一种基于车载自组织网络的城市道路交通状态探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络通信W及城市道路交通管理等领域，具体涉及用于车载网络 中对城市道路交通状态的实时监测。
【背景技术】
[0002] 近年来，交通拥塞已经成为城市所面临的一大难题。伴随汽车产业的发展与人们 生活水平的提高，私家车的保有量也快速地增长。虽然政府投入了大量的人力、物力、W及 财力来提升城市交通系统的运载能力，但依然没有改善人们因交通拥塞而在出行时浪费大 量时间该一状况。此外，处于交通拥塞中的车辆还会排放大量尾气，污染环境。
[0003] 车载自组织网络（Vehicle Ad-hoc Networks, VANETs)的出现为城市交通管理提 供了新的技术手段。VA肥Ts致力于提高车辆之间、车辆与路边通信单元（Road Side化it, RSU)之间的无线通信能力，已逐步成为未来智能交通系统（Intelligent Transformation System, ITS)的重要组成部分。目前，基于VANETs的交通管理应用分为两类。一类是提升 道路的安全性，例如借助广播的状态消息来帮助车辆进行避让；另一类则是增强驾驶体验， 比如获得周围路段的交通状态信息，为驾驶者规划行程并导航，估算车辆到达目的地的时 间等。然而，无论是拥塞避让还是路线导航，都必须W获得道路的实时交通状态为第一步。
[0004] 目前，已经有一些学者开始关注如何利用VANETs来探测交通状况。StreetSmart 方案要求车辆根据周围邻居车辆的速度绘制一张地图，然后通过地图共享帮助每辆车获得 每一条道路的预期行驶速度。B. Schunemann等人采用类似的方法，通过计算邻居车辆的平 均速度来代替速度地图的绘制。除了速度之外，K. Florian等人还将车辆的位置信息加入 至IJBEAC0N消息中，将它们作为评价交通状态的数据来源。R. Bauza等人提出的方案通过测 量交通流的密度来分析道路所处的交通状态。D. Prajakata等人提出了一个名为CARAVAN 的方案，在VANETs的基础上利用虚拟代理协商的方法避免交通拥塞。本申请人在之前的研 究中还提出了一种方案，利用红灯期间车辆的等待队列长度来评估十字路口的交通状态。 然而，上述研究方案都要求交通流中的所有车辆都自愿加入到交通管理活动中。鉴于现实 套件下的个体自私性W及设备装配水平，上述方案难W得到广泛应用。另外，车辆通过指定 路段的时间是有别于上述评价指标的另一个重要参数，有助于设计探测城市道路交通状态 的方案。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于解决城市道路实时交通状态的探测问题，提供一种基于车载自组 织网络的城市道路交通状态探测方法。与其它研究方案不同之处在于，本发明选择装备有 无线通信设备与全球定位系统（GPS)并愿意参与交通探测的车辆作为"探针"，W下称为探 针车辆，克服了之前研究方法需要所有车辆参与的弊端，提高了在实践中的可行性。
[0006] 本发明利用车载自组织网络实现探针车辆与路边通信单元（RSU)间的通信，RSU 根据接收到的状态信息计算出探针车辆通过被测路段时间，并W此评价被测路段的交通状 况。为了适应车流不断变化的交通场景，本发明提出了一种自适应的T窗口算法来计算一 段时间内所有探针车辆的平均通行时间。
[0007] 本发明的技术方案： 一种基于车载自组织网络的城市道路交通状态探测方法，该方法在城市路口部署路边 通信单元（RSU)，将装备有无线通信设备与全球定位系统（GPS)的车辆选作交通状态的"探 针"，W下称为探针车辆，利用车载自组织网络实现探针车辆与RSU间的通信，该方法具体包 括W下步骤： 第1步、当探针车辆进入一个RSU的无线通信范围内时，会接收到 该RSU的BEACON消息，探针车辆根据其中包含的状态信息计算出从自身 到该RSU的距离；探针车辆将自身距离该RSU最近的时刻记作通过时刻 《I，并将该RSU的标识号与时刻{'加入到自身广播的BEACON消息中； 第2步、随着探针车辆前行，探针车辆进入部署在下一个路口的RSU的无线通信范围； 当该个RSU接收到来自探针车辆的BEACON消息时，依然根据距离最近原则记录下探针车辆 通过自身的时刻从BEACON消息提取出该探针车辆通过前一个RSU的时刻r，并计算先 后通过两个RSU的时间差Ai，即探针车辆在该两个RSU之间路段的通行时间； 第3步、随着探针车辆不断地沿被测路段依次通过两个RSU，经过的第2个RSU会采用 自适应的T窗口算法周期地计算被测路段探针车辆的平均通行时间立，并根据平均通行时 间立的数值判断被测路段的交通状态。
[0008] 所述自适应的T窗口算法计算探针车辆平均通行时间显的方法： RSU首先统计过去r分钟内经过被测路段的探针车辆的数量《，然后计算出每个探针 车辆巧通过被测路段的时间益^;，最后根据公式（1)求出被测路段的平均通行时间友，
【主权项】
1. 一种基于车载自组织网络的城市道路交通状态探测方法，该方法在城市路口部署路 边通信单元（RSU)，将装备有无线通信设备与全球定位系统（GPS)的车辆选作交通状态的 "探针"，以下称为探针车辆，利用车载自组织网络实现探针车辆与RSU间的通信，该方法具 体包括以下步骤： 第1步、当探针车辆进入一个RSU的无线通信范围内时，会接收到 该RSU的BEACON消息，探针车辆根据其中包含的状态信息计算出从自身 到该RSU的距离；探针车辆将自身距离该RSU最近的时刻记作通过时刻 i'，并将该RSU的标识号与时刻i'加入到自身广播的BEACON消息中； 第2步、随着探针车辆前行，探针车辆进入部署在下一个路口的RSU的无线通信范围； 当这个RSU接收到来自探针车辆的BEACON消息时，依然根据距离最近原则记录下探针车辆 通过自身的时刻P ;从BEACON消息提取出该探针车辆通过前一个RSU的时刻? '，并计算先 后通过两个RSU的时间差ΛΙ，即探针车辆在这两个RSU之间路段的通行时间； 第3步、随着探针车辆不断地沿被测路段依次通过两个RSU，经过的第2个RSU会采用 自适应的T窗口算法周期地计算被测路段探针车辆的平均通行时间石，并根据平均通行时 间Si的数值判断被测路段的交通状态。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述通过被测路段探针车辆的平均通行时 间??的计算方法： RSU首先统计过去Γ分钟内经过被测路段的探针车辆的数量然后计算出每个探针 车辆乃通过被测路段的时间^^ ,最后根据公式（1)求出被测路段的平均通行时间& ,
⑴。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述自适应的TW口算法，7? 口大小的设 置方法如公式（2)所示，
其中,5是探针车流密度的预测值，为窗口包含探针数目的调整目标，它等于上界 AV与下界的中间值；在实际应用中，与Fi需要根据交通状态探测的要求来设定。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述TW取值大小取决于探针车流密度的 预测值P ;每次设置窗口大小5时，RSU需要根据历史记录预测时刻；的探针车流密度；为 此，本发明中提出了一种老化预测算法（Aging Predication Algorithm, APA)，APA算法如 公式（3)所示，
(3) 在每次预测探针车流密度A时，上一个窗口的记录戽i会被包含入本次计算中；系数 q用于控制老化过程的速率，A的计算方法公式（4)所示，
(4) S等于两个探针车流密度差的比值，其中分子部分为最近两个窗口的探针车流密度 差，而分母部分则是一段时间内探针车流密度的最大差值。
【专利摘要】本发明提出了一种基于车载自组织网络的城市道路交通状态探测方法。该方法将装备有无线通信设备与GPS的车辆选作交通状态的“探针”（以下称探针车辆），利用车载自组织网络实现探针车辆与路边通信单元（RSU）间的通信，RSU根据接收到的状态信息计算出探针车辆通过被测路段时间，并以此评价被测道路的交通状况。为了适应车流不断变化的交通场景，本发明提出了一种自适应的 T 窗口算法来计算一段时间内所有探针车辆的平均通行时间。最后，本发明根据对真实交通场景的观测数据建立的仿真模型，并借助网络模拟器NS-2验证了自身的有效性。
【IPC分类】G08G1-065
【公开号】CN104537848
【申请号】CN201510006936
【发明人】许昱玮, 徐敬东, 刘婷婷, 王健
【申请人】南开大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月8日