基于車車通信的路況信息采集算法的研究

摘要：為了及時(shí)準(zhǔn)確地獲取道路交通的路況信息，改進(jìn)了基于車車通信方式的交通信息采集算法，采用廣播通信方式，避免了周期性廣播帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)堵塞問(wèn)題，提出了基于車車通信方式的交通信息采集系統(tǒng)的工作方式及其工作流程。同時(shí)在NS 2網(wǎng)絡(luò)仿真器上進(jìn)行了仿真模擬及相應(yīng)的算法驗(yàn)證，通過(guò)與單播通信方式的比較，驗(yàn)證了廣播方式下該交通信息采集算法的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：車車通信；交通信息采集；Ad Hoc；NS2

0 引言
    關(guān)于車車通信的研究早在20世紀(jì)80年代在日本、歐美等國(guó)家紛紛啟動(dòng)。我國(guó)對(duì)車車通信的研究起步比較晚，主要有清華大學(xué)專家研究提出了一種基于車車通信的交通信息采集方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的無(wú)線交通信息服務(wù)系統(tǒng)(WTISS)原型；武漢理工大學(xué)的學(xué)者們?cè)诨谧越M網(wǎng)的車車通信研究中，旨在通過(guò)車車通信解決交通中的緊急情況報(bào)警及剎車輔助等。
    另外，上海交通大學(xué)研究一種基于Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自主式道路通行狀況信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過(guò)每輛車與對(duì)向車的自組網(wǎng)連接，并周期性地廣播自身車輛采集的信息，了解該車行駛前方道路的擁堵情況。該方案存在以下問(wèn)題：首先，當(dāng)車輛密度較大時(shí)，周期性的信息廣播必然造成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的過(guò)載；第二，對(duì)于無(wú)對(duì)向車的單行線，以及對(duì)向車無(wú)車輛行駛的道路交通路況信息無(wú)法掌握；第三，由于該系統(tǒng)僅依賴對(duì)向車采集，其路網(wǎng)覆蓋率相對(duì)較低，實(shí)時(shí)性及信息覆蓋范圍會(huì)受到一定限制。本文提出的采集算法及系統(tǒng)工作流程旨在解決這些問(wèn)題。

1 車車通信過(guò)程
    本文介紹的車車通信中，車輛間的交互信息為車輛自身采集信息，如何通過(guò)車輛自身采集信息獲得其當(dāng)前的路況信息是本文的研究重點(diǎn)。
    車輛自身采集信息的構(gòu)成包括車輛行駛的路段(包括方向)、行駛距離、行駛時(shí)間、采集的時(shí)間戳，以及必要的車輛標(biāo)識(shí)信息。其信息內(nèi)容格式見(jiàn)表1。

    圖1是車輛行駛過(guò)程，其中，A，B，C，…標(biāo)識(shí)路段；d0表示路段起點(diǎn)的距離偏差；d1表示信息采集末端到路段末端的距離偏差；S0表示實(shí)際路段長(zhǎng)度；S表示車輛采集信息所行駛的路段長(zhǎng)度；(x1，y1，t1)，(x2，y2，t2)是車輛駛?cè)牒婉偝雎范蔚奈恢煤蜁r(shí)間。

    車車通信流程可分為發(fā)送采集信息的流程和接收外界信息的流程兩個(gè)部分，如圖2所示。其中，虛箭頭左端是節(jié)點(diǎn)采集信息流程；右端是節(jié)點(diǎn)接收外界信息的流程，虛箭頭表示一節(jié)點(diǎn)向另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

2 車車通信模型
    按照上述設(shè)計(jì)，車車通信模型如圖3所示，其中車輛節(jié)點(diǎn)用長(zhǎng)方塊加數(shù)字來(lái)識(shí)別；圓形虛線指車輛節(jié)點(diǎn)的通信區(qū)域；箭頭線表示某車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播包到另。一個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)；“×號(hào)”表示目的車輛節(jié)點(diǎn)的丟棄信息。

3 信息采集算法
    如圖3所示，假設(shè)某路段共有N個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)，t時(shí)刻某車輛i接收到了N1輛車的路況信息，此時(shí)處理后的路況信息可用速度表示如下：
   
    式中：Si，Ti為車輛i駛過(guò)該路段的距離及所用時(shí)間。過(guò)一段時(shí)間后，在t’時(shí)刻該車輛又獲得了N2輛車的信息，那么它處理后的路況信息用速度值表示為：
   
    假設(shè)路段起點(diǎn)及路段末端的偏差相同，即每個(gè)車輛行駛的距離都為S，則t’時(shí)刻接收到的信息采集車輛(M輛)與該路段總的信息采集車輛(N輛)所采集的路況信息(速度)統(tǒng)計(jì)誤差率為：
   
   
    由上式可以看出，接收且統(tǒng)計(jì)的信息來(lái)源車輛數(shù)M越接近該路段信息采集的車輛總數(shù)N，采集的路況信息越接近實(shí)際，當(dāng)M=N時(shí)，e=0。

4 仿真平臺(tái)和仿真結(jié)果
    根據(jù)該系統(tǒng)工作方式，本仿真基于NS2網(wǎng)絡(luò)仿真模塊模擬自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad Hoe)，底層采用IEEE802．11無(wú)線協(xié)議。在仿真過(guò)程中車輛的速度在一個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)取值，廣播通信的實(shí)現(xiàn)是在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上做了相應(yīng)的修改。為了比較不同通信方式的效果，本文增加了對(duì)車輛單播通信的仿真模擬，其具體流程與廣播類似。在廣播與單播通信方式下，車輛獲得的路況信息統(tǒng)計(jì)值與真實(shí)值之間的平均誤差率如圖4所示。

    在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單播傳遞過(guò)程會(huì)有大量的丟包現(xiàn)象，分析其主要原因是單播包文的轉(zhuǎn)發(fā)主要依靠某些路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，車輛節(jié)點(diǎn)密度越大，丟包越嚴(yán)重，這也是選擇廣播通信的一個(gè)原因。

5 結(jié)語(yǔ)
    目前車車通信技術(shù)的研究多處在研究階段，本文提出的算法針對(duì)現(xiàn)有一些研究的相關(guān)問(wèn)題及不足進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)采用路段末端處發(fā)送廣播信息可避免周期性的廣播及減少信息量；采用行駛距離與行駛時(shí)間的速度計(jì)算可獲得較準(zhǔn)確的路況信息；同時(shí)，車輛信息的傳遞不局限于對(duì)向車。最后，通過(guò)上述算法的仿真可看出，改進(jìn)后的算法具有一定的有效性及參考意義，今后將需進(jìn)一步深入研究，并利用一些交通仿真系統(tǒng)進(jìn)行更加真實(shí)的模擬測(cè)試。