高 翔，李志浩，楊 惠

（蘭州文理學(xué)院電子信息工程學(xué)院，蘭州730000）

1 概述

隨著近年來汽車數(shù)量的增加，國(guó)內(nèi)因交通事故導(dǎo)致的傷亡人數(shù)超過3×105，已經(jīng)嚴(yán)重威脅人們生命安全［1］。無人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過車載傳感器獲取環(huán)境及車輛狀態(tài)信息，并做出合理判斷。汽車智能化自動(dòng)駕駛技術(shù)將為解決交通擁堵，提高行駛安全提供解決方案。無人駕駛車輛已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

無人駕駛系統(tǒng)的目的是將汽車通過一種經(jīng)濟(jì)安全的方式從A點(diǎn)駕駛到B點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，系統(tǒng)通過搭載在汽車上的傳感器實(shí)時(shí)獲取汽車周圍的路況信息，在獲取這些信息后，通過路徑規(guī)劃算法得到相關(guān)行車路線，然后汽車在控制器的控制下按預(yù)訂路線行進(jìn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)在無人駕駛方面做了大量研究和實(shí)踐。20世紀(jì)70年代，美國(guó)自主地面車輛（Autonomous Ground Vehicles，ALV）計(jì)劃已經(jīng)實(shí)現(xiàn)低速自動(dòng)駕駛［2］。2012年，Google公司宣布其自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)安全行駛30萬英里，且無任何意外事故發(fā)生［3］。文獻(xiàn)［4］提出一種基于差分GPS傳感器的車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)。文獻(xiàn)［5］采用改進(jìn)PID算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)向控制。雖然上述方法能夠解決汽車的自動(dòng)駕駛問題，然而這些解決方案只面向單一無人駕駛汽車，并沒有考慮多個(gè)無人駕駛汽車同時(shí)運(yùn)行的情況，而且這些方案更加注重?zé)o人駕駛汽車的控制，未從整個(gè)交通系統(tǒng)層面考慮問題。并且單個(gè)無人駕駛汽車獲取的路況信息通常存在很大盲區(qū)，這無可避免地增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，無法達(dá)到安全自動(dòng)駕駛的目的。綜上，本文提出一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的無人自動(dòng)駕駛方法，介紹無人駕駛汽車的整體結(jié)構(gòu)以及路況信息的表現(xiàn)形式，闡述無人駕駛汽車通過使用內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（Contentcentric Network，CCN）訂閱或者發(fā)布實(shí)時(shí)路況信息的具體過程。

2 所需解決的問題

本文若只從單個(gè)無人駕駛汽車的層面考慮問題是不夠的，無人駕駛汽車應(yīng)該面向整個(gè)道路交通系統(tǒng)，不僅包括無人駕駛汽車，還包括交通系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施，如十字路口的傳感器、交通管理部門的公告信息等，只有在綜合考慮各方面提供的路況信息，才能夠有效安全快速地實(shí)現(xiàn)汽車的無人駕駛。而面向整個(gè)道路交通系統(tǒng)的無人自動(dòng)駕駛方法需要面臨如下問題：

（1）如何實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車之間以及無人駕駛汽車與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息快速交換。無人駕駛汽車及道路基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)路況信息的獲取大部分是通過視頻攝像頭、雷達(dá)、激光測(cè)距儀等無線傳感器得到的，這些信息通常是以每秒千兆比特的速度獲取，這顯然超出了現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。同時(shí)如何在不同的通信雙方合理分配網(wǎng)絡(luò)帶寬以便使所有的無人駕駛汽車獲取到整個(gè)路況信息也決定著該方法的使用效果。

（2）在獲取到整個(gè)路況信息后，如何通過有效合理的路徑規(guī)劃算法使得無人駕駛汽車在滿足用戶需求的前提下安全快速地從A點(diǎn)行駛到B點(diǎn)。無人駕駛汽車在選定行駛路徑后需要和其他車輛進(jìn)行交互，同時(shí)通過不斷獲取實(shí)時(shí)路況信息更新其路徑，以避開障礙物實(shí)現(xiàn)安全駕駛，并在安全駕駛的前提下選定最短路徑，實(shí)現(xiàn)降低能源消耗的目的。

針對(duì)上述問題，本文提出基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的無人自動(dòng)駕駛方法，無人駕駛汽車和道路基礎(chǔ)設(shè)施獲取到的海量實(shí)時(shí)路況信息定期向外發(fā)布，任何對(duì)該路況信息感興趣的無人駕駛汽車可以訂閱該信息，忽略與其無關(guān)的信息。在獲取了相關(guān)路段的實(shí)時(shí)路況信息之后，根據(jù)用戶定制的需求，制定相關(guān)行車路線。在前往目的地的行車過程中，及時(shí)與其他無人駕駛汽車和道路基礎(chǔ)設(shè)施交換行車路線，并根據(jù)突發(fā)狀況和交通管理部分發(fā)布的道路交通信息實(shí)時(shí)調(diào)整路線，從而實(shí)現(xiàn)安全自動(dòng)駕駛，并滿足用戶制定的需求。

3 無人駕駛汽車整體結(jié)構(gòu)

無人駕駛汽車在本質(zhì)上是使用無人駕駛系統(tǒng)代替駕駛員操控汽車，因此在整體結(jié)構(gòu)上與普通汽車相同。無人駕駛汽車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人駕駛汽車整體結(jié)構(gòu)

在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，無人駕駛汽車通過GPS傳感器獲取其當(dāng)前的位置信息。交通管理部門作為整個(gè)道路交通系統(tǒng)的管理部門，主要負(fù)責(zé)提供相關(guān)交通管理信息，比如基本的道路擁堵情況、交通事故通報(bào)、道路限行等。當(dāng)前車輛的位置信息和交通管理部門提供的交管信息，配合系統(tǒng)的地圖，可以得到車輛行駛的基本路線。作為與用戶相關(guān)的汽車，必須滿足用戶的需求，這些需求可能并不是以最快的速度，最短的路徑到達(dá)目的地等，因此，系統(tǒng)在制定行車路線時(shí)，需要把用戶需求作為路徑規(guī)劃的一個(gè)重要參數(shù)。

上述信息用于規(guī)劃汽車的行車路線，然后無人駕駛汽車在具體的形式過程中，需要根據(jù)具體的路況信息對(duì)車輛發(fā)出具體的控制信息。比如加速行駛、減速剎車、方向轉(zhuǎn)彎等。路況信息主要來自車載傳感器主動(dòng)獲取，以及無人駕駛汽車和道路基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)布。無人駕駛汽車獲取的本車周邊的實(shí)時(shí)路況信息，不僅需要提交給路徑規(guī)劃器，還需要提交給通信器發(fā)送給其他無人駕駛汽車，在獲取整個(gè)路段的路況信息之后，系統(tǒng)就可以為無人駕駛汽車制定詳細(xì)的行車路線，并發(fā)出相關(guān)控制命令。

在本文中，無人駕駛系統(tǒng)將周邊環(huán)境劃分為眾多小立方體，每個(gè)小立方體代表一片區(qū)域。為了有效表示無人駕駛汽車周邊區(qū)域的路況信息，本文系統(tǒng)采用八叉樹。八叉樹中的節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)區(qū)域，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也是該區(qū)域中八叉樹［6］的根節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 無人駕駛系統(tǒng)中的區(qū)域表示方法

在某個(gè)區(qū)域中，即某個(gè)小立方體中，如果存在障礙物，則八叉樹中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的值為1。通過上述區(qū)域表示方法，無人駕駛車輛很容易定位到障礙物的位置，然后發(fā)出相關(guān)命令，避開障礙物。

上述路況信息通過無人駕駛汽車上的通信器發(fā)送或者接收，然而汽車所在的空間非常大，同時(shí)由于傳感器獲取周邊路況信息的頻率很高，因此每個(gè)車輛獲取的路況信息通常有每秒千兆比特，如果單純地通過現(xiàn)有的無線通信協(xié)議，與周邊汽車進(jìn)行路況信息的交換，幾乎是不可能的，為此需要一種有效快速的路況信息交換方式，以滿足無人駕駛汽車的需要。

4 基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的路況信息交換網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)需要多方交互，發(fā)送或者獲取大量路況信息，同時(shí)為了保證無人駕駛汽車的安全駕駛，必須保證路況信息的準(zhǔn)確，防止偽造或者錯(cuò)誤的路況信息進(jìn)入系統(tǒng)中?；谏鲜隹紤]，本文系統(tǒng)采用內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)作為信息交換網(wǎng)絡(luò)。

4．1 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)［7］是施樂公司的帕洛阿托研究中心（PARC）提出的一種信息中心網(wǎng)絡(luò)（Informationcentric Network，ICN）［8］。所謂的信息中心網(wǎng)絡(luò)，就是網(wǎng)絡(luò)中的一切都可以看作是信息。信息中心網(wǎng)絡(luò)是信息互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，而非主機(jī)互聯(lián)，其核心對(duì)象是信息。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)信息都有名字，網(wǎng)絡(luò)的作用就是管理所有信息的流動(dòng)和緩存，并用正確的信息快速響應(yīng)信息的接收者，用戶或應(yīng)用只直接關(guān)注信息本身，而與該信息塊的其他屬性沒有關(guān)系。CCN的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是更好的支持以內(nèi)容存取為目的的應(yīng)用，以滿足無人駕駛汽車的需求。

數(shù)據(jù)消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)著整個(gè)CCN的通信，數(shù)據(jù)以塊級(jí)傳輸。這些數(shù)據(jù)可以分為2個(gè)包類型：Interest包和Data包，如圖3所示。消費(fèi)者通過廣播自己的Interest包請(qǐng)求其感興趣的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)如果接收到請(qǐng)求或者有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則以Data包響應(yīng)。其他消費(fèi)者如果對(duì)該消費(fèi)者發(fā)布的Interest包有需求，也可以共享接收該Data包。

圖3 Interest包和Data包

在圖3中，如果Interest包的Content Name是Data包的Content Name前綴，則該Data包是對(duì)Interest包的響應(yīng)。當(dāng)一個(gè)Interest包到達(dá)，信息生產(chǎn)者首先匹配其內(nèi)容緩存。如果有相關(guān)內(nèi)容，則丟棄Interest包，并以Data包響應(yīng)信息消費(fèi)者。信息生產(chǎn)者的內(nèi)容緩存能夠以盡可能長(zhǎng)的時(shí)間緩存轉(zhuǎn)發(fā)的Data包，以供其他消費(fèi)者使用。當(dāng)信息消費(fèi)者收到Data包之后，先對(duì)數(shù)據(jù)包的Content Name字段進(jìn)行最長(zhǎng)前綴匹配，如果不匹配，則丟棄這個(gè)Data包，否則接收。

4．2 CCN在路況信息交換網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

汽車在具體行駛過程中，為了保證行駛安全，只需要獲知該車輛一定范圍內(nèi)的路況，并根據(jù)路況做出相關(guān)判斷。由于路況信息的時(shí)效性，因此各個(gè)車輛需要按一定的頻率向其他車輛或者道路基礎(chǔ)設(shè)施請(qǐng)求其獲取到的路況信息。無人駕駛汽車的Interest包結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無人駕駛汽車的Interest包結(jié)構(gòu)

Interest包結(jié)構(gòu)各字段含義如下：

（1）Content Name：Interest包的標(biāo)識(shí)，如 CCN的標(biāo)準(zhǔn)Interest包，該字段主要有數(shù)據(jù)消費(fèi)者的ID（32位）加上一個(gè)32位長(zhǎng)的隨機(jī)字符串組成，表示需要請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。

（2）Requester ID：數(shù)據(jù)消費(fèi)者ID，標(biāo)識(shí)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的汽車。

（3）Region ID：數(shù)據(jù)消費(fèi)者希望獲取路況信息區(qū)域的標(biāo)識(shí)。所有交通道路都被劃分為固定大小的區(qū)域，作為一個(gè)立體的空間，數(shù)據(jù)消費(fèi)者需要獲取該區(qū)域內(nèi)所有的障礙物信息，包括其位置、大小等。在該區(qū)域內(nèi)所有的其他無人駕駛汽車和道路基礎(chǔ)設(shè)施都會(huì)響應(yīng)該請(qǐng)求。

（4）Timestamp：數(shù)據(jù)消費(fèi)者發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求的時(shí)間。由于整個(gè)路況信息在不停改變，因此路況信息有一定的時(shí)效性，當(dāng)獲取的路況信息的時(shí)間點(diǎn)早于或者晚于該時(shí)間戳都是非法的數(shù)據(jù)，因此可以不予響應(yīng)或者直接忽略。

（5）Request frequency：數(shù)據(jù)消費(fèi)者請(qǐng)求數(shù)據(jù)的頻率。為了節(jié)省CCN中的網(wǎng)絡(luò)流量，同時(shí)為了節(jié)省有效的網(wǎng)絡(luò)帶寬，從Timestamp點(diǎn)起的一段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)請(qǐng)求者希望獲取路況信息的頻率，在該時(shí)間段內(nèi)，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者可以以該頻率發(fā)布路況信息，從而減少不必要的信息請(qǐng)求。

當(dāng)其他數(shù)據(jù)消費(fèi)者接收到該Interest包，如果該消費(fèi)者對(duì)該區(qū)域的路況信息同樣感興趣，就可以將該Interest包保留，以便接收Data包時(shí)匹配相關(guān)數(shù)據(jù)。無人駕駛汽車的Data包結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無人駕駛汽車的Data包結(jié)構(gòu)

Data包結(jié)構(gòu)各字段含義如下：

（1）Content Name：Data包的標(biāo)識(shí)，該字段主要有數(shù)據(jù)消費(fèi)的ID（32位）加上一個(gè)32位長(zhǎng)的隨機(jī)字符串組成。數(shù)據(jù)消費(fèi)者通過最長(zhǎng)匹配其ID（最短為32位），就可以得知該Data包是否為自己感興趣的數(shù)據(jù)包，如果不匹配，直接丟棄該數(shù)據(jù)包。

（2）Responser ID：信息生產(chǎn)者的ID，標(biāo)識(shí)該Data包的信息生產(chǎn)者。

（3）Region ID：標(biāo)識(shí)該路況信息所在的道路區(qū)域。

（4）Timestamp：獲取路況信息的時(shí)間戳，數(shù)據(jù)消費(fèi)者在收到該數(shù)據(jù)包后，對(duì)時(shí)間戳進(jìn)行匹配，如果超時(shí)，則直接丟棄該數(shù)據(jù)包。

（5）Data：數(shù)據(jù)生產(chǎn)者獲取的實(shí)時(shí)路況信息。

在這些通信過程中，Region ID是通過GPS傳感器獲取，并且經(jīng)過道路基礎(chǔ)設(shè)施校準(zhǔn)，只有獲取了準(zhǔn)確的位置信息，車輛根據(jù)路況信息做出的控制才是安全的。

由于CCN的特點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)Interest包，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)Data包響應(yīng)，這些Data包中包含的路況信息有很多是重復(fù)的，且對(duì)于3D空間的信息有很多是冗余的。因此為了減少CCN上的網(wǎng)絡(luò)流量，需要對(duì)這些路況信息進(jìn)行壓縮。

4．3 路況信息編碼

標(biāo)準(zhǔn)的八叉樹編碼格式如下：八叉樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)用一個(gè)8元組表示，每個(gè)元組表示一個(gè)小區(qū)域內(nèi)部的空間信息，自上而下地對(duì)該樹進(jìn)行寬度遍歷獲取相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)。根節(jié)點(diǎn)一般認(rèn)為不為空，對(duì)于根節(jié)點(diǎn)的有數(shù)據(jù)或者未知信息的元組（每個(gè)小空間）進(jìn)行遞歸編碼，如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)八叉樹編碼結(jié)果

在圖6中，當(dāng)元組為1是表示該區(qū)域內(nèi)有障礙物，當(dāng)元組為0是表示該區(qū)域?yàn)榭?，?dāng)元組為問號(hào)是表示該區(qū)域可以分為更小的區(qū)域。上述編碼方法能快速有效地對(duì)路況信息進(jìn)行編碼，然而也存在以下不足：（1）如果一個(gè)元組在傳輸中丟失，則該元組對(duì)應(yīng)的整個(gè)空間信息將丟失；（2）由于不是從同一個(gè)根節(jié)點(diǎn)出發(fā)，因此無法判斷這些元組表示的路況信息是否有重復(fù)；（3）由于八叉樹是一個(gè)稀疏的樹形結(jié)構(gòu)，因此上述編碼方法存在大量的無用編碼，增加了通信成本。

為了解決上述問題，本文提出如下編碼方法：設(shè)r為待編碼區(qū)域，Or為該區(qū)域中對(duì)應(yīng)的八叉樹的根節(jié)點(diǎn)，v0，v1，…，vk－1是該八叉樹的葉子節(jié)點(diǎn)，設(shè)變量j是介于0～（k-1）之間的任意數(shù)，變量T為空樹，對(duì)于每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)執(zhí)行如下操作：

（1）將節(jié)點(diǎn)vj及其所有繼承于根節(jié)點(diǎn)Or的路徑添加到樹T中。

（2）令j＝j(luò)＋1，重復(fù)步驟（1），直到對(duì)樹T的編碼達(dá)到CCN最大的包容量。

由于上述編碼方法只對(duì)不為空的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，因此能有效地減少對(duì)同一個(gè)區(qū)域的編碼量。由于每棵樹都是從葉子節(jié)點(diǎn)開始編碼，因此丟失了一個(gè)數(shù)據(jù)包之后，也不會(huì)丟失對(duì)整個(gè)區(qū)域的編碼。對(duì)于相同的區(qū)域編碼，具有相同的葉子節(jié)點(diǎn)，因此，很容易分辨出相同區(qū)域的數(shù)據(jù)包，從而避免重復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸。

對(duì)于一個(gè)3層的八叉樹而言，完整的八叉樹長(zhǎng)度為8＋82＋83，而對(duì)于本文中的編碼方法無需對(duì)為空的區(qū)域進(jìn)行編碼，同時(shí)為了方便無人駕駛系統(tǒng)快速查找某區(qū)域內(nèi)部的障礙情況，示例八叉樹（其中全部為空的節(jié)點(diǎn)并未畫出）及其編碼結(jié)果如圖7、圖8所示。

經(jīng)過上述編碼之后，系統(tǒng)可以很容易通過節(jié)點(diǎn)的層數(shù)判斷障礙物對(duì)汽車的距離，同時(shí)通過考察同一層節(jié)點(diǎn)得到某范圍內(nèi)汽車周圍的障礙物，由于采用倒排樹結(jié)構(gòu)，不會(huì)因?yàn)槟骋粋€(gè)數(shù)據(jù)包的丟失，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的路況信息無法重構(gòu)。

當(dāng)無人駕駛汽車發(fā)出Interest包請(qǐng)求之后，通過該汽車搭載的無線傳感器以及其他汽車多次發(fā)送過來的Data包之后就可以獲取請(qǐng)求區(qū)域內(nèi)的完整路況信息，無人駕駛汽車的控制系統(tǒng)就可以根據(jù)這些實(shí)時(shí)的路況信息對(duì)汽車進(jìn)行相關(guān)控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5．1 基于CCN的無人駕駛方法模擬實(shí)現(xiàn)

本文在機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）［9］上實(shí)現(xiàn)了基于CCN的無人駕駛方法，CCN的實(shí)現(xiàn)是基于清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息安全實(shí)驗(yàn)室的CCN網(wǎng)絡(luò)原型［10］，模擬實(shí)現(xiàn)中的地圖場(chǎng)景采用Google 3D地圖［11］。

在本文實(shí)驗(yàn)中，空間八叉樹采用3層結(jié)構(gòu)，空間最小尺度設(shè)為10cm。在Google 3D地圖中選取美國(guó)邁阿密市中約40km2的區(qū)域，模擬的無人駕駛汽車數(shù)量為563，無人駕駛汽車實(shí)時(shí)獲取周圍的500m內(nèi)的路況信息，獲取周圍路況信息的頻率為10次／s，獲取全局路況信息的頻率為10次／min，測(cè)試場(chǎng)景如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)模擬測(cè)試場(chǎng)景

在CCN層面，無人駕駛汽車在交流由傳感器獲取的路況信息時(shí)采用了ROS的PointCloud格式［12］，基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）發(fā)布Interest數(shù)據(jù)包和接收Data包。實(shí)現(xiàn)CCN有2個(gè)關(guān)鍵因素：（1）調(diào)整CCN中Interest包和Data包的能力。在汽車行駛過程中，可能會(huì)遇到多種復(fù)雜的情況，如在堵車的情況下，無人駕駛汽車從其他車輛和道路基礎(chǔ)交通設(shè)施獲取的路況信息會(huì)大幅度增加，此時(shí)為了有效提高CCN的傳輸效率，需要調(diào)整Data包的大小，同時(shí)提高通信頻率。（2）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的排隊(duì)延時(shí)。為了保證無人駕駛汽車避免因排隊(duì)延時(shí)而導(dǎo)致獲取不到最新的路況信息，本文實(shí)驗(yàn)在通信過程中模擬了萬兆網(wǎng)卡的通信能力。

5．2 結(jié)果分析

由于基于CCN的無人駕駛方法的目的是為了在汽車駕駛過程中保證駕駛安全性的前提下，有效降低通信的數(shù)據(jù)量，并滿足用戶的需求?；谏鲜隹紤]，本文實(shí)驗(yàn)設(shè)置的用戶需求是用最短的時(shí)間到達(dá)目的地。對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用了基于802．11通信的無人駕駛汽車，在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，汽車通過UDP＋廣播的形式發(fā)送或者接收路況信息，路況信息的編碼采用原始的3D編碼格式［13］。測(cè)試隨著一個(gè)區(qū)域內(nèi)車輛數(shù)的增加，獲取該區(qū)域內(nèi)路況信息所消耗的時(shí)間對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 區(qū)域路況信息獲取時(shí)間對(duì)比

在圖10中，當(dāng)只有一輛汽車時(shí)，由于無需從其他汽車獲取路況信息，而只需通過本車搭載的傳感器獲取，因此獲取路況信息的時(shí)間為0。隨著車輛的數(shù)量增加，可以發(fā)現(xiàn)基于CCN的汽車獲取路況信息的時(shí)間并沒有出現(xiàn)大幅度增加，基本保持線性增加，這是因?yàn)樵谑褂肅CN的過程中，需要發(fā)布Interest包，消耗一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時(shí)需要其他車輛對(duì)Interest包進(jìn)行校驗(yàn)、報(bào)錯(cuò)等操作。而對(duì)于基于802．11通信的無人駕駛車輛，獲取到整個(gè)區(qū)域的路況信息需要每個(gè)車輛廣播各自獲取到的路況信息，因此獲取路況信息的時(shí)間隨著車輛數(shù)量的增加會(huì)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。

下面驗(yàn)證系統(tǒng)的丟包率，模擬實(shí)驗(yàn)區(qū)域中有100輛無人駕駛汽車相互通信。丟包率是通過一輛汽車發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量和其他車輛接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)量的比值。對(duì)比實(shí)驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)八叉樹的數(shù)據(jù)包以及原始的3D空間數(shù)據(jù)包，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 丟包率對(duì)比

表1 標(biāo)準(zhǔn)八叉樹和CCN編碼丟包率比較

當(dāng)通信數(shù)據(jù)包數(shù)量為104個(gè)左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量維持在較低水平，因此3種方法的丟包率都比較低。隨著數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，CCN采用新型編碼格式，使得在相同的路況信息下，每個(gè)數(shù)據(jù)包丟包率相對(duì)較小。由于標(biāo)準(zhǔn)八叉樹的數(shù)據(jù)包存在大量冗余，數(shù)據(jù)包相對(duì)較大，因此丟包率會(huì)隨著數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加呈線性增加。對(duì)于原始數(shù)據(jù)而言，因?yàn)閿?shù)據(jù)沒有壓縮，隨著數(shù)據(jù)包的增加，整體數(shù)據(jù)的傳輸量呈指數(shù)倍增加，所以丟包率會(huì)隨著數(shù)據(jù)包的增加出現(xiàn)大幅增加。然而從表1可以看出，雖然CCN采用的編碼方式能有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，但是隨著數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，其提升比例一直在90%以上，說明相比標(biāo)準(zhǔn)八叉樹編碼方法，CCN編碼方式的丟包率提升上限為90%左右。測(cè)試系統(tǒng)安全性的測(cè)試場(chǎng)景為一個(gè)十字路口，如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)安全性測(cè)試場(chǎng)景

對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用802．11通信的無人駕駛汽車，比較的結(jié)果為探測(cè)到視覺上看不到的車輛的概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 探測(cè)成功率對(duì)比

在十字路口進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于本文方法采用CCN通信模式，隨著車輛數(shù)量的增加，車輛獲取十字路口信息的數(shù)據(jù)包并沒有隨著車輛的增加而增加，基本上在一輛無人駕駛汽車獲取到相關(guān)信息后其他車輛也有同樣的路況信息，因此成功率基本保持不變，而對(duì)于采用802．11標(biāo)準(zhǔn)通信的無人駕駛車輛而言，在廣播時(shí)需要增加大量通信，直接導(dǎo)致大幅增加數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，因此在快速通過十字路口時(shí)，探測(cè)到其他車輛的成功率呈指數(shù)倍下降。

本文驗(yàn)證無人駕駛汽車的成本，由于本文實(shí)驗(yàn)設(shè)定的用戶需求是最短時(shí)間到達(dá)目的地，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為晚高峰18：00，以無權(quán)重的Dijkstra算法求出兩點(diǎn)間的最短距離作為基準(zhǔn)，在每種場(chǎng)景下，模擬30輛汽車隨機(jī)時(shí)間出發(fā)從起點(diǎn)到達(dá)目的地，取實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值，如表2所示。

表2 無人駕駛汽車使用成本對(duì)比

在表2中，基準(zhǔn)方法使用無權(quán)重的Dijkstra算法，距離相對(duì)較短，而本文方法和基于802．11的方法采用有權(quán)重的Dijkstra算法，計(jì)算距離相同，僅在行車過程中因?yàn)榻粨Q數(shù)據(jù)使用的時(shí)間稍長(zhǎng)導(dǎo)致行車所需時(shí)間略有增加，因此，相對(duì)于基準(zhǔn)方法的距離有所增加。但是基準(zhǔn)方法獲取路徑經(jīng)過的路口多且擁堵嚴(yán)重，雖然距離短，但使用時(shí)間更長(zhǎng)。

6 結(jié)束語

本文提出一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的無人駕駛方法。闡述基于CCN的無人駕駛汽車的整體結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上介紹立體路況信息采用的八叉樹格式以及編碼格式。通過分析無人駕駛汽車的通信模式，設(shè)計(jì)基于CCN的通信模型，并給出Interest包和Data包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，與基于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)的方法相比，本文方法的實(shí)時(shí)路況信息獲取時(shí)間大幅降低，并且隨著通信數(shù)據(jù)量的增加，不可視汽車的探測(cè)成功率有大幅提升。并且通過無人駕駛汽車的成本對(duì)比，證明雖然本文方法提供的路徑不是最短，但是使用時(shí)間較少。然而由于本文實(shí)驗(yàn)均是在模擬環(huán)境中測(cè)試得出，為了驗(yàn)證本文方法的有效性，今后將在實(shí)際生活中進(jìn)行更真實(shí)的測(cè)試，提高無人駕駛系統(tǒng)的實(shí)用性。

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