创新训练项目设想

影响汽车驾驶行为的关键因素研究与建模包括项目的研究意义、国内外研究现状分析，并附主要参考文献及出处(可附页)随着城市化进程的快速发展，城市人口日益增长，城市规模不断扩大。当越来越多的人群共享城市优越性的同时，大量的城市问题也亟待改善，比如环境污染、资源紧缺、能源危机、交通堵塞、意外事件等。城市空间系统的显著不平衡严重危害着人们的生活质量，威胁着人类的生命财产安全，大大降低了人的工作效率。尤其是汽车消费大众化的发展趋势之下，交通规划与管理的难度日益加剧。各国政府以及相关部门正在积极探索城市规划与管理水平提高的途径和技术手段，来促进城市合理科学的发展。如何通过信息技术解决交通规划、服务与管理问题，提高人们的工作效率，营造高效、和谐的城市环境，具有极高的研究价值和应用前景。此外，如何利用计算机仿真技术加强交通法规与安全知识的宣传监管，强化人们的交通安全意识，养成良好的行驶习惯，促进社会和谐发展，将蕴含着巨大的培训教育潜能。交通系统中人与物在空间上的转移形成了交通流。交通流理论的形成始于20世纪30年代，最初应用概率与数理统计理论分析交通流的分布规律。后来随着欧美等国家汽车工业的迅速发展，逐渐造成了日益严重的道路交通问题。一些物理学等领域的理论，如流体力学理论、回波理论和动力学跟踪理论，应用到分析交通流变化规律中。目前，交通流理论仍然处在不断发展完善的过程。Hoogendoorn等人综述了五十多年来交通流建模的研究成果，并按照构建的细节层次对交通流模型加以划分，详细介绍了宏观、中观、微观三个层次的建模［1］。宏观层次上，采用流体力学偏微分方程表示交通密度、车速、交通量三者之间的关系，然后通过连续或离散的方法进行数值求解。宏观模型适于大规模路网的交通流预测和控制，但是模型比较粗糙。中观层次上，采用气体动力学连续或离散方程表示车队的车距、车速和空间密度的关系，建立了多车道多车型情况下前后车之间的相关性。中等模型变量比较多，但可以通过离散化的方法得到宏观量。微观层次上，需要刻画交通流中的每一个个体车辆的属性和运动，并应用路网模型再现交通的宏观特性，如元胞自动机模型和粒子模型。微观模型由于计算量比较大，可以用在离线路网分析和设计评估、预测中，不适合在线实际路网的交通流统计。大多数算法基于元胞自动机(CA)模型，CA是Nagel等人在90年代基于连续的车辆跟驰模型提出的，并逐步完善，得到了单车道跟驰模型和多车道换道模型的离散网格模型。CA模型是一个时间、空间、状态变量都离散的动力学模型，该模型并行局部更新元胞状态，适合计算机计算，能够实现大规模路网的快速计算。CA模型在交通流的研究中得到广泛应用，并推广成为模拟非线性复杂系统的一种有效工具。不足之处是模型网格过于粗糙，规则简单，不能保证运动仿真的精度，每次移动一个格子或者不动，移动的方向只是邻近的格子方向。后来一些方法把车辆的运动变为连续的位置变化和任何方向的移动。这些方法只是行驶过程简单的情况选择，缺乏驾驶人的特征。早期国内的一些学者根据实测数据展开研究，建立数学模型，对道路、交叉口的设计加以分析、评价和预测，如钟小明等人研究高速路的几何线形设计一致性评你2］，孙明正、李峰等人对平面交叉口设计进行评价［3］。然而这种方法存在着一些缺点，如实测数据的代价比较大，收集数据的周期比较长，特别是由于交通系统的规律发展变化很快，静态数据的历史统计很容易过时。一些学者通过仿真技术研发微观交通仿真系统，如钟邦秀等人采用面向对象方法侧重于系统设计与实现［4］，商蕾等人在仿真系统中构建车辆跟驰和换道模型来模拟车辆运动⑸，韩凤春等人侧重于信号交叉口的交通延误的确定⑹。交通流仿真技术在城市道路、高速公路、公共交通和私人交通等领域已经有了广泛应用，克服了实测数据统计方法的不足，再现交通重要特征，具有低成本的优点。通过对仿真数据的评价与分析，为规划方案提供有力依据，便于方案对比和选择，大大节约成本，将对交通规划产生深远的指导意义。目前，构建智能交通系统已经成为改善交通的重要手段。智能交通系统是向公众或特殊受众群体提供综合交通信息服务的智能化信息系统。智能化交通信息服务系统一般包括了信息源、信息处理和信息发布显示等部分。信息处理部分包含了交通流的在线和离线的统计分析、预测，从而为交通规划和管理提供依据。近十年来，德国、瑞士、美国、英国等国的公司、高校和研究所开展了大量的城市交通信息系统的研究，并形成了商业化的仿真软件及开发平台，能够管理城市的路网和交通数据，用于交通预测、分析、评估。如德国德鲁斯顿的仿真系统［7］，瑞士联邦理工学院的交通模拟Matsim系统［8］，德国PTV集团的宏观规划Visum系统［9］，美国LosAlamos国家实验室开发的大规模交通网仿真Transims系统［10］，德州奥斯丁分校的交叉口交通预测系统［11］。美国Caliper公司开发的TransModeler多功能交通仿真软件包［12］，能够与TransCAD交通规划和交通地理信息系统软件有机结合，模拟交通流和智能交通管理。英国Sias公司和Quadstone公司分别开发了Paramics微观仿真软件"I，前者用于交通规划、道路设计等管理事务中，后者用于交叉口信号控制及智能交通系统的仿真和交通污染等模拟。这些系统从物理运动角度为车流在道路上的状态进行了离散模拟，其模拟速度有限，还不能快速反馈模拟结果，而且仿真模型缺乏驾驶员心理行为数据支持，难以表达个体的主观行为。构建智能的、最大程度反映交通特性的模型已经成为发展的必然趋势。智能体(Agent)技术是智能领域的一个重要发展方向，广泛应用于人工生命、计算机动画、计算机仿真等研究课题中。著名的Agent理论研究者、英国的Wooldridge博士和Jennings教授认为，Agent是一个具有自主性、社会能力、反应性和能动性等性质的基于硬件或者软件的计算机系统。该定义允许在更宽范围的环境中设计Agent，并增加了通讯要求。Agent技术在交通仿真领域有着大量的研究工作。华盛顿大学的UrbanSim系统基于Agent进行土地利用规划［14］°PTV公司的Vissim是一个离散的、随机的、以十分之一秒为时间步长的微观仿真软件，加入了基于Agent的行人及车辆出行模型，包括跟车和车道变换模型。车辆的纵向运动采用了德国Karlsruhe大学Wiedemann教授的“心理一生理跟车模型”；横向运动(车道变换)采用了基于规则的算法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。Transims系统在现实城市的大规模交通网中，采用Agent技术模拟每秒钟行人和车辆的移动°Paramics软件模拟车辆间跟车、车道变换时的相互作用，但还不能模拟驾驶员的感知决策°Burmeister等人分析了MultiAgent在交通系统导航导行等领域的应用前景［15］，采用BDI模型描述了驾驶员跟驰和换道的驾驶行为。但是该模型过于简单粗糙。Donikian和Thomas等人为了仿真模拟电动汽车的运行，构造虚拟城市环境Vuems，通过环境描述方便了角色的认知，模拟了行人和驾驶员在路口和道路上的行为动画［16,17］。法国交通和安全研究所(INRETS)对驾驶员心理进行了深入研究建立了驾驶行为模型，Champion和Doniec等人开发了一个多智能体(MultiAgent)结构的仿真模型Archisim，并在小规模路网进行了应用［成也20］。Wu等人研究行人的交通安全因素，利用人机交互模拟驾驶速度与行人安全的关系［21］。张发等人采用Agent框架刻画驾驶行为，加入驾驶员反应时间和随机变量，再现车辆跟驰的交通流［22］，但是该系统的驾驶行为过于简单。秦双等人㈣研究了超车驾驶行为，并利用虚拟环境加以模拟°Treiber等人构建三维交通仿真系统，模拟车辆跟驰、换道和爬坡的过程［24］。综上所述，这些仿真模型以车辆单元为研究对象，采用了刺激驱动机制，也就是说，交通环境对车辆产生刺激来驱动车辆行驶，还没有建立驾驶员主体的动机模型，没有驾驶行为的精确描述。从心理学的基本理论出发，行为是由一定的心理需要和动机驱动产生的，其心理过程由认知、情绪和意志组成，并表现出相对稳定的个性心理特征。心理学的信息加工理论认为，人的认知过程是一个十分复杂的过程，是人认识客观事物的过程，是对信息进行加工处理的过程。认知过程由人的感觉、知觉、记忆、思维和想象等认知要素组成，具有感知环境、对刺激做出反应的能力，并伴随心理、情感等特征和动机，具备高级的决策能力，产生主动行为。应用该理论，计算机动画角色模型在几何模型、物理模型、生物力学模型、行为模型基础上增加了认知模型，通过角色认知建模表现行为的智能。如人工鱼的研究，Tu等人基于生物物理模型和智能行为模型建立了人工鱼的感知、行为、运动系统侦。Funge等人则采用认知建模方法即区间值认知流模型，赋予动画角色跟踪环境、执行所希望的行为能力[26]，鱼群十分逼真。在群体动画的行为建模中，Thalmann等人研究了动画角色的个体和群体的智能行为[27]。班晓娟等人系统阐述了人工鱼的设计方案及繁衍进化等模型[28]，以及在人工生命研究中的应用。本文提出应用心理学技术和多智能体技术进行交通流驾驶行为的微观仿真，重现真实生活中高度复杂的很难用数学表示的交通情况，研究车辆之间的运动关系和车流的变化规律。构建可靠的驾驶员车辆单元的完整模型成为交通流微观仿真的一个关键问题。但由于驾驶员的心理特征和认知过程是很难测量、建模和验证的，使得构建可靠的驾驶员车辆单元的完整模型又成为一个十分复杂的难题。此外驾驶行为与周围环境有着密切联系，比如各种天气条件、交通路况都会制约驾驶员的判断、决策和车辆的运动。如此复杂的系统工程，采用了分而治之的策略，交通流中每个驾驶员用一个Agent表示，赋予Agent一定的身体状况和心理特征，产生内在的心理动机，建立信息加工单元，模拟信息加工的心理过程，感知交通环境、决策驾驶行为等，逼近车辆运动的本质，并协调多Agent的驾驶行为，进行交通流微观仿真。本文的方法具有以下三个意义：可以表现不同的驾驶风格和不同交通环境下的驾驶行为，也就对不同特征的交通流进行了仿真；用计算机仿真的实验验证认知心理学的理论模型，为驾驶心理研究、安全教育、培训仿真等研究提供平台；用离线仿真技术比较城市规划和交通规划的方案，提高交通管理的效率，为实际应用打下基础。研究交通流驾驶行为的微观仿真是一个涉及心理学、信息技术多学科交叉的研究课题，通过本课题的研究，能锻炼队伍多方面的能力。参考文献[1]S.P.Hoogendoorn,P.H.L.Bovy.State-of-the-artofvehiculartrafficflowmodeling[J].JournalofSystemsandControlEngineering,SpecialIssueonRoadTrafficeModelingandControl,2001,215(4):283-303.⑵钟小明，元海英，荣建，刘小明.用于路线设计的小客车速度模型研究[J].北京工业大学学报,2005,31(2):155-160.孙明正，吴志周，杨晓光.城市道路平面交叉口交通设计评价系统设计与开发[J].交通与计算机,2003,21(1):23-26.钟邦秀，扬晓光.面向对象微观交通仿真系统的研究与实现[J].系统仿真学报，2002,14(4):418-421.商蕾，陆化普.城市微观交通仿真系统及其应用研究[J].系统仿真学报，2006,18(1):221-224.韩凤春，曹金璇，翟润平.信号交叉口交通延误的微观仿真研究[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2004,4:75-77.http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/vkw/iwv/tme/videosim/http://www.english.ptv.de/cgi-bin/traffic/traffic.pl/transims//users/kdresner/papers/2005a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