創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)想

影響汽車駕駛行為的關(guān)鍵因素研究與建模包括項(xiàng)目的研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，并附主要參考文獻(xiàn)及出處(可附頁)隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市人口日益增長，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。當(dāng)越來越多的人群共享城市優(yōu)越性的同時(shí)，大量的城市問題也亟待改善，比如環(huán)境污染、資源緊缺、能源危機(jī)、交通堵塞、意外事件等。城市空間系統(tǒng)的顯著不平衡嚴(yán)重危害著人們的生活質(zhì)量，威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全，大大降低了人的工作效率。尤其是汽車消費(fèi)大眾化的發(fā)展趨勢之下，交通規(guī)劃與管理的難度日益加劇。各國政府以及相關(guān)部門正在積極探索城市規(guī)劃與管理水平提高的途徑和技術(shù)手段，來促進(jìn)城市合理科學(xué)的發(fā)展。如何通過信息技術(shù)解決交通規(guī)劃、服務(wù)與管理問題，提高人們的工作效率，營造高效、和諧的城市環(huán)境，具有極高的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。此外，如何利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)加強(qiáng)交通法規(guī)與安全知識的宣傳監(jiān)管，強(qiáng)化人們的交通安全意識，養(yǎng)成良好的行駛習(xí)慣，促進(jìn)社會和諧發(fā)展，將蘊(yùn)含著巨大的培訓(xùn)教育潛能。交通系統(tǒng)中人與物在空間上的轉(zhuǎn)移形成了交通流。交通流理論的形成始于20世紀(jì)30年代，最初應(yīng)用概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論分析交通流的分布規(guī)律。后來隨著歐美等國家汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，逐漸造成了日益嚴(yán)重的道路交通問題。一些物理學(xué)等領(lǐng)域的理論，如流體力學(xué)理論、回波理論和動力學(xué)跟蹤理論，應(yīng)用到分析交通流變化規(guī)律中。目前，交通流理論仍然處在不斷發(fā)展完善的過程。Hoogendoorn等人綜述了五十多年來交通流建模的研究成果，并按照構(gòu)建的細(xì)節(jié)層次對交通流模型加以劃分，詳細(xì)介紹了宏觀、中觀、微觀三個(gè)層次的建模［1］。宏觀層次上，采用流體力學(xué)偏微分方程表示交通密度、車速、交通量三者之間的關(guān)系，然后通過連續(xù)或離散的方法進(jìn)行數(shù)值求解。宏觀模型適于大規(guī)模路網(wǎng)的交通流預(yù)測和控制，但是模型比較粗糙。中觀層次上，采用氣體動力學(xué)連續(xù)或離散方程表示車隊(duì)的車距、車速和空間密度的關(guān)系，建立了多車道多車型情況下前后車之間的相關(guān)性。中等模型變量比較多，但可以通過離散化的方法得到宏觀量。微觀層次上，需要刻畫交通流中的每一個(gè)個(gè)體車輛的屬性和運(yùn)動，并應(yīng)用路網(wǎng)模型再現(xiàn)交通的宏觀特性，如元胞自動機(jī)模型和粒子模型。微觀模型由于計(jì)算量比較大，可以用在離線路網(wǎng)分析和設(shè)計(jì)評估、預(yù)測中，不適合在線實(shí)際路網(wǎng)的交通流統(tǒng)計(jì)。大多數(shù)算法基于元胞自動機(jī)(CA)模型，CA是Nagel等人在90年代基于連續(xù)的車輛跟馳模型提出的，并逐步完善，得到了單車道跟馳模型和多車道換道模型的離散網(wǎng)格模型。CA模型是一個(gè)時(shí)間、空間、狀態(tài)變量都離散的動力學(xué)模型，該模型并行局部更新元胞狀態(tài)，適合計(jì)算機(jī)計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模路網(wǎng)的快速計(jì)算。CA模型在交通流的研究中得到廣泛應(yīng)用，并推廣成為模擬非線性復(fù)雜系統(tǒng)的一種有效工具。不足之處是模型網(wǎng)格過于粗糙，規(guī)則簡單，不能保證運(yùn)動仿真的精度，每次移動一個(gè)格子或者不動，移動的方向只是鄰近的格子方向。后來一些方法把車輛的運(yùn)動變?yōu)檫B續(xù)的位置變化和任何方向的移動。這些方法只是行駛過程簡單的情況選擇，缺乏駕駛?cè)说奶卣?。早期國?nèi)的一些學(xué)者根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)展開研究，建立數(shù)學(xué)模型，對道路、交叉口的設(shè)計(jì)加以分析、評價(jià)和預(yù)測，如鐘小明等人研究高速路的幾何線形設(shè)計(jì)一致性評你2］，孫明正、李峰等人對平面交叉口設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)［3］。然而這種方法存在著一些缺點(diǎn)，如實(shí)測數(shù)據(jù)的代價(jià)比較大，收集數(shù)據(jù)的周期比較長，特別是由于交通系統(tǒng)的規(guī)律發(fā)展變化很快，靜態(tài)數(shù)據(jù)的歷史統(tǒng)計(jì)很容易過時(shí)。一些學(xué)者通過仿真技術(shù)研發(fā)微觀交通仿真系統(tǒng)，如鐘邦秀等人采用面向?qū)ο蠓椒▊?cè)重于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［4］，商蕾等人在仿真系統(tǒng)中構(gòu)建車輛跟馳和換道模型來模擬車輛運(yùn)動⑸，韓鳳春等人側(cè)重于信號交叉口的交通延誤的確定⑹。交通流仿真技術(shù)在城市道路、高速公路、公共交通和私人交通等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，克服了實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的不足，再現(xiàn)交通重要特征，具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。通過對仿真數(shù)據(jù)的評價(jià)與分析，為規(guī)劃方案提供有力依據(jù)，便于方案對比和選擇，大大節(jié)約成本，將對交通規(guī)劃產(chǎn)生深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。目前，構(gòu)建智能交通系統(tǒng)已經(jīng)成為改善交通的重要手段。智能交通系統(tǒng)是向公眾或特殊受眾群體提供綜合交通信息服務(wù)的智能化信息系統(tǒng)。智能化交通信息服務(wù)系統(tǒng)一般包括了信息源、信息處理和信息發(fā)布顯示等部分。信息處理部分包含了交通流的在線和離線的統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)測，從而為交通規(guī)劃和管理提供依據(jù)。近十年來，德國、瑞士、美國、英國等國的公司、高校和研究所開展了大量的城市交通信息系統(tǒng)的研究，并形成了商業(yè)化的仿真軟件及開發(fā)平臺，能夠管理城市的路網(wǎng)和交通數(shù)據(jù)，用于交通預(yù)測、分析、評估。如德國德魯斯頓的仿真系統(tǒng)［7］，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的交通模擬Matsim系統(tǒng)［8］，德國PTV集團(tuán)的宏觀規(guī)劃Visum系統(tǒng)［9］，美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的大規(guī)模交通網(wǎng)仿真Transims系統(tǒng)［10］，德州奧斯丁分校的交叉口交通預(yù)測系統(tǒng)［11］。美國Caliper公司開發(fā)的TransModeler多功能交通仿真軟件包［12］，能夠與TransCAD交通規(guī)劃和交通地理信息系統(tǒng)軟件有機(jī)結(jié)合，模擬交通流和智能交通管理。英國Sias公司和Quadstone公司分別開發(fā)了Paramics微觀仿真軟件"I，前者用于交通規(guī)劃、道路設(shè)計(jì)等管理事務(wù)中，后者用于交叉口信號控制及智能交通系統(tǒng)的仿真和交通污染等模擬。這些系統(tǒng)從物理運(yùn)動角度為車流在道路上的狀態(tài)進(jìn)行了離散模擬，其模擬速度有限，還不能快速反饋模擬結(jié)果，而且仿真模型缺乏駕駛員心理行為數(shù)據(jù)支持，難以表達(dá)個(gè)體的主觀行為。構(gòu)建智能的、最大程度反映交通特性的模型已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢。智能體(Agent)技術(shù)是智能領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，廣泛應(yīng)用于人工生命、計(jì)算機(jī)動畫、計(jì)算機(jī)仿真等研究課題中。著名的Agent理論研究者、英國的Wooldridge博士和Jennings教授認(rèn)為，Agent是一個(gè)具有自主性、社會能力、反應(yīng)性和能動性等性質(zhì)的基于硬件或者軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該定義允許在更寬范圍的環(huán)境中設(shè)計(jì)Agent，并增加了通訊要求。Agent技術(shù)在交通仿真領(lǐng)域有著大量的研究工作。華盛頓大學(xué)的UrbanSim系統(tǒng)基于Agent進(jìn)行土地利用規(guī)劃［14］°PTV公司的Vissim是一個(gè)離散的、隨機(jī)的、以十分之一秒為時(shí)間步長的微觀仿真軟件，加入了基于Agent的行人及車輛出行模型，包括跟車和車道變換模型。車輛的縱向運(yùn)動采用了德國Karlsruhe大學(xué)Wiedemann教授的“心理一生理跟車模型”；橫向運(yùn)動(車道變換)采用了基于規(guī)則的算法。不同駕駛員行為的模擬分為保守型和冒險(xiǎn)型。Transims系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)城市的大規(guī)模交通網(wǎng)中，采用Agent技術(shù)模擬每秒鐘行人和車輛的移動°Paramics軟件模擬車輛間跟車、車道變換時(shí)的相互作用，但還不能模擬駕駛員的感知決策°Burmeister等人分析了MultiAgent在交通系統(tǒng)導(dǎo)航導(dǎo)行等領(lǐng)域的應(yīng)用前景［15］，采用BDI模型描述了駕駛員跟馳和換道的駕駛行為。但是該模型過于簡單粗糙。Donikian和Thomas等人為了仿真模擬電動汽車的運(yùn)行，構(gòu)造虛擬城市環(huán)境Vuems，通過環(huán)境描述方便了角色的認(rèn)知，模擬了行人和駕駛員在路口和道路上的行為動畫［16,17］。法國交通和安全研究所(INRETS)對駕駛員心理進(jìn)行了深入研究建立了駕駛行為模型，Champion和Doniec等人開發(fā)了一個(gè)多智能體(MultiAgent)結(jié)構(gòu)的仿真模型Archisim，并在小規(guī)模路網(wǎng)進(jìn)行了應(yīng)用［成也20］。Wu等人研究行人的交通安全因素，利用人機(jī)交互模擬駕駛速度與行人安全的關(guān)系［21］。張發(fā)等人采用Agent框架刻畫駕駛行為，加入駕駛員反應(yīng)時(shí)間和隨機(jī)變量，再現(xiàn)車輛跟馳的交通流［22］，但是該系統(tǒng)的駕駛行為過于簡單。秦雙等人㈣研究了超車駕駛行為，并利用虛擬環(huán)境加以模擬°Treiber等人構(gòu)建三維交通仿真系統(tǒng)，模擬車輛跟馳、換道和爬坡的過程［24］。綜上所述，這些仿真模型以車輛單元為研究對象，采用了刺激驅(qū)動機(jī)制，也就是說，交通環(huán)境對車輛產(chǎn)生刺激來驅(qū)動車輛行駛，還沒有建立駕駛員主體的動機(jī)模型，沒有駕駛行為的精確描述。從心理學(xué)的基本理論出發(fā)，行為是由一定的心理需要和動機(jī)驅(qū)動產(chǎn)生的，其心理過程由認(rèn)知、情緒和意志組成，并表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的個(gè)性心理特征。心理學(xué)的信息加工理論認(rèn)為，人的認(rèn)知過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，是人認(rèn)識客觀事物的過程，是對信息進(jìn)行加工處理的過程。認(rèn)知過程由人的感覺、知覺、記憶、思維和想象等認(rèn)知要素組成，具有感知環(huán)境、對刺激做出反應(yīng)的能力，并伴隨心理、情感等特征和動機(jī)，具備高級的決策能力，產(chǎn)生主動行為。應(yīng)用該理論，計(jì)算機(jī)動畫角色模型在幾何模型、物理模型、生物力學(xué)模型、行為模型基礎(chǔ)上增加了認(rèn)知模型，通過角色認(rèn)知建模表現(xiàn)行為的智能。如人工魚的研究，Tu等人基于生物物理模型和智能行為模型建立了人工魚的感知、行為、運(yùn)動系統(tǒng)偵。Funge等人則采用認(rèn)知建模方法即區(qū)間值認(rèn)知流模型，賦予動畫角色跟蹤環(huán)境、執(zhí)行所希望的行為能力[26]，魚群十分逼真。在群體動畫的行為建模中，Thalmann等人研究了動畫角色的個(gè)體和群體的智能行為[27]。班曉娟等人系統(tǒng)闡述了人工魚的設(shè)計(jì)方案及繁衍進(jìn)化等模型[28]，以及在人工生命研究中的應(yīng)用。本文提出應(yīng)用心理學(xué)技術(shù)和多智能體技術(shù)進(jìn)行交通流駕駛行為的微觀仿真，重現(xiàn)真實(shí)生活中高度復(fù)雜的很難用數(shù)學(xué)表示的交通情況，研究車輛之間的運(yùn)動關(guān)系和車流的變化規(guī)律。構(gòu)建可靠的駕駛員車輛單元的完整模型成為交通流微觀仿真的一個(gè)關(guān)鍵問題。但由于駕駛員的心理特征和認(rèn)知過程是很難測量、建模和驗(yàn)證的，使得構(gòu)建可靠的駕駛員車輛單元的完整模型又成為一個(gè)十分復(fù)雜的難題。此外駕駛行為與周圍環(huán)境有著密切聯(lián)系，比如各種天氣條件、交通路況都會制約駕駛員的判斷、決策和車輛的運(yùn)動。如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，采用了分而治之的策略，交通流中每個(gè)駕駛員用一個(gè)Agent表示，賦予Agent一定的身體狀況和心理特征，產(chǎn)生內(nèi)在的心理動機(jī)，建立信息加工單元，模擬信息加工的心理過程，感知交通環(huán)境、決策駕駛行為等，逼近車輛運(yùn)動的本質(zhì)，并協(xié)調(diào)多Agent的駕駛行為，進(jìn)行交通流微觀仿真。本文的方法具有以下三個(gè)意義：可以表現(xiàn)不同的駕駛風(fēng)格和不同交通環(huán)境下的駕駛行為，也就對不同特征的交通流進(jìn)行了仿真；用計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證認(rèn)知心理學(xué)的理論模型，為駕駛心理研究、安全教育、培訓(xùn)仿真等研究提供平臺；用離線仿真技術(shù)比較城市規(guī)劃和交通規(guī)劃的方案，提高交通管理的效率，為實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。研究交通流駕駛行為的微觀仿真是一個(gè)涉及心理學(xué)、信息技術(shù)多學(xué)科交叉的研究課題，通過本課題的研究，能鍛煉隊(duì)伍多方面的能力。參考文獻(xiàn)[1]S.P.Hoogendoorn,P.H.L.Bovy.State-of-the-artofvehiculartrafficflowmodeling[J].JournalofSystemsandControlEngineering,SpecialIssueonRoadTrafficeModelingandControl,2001,215(4):283-303.⑵鐘小明，元海英，榮建，劉小明.用于路線設(shè)計(jì)的小客車速度模型研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(2):155-160.孫明正，吳志周，楊曉光.城市道路平面交叉口交通設(shè)計(jì)評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].交通與計(jì)算機(jī),2003,21(1):23-26.鐘邦秀，揚(yáng)曉光.面向?qū)ο笪⒂^交通仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002,14(4):418-421.商蕾，陸化普.城市微觀交通仿真系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006,18(1):221-224.韓鳳春，曹金璇，翟潤平.信號交叉口交通延誤的微觀仿真研究[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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/2005aamas//transmodeler/default.htm//B.Burmeister,A.Haddadi,G.Matylis.ApplicationofMulti-agentSystemsinTrafficandTransportation^].IEEProceedingsSoftwareEngineering,1997,144(1):51-60.S.Donikian.VUEMS:avirtualurbanenvironmentmodelingsystem[C].InProceedingsofComputerGraphicsInternational,Hasselt-Diepenbeek,Belgique,1997:84-92.G.Thomas,S.Donikian.Modelingvirtualcitiesdedicatedtobehavioralanimation[C].InProceedingsofEuroGraphics,ComputerGraphicsForum,Interlaken,Switzerland,2000:71-80.A.Champion,S.Espie,J.M.Auberlet.BehavioralRoadTrafficSimulationwithARCHISIM[C].InProceedingsofSummerComputerSimulationConference,Orlando,USA,2001.A.Doniec,R.Mandiau,S.Espie,S.Piechowiak.DealingwithMulti-AgentCoordinationbyAnticipation:ApplicationtotheTrafficSimulationatJunctions[C].InProceedingsoftheThirdEuropeanWorkshoponMulti-AgentSystems(EUMAS),Brussels,Belgium,2005.A.Doniec,S.Espie,R.Mandiau,S.Piechowiak.Multi-AgentCoordinationandAnticipationModeltoDesignaRoadTrafficSimulationTool[C].InProceedingsoftheFourthEuropeanWorkshoponMulti-AgentSystems(EUMAS),Lisbon,2006.Q.Wu,A.Oza,R.R.Mourant.PedestrianScenarioDesignandPerformanceAssessmentinDrivingSimulations[C].InProceedingsoftheDrivingSimulationConferenceNorthAmerica,Orlando,Florida,2005:304-312.張發(fā)，宣慧玉，趙巧霞.基于Agent的單車道交通流仿真[J].系統(tǒng)工程，2005,23(2):95-99.秦雙，劉靜華，溫文彪，鄭國磊.自主虛擬人智能駕駛行為模型的研究和實(shí)現(xiàn)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(9):793-796.http://www.traffic-simulation.de/X.l.Tu,D.Terzopoulos.ArtificialFishes:Physics,Locomotion,Perception,Behavior[C].InProceedingofComputerGraphics,ACMSIGGRAPH,Orlando,1994:43-50.Funge,X.y.Tu,D.Terzopoulos.CognitiveModeling:Knowledge,ReasoningandPlanningforIntelligentCharacters[C].InProceedingofComputerGraphics,ACMSIGGRAPH,LosAngeles,1999:29-38.D.Thalmann,C.Herry,D.Sutton,H.Ono,S.Lippman,S.Regelous.CrowdandGroupAnimation[C].InProceedingofComputerGraphics,ACMSIGGRAPH,LosAngeles,2005:CourseNotes#15.班曉娟，艾冬梅，陳泓娟，寧淑榮.人工魚[B].北京：科學(xué)出版社,2007.本課題的研究內(nèi)容劃分為個(gè)性化駕駛行為的建模與模擬：駕駛員的身體狀況和心理特征表示駕駛行為的心理動機(jī)分析駕駛行為的心理