張 崎，鄭 昊,張建平，彭 紅

(1.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083)

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自主式IVTIS模型及路網(wǎng)擁堵信息擴(kuò)散效果評(píng)價(jià)

張 崎1，鄭 昊2,張建平2，彭 紅1

(1.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)集中式交通信息系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)設(shè)施投資過大、信息處理過于集中，以及自主式交通信息系統(tǒng)較多側(cè)重安全信息，而較少涉及路網(wǎng)擁堵信息的采集與發(fā)布等相關(guān)問題和不足，提出了一種基于車載自組網(wǎng)(VANET)、面向城市路網(wǎng)的自主式智能車載交通信息系統(tǒng)(IVTIS)及相應(yīng)模型。為驗(yàn)證和評(píng)價(jià)IVTIS的合理性及有效性，基于交通仿真二次開發(fā)平臺(tái)及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)路網(wǎng)擁堵信息的采集融合及動(dòng)態(tài)傳播效果進(jìn)行了仿真評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)路網(wǎng)車流量、信息傳播丟包率對(duì)整體傳播效果的影響進(jìn)行了綜合分析。仿真結(jié)果表明：IVTIS模型較為合理，其在面向城市路網(wǎng)的擁堵信息實(shí)時(shí)采集與動(dòng)態(tài)傳播方面表現(xiàn)出良好的自主性及擴(kuò)散傳播效果。

交通工程；智能車載交通信息工程；擁堵信息；自動(dòng)采集；自主傳播

0 引 言

目前城市道路交通信息系統(tǒng)中最為有效的體系結(jié)構(gòu)之一是基于交管中心的集中式交通信息系統(tǒng)。其最大特點(diǎn)是交通路況信息的采集、數(shù)據(jù)處理及信息發(fā)布是通過設(shè)置在地面的固定基礎(chǔ)設(shè)施完成的[1]，該模式是目前應(yīng)用最為廣泛的交通信息系統(tǒng)。然而，該模式存在系統(tǒng)投資過大，服務(wù)精度嚴(yán)重依賴固定設(shè)置的采集與發(fā)布設(shè)施布點(diǎn)密度，以及信息處理過于集中而在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)載過重或故障時(shí)出現(xiàn)整體實(shí)時(shí)性的降低等不足。隨著車車通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于車載自組網(wǎng)(VANET：Vehicular Ad Hoc Networks)的交通信息系統(tǒng)受到各國(guó)交通專家學(xué)者的關(guān)注[2]；其中研究較多的主要是車輛行駛安全及駕駛預(yù)警等，而對(duì)交通路況信息服務(wù)方面的關(guān)注度及研究，尤其是對(duì)一個(gè)城市路網(wǎng)交通擁堵信息的研究相對(duì)較少。

目前完全基于車車通信的交通擁堵信息自主采集與傳播模式研究中，一種是基于對(duì)螞蟻覓食過程中避免交通擁堵的行走模式而提出的利用對(duì)向車傳播前方路段交通擁堵信息的新思路[3]，國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不同程度的研究和探討[4]，該模式主要適用于一個(gè)路段前方擁堵時(shí)如何向擁堵后方車輛提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的擁堵信息，但對(duì)無(wú)對(duì)向車的單行道或?qū)ο蜍嚥辉?jīng)過駕駛員所關(guān)注的前方路網(wǎng)其他擁堵路段時(shí)，將無(wú)法由對(duì)向車獲得自車行駛前方路段的交通擁堵信息。而另一種是德國(guó)專家L. Wischhof等[5]提出的自組織交通信息系統(tǒng)(SOTIS: Self Organizition of Traffic Information System)，其主要以德國(guó)高速公路為對(duì)象，在車流密度相對(duì)均勻及車輛高速行駛等條件下進(jìn)行了交通信息傳播效果仿真評(píng)價(jià)，獲得較好效果。此外，一些專家學(xué)者從不同角度也進(jìn)行了相應(yīng)研究[6]，其中筆者也提出了一種面向城市路網(wǎng)的智能車載交通信息系統(tǒng)[7-8]。然而，對(duì)于城市路網(wǎng)而言，由于其路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍樓群聳立，車流方向、車流密度、交叉路口及信號(hào)等待時(shí)間等各不相同，使得交通信息在傳播過程中常常會(huì)出現(xiàn)信道爭(zhēng)搶、擁塞或信號(hào)干擾而造成的丟包現(xiàn)象；進(jìn)而由于車車通信距離有限，車群間距時(shí)常出現(xiàn)疏密不均等現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致個(gè)別路段或局部路網(wǎng)出現(xiàn)信息傳播斷鏈現(xiàn)象，由此影響到交通信息在路網(wǎng)的整體傳播時(shí)間及效果。因而，在城市路網(wǎng)行駛車數(shù)巨大、車車通信爭(zhēng)搶信道嚴(yán)重、車載信息終端數(shù)據(jù)處理能力有限的條件下，如何解決城市路網(wǎng)交通擁堵信息采集的實(shí)時(shí)性及簡(jiǎn)便性、尋找最小通信量及最小信息處理量的數(shù)據(jù)融合方法、提高交通信息的快速傳播及可持續(xù)性、以及自主生成整個(gè)路網(wǎng)擁堵信息等問題是目前研究尚無(wú)深入涉及或解決，也是筆者所要進(jìn)一步探討并重點(diǎn)關(guān)注的主要問題。

1 智能車載交通信息系統(tǒng)模型

筆者面向城市路網(wǎng)，基于智能車載交通信息系統(tǒng)(Intelligent Vehicular Traffic Information System：IVTIS)模式，從車載交通路況信息采集的實(shí)時(shí)性、擁堵信息的傳播與解除、以及信息傳播時(shí)的丟包現(xiàn)象對(duì)路網(wǎng)擁堵信息傳播效果的影響等方面，進(jìn)行了深入研究及模型構(gòu)建，并進(jìn)而通過交通仿真進(jìn)行了相應(yīng)分析及及效果評(píng)價(jià)。其主要系統(tǒng)模型如下。

1.1 交通擁堵信息自主采集融合模型

IVTIS原始路況信息的采集是一種相對(duì)簡(jiǎn)單但不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取來(lái)源。其主要思路是獲取一種簡(jiǎn)便有效、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、具有采集路段代表性的原始路況信息。筆者在此采用各車輛進(jìn)入采集路段至當(dāng)前時(shí)刻所行駛的平均速度來(lái)代表該采集路段的原始路況信息(稱為原始采集信息)。同時(shí)根據(jù)車輛進(jìn)入采集路段的距離遠(yuǎn)近賦予其不同的信息價(jià)值權(quán)值(代表性)。即各車輛自身采集與通過VANET接收其他車輛原始采集信息并融合處理后的該采集路段平均速度為：

(1)

tp(i)=tp,c(i)-tp,s(i),p∈Ok(i),i∈{1,2,…,N}

(2)

(3)

p∈Ok(i),lp(i)≤L(i) ,i∈{1,2,…,N}

(4)

為減少車載終端數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)過重以及傳播信息量過大而造成的系統(tǒng)功能及處理實(shí)時(shí)性的下降，筆者僅將產(chǎn)生擁堵路段的擁堵信息(或解除信息)對(duì)外發(fā)布，而不傳播暢通路段的路況信息；同時(shí)參考日本(VICS)等國(guó)車載交通擁堵信息發(fā)布時(shí)對(duì)道路擁堵程度提示的速度范圍劃分方法，將融合處理后的采集信息以簡(jiǎn)化擁堵信息形式加以傳播；進(jìn)而引入目前研究極少涉及的擁堵解除信息的自主判斷及發(fā)布，由此便于路網(wǎng)擁堵信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。即：

(5)

1.2 交通擁堵信息傳播模型

IVTIS系統(tǒng)主要面向路網(wǎng)各路段行駛車輛，通過VANET廣播方式，使其擁堵信息接力式地傳播擴(kuò)散至整個(gè)路網(wǎng)。其根據(jù)信息發(fā)布的對(duì)象車輛不同，相應(yīng)交通信息內(nèi)容分為三類：①面向同一采集路段的其他車輛發(fā)布其自身?yè)碛械脑疾杉畔⒓稀彩?6)〕，其中包括該車自身采集以及通過VANET接收的同一采集路段其他車輛自身采集的原始路況信息；②面向其他采集路段的車輛發(fā)布其最新融合處理后的簡(jiǎn)化擁堵信息及擁堵解除信息〔式(7)〕；③通過VANET接收由不同車輛轉(zhuǎn)發(fā)而來(lái)的其他路段最新簡(jiǎn)化擁堵信息或擁堵解除信息，以及其信息初次發(fā)布的時(shí)刻〔式(8)〕。

綜合三類信息，即路段i的采集車輛k發(fā)布其交通路況信息的傳播模型如式(9)：

Sk(i)={Vp(i) |p∈Ok(i)} ,i∈{1,2,…,N}

(6)

(7)

(8)

Bk(i)=Sk(i)∪Dk(i)∪Rk(i) , i∈{1,2,…,N}

(9)

式中：Sk(i)為路段i的采集車輛k自身?yè)碛械脑疾杉畔⒓?；Dk(i)為路段i的采集車輛k信息融合處理后的簡(jiǎn)化擁堵信息；Rk(i)為路段i的采集車輛k轉(zhuǎn)播的其他路段j的最新簡(jiǎn)化擁堵信息；Gk(i)為路段i的采集車輛k擁有的所有簡(jiǎn)化擁堵信息的路段集合；tk,r(i)，tq,r(j)分別為路段i的采集車輛k及路段j的采集車輛q信息融合處理后初次發(fā)布其簡(jiǎn)化擁堵信息的時(shí)刻；Bk(i)為路段i的采集車輛k發(fā)布其自身?yè)碛械乃薪煌窙r信息內(nèi)容。

1.3 路網(wǎng)擁堵信息自動(dòng)生成與動(dòng)態(tài)更新模型

1.3.1 路網(wǎng)擁堵信息自動(dòng)生成模型

各車輛通過對(duì)其原始采集信息集合的融合處理，以及通過VANET接收其他車輛發(fā)布的簡(jiǎn)化擁堵信息，便可在其車載信息終端上逐漸生成整個(gè)路網(wǎng)擁堵路段的擁堵程度信息，且隨著與其他車輛信息交互次數(shù)的增加，其路網(wǎng)擁堵路段的信息愈加完整，最終生成整個(gè)路網(wǎng)擁堵路段的完整信息，由此供駕駛員在駕駛時(shí)實(shí)時(shí)參考。即路網(wǎng)擁堵信息生成模型如式(10)：

(10)

其中

[q≠k,j∈Gk(i)]

tk(i,j) ≤t

i,j∈{1,2,…,N}，Gk(i)?{1,2,…,N}

1.3.2 路網(wǎng)擁堵信息動(dòng)態(tài)更新模型

隨著車輛在路網(wǎng)中的行駛移動(dòng)以及VANET的動(dòng)態(tài)交替，各車輛不斷接收其他車輛發(fā)布的路網(wǎng)簡(jiǎn)化擁堵信息，由此便可根據(jù)其信息新舊來(lái)對(duì)自車相關(guān)路網(wǎng)擁堵信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。根據(jù)情形不同，路網(wǎng)擁堵信息的動(dòng)態(tài)更新模型分別如下。

1)原始采集信息集合的更新

若車輛k與車輛k′ 屬于相同采集路段i，且車輛k′ 的原始采集信息集合中，含有車輛k所沒有的原始采集信息時(shí)，則更新車輛k的原始采集信息集合。即

若Ok(i)≠Ok′(i)

Sk(i)=Sk(i)∪{Sk′(i)|p?Ok(i)}

則使

Ok(i)=Ok(i)∪Ok′(i)

(11)

其中：k≠k′,i∈{1,2,…,N}。

當(dāng)兩車的原始采集信息集合中都含有同路段某車輛采集的原始路況信息，且車輛k′ 擁有的信息更為新時(shí)，則更新至車輛k。

2)路網(wǎng)擁堵信息集合的更新

若路段i的采集車輛k所擁有的路網(wǎng)擁堵信息中不含有路段m的采集車輛k′ 所擁有的某路段j的簡(jiǎn)化擁堵信息，或兩車輛都擁有其簡(jiǎn)化擁堵信息，但車輛k′ 的信息更為新時(shí)，則將其補(bǔ)充或更新至車輛k。即

若Nk(i)≠Nk′(m)

而tk(i,j)

tk(i,j)=tk′(m,j)

Gk(i)= Gk(i)∪Gk′(m)

(12)

其中：k′≠k, m=i or m≠i , Gk(i),Gk′(m){1,2,…,N}；i,j,m∈{1,2,…,N}

3)交通擁堵信息的存留時(shí)效

當(dāng)車輛k擁有的某路段簡(jiǎn)化擁堵信息在規(guī)定的一定時(shí)間內(nèi)沒有得到更新，則其路況狀態(tài)不明而失去參考價(jià)值，系統(tǒng)自動(dòng)將其消除。即

若t-tk(i，j)≥T0

Gk(i)={Gk(i)|j?Gk(i)}

(13)

其中j≠i，Gk(i)?{1,2,…,N}, i∈{1,2,…,N}

式中：T0為事先設(shè)定的路網(wǎng)擁堵信息存留時(shí)間。

2 交通仿真與評(píng)價(jià)

2.1 交通仿真平臺(tái)

為評(píng)價(jià)IVTIS系統(tǒng)模型對(duì)于城市路網(wǎng)交通擁堵信息的擴(kuò)散傳播效果，筆者以VISSIM為基礎(chǔ)，利用其二次開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用其COM接口所提供的對(duì)象列表及其數(shù)據(jù)讀取與控制方法等，將所構(gòu)建和編制的IVTIS系統(tǒng)各功能模型的相關(guān)程序嵌入到每個(gè)車輛，并在每一仿真步中加以運(yùn)行，以此賦予VISSIM完成IVTIS系統(tǒng)相關(guān)功能的仿真能力。同時(shí)，針對(duì)車輛信息傳播丟包率問題，通過編程及設(shè)定各車輛廣播范圍內(nèi)沒有接收到其廣播信息的車輛比率進(jìn)行模擬，由此實(shí)現(xiàn)不同丟包率對(duì)傳播效果影響的仿真評(píng)價(jià)功能。

2.2 仿真環(huán)境設(shè)定

圖1為路網(wǎng)各端口流入車流量為600veh/h時(shí)，擁堵路段采集車輛發(fā)布其擁堵信息后擴(kuò)散傳播至路網(wǎng)各路口及端口的最短傳播時(shí)間示意。短路段：1km，長(zhǎng)路段：2km；限速60km/h；路段A①間設(shè)置減速帶模擬擁堵路段(通行速度4～6km/h)；路口設(shè)置同步信號(hào)燈(周期60s)；路口分流率(十字路口25:50:25；丁字路口50:50)；路網(wǎng)流入車流量：各入口300,600,900veh/h(車流服從泊松分布)；廣播通信范圍：300m；仿真時(shí)間：35min；丟包率：0,25%,50%,75%。擁堵開始時(shí)間：15min；擁堵信息存留時(shí)間：T0=15min；初始采集時(shí)刻或距離：Ts=15s，Ls=50m，采集間隔：Tc=5s，發(fā)布間隔：Tr=1s；擁堵程度劃分上限：Vc=20km/h,Vs=40km/h。

圖1 路網(wǎng)交通擁堵信息最短傳播時(shí)間示意Fig.1 The shortest transmission time of congestion information in the road network

2.3 仿真與評(píng)價(jià)

2.3.1 路網(wǎng)流入車流量對(duì)擁堵信息傳播的影響

圖2是路網(wǎng)流入車流量不同時(shí)擁堵信息路網(wǎng)端口最短傳播時(shí)間。由圖2看出：①路網(wǎng)流入車流量的增加使得路網(wǎng)內(nèi)車流密度增大，其擁堵信息傳播至路網(wǎng)端口的最短時(shí)間整體呈縮短趨勢(shì)；②當(dāng)路網(wǎng)流入車流量較少時(shí)(300 veh/h)，由于路網(wǎng)車流密度減少以及頻繁出現(xiàn)不同程度的車輛間距疏密不均現(xiàn)象，使得信息傳播斷鏈現(xiàn)象頻出，由此引發(fā)交通擁堵信息傳播時(shí)間的明顯增加。其結(jié)果顯示，擁堵路段采集車輛發(fā)布的擁堵信息傳播至路網(wǎng)所有端口所需的最短時(shí)間為28 s(最長(zhǎng)傳播路徑距離為7～8 km)。

圖2 路網(wǎng)流入車流量不同時(shí)擁堵信息路網(wǎng)端口最短傳播時(shí)間Fig.2 The shortest dissemination time of the traffic congestion information to the entrances of road network with different flow-in traffic volumes

2.3.2 信息傳播丟包率對(duì)擁堵信息傳播的影響

圖3為路網(wǎng)各端口流入車輛量為600 veh/h、信息傳播丟包率分別為0%，25%，50%，75%時(shí)交通擁堵信息的最短傳播時(shí)間仿真結(jié)果。由其看出，隨著丟包率的增加，傳播至路網(wǎng)各端口的最短時(shí)間隨之增大，當(dāng)丟包率為75%時(shí)變化顯著，這是由于丟包率的增加使得信息傳播斷鏈現(xiàn)象加重，從而使得傳播時(shí)間相應(yīng)增大。

圖3 不同丟包率時(shí)交通擁堵信息的路網(wǎng)端口最短傳播時(shí)間Fig.3 The shortest transmission time when traffic congestion information reaches the road entrances in different packet loss rates

圖4為不同丟包率時(shí)交通擁堵信息隨時(shí)間推移的路網(wǎng)覆蓋率變化曲線比較圖。由其看出，丟包率越大，相同傳播時(shí)間時(shí)擁堵信息的路網(wǎng)覆蓋率越低，亦即路網(wǎng)覆蓋所需時(shí)間越長(zhǎng)；丟包率為25%時(shí)路網(wǎng)覆蓋時(shí)間為56 s。

圖4 不同丟包率時(shí)交通擁堵信息的路網(wǎng)覆蓋率變化曲線Fig.4 Change curve of road network coverage of congestion information with different packet loss rate

3 結(jié) 語(yǔ)

筆者針對(duì)智能車載交通信息系統(tǒng)(IVTIS)，基于VANET廣播方式，在構(gòu)建原始交通信息自主采集及融合處理基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了面向城市路網(wǎng)的交通信息自主傳播模型、路網(wǎng)擁堵信息自動(dòng)生成模型、以及動(dòng)態(tài)更新模型。并針對(duì)IVTIS模型，通過對(duì)交通仿真系統(tǒng)VISSIM的二次開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了IVTIS模型在VISIIM平臺(tái)上的算法嵌入及仿真運(yùn)算功能。進(jìn)而，在仿真評(píng)價(jià)面向城市路網(wǎng)的交通擁堵信息傳播效果基礎(chǔ)上，對(duì)不同路網(wǎng)流入車流量以及不同信息傳播丟包率對(duì)交通擁堵信息路網(wǎng)傳播效果的影響進(jìn)行了綜合比較和評(píng)價(jià)。仿真結(jié)果表明，IVTIS系統(tǒng)及其模型，對(duì)于城市路網(wǎng)、尤其是較大規(guī)模路網(wǎng)交通擁堵信息的自動(dòng)生成、動(dòng)態(tài)更新、以及快速傳播具有一定的適應(yīng)性和有效性。

[1] 向勇.基于車載自組網(wǎng)的動(dòng)態(tài)交通信息的挖掘和利用[J].中興通訊技術(shù),2011,17(3):29-34. Xiang Yong.Dynamic traffic data mining based on vehicular ad hoc networking [J].ZTE Technology Journal,2011,17(3):29-34.

[2] Liu Bojin,Khorashadi Behrooz,Ghosal Dipak,et al.Analysis of the information storage capability of VANET for highway and city traffic [J].Transportation Research Part C:Emerging Technologies,2012,23:68-84.

[3] Narzt W,Wilflingseder U,Pomberger G,et al.Self-organizing congestion evasion strategies using ant-based pheromones [J].IET Intelligent Transport Systems,2010,4(1):93-102.

[4] 陸希,謝康林.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)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008,25(4):122-123,134. Lu Xi,Xie Kanglin.A traffic information system based on ad-hoc wireless network [J].Computer Applications and Software,2008,25(4):122-123,134.

[5] Wischhof L,Ebner A,Rohling H.Information dissemination in self-organizing intervehicle networks [J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2005,6(1):90-101.

[6] Tomotaka Wada,Junya Fukumoto,Kazuhiro Ohtsuki,et al.A novel real-time recognition method of vehicular traffic congestion by VANET [J].IEICE Transactions on communications,2011,94-B (1):55-63.

[7] Zhang Qi,Zheng Hao,Zhang Jianping.Effectiveness analysis for automatic collection and dynamic transmission of traffic congestion information based on VANET[C]//The 2nd International Conference on Transportation Information and Safety.Wuhan:[s.n.],2013.

[8] 張崎,趙檢豪.智能車載交通信息系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(1):11-16. Zhang Qi,Zhao Jianhao.Research for an intelligent vehicular traffic information system [J].Journal of Beijing University of Technology,2014,40(1):11-16.

A Self-organizing IVTIS Model and Diffusion Effect Evaluation ofCongestion Information in Road Network

Zhang Qi1, Zheng Hao2, Zhang Jianping2, Peng Hong1

(1. School of Automation & Electrical Engineering, Beijing University of Science & Technology, Beijing 100083, China; 2. School of Computer & Communication Engineering, Beijing University of Science & Technology, Beijing 100083, China)

The concentrated traffic information system had problems, such as over-size investment on infrastructure and over-concentrated data processing. The self-organizing traffic information system focused more on the information safety and focused less on the collection and release of congestion information of the road network. According to the conditions mentioned above, a VANET-based and urban road network-oriented self-organizing intelligent vehicular traffic information system (IVTIS) pattern and model was proposed. Road network congestion information collection, integration and dynamic disseminating effects were simulated and analyzed comprehensively based on the secondary development platform of VISSIM and relative evaluation indexes. Moreover, impacts of vehicle inflow and information packet loss rate during transmitting on the congestion information spread within the whole road network were compared and evaluated. The simulation results confirm not only the rationality and feasibility of the proposed IVTIS model, but also its satisfactory performance in automatic real-time collection and dynamic spreading of congestion information within the whole urban road network.

traffic engineering; intelligent vehicular traffic information system(IVTIS); congestion information; autonomous collection; autonomous transmission

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.22

2014-06-19；

2014-07-21

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(4122048)

張 崎(1960—)，男，河北邯鄲人，副教授，博士，主要從事智能交通系統(tǒng)及系統(tǒng)工程方面的研究。E-mail:zhqi@ustb.edu.cn。

U491.2

A

1674-0696(2015)05-110-04