CN104063509B - 一种移动式地理围栏的信息推送系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动式地理围栏的位置信息推送系统及其方法，通过所述方法构建车联网信息管理系统，能够使驾驶者获取移动目标的安全信息，实现主动安全服务。所述方法以移动目标地理位置为参考建立动态围栏；向围栏中的关联对象进行信息推送；同时跟踪系统中多个移动目标。本发明还公开了一种并行管理多个动态围栏的方法。实施本发明的位置信息推送方法及管理动态围栏的方法，能够精准地、及时地向周围关联对象推送安全行驶信息，避免造成交通事故。

Description

一种移动式地理围栏的信息推送系统及其方法

技术领域

本发明涉及智能交通(Intelligent Transportation System)和物联网(Internet of Things)技术领域，尤其是涉及一种移动式地理围栏的信息推送系统及其方法。

背景技术

车联网(Internet of Vehicles,IOV)是物联网领域的一个重要发展方向，构建主动安全服务是当前车联网系统发展的重要目标之一。根据事故发生状态和响应需求不同，主动安全技术一般集中针对于两个阶段：即事故发生瞬间的紧急规避阶段和车辆在常态行驶下的隐患控制阶段。前者主要依靠“车-车-路”之间的专用短程通信技术(DedicatedShort Range Communications,DSRC)和车辆主动控制技术实现事故规避(AccidentAvoidance)；后者主要依靠广域车联网位置服务主动协同各类交通对象，通过对司乘人员的提前预警实现隐患控制(risk control)。现有交通数据表明，隐患控制能够有效降低八成以上的交通安全事故发生的概率。

针对移动对象的主动协同和主动信息推送是车联网隐患控制领域的一个难题。当前使用的地理围栏(Geo-fence)相关技术，均为静态地理围栏，这一方法能将事故多发地段等静态隐患信息主动推送给关联车辆，但还远远不能满足隐患控制的要求。数据表明，超过60％的交通事故是与校车等客运车辆、重型货运车辆、危化品货运车辆密切相关的。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能够在车联网环境下，将这些移动对象的行驶状态快速准确地推送给各自周边关联目标，进而提升驾驶人员对前方(未来)动态安全风险的认识的一种移动式地理围栏的信息推送系统及其方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种移动式地理围栏的信息推送系统，其特征在于：(1)所述移动式地理围栏以移动对象为参考，参考点的地理坐标是连续动态变化的；(2)所述移动式地理围栏的覆盖区域是动态可变的，其覆盖区域由路网特征、移动对象的位置、属性特征以及运动状态共同决定；(3)系统协同管理多个移动式地理围栏，且数量可变，系统同时查询多个移动地理围栏中的关联目标,并进行带优先级的信息推送。

首先定义以下参数：

道路网边单元格：对道路网进行网格划分,当某个网格[x,y]中包含道路边e时，该网格称为边e的一个边单元格，如图2中左图所示。用五元组(x,y,e,n_s,n_e)来表示。其中x,y表示单元格网格坐标，e表示位于其中的一条边，ns,ne表示该边与单元格的交点；

瞬时围栏区域：在某一时刻T,以移动对象为参考构建的瞬时地理围栏所覆盖的区域。这一区域根据T时刻移动对象的位置和状态而计算得到，且只在T时刻有效，其位置和形态不随时间变化。

瞬时围栏索引：瞬时围栏区域与边单元格之间的映射关系，用以查询瞬时围栏区域对应的边单元格集合。使用B+树构建单元格索引：如图2中右图所示，所有的边单元格信息存放在叶子节点，非叶子节点中包含对应道路边编号，用来查询每条边对应的边单元格；

连续围栏区域：在某一段时间[t₀,t₀+Δt]内，以移动对象的活动区间为参考构建的移动式地理围栏所覆盖的区域。这一区域的位置和形态都不固定，在时段[t₀,t₀+Δt]内，随移动对象的运动而连续变化。

该移动式地理围栏的信息推送系统包括：

一道路网预处理模块：将来自交通管理系统的道路网数据以格网形式进行划分，采用定义中所示的五元组(x,y,e,n_s,n_e)来表示边单元格，并计算每一条道路边所对应的边单元格集合eCelllist。

一信息更新模块：根据来自交通管理系统的实时信息，以及经过道路网预处理模块预处理后的道路网数据，实时更新系统中所有目标的位置状态信息。将移动对象的地理位置转换为所在的边单元格，并计算移动对象在每一时刻的瞬时围栏区域，并建立其在该时刻的瞬时围栏索引；

一移动式围栏查询与管理模块：根据来自信息更新模块的实时道路网信息，对系统中的多个移动式围栏进行协同管理。利用各个移动对象在一段时间内生成的瞬时围栏区域集合，分别计算其在不同时段对应的连续围栏区域。筛选出位于连续围栏区域内的周边关联目标，并像这些关联目标进行信息推送。多个移动式围栏的查询与管理模块采用Map-Reduce的并行计算框架；定义Q(q₁,q₂,q₃…q_n)为多个移动对象的集合，每一个对象对应一个移动式围栏；该框架分为Map和Reduce两个阶段：

阶段一：在Map阶段为每一个对象q分配一个计算节点，执行查询过程，即图3中的M步骤；查询过程如下：(a)根据移动对象的状态信息及预先计算出的瞬时围栏区域和瞬时围栏索引，计算得到查询时段内的连续围栏区域(b)从移动对象周围目标中筛选出在连续围栏区域之内的关联目标集合OPush；

阶段二：在Reduce阶段，系统已经得到若干个(qi,OPushi)的键值对；根据移动对象qi的安全等级对推送列表进行排序，实现带优先级推送。

一种使用移动式地理围栏的信息推送系统的推送方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：道路网预处理模块将道路网地图以网格形式划分成一系列的边单元格，并结合道路网特征，建立道路边与边单元格之间的映射关系，得到每一条边对应的边单元格集合eCelllist；

步骤2：信息更新模块实时更新道路网中所有目标的地理位置和状态信息，所述状态信息包括目标类型、移动速度、移动方向、所处道路、所处车道等；将移动对象的地理位置转换为单元格，更新移动对象的瞬时围栏区域，并记录瞬时围栏索引。

其中，瞬时围栏区域的计算方式如下：1)由移动对象的瞬时位置确定其所在的道路边e，以及所处的道路网边单元格eCell；(2)找出道路边e对应的所有边单元格eCellList，计算这些单元格与移动对象之间的距离，若距离小于设定的安全距离，则将这一单元格加入瞬时围栏区域R；(3)安全距离的确定与移动对象的安全等级相关，如图2中右图所示，安全等级分为low,medium和high三个等级，等级越高，围栏覆盖区域越大；

步骤3：移动式围栏的查询与管理模块对系统中的多个移动式围栏进行管理，并进行带优先级的信息推送：

步骤3.1：实时计算连续围栏区域，计算方法如下：(1)根据移动对象的位置和速度信息，计算和预测移动对像的运动轨迹，确定其在[t₀,t₀+Δt]时间段内可能通过的活动范围；(2)将活动范围转换为道路边集合E，结合步骤(1)中记录的瞬时围栏索引，查询各时刻瞬时围栏区域R对应的边单元格集合；(3)将查询到的所有边单元格取并集，并去除与活动范围E无交集的部分，即得到连续围栏区域dR。

步骤3.2：将路网距离的计算转换为边单元格距离的计算，根据移动对象及其周围目标的运动状态判断其相遇可能性，计算关联距离，并根据设定的安全距离查询位于移动式地理围栏中的关联目标。

步骤3.3：由后台系统根据业务需求以及移动对象的实时状态，向关联目标进行信息推送。

在上述的一种使用移动式地理围栏的信息推送系统的推送方法，多动态围栏的查询与管理模块采用Map-Reduce的并行计算框架实现查询和管理，所述Map-Reduce用于对系统中多个移动式地理围栏的并行处理，同时计算每一个围栏中包含的关联目标，并向其中的目标推送信息，具体分为两个阶段：

在Map阶段，执行步骤3.1和3.2：为每个移动对象分配一个计算节点，根据其移动状态计算其动态围栏的覆盖区域，并查找出位于覆盖区域内的关联目标；所述的移动对象及周围目标将所述状态信息实时发送给后台管理系统；如图3所示，首先计算每一个移动对象q_i的移动地理围栏在一段时间内的连续围栏区域dR_i，然后从移动对象周围目标中筛选出在移动对象动态围栏范围之内的关联目标集合OPush_i；

在Reduce阶段，管理系统在确认动态围栏中的关联目标情况下，根据移动对象的实时状态对其优先级进行排序，按顺序对关联目标进行相应的位置信息推送；关联目标根据收到的位置信息，预判移动对象可能发生的事件，进而辅助决策。

因此，本发明具有如下优点：1、能够在车联网环境下，将这些移动对象的行驶状态快速准确地推送给各自周边关联目标，进而提升驾驶人员对前方(未来)动态安全风险的认识。2、用于处理两个方面的交通安全场景：当前方一定范围内出现高危目标时(如危化品运输车)，对驾驶人员进行预警。这类预警信息在关联车辆长途/夜间行驶或隐患目标本身出现明显违法状态时，可用来降低事故风险；当前方一定范围内出现高路权目标时(如校车)，可降低周边关联车辆因路权冲突带来的违法风险。

附图说明

附图1是采用动态地理围栏方法的交通管理系统的功能结构示意面。

附图2是图1所示系统道路网边单元格的存储索引示意图。

附图3是图1所示系统移动式地理围栏查询与管理模块并行计算框架图。

附图4是系统运行图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、首先解释一下本发明涉及到的参数定义：

道路网边单元格：对道路网进行网格划分,当某个网格[x,y]中包含道路边e时，该网格称为边e的一个边单元格，如图2中左图所示。用五元组(x,y,e,n_s,n_e)来表示。其中x,y表示单元格网格坐标，e表示位于其中的一条边，ns,ne表示该边与单元格的交点；

瞬时围栏区域：在某一时刻T,以移动对象为参考构建的瞬时地理围栏所覆盖的区域。这一区域根据T时刻移动对象的位置和状态而计算得到，且只在T时刻有效，其位置和形态不随时间变化。

瞬时围栏索引：瞬时围栏区域与边单元格之间的映射关系，用以查询瞬时围栏区域对应的边单元格集合。使用B+树构建单元格索引：如图2中右图所示，所有的边单元格信息存放在叶子节点，非叶子节点中包含对应路段编号，用来索引每条边对应的所有单元格；

连续围栏区域：在某一段时间[t₀,t₀+Δt]内，以移动对象的活动区间为参考构建的移动式地理围栏所覆盖的区域。这一区域的位置和形态都不固定，在时段[t₀,t₀+Δt]内，随移动对象的运动而连续变化。

二、本发明专利的基于移动式地理围栏的位置信息推送方法以交通管理系统为平台，在此平台上组建交通物联网，实现交通信息采集、数据网络传输、数据的存储与决策。

如图1所示，是本发明专利提供的一种基于动态围栏的交通管理系统的功能结构示意图。图1中，系统包含三个功能模块：道路网预处理模块、信息更新模块和移动式地理围栏查询与管理模块。

图1中，道路网预处理模块所需的道路网数据来自所述交通管理系统，通过划分道路网为单元格、建立道路边和边单元格索引等一系列过程实现对道路网的预处理。预处理模块的主要功能是为了实现动态围栏的高效查询。该划分单元格的方法是：如图2中所示，采用垂直格网的方式对道路网进行划分，每一个单元格采用一个五元组(x,y,e,n_s,n_e)来表示，其中x,y表示单元格网格坐标，e表示位于其中的一条边，ns,ne表示该边与单元格的交点。

图1中，信息更新模块所需的移动对象及关联目标的实时状态信息来自所述交通管理系统，所需的预处理后的道路网数据来自道路网预处理模块、通过转换地理位置为单元格、更新移动对象状态、计算移动对象的瞬时围栏区域，并记录瞬时围栏索引(如图2所示)。实现移动对象及关联目标状态信息的实时更新。

图1中，移动式地理围栏查询与管理模块所需的实时道路网信息来自信息更新模块，包括计算连续围栏区域、筛选周边关联目标和推送信息。如图3所示，是移动式地理围栏查询与管理模块并行计算框架图，多目标的查询与管理模块如图3所示，其采用Map-Reduce的并行计算框架。图中Q(q₁,q₂,q₃…q_n)即为多个移动对象的集合，每一个对象对应一个动态围栏，采用Map-Reduce框架对所有的动态围栏进行协同管理。该框架分为Map和Reduce两个阶段：

(1)在Map阶段为每一个对象q分配一个计算节点，执行查询过程，即图3中的M步骤。查询过程如下：(a)根据移动对象的状态信息及预先计算出的瞬时围栏索引，计算得到移动式地理围栏的连续围栏区域，；(b)从移动对象周围目标中筛选出在连续围栏区域之内的关联目标集合OPush。

(2)在Reduce阶段，系统已经得到若干个(q_i,OPush_i)的键值对。根据移动对象q_i的安全等级对推送列表进行排序，实现带优先级推送。

三、采用上述系统的具体实施步骤如下：

步骤1：道路网预处理模块将道路网地图以网格形式划分成一系列的边单元格，并结合道路网特征，建立路段与单元格之间的映射关系；

步骤2：信息更新模块实时更新道路网中所有目标的地理位置和状态信息，所述状态信息包括目标类型、移动速度、移动方向、所处道路、所处车道等；将移动对象的地理位置转换为边单元格，计算移动对象的瞬时围栏区域，并记录瞬时围栏索引；

步骤3：移动式围栏的查询与管理模块对系统中的多个移动目标的移动式围栏进行管理，实时计算连续围栏区域，并查询位于其中的关联目标，由后台系统根据业务需求以及移动对象的实时状态，向关联目标进行信息推送。

四、如图4所示，是所述基于动态围栏的交通管理系统的运行图。利用该方法，在广东省中山市交管平台副本节点中进行了实验分析，系统准确率能够达到80％以上。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种移动式地理围栏的信息推送系统，其特征在于，基于围栏、静态围栏定义移动式地理围栏，所述移动式地理围栏以移动对象为参考，参考点的地理坐标是连续动态变化，并且覆盖区域是动态可变的，其覆盖区域由路网特征、移动对象的位置、属性特征以及运动状态共同决定；具体涉及以下参数定义：

道路网边单元格：对道路网进行网格划分,当某个网格[x,y]中包含道路边e时，该网格称为边e的一个边单元格；用五元组(x,y,e,n_s,n_e)来表示；其中x,y表示单元格网格坐标，e表示位于其中的一条边，n_s,n_e表示该边与单元格的交点；

瞬时围栏区域：在某一时刻T,以移动对象为参考构建的瞬时地理围栏所覆盖的区域；这一区域根据T时刻移动对象的位置和状态而计算得到，且只在T时刻有效，其位置和形态不随时间变化；

瞬时围栏索引：瞬时围栏区域与边单元格之间的映射关系，用以查询瞬时围栏区域对应的边单元格集合；使用B+树构建单元格索引：所有的边单元格信息存放在叶子节点，非叶子节点中包含对应道路边编号，用来查询每条边对应的边单元格；

连续围栏区域：在某一段时间[t₀,t₀+Δt]内，以移动对象的活动区间为参考构建的移动式地理围栏所覆盖的区域；这一区域的位置和形态都不固定，在时段[t₀,t₀+Δt]内，随移动对象的运动而连续变化；

该移动式地理围栏的信息推送系统包括：

一道路网预处理模块：将来自交通管理系统的道路网数据以格网形式进行划分，采用定义中所示的五元组(x,y,e,n_s,n_e)来表示边单元格，并计算每一条道路边所对应的边单元格集合eCelllist；

一信息更新模块：根据来自交通管理系统的实时信息，以及经过道路网预处理模块预处理后的道路网数据，实时更新系统中所有目标的位置状态信息；将移动对象的地理位置转换为所在的边单元格，并计算移动对象在每一时刻的瞬时围栏区域，并建立其在该时刻的瞬时围栏索引；

一移动式围栏查询与管理模块：根据来自信息更新模块的实时道路网信息，对系统中的多个移动式围栏进行协同管理；利用各个移动对象在一段时间内生成的瞬时围栏区域集合，分别计算其在不同时段对应的连续围栏区域；筛选出位于连续围栏区域内的周边关联目标，并向这些关联目标进行信息推送；多个移动式围栏的查询与管理模块采用Map-Reduce的并行计算框架；定义Q(q₁,q₂,q₃…q_n)为多个移动对象的集合，每一个对象对应一个移动式围栏；该框架分为Map和Reduce两个阶段：

阶段一：在Map阶段为每一个对象q分配一个计算节点，执行查询过程，具体如下：

A、根据移动对象的状态信息及预先计算出的瞬时围栏区域和瞬时围栏索引，计算得到查询时段内的连续围栏区域；

B、从移动对象周围目标中筛选出在连续围栏区域之内的关联目标集合OPush_i；

阶段二：在Reduce阶段，系统已经得到若干个(q_i，OPush_i)的键值对；根据移动对象q_i的安全等级对推送列表进行排序，实现带优先级推送。

2.一种使用移动式地理围栏的信息推送系统的推送方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：道路网预处理模块将道路网地图以网格形式划分成一系列的边单元格，并结合道路网特征，建立道路边与边单元格之间的映射关系，得到每一条边对应的边单元格集合eCelllist；

步骤2：信息更新模块实时更新道路网中所有目标的地理位置和状态信息，所述状态信息包括目标类型、移动速度、移动方向、所处道路、所处车道；将移动对象的地理位置转换为单元格，更新移动对象的瞬时围栏区域，并记录瞬时围栏索引；

其中，瞬时围栏区域的计算方式如下：

步骤2.1、由移动对象的瞬时位置确定其所在的道路边e，以及所处的道路网边单元格eCell；

步骤2.2、找出道路边e对应的所有边单元格eCellList，计算这些单元格与移动对象之间的距离，若距离小于设定的安全距离，则将这一单元格加入瞬时围栏区域R；

步骤2.13、安全距离的确定与移动对象的安全等级相关，安全等级分为low,medium和high三个等级，等级越高，围栏覆盖区域越大；

步骤3：移动式围栏的查询与管理模块对系统中的多个移动式围栏进行管理，并进行带优先级的信息推送：

步骤3.1：实时计算连续围栏区域，计算方法如下：

步骤3.11、根据移动对象的位置和速度信息，计算和预测移动对象的运动轨迹，确定其在[t₀,t₀+Δt]时间段内可能通过的活动范围；

步骤3.12、将活动范围转换为道路边集合E，结合步骤3.11中记录的瞬时围栏索引，查询各时刻瞬时围栏区域R对应的边单元格集合；

步骤3.13、将查询到的所有边单元格取并集，并去除与活动范围E无交集的部分，即得到连续围栏区域dR；

步骤3.2：将路网距离的计算转换为边单元格距离的计算，根据移动对象及其周围目标的运动状态判断其相遇可能性，计算关联距离，并根据设定的安全距离查询位于移动式地理围栏中的关联目标；

步骤3.3：由后台系统根据业务需求以及移动对象的实时状态，向关联目标进行信息推送。

3.根据权利要求2所述的一种使用移动式地理围栏的信息推送系统的推送方法，其特征在于，多动态围栏的查询与管理模块采用Map-Reduce的并行计算框架实现查询和管理，所述Map-Reduce用于对系统中多个移动式地理围栏的并行处理，同时计算每一个围栏中包含的关联目标，并向其中的目标推送信息，具体分为两个阶段：

在Map阶段，执行步骤3.1和3.2：为每个移动对象分配一个计算节点，根据其移动状态计算其动态围栏的覆盖区域，并查找出位于覆盖区域内的关联目标；所述的移动对象及周围目标将所述状态信息实时发送给后台管理系统；首先计算每一个移动对象q_i的移动地理围栏在一段时间内的连续围栏区域dR_i，然后从移动对象周围目标中筛选出在移动对象动态围栏范围之内的关联目标集合OPush_i；

在Reduce阶段，管理系统在确认动态围栏中的关联目标情况下，根据移动对象的实时状态对其优先级进行排序，按顺序对关联目标进行相应的位置信息推送；关联目标根据收到的位置信息，预判移动对象可能发生的事件，进而辅助决策。