馬英魁，向鄭濤，陳宇峰，操翰文，張宇

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

隨著汽車保有量的不斷增加，我國道路交通事故不斷增長。2019年全國交通事故數(shù)總計(jì)247 646起，交通事故死亡人數(shù)總計(jì)62 763人，交通事故直接財(cái)產(chǎn)損失總計(jì)134 618萬元［1］。在道路交通安全事故中，高速公路百公里內(nèi)事故發(fā)生的概率是普通公路的4倍左右［2］。由于高速公路是高速線性全封閉道路，初次事故發(fā)生后，若不及時(shí)向后方車輛進(jìn)行事故通告，會(huì)導(dǎo)致后方車輛剎車不及時(shí)與事故車輛發(fā)生碰撞，引起二次事故。針對高速公路二次事故的預(yù)警，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［2］中基于4G和DSRC通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了高速公路通信場景與事故預(yù)警框架，在車速低于120 km·h-1的情況下，能有效避免追尾碰撞和側(cè)向碰撞的發(fā)生。文獻(xiàn)［3］中設(shè)計(jì)了車載防連環(huán)撞裝置，利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)事故車輛方位信息的傳輸，判定自身車輛如位于事故車輛同路段后方，則進(jìn)行預(yù)警。文獻(xiàn)［4］中指出二次事故通常發(fā)生在高速公路隧道內(nèi)，提出了隧道安全預(yù)警模型，模型在隧道場景下取得了較好的預(yù)警效果。文獻(xiàn)［5］中采用貴陽市2015年交通事故數(shù)據(jù)，參照二級事故判斷標(biāo)準(zhǔn)，提取二次事故發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，構(gòu)建了二次事故智能預(yù)警系統(tǒng)。上述文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的事故預(yù)警框架或系統(tǒng)不能將事故信息轉(zhuǎn)發(fā)至較遠(yuǎn)的范圍，僅能將事故信息向事故車輛附近車輛通告。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）是新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分開，由集中的軟件平臺(tái)控制可編程控制器的底層硬件。SDN 能夠動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的彈性分配和控制，在數(shù)據(jù)傳輸效率方面有明顯的優(yōu)勢，符合車載網(wǎng)絡(luò)的特性和需求［6］，將SDN 應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)（Internet of vehicles，IoV），可通過將數(shù)據(jù)平面與控制面分離，具有高度可擴(kuò)展性；通過使用集中式控制器實(shí)現(xiàn)所需的網(wǎng)絡(luò)管理；控制器可選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂?，根?jù)目前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對路邊設(shè)施進(jìn)行協(xié)調(diào)。［7］因此文中設(shè)計(jì)了基于SDN的車路協(xié)同事故通告系統(tǒng)。假設(shè)某高速公路上發(fā)生交通事故，事故造成單向通行受阻。在基于車路協(xié)同的事故通告系統(tǒng)中引入SDN概念，構(gòu)建新的事故通告框架，實(shí)現(xiàn)了對事故信息的全局調(diào)度管理；提出事故通告范圍的定義，根據(jù)事故車輛位置的不同，選擇合適的距離作為事故通告的范圍；根據(jù)計(jì)算的事故通告范圍，提出事故通告RSU 選擇算法，基于事故車輛與高速匝道位置計(jì)算發(fā)布事故通告的RSU。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)分析

基于SDN 的車路協(xié)同事故通告系統(tǒng)典型應(yīng)用場景如圖1所示。事故發(fā)生后，事故車輛通過車載單元（on board unit，OBU）向外廣播事故信息；路側(cè)單元（road side unit，RSU）在接收到事故信息后向云端控制器上傳事故信息；云端控制器收到RSU上傳的事故信息后，計(jì)算事故通告范圍；事故通告范圍計(jì)算完成后，云端控制器向該范圍內(nèi)的所有RSU 進(jìn)行事故發(fā)布；收到云端控制器事故發(fā)布的RSU將事故信息通告給通信范圍內(nèi)的車輛。

圖1 基于SDN的車路協(xié)同事故通告系統(tǒng)應(yīng)用場景

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

基于SDN 的車路協(xié)同事故通告系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示，整個(gè)框架細(xì)分為3個(gè)平面。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

1）車輛平面 高速公路設(shè)有中央分隔帶，將往返方向車輛完全隔離，避免相對向的車輛發(fā)生碰撞，因此高速公路上的事故一般發(fā)生在同向車道，故僅考慮車輛同向運(yùn)動(dòng)。車輛進(jìn)入高速公路后，通過車載OBU 設(shè)備自動(dòng)尋找RSU 設(shè)備，并從RSU 設(shè)備處獲取IP 地址。當(dāng)車輛發(fā)生事故時(shí)，通過車載OBU 設(shè)備持續(xù)廣播事故信息。事故信息主要包括事故車輛ID、位置、行駛方向。

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面 根據(jù)RSU 的信號覆蓋范圍，均勻分布了數(shù)量為NRSU的RSU。為避免相鄰RSU間信號串?dāng)_，相鄰RSU使用不同信道。

3）控制平面 部署SDN 控制器，控制器中存放整條高速公路中所有的道路信息和RSU 信息。將整條高速公路依據(jù)匝道位置劃分成若干小段道路，每小段道路有唯一的上游匝道和下游匝道，上游匝道為起點(diǎn)，下游匝道為終點(diǎn)。路段劃分如圖3所示。道路信息主要包括道路ID、方向、上游匝道ID、下游匝道ID、上游匝道位置、下游匝道位置；RSU 信息主要包括RSU ID、位置。通過SDN 控制器計(jì)算事故信息的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，選擇事故通告RSU。

圖3 路段劃分

1.3 事故通告范圍

高速公路是線性全封閉道路，為避免二次事故的發(fā)生，需要引導(dǎo)車輛在距離事故發(fā)生地上游最近的匝道下高速。以自西向東行駛車輛為例，定義事故發(fā)生地至最近上游匝道的距離為事故的通告范圍，確定距離事故發(fā)生地最近的匝道位置是事故通告范圍計(jì)算的關(guān)鍵。定義距離事故發(fā)生地最近上游匝道為目標(biāo)匝道，目標(biāo)匝道計(jì)算流程見圖4。首先提取事故信息和道路信息；其次判斷道路是否與事故車輛相向，若同方向，則進(jìn)一步判斷事故車輛是否位于該路段內(nèi)，比較事故車輛經(jīng)度或緯度是否位于該路段經(jīng)緯度之間，若位于則說明事故車輛屬于該路段范圍；最后，若事故車輛屬于該路段范圍，則提取并輸出該路段的上游匝道為目標(biāo)匝道，主要包括匝道ID、匝道位置。

圖4 目標(biāo)匝道計(jì)算流程

1.4 事故通告RSU選擇算法

事故通告范圍計(jì)算完成后，選擇事故通告RSU。定義所有位于事故通告范圍內(nèi)的RSU 為事故通告RSU，將已知事故上傳至RSU 并作為起點(diǎn)RSU，僅計(jì)算終點(diǎn)RSU。假設(shè)高速公路上均勻分布數(shù)量為NRSU的RSU，采用802.11p協(xié)議，通信距離達(dá)500 m，每臺(tái)RSU依順序遞增分配ID。終點(diǎn)RSU計(jì)算過程見圖5，先提取目標(biāo)匝道信息和RSU 信息，使用式（1）［8］計(jì)算目標(biāo)匝道與RSU的距離：式中：hav 為haversine 函數(shù)；DZR為兩點(diǎn)之間的距離；r為地球半徑；φZ、φR為目標(biāo)匝道與RSU位置的緯度；λZ、λR為目標(biāo)匝道與RSU位置的經(jīng)度。再判斷距離DZR是否小于500 m，若小于500 m則說明目標(biāo)匝道在此RSU通信范圍內(nèi)，提取此RSU的ID，令此RSU 為備選RSU。最后根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實(shí)施條例》［9］，機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛，車速超過100 km·h-1時(shí)，應(yīng)當(dāng)與同車道前車保持100 m以上的距離，為此在目標(biāo)匝道前采取換道措施，需要擴(kuò)大事故通告RSU的選擇范圍；同時(shí)為避免出現(xiàn)備選RSU在目標(biāo)匝道下游位置的情況，令終點(diǎn)RSU為備選RSU的前一個(gè)RSU。

圖5 終點(diǎn)RSU計(jì)算流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

文中構(gòu)建基于SDN 的車路協(xié)同事故通告系統(tǒng)仿真環(huán)境，通過Mininet-WiFi 和SUMO聯(lián)合仿真來驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

2.1 仿真環(huán)境和參數(shù)配置

Mininet-WiFi 是Mininet SDN 網(wǎng)絡(luò)仿真器的分支，通過添加基于標(biāo)準(zhǔn)Linux 無線驅(qū)動(dòng)程序和80211_hwsim 無線模擬驅(qū)動(dòng)程序的虛擬WiFi 站點(diǎn)和接入點(diǎn)，擴(kuò)展了Mininet 的功能，可以支持在Mininet 網(wǎng)絡(luò)場景中添加無線設(shè)備，并模擬移動(dòng)站的屬性，如相對于接入點(diǎn)的位置和移動(dòng)［10］。SUMO是開源、微觀、連續(xù)的交通仿真平臺(tái)，可以通過自定義道路狀況、車輛運(yùn)行軌跡搭建仿真場景［11］。

車輛在自西向東行駛方向匝道下游200 m 處發(fā)生交通事故，導(dǎo)致2 條車道發(fā)生堵塞，仿真場景如圖6所示。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。采用不同的到達(dá)率模擬車輛進(jìn)入高速路段，仿真10次，取平均值，結(jié)果保留1位小數(shù)。

圖6 仿真場景

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果及分析

后方車輛躲避事故車輛如圖7所示。前2輛車為事故車輛，事故車輛后方為阻塞車輛，匝道處右轉(zhuǎn)車輛為成功下匝道車輛。

圖7 后方車輛避讓事故車輛

定義車輛分流率：

式中：P為車輛分流率；Vpas為收到事故通告并成功從匝道下高速的車輛；Vtot為車輛總數(shù)。不同到達(dá)率下車輛分流率分析數(shù)據(jù)如表2所示，分流車輛數(shù)為收到事故通告后成功下匝道的車輛數(shù)；阻塞車輛數(shù)為收到事故通告后阻塞至事故車輛后的車輛總數(shù)；駛過匝道車輛數(shù)為收到事故通告后已駛過匝道的車輛數(shù)；換道距離不足車輛數(shù)為收到事故通告后由于距離匝道過近、換道距離不足導(dǎo)致阻塞的車輛數(shù)。由表2 可以看出，隨著車輛到達(dá)率的遞增，車輛分流率遞增。原因是單位時(shí)間內(nèi)隨著車輛到達(dá)率的遞增，道路中車輛總數(shù)遞增，分布逐漸密集，車輛間的距離逐漸變小，車速逐漸降低，后方車輛在接收到事故信息后有足夠的換道距離下匝道。

表2 不同到達(dá)率下車輛分流率分析

3 結(jié)論

通過OBU、RSU 結(jié)合SDN 控制器構(gòu)建了完整的高速公路事故通告系統(tǒng)。Mininet-WiFi和SUMO聯(lián)合仿真結(jié)果表明系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)正常，能有效對前方事故情況進(jìn)行通告，降低高速公路二次事故的發(fā)生概率。后續(xù)將研究事故通告RSU 的分布，在不影響車輛分流率的前提下降低系統(tǒng)成本。