[發(fā)明專利]一種基于數(shù)字孿生的城市智能交通仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210892234.6
• 申請日: 2022-07-27
• 公開（公告）號: CN115100867B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 齊夏釗
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢微晶石科技股份有限公司
• 主分類號: G08G1/01
• 分類號: G08G1/01;G06T17/05
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

1.一種基于數(shù)字孿生的城市智能交通仿真方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，構(gòu)建城市交通物理實體對應(yīng)的數(shù)字孿生體三維模型；

步驟2，利用數(shù)字孿生體三維模型構(gòu)建車輛密度矩陣、平均速度矩陣、平均時長矩陣；

所述步驟2具體包括以下步驟：

步驟2.1：在步驟1生成的數(shù)字孿生體三維模型中，根據(jù)交通路段按照關(guān)聯(lián)交通信號進(jìn)行逐段分解；

步驟2.2：根據(jù)數(shù)字孿生體三維模型中各路段的車輛某兩個時間點的位置信息及車輛總數(shù)即可求得某一時間段內(nèi)所述路段的車輛密度，平均通過時長以及平均速度；其中車輛位置信息根據(jù)路段起始攝像頭獲取；

步驟2.3：通過根據(jù)步驟2.2的方法計算城市交通路網(wǎng)中所有路段內(nèi)的車輛密度，平均通過時長以及平均速度，并根據(jù)數(shù)字孿生體三維模型中各路段的時空關(guān)系構(gòu)建三個鄰接矩陣，包括車輛密度矩陣、平均速度矩陣和平均時長矩陣；其中車輛密度矩陣中的某一元素表示某一路段車輛的密度；平均速度矩陣中的某一元素表示某一路段車輛的平均速度；平均時長矩陣中的某一元素表示某一路段車輛的平均通過時長；

步驟3，將路網(wǎng)的車輛密度矩陣、平均速度矩陣、平均時長矩陣輸入事故預(yù)測模型得到事故預(yù)警；

所述步驟3具體包括；

事故預(yù)測模型的核心層結(jié)構(gòu)包括刷新層與記憶更新層，首先將步驟2.3所得的車輛密度矩陣、平均速度矩陣、平均時長矩陣作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，分別通過一個矩陣塊分割層，作用是將矩陣的高和寬縮減為原來的四分之一，深度變?yōu)樵瓉淼?6倍，隨后將所得結(jié)果分別輸入網(wǎng)絡(luò)的核心層結(jié)構(gòu)；刷新層的作用是將網(wǎng)絡(luò)中上一節(jié)點的輸出與當(dāng)前節(jié)點進(jìn)行拼接，再接上一個tanh函數(shù)使拼接輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換至[-1,1]內(nèi)，刷新層表達(dá)公式如下：

其中O_t表示輸出結(jié)果，τ表示tanh函數(shù)，ω_o表示刷新層的權(quán)重值，s_t-1表示上一節(jié)點的輸出，v_t表示當(dāng)前節(jié)點的輸出；

而記憶更新層除了權(quán)重值與刷新層不同外，其余表達(dá)相同；記憶更新層通過更新上一層節(jié)點的輸出決定數(shù)據(jù)隨機(jī)丟棄的程度，之后將處理結(jié)果與當(dāng)前節(jié)點進(jìn)行拼接，最后將記憶更新層的輸出結(jié)果通過ReLU函數(shù)得到新的記憶內(nèi)容，最終表達(dá)公式如下：

其中f_t為新的記憶內(nèi)容，ω_c表示記憶更新層的權(quán)重值；

對于網(wǎng)絡(luò)的更新記憶，表達(dá)公式如下：

其中F_t為更新記憶結(jié)果，(1-O_t )*s_t-1可使網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行部分丟棄，網(wǎng)絡(luò)通過這兩個核心層來對輸入進(jìn)行處理，并在學(xué)習(xí)過程中自適應(yīng)更新兩個核心層的權(quán)重信息；

在刷新層后都需連接一個記憶更新層，兩者組成一個大的層結(jié)構(gòu)；在經(jīng)過三個此層結(jié)構(gòu)后連接一個全連接層，最后網(wǎng)絡(luò)輸出當(dāng)前時刻城市此區(qū)域交通事故分析數(shù)據(jù)；

步驟4，根據(jù)城市交通事故預(yù)警情況建立疏導(dǎo)路徑；所述步驟4具體包括；

根據(jù)步驟3所得城市區(qū)域交通事故分析結(jié)果得到數(shù)字孿生體三維模型中可能出現(xiàn)交通事故的城市區(qū)域，將這些城市區(qū)域作為首要區(qū)域，并根據(jù)各首要區(qū)域內(nèi)首輛車輛終端發(fā)送的疏導(dǎo)數(shù)據(jù)和首要區(qū)域的事故分析數(shù)據(jù)隨機(jī)構(gòu)建多條疏導(dǎo)路徑，具體為：通過寬度優(yōu)先或廣度優(yōu)選的搜索算法，以大概率發(fā)生交通事故的區(qū)域作為起點，低風(fēng)險區(qū)域作為終點，搜索構(gòu)建多條疏導(dǎo)路徑；

步驟5，對所建立的疏導(dǎo)路徑進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化路徑結(jié)果；所述步驟5具體包括以下步驟；

步驟5.1：將步驟4所得路徑根據(jù)所在數(shù)字孿生體三維模型中的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)成有向圖，其中各路徑的交點為節(jié)點，可能出現(xiàn)交通事故區(qū)域為源節(jié)點，各路段為邊，并構(gòu)成新的鄰接矩陣，矩陣內(nèi)的元素值為平均通過時長；

步驟5.2：根據(jù)步驟2.3所述方法獲取各路段中的平均通過時長；

步驟5.3：將步驟5.1所得的所有節(jié)點劃入集合A與集合B，A中包含所有已求出的到源節(jié)點最短路徑所包含的節(jié)點與源節(jié)點，B則為剩余節(jié)點的集合；根據(jù)步驟5.1構(gòu)建的鄰接矩陣求得所有與源節(jié)點的相鄰節(jié)點，將源節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的路段由步驟5.2所求的平均通過時長設(shè)立初始權(quán)值ω₁，而其余路段的初始權(quán)值為無窮大；根據(jù)設(shè)立的初始權(quán)值找到距源節(jié)點最小的節(jié)點a_i，將集合B中的節(jié)點a_i移動到集合A；

步驟5.4：根據(jù)步驟5.3所得節(jié)點a_i，同理根據(jù)平均通過時長求出其前序節(jié)點到源節(jié)點的權(quán)值，將初始權(quán)值進(jìn)行更新；

步驟5.5：計算路徑權(quán)值，計算方法如下：

ω= ω_x+ω_y

其中，ω為路徑權(quán)值，ω_x為路徑中此節(jié)點的前序節(jié)點到源節(jié)點的權(quán)值，ω_y為路徑中此節(jié)點與前序節(jié)點之間的權(quán)值；同理根據(jù)所有的路徑權(quán)值，將路徑權(quán)值最小的節(jié)點由集合B移動到集合A；重新執(zhí)行步驟5.4，直至終點加入至集合A；由此得到耗時最短的疏導(dǎo)路徑；

步驟6，將得到的優(yōu)化路徑結(jié)果應(yīng)用于數(shù)字孿生體三維模型模擬疏導(dǎo)結(jié)果，驗證無誤后應(yīng)用于城市交通物理實體。