道的前後空檔是否滿足，若滿足則實施換道行為。沒有考慮車輛與相鄰車道的前後車之間的競爭與合作關係，將前後空檔作為仿真系統的一個系統參數固定下來。然而，車輛的換道行為是一個複雜的主觀行為，不僅與相鄰車道的前後空檔有關，還應與車輛類型、當前車輛與目標車道前後車的相對速度、司機的類型(謹慎型、普通型、衝動型)、道路天氣情況等有關。
車輛的換道意圖，主要分為強制性換道和選擇性換道。強制性換道是車輛由於轉彎或前方發生交通事故或車道使用的限制而必須換道。選擇性換道則是因為車輛的行駛速度達不到或者超出了司機的心理期望值而進行換道。
駕駛員車道變換主要包含以下三個過程(子模型)決定是否變換車道(車道變換決策模型)、尋找可接受的空當(變換車道條件模型)、車道變換的具體策略(變換車道執行策略模型)。在強制變換車道中有一種特殊的情形——擠壓車道變換(ForcingLane-changing)，指在通常的變換車道條件不具備的情況下，當前車駕駛員通過擠壓相鄰車道的車流，迫使某一空當的後車減速，從而擠壓出可接受的空當來變換車道的行為。一旦做出以上決策之後，駕駛員將檢查是否具備變換車道的條件，即相鄰車道是否有可接受的前空當和後空當。如果變換車道的條件具備，駕駛員將執行車道變換。
當前車輛n以速度Vn、加速度an在車道II行駛，並產生換道意圖。可供其選擇的車道有車道I和車道III，若選擇車道I，則它與前車n-1的距離計為gap_lead，與後車n+1的距離計為gap_lag，車長計為L。車輛的期望速度Vn0由車輛類型、司機類型等因素決定，定義為Vn0=Vn*]]>
其中，Vn為第n輛車的正常行駛速度，由車型決定，為系統參數；θ為冒險係數，反應司機的類型，為一正態分布的隨機數，介於0.5與1.5之間(即均值為1)。θ越小，表明司機越謹慎，反之，表明司機越衝動。隨機數的生成方法如下=mean+(-7+i=114(Random Number[0..1]))*Standard Deviation]]>=0.5,0.5,0.51.51.5,>1.5]]>其中，mean表示均值，Random Number表示一隨機數產生器，StandardDeviation表示均方差。車輛的實際行駛速度Vn由於車輛受到車道的限制(如限速或交通事故等)或受到前車的影響，往往不能以其期望速度行駛。
Vn＝min(Vlane_i，V*)其中，Vlane_i表示車道i的限制車速；V*表示由於前車影響而受限制的車速，其取值按跟車模型計算(見公式(5))。若VnVn0,]]>則車輛將產生變更車道的意圖(選擇性換道)。
A、強制性換道當車輛接近路口時需要重新進行路徑選擇(或者路徑已經事先確定)，若需要在路口轉彎，則可能需要變換車道，此時的變更車道行為是強制性的，否則車輛將無法到達目的地。若在車輛行駛的前方發生了交通事故或其他事件而影響車輛通過時，也將產生強制變更車道意圖，否則車速將降為零。這一情況也適用於交通堵塞情形，此時的車速降為零。如圖1所示，假設車輛以速度Vn行駛，其距離事故地點距離為ln產生強制換道意圖，並以減速度an減速，或者車輛n在無法變更車道的情況下應能保證在事故地點前停下。因此an=-Vn22(ln-)]]>其中，an為負值表示車輛n減速，σ為一安全裕量，表明車輛在事故地點前σ米處停下。一般而言，當車輛距離事故地點越近，則其變更車道的意圖越強烈，定義pn(t)=1-r*ln(t)-ln]]>pn(t)為車輛實施換道的概率，ln(t)為t時刻車輛n距離事故地點的距離。r與司機類型有關，是冒險係數θ的函數，θ的取值範圍是[0.5，1.5]，r是θ的減函數，定義如下r＝0.1θ2-0.45θ+0.95易見，r的取值範圍為[0，1]當車輛n產生變更車道的意圖後，它將以減速度an減速，並檢查gap_lead是否滿足其變更車道的要求，即gap_lead是否大於等於跟車模型所要求的車間距gap_lead_needed。gap_lead_needed的確定依據為由於車輛n要換道到車道I，它應將自己當作行駛在車道I上，並以車輛n-1為頭車，滿足跟車模型。若gap_lead已經滿足跟車模型所要求的車間距gap_lead_needed，車輛n不會加速行駛，轉而判斷gap_lag是否滿足其變更車道到車道I要求。若gap_lag_needed也滿足跟車模型的要求，則車輛n換道，否則，車輛n發出換道信號給車輛n+1，並等待車輛n+1的回應。而車輛n+1以概率pn(t)決定是否減慢車速以給車輛n讓出足夠的空間。若車輛n在到達事故地點時仍無法換道，其速度降為零。此時它停車等待，並不斷地發出換道請求，其pn(t)＝1。在車輛的加速度an和相對速度已知的條件下，gap_lead_needed及gap_lag_needed的取值可由跟車模型推出。本文採用Herman跟車模型an=a0*Vn(gap_lead_needed)*(Vn-1-Vn)]]>an-1=a0*Vn+1(gap_lag_needed)*(Vn-Vn+1)]]>其中，α、β為系統參數。當α＝、β＝2時，Herman模型轉變為Pipes模型。當α＝0、β＝1時，轉變為Gazis模型。綜上所述，當車輛產生強制換道意圖後，它將首先減速，開選擇目標車通。在確定了目標車道後，再判斷它在目標車道的前後空檔。若前後空檔都滿足，則實施換道。否則，若前檔gap_lead_needed不滿足，它將繼續減速。若後檔gap_lag_needed不滿足，它就向後車n+1發出換道請求，後車以概率pn(t)決定是否減速以讓出足夠空檔。pn(t)是一個遞增的變量，隨著車輛n距離事故地點越近，取值越大。若因為堵車或其他特殊情況，在pn(t)＝1時，車輛n仍無法換道，它此時的速度已經降為零，即停車等待。
B、選擇性換道若車輛n的實際行駛速度Vn小於其期望速度Vn0，則車輛將產生選擇性換道的意圖。和強制性換道不同的是，它不會因為客觀條件的限制無法滿足時而停車等候，車輛n只會以較低的速度繼續在原車道行駛，因此其換道的行為與強制性換道不同。當車輛n產生換道意圖後，它將判斷其前後空檔gap_lead、gap_lag是否滿足要求，如滿足則開始換道行為，其中gap_lead_needed、gap_lag_needed的取值與強制性換道中討論的一樣，即滿足公式(5)。若gap_lead＜gap_lead_needed，則它將減速，減速度取車輛的正常減速度(正常減速度為一系統參數，與車輛類型、司機類型等因素有關)，一直將速度減到能滿足gap_lead_needed的要求為止。此時相當於車輛n在車道I上跟者車輛n-1行駛，雖然它仍在本車道上。如圖2所示，當gap_lead≥gap_lead_needed後，車輛n再判斷gap_lag是否大於gap_lag_needed，若不滿足，它將以現有速度繼續行駛，並給車輛n+1發出請求換道信號。車輛n+1以一定的概率pn+1選擇是否減速以給車輛n讓出足夠的空檔。pn+1定義為pn+1=min(0.75,(Vn-Vn0)(1.5-))]]>α為系統參數，取0.2；θ為司機的衝動係數。由此看出，車輛n有可能無法完成換道行為，也有可能在車輛n+1以後的某個車輛後完成換道行為。
7、實現交通仿真交通仿真實現方法如圖3所示。其中每個車道的車流採用鍊表形式的數據結構保存。
其交通仿真過程為本交通流仿真系統總的仿真思路周期掃描法模擬時鐘按固定時間步長(必須足夠小)向前推進，每推進一步就掃描一次全部臨近的未來事件發生時刻和產生條件。看產生時刻是否等於或小於當前時刻和有無產生條件已滿足的事件，如果有則模擬該事件，否則就繼續向前推進模擬時鐘。如此不斷地重複下去，直到仿真仿真時間結束。
車輛發出以後，啟動了計時器(settimer)，系統狀態及統計變量等置以初始值。每一個仿真時間段(20ms)內計算每輛車的速度，加速度以及車輛行走的總距離。每一步都要對前方車輛和旁邊臨近車輛進行判斷，確定是否可以換車，如換車道就加速並轉到旁邊車道，如不能就用跟馳模型控制速度。在每個仿真時間段內，我們可以得到車的位置信息後更新此車的位置節點。最後還要判斷是否要發車及退出仿真的條件(仿真時間)否已滿足。如系統要求發車則調發車模型。如果模擬終止條件滿足，則結束仿真。
8、確定空氣狀況決定因素它包括車輛數量、車輛汙染物排放因子、車輛平均速度、風速、隧道長度、外界環境狀況；(1)空氣狀況決定數據空氣狀況決定因素車輛數量、車輛汙染物排放因子、車輛平均速度、風速、隧道長度、外界環境狀況。其中隧道長度為已知，外界環境的空氣狀況由實際測量得到，以下是其它各參數的確定方法。
A、車輛汽車汙染物排放因子公路汽車汙染物排放因子行駛在公路上的汽車平均單車行駛單位裡程排放的汙染物的質量，單位g/(km.輛)車輛汙染物排放因子主要通過測量得到，測量的方法主要有兩鍾a.單車汙染物排放因子的實驗室測量這種方法是在試驗室測功機上對正在使用的汽車的汙染物排放因子的測量。
測量中可以發現各種汽車汙染物排放因子的離散性很大，因此採用少數單車的汙染物排放因子計算實際交通中的測量汙染物排放常出現誤差非常大的情況。
b.交通隧道內的平均單車汙染物排放因子的測量這種方法是通過檢測運營隧道內汙染物濃度分布和隧道內風速等環境要素，再通過大氣擴散方程可求出車流中平均單車汙染物排放因子。
這樣得出的汙染物排放因子是代表實際機動車車流在真實狀態下的汙染物排放水平，所以也更為可靠。這種方法已廣被西方國家所採用。
B、車輛的數量和平均行駛速度車輛的數量和平均速度可由測量仿真模塊統計出。
C、風速隧道內的風速，除了和隧道結構有關外，主要受三個因素影響自然流動、車輛影響、風扇。這裡暫不考慮自然因素，只考慮車輛和風扇的影響。
車輛對風速的影響可根據測量平均速度和平均迎風面積，通過動量或動能定理得出。
風扇對風速的影響根據風扇的功率和能量守恆規律計算出風扇對風速的影響。
(2)空氣狀況仿真模型因隧道比較長，可認為截面上汙染物分布均勻。所以把隧道空氣狀況看做一維穩態物質輸運方程。不考慮汽車排放汙染物的化學反應衰減過程，則根據穩態質量守恆方程得到u(x)C(x)x=q-kC(x)]]>其中C(x)隧道內汙染物濃度mg/m3u(x)隧道內的風速，m/sk汙染物在隧道內沉降率，s-1q隧道內單位體積汙染物排放速率或緣強，mg/(s.m3)
9、建立三維虛擬仿真系統三維虛擬仿真系統的總體結構如圖4所示。隧道檢測設備實時或模擬檢測的數據，經預處理後傳遞給三維虛擬環境中的各仿真模塊，經過三維仿真後，利用仿真模塊中的數學模型，並結合經積累的知識和經驗，做出對隧道設備的智能控制建議。各模塊功能如下。
●檢測數據的預處理模塊檢測隧道內車輛、環境狀況等數據，並傳遞給仿真模型。
●隧道三維漫遊模塊實現隧道的全景和局部的交互式三維漫遊，使觀察者可以根據自己的意願，察看隧道的各個部分，包括這種設施的工作狀態。
●隧道交通仿真模塊交通仿真模塊能夠根據檢測數據實時仿真隧道中交通狀況。
●隧道空氣狀況仿真可以通過顏色的不同，在虛擬的三維隧道場景中實時顯示隧道中空氣的CO濃度、空氣溫度等方面的分布和變化。
●隧道照明狀況仿真模塊通過三維場景中的亮度來反應隧道的光照狀態，光照狀態隨實時檢測的光照情況變化。
●智能控制模塊智能控制模塊是利用仿真模塊中的數學模型，並結合經積累的知識和經驗，建立智能控制模型，做出對隧道設備的智能控制建議或實現對設備的實時控制。
以上所述內容僅為本發明構思下的基本說明，而依據本發明的技術方案所作的任何等效變換，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實現方法，其特點是，方法包括以下步驟(1)採用VC構建系統平臺和相關界面，應用三維圖形仿真工具OpenInventor來實現三維場景的虛擬仿真；(2)建立三維場景；對於複雜的模型可藉助三維CAD軟體，如UG、Pro-E等建立，再通過VRLM方式讀如仿真場景；(3)建立包含仿真數據和系統所需知識庫，具體包括●模型數據包括車輛、隧道模型數據；●仿真的原始數據和參數包括車輛屬性參數、隧道狀況參數、外界環境狀況參數；●仿真結果的分析和統計數據包括隧道內車輛數量、平均速度、最大CO濃度的統計；●仿真分析知識庫是指應用仿真結果數據對隧道狀況進行分析評價的知識或模型，應用它們可以給出對隧道進行控制建議；(4)採用三維滑鼠實現隧道全景或局部的交互式三維漫遊；(5)車輛的動態產生、存儲和動態消失；應用VC本身的一個鍊表類CobList，CobList進行車輛的存儲；當車輛到達預定的位置時，就必須使之消失，在車輛到達目的需要消失的時候，就必須取消以前分配的那塊內存，並同時從隧道仿真場景中消失；(6)建立交通流仿真數學模型包括A、車輛產生模型即發車模型；B、出行時間產生模型；C、跟車模型；D車道變換模型；(7)實現交通仿真每個車道的車流採用鍊表形式的結構保存，訪真過程用周期掃描法；(8)確定空氣狀況決定因素；它包括車輛數量、車輛汙染物排放因子、車輛平均速度、風速、隧道長度、外界環境狀況；(9)建立三維虛擬仿真系統它包括以下模塊●檢測數據的預處理模塊檢測隧道內車輛、環境狀況等數據，並傳遞給仿真模型；●隧道三維漫遊模塊實現隧道的全景和局部的交互式三維漫遊，使觀察者可以根據自己的意願，察看隧道的各個部分，包括這種設施的工作狀態；●隧道交通仿真模塊交通仿真模塊能夠根據檢測數據實時仿真隧道中交通狀況；●隧道空氣狀況仿真模塊可以通過顏色的不同，在虛擬的三維隧道場景中實時顯示隧道中空氣的CO濃度、空氣溫度等方面的分布和變化；●隧道照明狀況仿真模塊通過三維場景中的亮度來反應隧道的光照狀態，光照狀態隨實時檢測的光照情況變化；●智能控制模塊智能控制模塊是利用仿真模塊中的數學模型，並結合經積累的知識和經驗，建立智能控制模型，做出對隧道設備的智能控制建議或實現對設備的實時控制。
專利摘要
本發明公開了一種用於隧道綜合監控的交互動態虛擬實現方法，特點是，實現了隧道的環境，包括車輛，道路、隧道結構等的全三維虛擬仿真。在交通模型的建立中，創造性地考慮了駕駛員的行為屬性，並詳細分解了車輛運行的各種模式仿真計算模型。對隧道環境的仿真考慮了車輛的排放因子、通風、隧道造型等的影響。實現了隧道交通、排風、環境等的隧道綜合性的仿真系統。本發明的有益效果是提供虛擬試驗環境，可以在隧道施工以前了解設計效果、有效安排施工方案，縮短設計周期，提高設計質量，節省設計和施工費用；為隧道優化控制方案、改善控制策略，有效地提高控制效率。虛擬仿真技術在隧道仿真的成功應用可以為其它行業提供借鑑和參考。
文檔編號G06T17/40GK1991845SQ200510112187
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月29日
發明者康盛, 餘鹿延, 姚勝東, 沈毅, 李一丁, 包勤峰, 羅紅 申請人:上海電氣自動化設計研究所有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan