本发明涉及道路交通仿真领域，尤其是涉及一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法。
背景技术：
1、曲线道路作为一种典型的道路形态，在现实道路系统中大量存在。与直线道路交通场景相比，曲线道路的交通运行情况具有更高的复杂性，表现为复杂曲线道路仿真环境构建、不规则分布的转弯轨迹、动态的车辆交互行为。曲线道路场景的交通仿真模型在建模逻辑上可分为连续型仿真和离散型仿真两大类。
2、连续型指传统交通仿真软件中采用的路段(link)结构，link通过添加中间点表示道路的基本几何属性，即道路走向和转弯程度，中间点数量越多所描述的道路的转弯越平滑，但其底层的仿真逻辑仍然是由多条直线构成的折线路段。此外，对于双向行驶的道路场景，需要用至少两个link表示双向行驶功能，且双向道路间有严格车道界限，双向行驶车辆间无交互行为，所有车辆仅可按照固定轨迹行驶。然而，连续型仿真方法由于其底层模型简化了曲线道路的场景特性，导致其在模拟曲线交通场景时失真较大，存在以下缺陷：(1)连续仿真方法通常使用多个相连的折线路段逼近曲线道路，导致其难以准确描述道路的几何结构，也无法描述由曲线道路结构变化对车辆行为产生的影响；(2)基于一维车道的底层结构导致车辆轨迹受限于预设路径，车辆间无交互过程，导致无法准确模拟车辆在曲线道路上的运动学特征。
3、相比之下，离散型仿真通过将道路空间离散化实现更精确的仿真。离散型交通仿真方法分为基于一维车道的元胞自动机模型和基于二维面域的离散栅格模型。典型的元胞自动机仿真方法将道路划分为多个相同大小、一维排布的长方形栅格元胞，每个元胞表示一定道路面积，可容纳一个车辆。每个元胞根据状态更新规则与相邻细胞交互，实现整体的自组织演化。基于二维面域的离散栅格模型指将道路空间离散化为均匀分布的二维栅格。每个栅格单元表示一个标准大小的空间单元，用以映射不同的道路交通要素。动态交通要素在栅格网络中按照一定的规则移动和交互，通过迭代算法更新每个仿真时刻的栅格状态，以实现交通演化。与传统连续交通仿真方法和基于一维车道的元胞自动机模型相比，基于离散栅格的交通仿真方法不依赖预设的路段结构，通过离散化整各交通场景生成构建具有二维运动属性的仿真环境；车辆可根据运行环境自主选择行驶轨迹，而非受限于固定轨迹。基于离散栅格的交通仿真方法均是基于笛卡尔坐标建立构建的栅格网络，可允许车辆进行横向和纵向运动，相比之下，更加符合真实的车辆运动特性。然而，这种正交栅格网络结构在描述直线道路时存在优势，而在描述曲线路段时则存在以下局限性：(1)无法描述真实的曲线道路结构；(2)方形栅格在描述曲线道路边界时存在锯齿效应；(3)无法体现由于道路走向变化对车辆行为产生的影响；(4)无法精确描述车辆在曲线道路上的运动轨迹；(5)难以模拟车辆在曲线道路上产生的侧向运动。
4、作为一种典型的交通研究场景，亟需研究一种可实现复杂曲线道路交通的更加精确高效模拟的交通仿真方法。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，可实现对复杂曲线道路交通的精确高效模拟。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、本发明提供了一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，该方法包括：
4、步骤s1、构建基于扇环栅格的道路仿真空间；
5、步骤s2、考虑车辆边界形变离散化栅格，得到道路空间自然栅格坐标集合；
6、步骤s3、构建基于自然坐标系离散栅格底层结构的车辆行为模型，进行曲线路段交通仿真。
7、优选地，所述步骤s1中构建基于扇环栅格的道路仿真空间，具体包括：
8、步骤s11、将栅格单元作为最小描述单元，基于道路中心线和垂直于道路中心线方向构建栅格地图；将基于道路曲率的扇环单元作为离散化仿真基本单元，并基于栅格同质性、栅格运动方向各向异性、动态要素运动可行性、动态交通要素形变控制和映射唯一性约束确定自然坐标系栅格单元的粒度和形状；
9、步骤s12、根据自然坐标系栅格单元粒度和形状，构建自然坐标系离散栅格框架下的道路仿真空间。
10、优选地，所述步骤s11中栅格同质性、栅格运动方向各向异性、动态要素运动可行性、动态交通要素形变控制和映射唯一性约束表达式，具体为：
11、栅格同质性约束：最大栅格面积误差小于可接受阈值；
12、栅格运动方向各向异性约束：最大对角线误差小于可接受阈值；
13、动态要素运动可行性约束：车辆最大可行转向角小于扇环栅格允许的最大转角限制；
14、动态交通要素形变控制约束：车辆边界误差小于设定值；
15、映射唯一性约束：曲率半径的圆心位于道路空间外。
16、优选地，所述步骤s11中将栅格单元作为最小描述单元，基于道路中心线和垂直于道路中心线方向构建栅格地图，具体为：以道路中心线为s轴，垂直于s轴方向设为d轴，其纵向边长设为固定栅格粒度ds，下弧长为上弧长为κ-1分别为s轴上弧长为ds时对应的弧度和曲率半径，n为从s轴向外延申至道路边界时以栅格单元粒度ds为步长的距离倍数，w为从s轴到道路边界的垂直宽度。
17、优选地，所述步骤s12中根据自然坐标系栅格单元粒度和形状，构建基于自然坐标系离散栅格框架下的道路仿真空间，具体包括：
18、步骤s121、离散栅格网络构建并索引：
19、对于笛卡尔坐标系下原始道路关键坐标点采用样条插值函数对每个分段构造连续函数；以栅格粒度ds为步长，对横坐标范围[x1,xn]进行离散化采样得xi满足将带入样条差值函数得到对应纵坐标值即道路中心线离散化笛卡尔坐标表示为其对应的自然坐标系s点坐标值以栅格单元粒度ds为步长，对每个s点沿垂直于该点的方向离散化取值，其边界值为道路宽度的一半，则道路空间离散化坐标集合为其中，
20、采用四个坐标值定位单位栅格的索引，将栅格坐标值索引转换为单元栅格形式的索引；
21、步骤s122、道路空间栅格离散化解构与映射：
22、取路段左侧中点与道路中心线交点为原点(x0,y0)建立笛卡尔坐标系，定义曲线道路几何布局{vu,vd,κ,lseg,ωlane,(xs,ys),(xe,ye)}，给定路段几何参数，确定机动车道空间坐标范围其中，vu、vd分别为上行、下行道路车道数，κ为道路曲率；lseg为路段长，ωlane为机动车道宽度，(xs,ys)、(xe,ye)分别为路段起始点坐标和终点坐标；
23、步骤s123、将计算得到的笛卡尔坐标系下的路网空间函数转化为自然坐标系下的函数空间，得到道路空间自然栅格坐标集合(s,d)。
24、优选地，所述样条插值函数为三次样条差值函数，采用非扭结边界作为区间边界端点的约束条件确定样条插值函数参数。
25、优选地，所述步骤s2中考虑车辆边界形变，进行栅格离散化，具体为：根据车辆几何尺寸参数，直接建立车辆在自然栅格坐标系下的几何关系函数，并基于该几何关系函数确定车辆所占栅格的自然坐标集合。
26、优选地，所述根据车辆几何尺寸参数，直接建立车辆在自然栅格坐标系下的几何关系函数，并基于该几何关系函数确定车辆所占栅格的自然坐标集合，具体包括：
27、将车辆上下边界近似为道路曲率半径的弧段，前后边界为垂直于弧段的边线，以车辆前轴中心点坐标为参考点弧段圆心坐标为：
28、
29、
30、式中：κ-1为道路曲率，弧段半径为道路曲率的倒数加或减去道路宽度w的一半，即r±＝k-1+w/2；则车辆上下弧段边界与车辆前轴中心之间的函数关系为：
31、(si-cs)2+(di-cd)2＝r±2
32、根据转换函数γ获取车辆前轴中心点坐标和后轴中心点坐标
33、以固定栅格单元精度ds为采样间隔，离散化采样范围[sr,sf]得到采样点代入求得对应的坐标范围将该坐标范围覆盖的栅格区域设为车辆占据的栅格坐标集合φ。
34、优选地，所述基于自然坐标系离散栅格底层结构的车辆行为模型，具体包括：
35、步骤s31、检查换道动机：若车辆与当前车道前车之间的车头时距th小于设定值且临近车道前车速度大于本车车速，则认为有换道动机转步骤s32，否则转步骤s342；
36、步骤s32、检查安全换道距离：若车辆与临近车道上游车辆之间的间隙在下一个时间步长大于该上游车辆的速度，表明在下一个时间步长可在不插队的情况下进行安全变道，转步骤s33，否则，转步骤s342；
37、步骤s33、随机换道行为：在满足所有变道规则的情况下，设定驾驶员保持同车道行驶的概率为pc，若换道行驶则转s341，否则转s342；
38、步骤s341、进行换道行驶；
39、步骤s342、进行跟驰行驶；
40、步骤s35、根据依据车辆与前车之间的车头间距δg与安全车头间距gs的大小关系确定下一时刻的车辆速度，并进行位置更新。
41、优选地，所述依据车辆与前车之间的车头间距δg与安全车头间距gs的大小关系确定下一时刻的车辆速度，车辆速度按照横向速度纵向速度进行描述，具体为：
42、加速运行：当车辆与前车之间的车头间距δg大于安全车头间距gs时，下一时刻的车辆速度计算表达式为：
43、
44、
45、式中：分别为车辆横向、纵向速度；分别为车辆最大横向、纵向速度；δt为仿真时间粒度；alat、alon分别为车辆横向、纵向加速度，θ为车辆执行换道轨迹时车头朝向与道路中心线之间的转角；
46、减速运行：当车辆与前车之间的车头间距δg小于安全车头间距gs时，下一时刻的车辆速度计算表达式为：
47、
48、
49、式中：vn为第n步规划时的速度。
50、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
51、1)为解决传统交通仿真在描述曲线道路时无法再现曲线道路几何结构的问题，本发明通过构建基于扇环栅格的道路仿真空间，可更加真实地描述曲线道路结构。
52、2)本发明利用栅格同质性、栅格运动方向各向异性、动态要素运动可行性、动态交通要素形变控制和映射唯一性约束，可更加精准地确定自然坐标系栅格单元的粒度和形状，实现了对复杂曲线道路交通的精确高效模拟。
53、3)本发明考虑车辆边界形变离散化栅格，可实现自适应栅格映射，生成的栅格能够准确匹配车辆边界，有效减小边界形变误差，提高车辆栅格表示精度，有效克服使用多个固定扇环栅格表示车辆导致边界形变误差问题。
54、4)本发明通过构建基于自然坐标系离散栅格底层结构的车辆行为模型，实现了基于扇环栅格的仿真方法中的行为逻辑，保证了曲线路段交通仿真的可行性和逼真性。
1.一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述步骤s1中构建基于扇环栅格的道路仿真空间，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述步骤s11中栅格同质性、栅格运动方向各向异性、动态要素运动可行性、动态交通要素形变控制和映射唯一性约束表达式，具体为：
4.根据权利要求2所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述步骤s11中将栅格单元作为最小描述单元，基于道路中心线和垂直于道路中心线方向构建栅格地图，具体为：以道路中心线为s轴，垂直于s轴方向设为d轴，其纵向边长设为固定栅格粒度ds，下弧长为上弧长为κ-1分别为s轴上弧长为ds时对应的弧度和曲率半径，n为从s轴向外延申至道路边界时以栅格单元粒度ds为步长的距离倍数，w为从s轴到道路边界的垂直宽度。
5.根据权利要求2所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述步骤s12中根据自然坐标系栅格单元粒度和形状，构建基于自然坐标系离散栅格框架下的道路仿真空间，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述样条插值函数为三次样条差值函数，采用非扭结边界作为区间边界端点的约束条件确定样条插值函数参数。
7.根据权利要求1所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述步骤s2中考虑车辆边界形变，进行栅格离散化，具体为：根据车辆几何尺寸参数，直接建立车辆在自然栅格坐标系下的几何关系函数，并基于该几何关系函数确定车辆所占栅格的自然坐标集合。
8.根据权利要求7所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述根据车辆几何尺寸参数，直接建立车辆在自然栅格坐标系下的几何关系函数，并基于该几何关系函数确定车辆所占栅格的自然坐标集合，具体包括：
9.根据权利要求1所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述基于自然坐标系离散栅格底层结构的车辆行为模型，具体包括：
10.根据权利要求9所述的一种基于离散扇弧栅格的曲线路段交通仿真方法，其特征在于，所述依据车辆与前车之间的车头间距δg与安全车头间距gs的大小关系确定下一时刻的车辆速度，车辆速度按照横向速度纵向速度进行描述，具体为：
