CN102737503A

CN102737503A - 一种车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法

Info

Publication number: CN102737503A
Application number: CN2012102052425A
Authority: CN
Inventors: 张健; 冉斌; 王卫; 丁钰玲; 金璟; 李文权
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: CN102737503B

Abstract

本发明公开了一种车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法，该方法是在车载自组网（VehicleAdHocNetworks，简称VANET）的公交车动态调度情况下，提出的一种区域内无线通信连通性分析的方法。该方法首先确定车联网环境下参与公交车动态调度的元素；其次，确定公交车动态调度各元素间采取的通讯手段；接下来，将公交车动态调度过程中的通信结构分为：路—车通信系统和车—车通信系统，以便分析调度过程中通信连通的基本结构特征；最后，在相关假设条件的限定下，通过计算一定区域范围内公交车动态调度的无线通信连通概率，得到该区域内无线通信的连通性。

Description

一种车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法。

背景技术

车联网环境下公交车动态调度是一种基于新通信手段、多源信息获取和新调度理念的自动调度技术。该调度技术运用了专门为车辆间通信而设计的自组织网络，它将自组网技术应用于车辆间通信，使驾驶员能够在超视距的范围内获得其他车辆的状况信息（如车速、方向、位置、刹车板压力等）和实时路况信息。

车联网环境下公交车动态调度过程中当突发交通事件或发生交通事故时，公交信息中心主要通过道路交通设施对公交车辆发送信息和指令，所以道路交通设施与公交车辆之间需要保证连通性，以便信息中心调度指令的顺利传达。

经发明人长期研究发现，目前我国尚未开展对于公交车动态调度中通信连通性的定量分析，如果能够通过计算一定区域范围内公交车动态调度的无线通信连通概率，定量分析得到该区域内无线通信的连通性，将有助于准确掌握区域内公交车动态调度无线通信连通的可靠性，同时还可为城市公交基础设施建设部门科学、合理的布设公交信息中心与道路交通设施提供理论支持。

发明内容

本发明的目的是在车载自组网的公交车动态调度情况下，提出的一种区域内无线通信连通性分析的方法，该方法的提出填补了国内有关公交车动态调度中通信连通性分析的空白，为城市公交基础设施建设部门科学、合理的布设公交信息中心与道路交通设施提供了依据，

本发明采用的技术方案为：一种车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法，包括以下步骤：

1．）首先，需要明确在车联网环境下参与公交车动态调度的元素及各元素的功能定位，

2．）其次，确定调度过程中移动公交车辆之间、移动公交车辆与道路交通设施之间、移动公交车辆以及道路交通设施与公交信息中心之间的通讯手段，

3．）接下来，需要明确在车联网环境下公交车辆动态调度过程中的通信系统结构及其对应功能，以便分析调度过程中通信连通的基本结构特征，

4．）最后，在相关假设条件的限定下，通过分析单车道公交车辆车头间距的分布函数，推导一定区域范围内公交车动态调度的无线通信连通概率，得到该区域内无线通信的连通性。

所述步骤1．）中根据车载自组网的特殊自组织形式，明确参与调度过程的元素及其功能定位，具体为：

1．）在公交车辆动态调度系统总体方案的确定过程中，首先需要明确参与调度过程的元素，即：公交车辆、公交信息中心、道路交通设施（如路段接收发射器、交叉口上游固定感应器、通讯塔等），

2．）明确参与调度过程中公交车辆的功能定位，系统以公交车辆自身协调调整为主进行智能化的调度管理，公交车辆之间在一定的区域范围内保持着信息交换传输的连通性，不断进行信息的交流，主动预防同一线路上公交车辆串车现象的发生，

3．）明确参与调度过程中道路交通设施的功能定位，移动公交车辆与道路交通设施之间保持着周期或触发感应式的信息交换，道路交通设施先将信息（如车辆位置、速度、流量等）反馈到公交信息中心，信息中心根据所获取的综合信息做出有关车辆调度指令的决策，

4．）明确参与调度过程中公交信息中心的功能定位，基于的的公交车动态调度技术中，公交信息中心只是作为一种辅助手段，增加一种公交车辆的信息获取源和调度信息发布方式，无需时刻对所有获取信息的公交车辆进行调度，主要负责系统的对外接口，如紧急救援、公共安全协调监控、城市气象等。

所述步骤2．）中选取公交车动态调度的各元素间采取的通讯手段，在现有的公交道路网络上动态、快速、高效地构建一个自组织、分布式控制的多跳通信网络，具体为：

1．）车联网环境下公交车动态调度系统中，公交运营车辆之间、车辆与交通设施之间的通信相当于人体内的神经，是公交车辆智能调度系统的核心，采用无线方式，

2．）本系统采用移动通讯系统作为移动公交车辆与公交信息中心之间的直接通讯手段，

3．）本系统采用车载自组网来构建公交车辆与公交车辆之间、公交车辆与道路交通设施之间的直接通信，

4．）本系统综合采用光纤通信、卫星通信和无线移动通信等方式作为道路交通设施与公交信息中心之间的通信手段。

所述步骤3．）中分析车联网环境下公交车辆动态调度过程中的通信系统结构及其对应功能，明确调度过程中通信连通的基本结构特征，具体为：

1．）将车辆与车辆间的无线通信系统划分为两种结构：路-车通信系统和车-车通信系统，

2．）路-车系统中，车辆之间通过路边道路交通设施传递信息，信息的传递须经过设施转发，车辆之间不能直接传递信息。该系统可以用于车辆速度信息警示、辅助驾驶以及交叉主动避碰等，

3．）车-车系统中，通信范围内的车辆可以直接传递信息，无需其它设施支持。本系统以移动Ad Hoc网络为基础，需要传递信息的车辆自动检测通信范围内的车辆并将信息逐步传递给下一辆车，用多跳通信的方式将信息发送出去，该系统可以应用于紧急信息警示、协作驾驶等。

所述步骤4．）中将连通概率作为车间无线通信系统性能评价的重要指标之一，用来分析无线通信的连通性，具体为：

1.）为了方便分析无线通信的连通性问题，做出以下假设：假设道路交通流中有且仅有公交车辆装备无线通信模块；假设相对于车辆的运动来说，无线信息的传播是瞬时的；假设二维空间快照上的研究场景在连通性上同样适用于三维空间下的研究；假设所有无线通信模块的信号范围半径相同，

2.）计算车辆之间的车头间距分布：

在单车道情况下，考虑车辆之间的车头间距分布服从：h(x,ρ)，其中，x代表位置，ρ代表交通流密度，其分布的具体形式和参数与道路交通流情况相关，同时其对应的累积分布函数为：

3．）计算公交车辆之间的车头间距分布：

假设公交车辆占总车辆数的比率为p，且车辆间的间距记为：d₁,d₂,...,d_n，...，得到公交车辆之间的车头间距分布情况的概率密度函数记为：

其中，f_n(x)为在x处，恰好有n辆车的概率，其计算公式为：

利用概率论中的特征函数进行推导：

由特征函数的定义可知，任何随机变量的特征函数完全决定了其概率分布，所以对于连续型随机变量，通过连续傅里叶逆变换，有概率密度函数：

对应的，其累积分布函数记为：H_bus(x)，

4．）通过计算公交车辆间无线通信系统的连通概率来分析无线通信的连通性：

根据假设，将连通性研究降到航拍快照的二维空间上进行研究。道路交通中运行的公交车辆视为点，其无线通信范围半径为r_i，由假设可记为r，设R为车辆间的有效通信范围，这里不妨设R=2r，通过相关公式推导得到单车道上公交车辆的期望数

E (n) = Σ_{n = 1}^{\infty} n H_{bus} {(R)}^{n - 1} (1 - H_{bus} (R)) = \frac{1}{1 - H_{bus} (R)},

设单车道上的车辆总数为N_Total，则定义该系统内无线通信的连通性为：

若E(n)<N_Total，则

若E(n)≥N_Total，则Connect=1。

本方法在对车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析的过程中，确定了参与公交车动态调度的元素及各元素间采取的通讯手段。通过分析车联网环境下公交车辆动态调度过程中的通信系统结构及其对应功能，明确了调度过程中通信连通的基本结构特征。最后，在相关假设条件的限定下，通过计算一定区域范围内公交车动态调度的无线通信连通概率，得到该区域内无线通信的连通性。本方法为分析快照下无线通信的连通性，利用了拓扑学理论的知识来研究道路交通设施布设情况，通过研究公交车辆之间的车头间距分布和计算公交车辆间无线通信系统的连通概率推导得到无线通信的连通性，具有充分的理论依据。该方法的提出对于城市公交智能运营调度中的相关技术问题有巨大的现实意义。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

1．）车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法是根据车载自组网的特殊自组织形式，以道路交通设施作为运营公交车辆与信息中心间信息交流的主要媒介，来考虑的通信连通性问题。目前我国尚未开展过此项研究，弥补了相关技术领域的空白。

2．）通过计算一定区域范围内公交车动态调度的无线通信连通概率，定量分析得到该区域内无线通信的连通性，将有助于准确掌握区域内公交车动态调度的无线通信连通可靠性，有利于提高公交车辆运营准点率和服务水平，从而最终提高公交吸引力；同时还可为城市公交基础设施建设部门科学、合理地布设公交与道路交通设施提供理论支持。

3.）对车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法的发明，是公交车辆通过车联网实现自适应动态调整的重要保障。与此同时，以车辆自适应调度为主、以信息中心调度为辅，这种新的运营调度方式是对我国目前公交车辆运营调度模式的一种发明，体现在：信息中心获取的信息将以VANET获取范围内公交车信息为主，以GPS、3G为辅的多源获取；在站点乘客获取信息方面，公交车辆直接传输信息至站点交通设施，辅以信息中心发布的方式；在很大程度上缓解信息中心调度人员的工作压力。

附图说明

图1为本发明的车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法流程图，

图2为基于VANET的公交车辆调度各元素组成示意图，

图3为基于VANET的路-车通信系统示意图，

图4为基于VANET的车-车通信系统示意图，

图5为公交车辆与道路交通设施间通信连通示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明：

由于车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法过程较为复杂，在此，对其进行详细说明：如图1所示，一种车联网环境下公交车动态调度的通信连通性分析方法，包括以下步骤：

A、车联网环境下参与公交车动态调度的元素及各元素功能定位的确定

a．确定车联网环境下参与公交车动态调度的元素

在公交车辆动态调度系统总体方案的确定过程中，首先需要明确参与调度过程的元素（如图2所示），即：公交车辆、公交信息中心、道路交通设施（如路段接收发射器、交叉口上游固定感应器、通讯塔等），

b．确定参与调度过程中公交车辆的功能定位

系统以公交车辆自身协调调整为主进行智能化的调度管理，公交车辆之间在一定的区域范围内保持着信息交换传输的连通性，不断进行信息的交流，主动预防同一线路上公交车辆串车现象的发生，

c．确定参与调度过程中道路交通设施的功能定位

移动公交车辆与道路交通设施之间保持着周期或触发感应式的信息交换，道路交通设施先将信息（如车辆位置、速度、流量等）反馈到公交信息中心，信息中心根据所获取的综合信息做出有关车辆调度指令的决策，

d．确定参与调度过程中公交信息中心的功能定位

基于车载自组网的公交车动态调度技术中，公交信息中心只是作为一种辅助手段，增加一种公交车辆的信息获取源和调度信息发布方式，无需时刻对所有获取信息的公交车辆进行调度，主要负责系统的对外接口，如紧急救援、公共安全协调监控、城市气象等。

B、选取公交车动态调度的各元素间采取的通讯手段

a．选取公交车动态调度系统的通信方式

车联网环境下公交车动态调度系统中，公交运营车辆之间、车辆与交通设施之间的通信相当于人体内的神经，是公交车辆智能调度系统的核心，采用无线方式，

b．选取公交车辆与公交信息中心之间的无线通信方式

本系统采用移动通讯系统作为移动公交车辆与公交信息中心之间的直接通讯手段，

c．选取公交车辆间、公交车辆与道路交通设施之间的无线通信方式

本系统采用车载自组网来构建公交车辆与公交车辆之间、公交车辆与道路交通设施之间的直接通信（如图5所示），

d．选取道路交通设施与公交信息中心之间的无线通信方式

本系统综合采用光纤通信、卫星通信和无线移动通信等方式作为道路交通设施与公交信息中心之间的通信手段。

C、确定调度过程中通信连通的基本结构特征

通过分析车联网环境下公交车辆动态调度过程中的通信系统结构及其对应功能，明确调度过程中通信连通的基本结构特征。

a．分析车联网环境下公交车辆动态调度过程中车辆与车辆间无线通信系统结构

将车辆与车辆间的无线通信系统划分为两种结构：路-车通信系统和车-车通信系统，

b．分析路-车通信系统结构及其功能

路-车系统中，车辆之间通过路边道路交通设施传递信息，信息的传递须经过设施转发，车辆之间不能直接传递信息（如图3所示）。该系统可以用于车辆速度信息警示、辅助驾驶以及交叉主动避碰等，

c．分析车-车通信系统结构及其功能

车-车系统中，通信范围内的车辆可以直接传递信息，无需其它设施支持。本系统以移动Ad Hoc网络为基础，需要传递信息的车辆自动检测通信范围内的车辆并将信息逐步传递给下一辆车，用多跳通信的方式将信息发送出去（如图4所示），该系统可以应用于紧急信息警示、协作驾驶等。

D、车联网环境下公交车动态调度通信连通性的确定

a．为了方便分析无线通信的连通性问题，做出以下假设

1．）假设道路交通流中有且仅有公交车辆装备无线通信模块，

2．）假设相对于车辆的运动来说，无线信息的传播是瞬时的，

3．）假设二维空间快照上的研究场景在连通性上同样适用于三维空间下的研究，这里需要对假设3进行简单解释。通常来说，对于交通问题，研究时间在0.1秒情况下就已足够。所以，根据假设2，当采用卫星或飞机对道路交通情况进行航拍时，就可以将交通场景视为“静态”，每次通信时的研究场景就是一次快照（Snapshot）。目前，研究车-车无线通信技术多是在Snapshot下进行研究

4．）假设所有无线通信模块的信号范围半径相同。

b．计算车辆之间的车头间距分布

c．计算公交车辆之间的车头间距分布

1．）假设公交车辆占总车辆数的比率为p，且车辆间的间距记为：d₁,d₂,...,d_n，...，得到公交车辆之间的车头间距分布情况的概率密度函数记为：

h_{p} (x, ρ) = Σ_{n = 1}^{\infty} f_{n} (x) p {(1 - p)}^{n - 1},

2．）其中，f_n(x)为在x处，恰好有n辆车的概率，其计算公式为：

f_{n} (x) = P (Σ_{i = 1}^{n} d_{i} = x),

3.）利用概率论中的特征函数进行推导：

4.）由特征函数的定义可知，任何随机变量的特征函数完全决定了其概率分布，所以对于连续型随机变量，通过连续傅里叶逆变换，有概率密度函数：对应的，其累积分布函数记为：H_bus(x)，

d．通过计算公交车辆间无线通信系统的连通概率来分析无线通信的连通性：

1．）根据假设，将连通性研究降到航拍快照的二维空间上进行研究，道路交通中运行的公交车辆视为点，其无线通信范围半径为r_i，由假设可记为r（如说明书附图5所示），

2．）设R为车辆间的有效通信范围，这里不妨设R=2r，公交车辆之间的间距为d_i，当d_i>R时，无法建立通信，则形成独立的闭子集，这类闭子集类似于通信系统中的簇（Cluster），但是它是一种特殊的簇，即在互相连通的一个空间内，如果不借助道路交通设施或其它通信半径更大的节点，则信息的无线传播将被限制在该闭子集（或密闭的子系统）中，

3.）一个连通集内包含n辆公交车的概率为：P(n)＝H_bus(R)^n-1(1-H_bus(R))，显然，P(n)是公交车比率p的单调增函数，即车道上的连通性随p的增长而增长，进而有：

其中，P(n+1)=H_bus(R)ⁿ(1-H_bus(R))，

P (Σ_{i = 1}^{n} d_{i} | n) = P (Σ_{i = 1}^{n} d_{i} = x | d_{i} < R),

4.）因为公交车辆是独立的，即有d₁，...,d_n是独立的，所以再利用特征函数的性质，有Φ(P(d₁+…+d_i|i))=Φ[S_R,1(x)]ⁱ ，其中，

S_{R, 1} (x) = P (d = x | d < R) = \{\begin{matrix} 0, & x > R \\ \frac{h_{bus} (x)}{H_{bus} (r)}, & x \leq R \end{matrix}

，则有：

P (d_{1} + \cdot \cdot \cdot + d_{i} | i) = S_{R, i} (x) = \frac{1}{2 π} {&Integral;}_{- \infty}^{+ \infty} e^{- itx} Φ {[S_{R, 1} (x)]}^{i} dt,

因此，

\begin{matrix} P (d = x) = Σ_{n = 1}^{\infty} S_{R, n} (x) H_{bus} {(R)}^{n} (1 - H_{bus} (R)) \\ = Σ_{n = 1}^{\infty} [\frac{1}{2 π} {&Integral;}_{- \infty}^{+ \infty} e^{- itx} Φ {[S_{R, 1} (x)]}^{n} dt] H_{bus} {(R)}^{n} (1 - H_{bus} (R)) \end{matrix},

5.）通过上一步公式推导得到单车道上公交车辆的期望数：

E (n) = Σ_{n = 1}^{\infty} n H_{bus} {(R)}^{n - 1} (1 - H_{bus} (R)) = \frac{1}{1 - H_{bus} (R)},

若E(n)<N_Total，则

若E(n)≥N_Total，则Connect=1。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。