高速公路匝道设计的三维建模及应用

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道路交通驾驶模拟系统是近年来国际上开发和应用的一个热点。它的优势在于通过为人们提供一个虚拟的道路交通环境,研究驾驶员与道路、交通或环境之间的各种关系,从而达到优化道路交通设计的目的。利用驾驶模拟系统进行高等级公路交通仿真等方面的研究,必须首先为驾驶员提供虚拟的驾驶环境,使得驾驶员能够在操纵汽车的过程中获得真实的驾驶感觉。因此,视景建模成为进行道路交通仿真研究最重要的工作。昆明理工大学道路交通模拟实验室研发的高等级公路三维视景建模软件,已经完成边坡、挡墙、隧道、桥梁及地形等建模,并实现了交通设施和各种景物模型(比如中央分隔带、护栏、边沟、交通标志、树木等)的参数化设计。但是对于高速公路的出入口匝道目前还没有统一的建模技术,针对这一问题,笔者设计了专门的匝道建模软件,实现了匝道的参数化设计,并输出所有模型的可视化数据。文中详细论述了右转单圆曲线匝道、左转及右转基本型匝道和左转环圈式匝道的建模算法和程序设计方法。针对目前实验室已经建立了丰富的道路交通场景,其中一些建模场景具有相同和相似性(例如,隧道,桥梁,出入口匝道以及长直路段场景),在建立新场景时如果能调用原来已经设计好的场景,可以减少建模重复性劳动,提高视景可视化数据生成的效率。因此,需要设计一种模块化建立三维视景的程序,它能提取已建场景的“通用模块”,经过平移、旋转、缩放后与新建交通场景的“专用模块”搭配成新的交通场景。文中详细论述了该程序设计的核心思想,重点介绍了视景数据模块化的分解及组合,最后对视景数据模块化在道路虚拟场景设计和匝道三维建模中的应用进行了研究。匝道建模程序和视景数据模块化程序的演示结果表明,利用本文所述的视景建模理论和方法不但提高了视景可视化数据生成的效率,所生成的三维视景基本满足驾驶员的视觉需求,具有较好的逼真度和立体感,而且在云南省相关高速公路的交通仿真试验中得到了应用,为将来的道路几何线形设计的合理性、驾驶员行为、视距对交通安全的影响和评价打下了良好的基础。另外,本文提出了基于运行车速设计直接式出口匝道减速车道长度的方法,通过在安楚高速公路安丰营出口匝道的虚拟视景上进行的试验,对安丰营出口匝道实际变速车道长度与基于运行车速的变速车道长度的合理性进行了对比分析,验证了基于运行车速确定变速车道长度方法的科学性。
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