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(lái)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(guò)3×105，已經(jīng)嚴(yán)重威脅人們生命安全［1］。無(wú)人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過(guò)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(wú)人駕駛車輛已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)的目的是將汽車通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wàn)英里，且無(wú)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(wèn)題，然而這些解決方案只面向單一無(wú)人駕駛汽車，并沒(méi)有考慮多個(gè)無(wú)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(wèn)題。并且單個(gè)無(wú)人駕駛汽車獲取的路況信息通常存在很大盲區(qū)，這無(wú)可避免地增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)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(wú)人自動(dòng)駕駛方法，介紹無(wú)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(wú)人駕駛汽車通過(guò)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(guò)程。

2 所需解決的問(wèn)題

本文若只從單個(gè)無(wú)人駕駛汽車的層面考慮問(wèn)題是不夠的，無(wú)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(wú)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(wú)人駕駛。而面向整個(gè)道路交通系統(tǒng)的無(wú)人自動(dòng)駕駛方法需要面臨如下問(wèn)題：

（1）如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車之間以及無(wú)人駕駛汽車與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息快速交換。無(wú)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(guò)視頻攝像頭、雷達(dá)、激光測(cè)距儀等無(wú)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(wú)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(guò)有效合理的路徑規(guī)劃算法使得無(wú)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(wú)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(guò)不斷獲取實(shí)時(shí)路況信息更新其路徑，以避開(kāi)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(wèn)題，本文提出基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人自動(dòng)駕駛方法，無(wú)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(wú)人駕駛汽車可以訂閱該信息，忽略與其無(wú)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(guò)程中，及時(shí)與其他無(wú)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(wú)人駕駛汽車整體結(jié)構(gòu)

無(wú)人駕駛汽車在本質(zhì)上是使用無(wú)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(wú)人駕駛汽車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人駕駛汽車整體結(jié)構(gòu)

在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，無(wú)人駕駛汽車通過(guò)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(wú)人駕駛汽車在具體的形式過(guò)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(lái)自車載傳感器主動(dòng)獲取，以及無(wú)人駕駛汽車和道路基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)布。無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(shù)。八叉樹(shù)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(shù)［6］的根節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 無(wú)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(shù)中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的值為1。通過(guò)上述區(qū)域表示方法，無(wú)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(kāi)障礙物。

上述路況信息通過(guò)無(wú)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(guò)現(xiàn)有的無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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。基于上述考慮，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(lè)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(méi)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(wú)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(guò)廣播自己的Interest包請(qǐng)求其感興趣的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽(tīng)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(guò)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(wú)人駕駛汽車的Interest包結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)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(wú)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(wú)人駕駛汽車的Data包結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無(wú)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(guò)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(guò)程中，Region ID是通過(guò)GPS傳感器獲取，并且經(jīng)過(guò)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(shù)編碼格式如下：八叉樹(shù)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(shù)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(shù)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)榭眨?dāng)元組為問(wèn)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(wú)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(shù)是一個(gè)稀疏的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，因此上述編碼方法存在大量的無(wú)用編碼，增加了通信成本。

為了解決上述問(wèn)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(shù)的根節(jié)點(diǎn)，v0，v1，…，vk－1是該八叉樹(shù)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(shù)，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(shù)T中。

（2）令j＝j(luò)＋1，重復(fù)步驟（1），直到對(duì)樹(shù)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(shù)都是從葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)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(shù)而言，完整的八叉樹(shù)長(zhǎng)度為8＋82＋83，而對(duì)于本文中的編碼方法無(wú)需對(duì)為空的區(qū)域進(jìn)行編碼，同時(shí)為了方便無(wú)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(shù)（其中全部為空的節(jié)點(diǎn)并未畫(huà)出）及其編碼結(jié)果如圖7、圖8所示。

經(jīng)過(guò)上述編碼之后，系統(tǒng)可以很容易通過(guò)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(guò)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(shù)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(wú)法重構(gòu)。

當(dāng)無(wú)人駕駛汽車發(fā)出Interest包請(qǐng)求之后，通過(guò)該汽車搭載的無(wú)線傳感器以及其他汽車多次發(fā)送過(guò)來(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(shù)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(wú)人駕駛汽車數(shù)量為563，無(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)程中模擬了萬(wàn)兆網(wǎng)卡的通信能力。

5．2 結(jié)果分析

由于基于CCN的無(wú)人駕駛方法的目的是為了在汽車駕駛過(guò)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。基于上述考慮，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(wú)人駕駛汽車，在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，汽車通過(guò)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(wú)需從其他汽車獲取路況信息，而只需通過(guò)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(méi)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(guò)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(wú)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(wú)人駕駛汽車相互通信。丟包率是通過(guò)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(shù)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(shù)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(shù)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(méi)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(shuō)明相比標(biāo)準(zhǔn)八叉樹(shù)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(wú)人駕駛汽車，比較的結(jié)果為探測(cè)到視覺(jué)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(méi)有隨著車輛的增加而增加，基本上在一輛無(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)人駕駛汽車使用成本對(duì)比

在表2中，基準(zhǔn)方法使用無(wú)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(guò)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(guò)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(yǔ)

本文提出一種基于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人駕駛方法。闡述基于CCN的無(wú)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(shù)格式以及編碼格式。通過(guò)分析無(wú)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(wú)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(guò)無(wú)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(wú)人駕駛系統(tǒng)的實(shí)用性。

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