CN104468400B - 一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于车联网车车通信领域的应用，具体涉及一种面向车联网的保障紧急事件消息实时性的方法。本发明基于将多次低可信度的消息进行汇聚，满足一定条件后再向外进行广播，同时筛除过期、不可信的消息来实现保障紧急事件消息实时性，在保障紧急事件消息能够传播的同时，使用较小的通信代价和计算开销，降低了车载单元的能量消耗和网络开销，且确保了消息的实时可信性，为车联网的辅助行车安全机制提供了一种简单、有效的保障紧急事件消息实时性的方法策略。

Description

一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法

技术领域

本发明属于车联网车车通信领域，具体涉及一种面向车联网的保障紧急事件消息实时性的方法。

背景技术

在车联网(Vehicular Ad-hoc Network,VANET)中，高速移动的车辆通过无线自组织网络的形式实时共享交通路况信息，提高驾驶安全性。传统的行车安全相关应用在共享紧急事件消息时，往往采用简单的周期发送机制，即在事件发生并被探测到的一段时间内周期发送相关消息，这种方式一方面可能导致广播风暴，另一方面对消息的实时性考虑不足，不仅会浪费通信资源影响其他消息传播，还会导致接收者做出错误的驾驶决策，引发交通事故，造成伤亡。

如图1所示，在目前广泛应用的紧急事件消息传输策略中，道路上P处发生一个紧急事件(如撞车，道路施工，积水等)，车辆V1，V2探测到事件后立刻广播相应消息。几分钟后该紧急事件解除，交通秩序得到恢复，但在一段时间内，消息还在网络中广泛存在，车辆V3，V4接收到失去实时性的消息后，将做出错误驾驶决策(如避险绕行，紧急刹车等)，可能影响原有行程，甚至引发撞车事故。由此可知，目前普遍采用的紧急事件消息传输机制会给行车安全带来危险因素，所以保障紧急事件消息实时性的技术是道路行车安全研究一个重要的课题。

发明内容

本发明目的在于提供一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法，在保证紧急消息能够及时传播的同时，保障了消息的实时性和可信性，同时降低了网络通信开销，有效避免了因过期、不可信消息造成的安全风险。

为达到上述目的，本发明的技术方案是一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法，消息源根据事件类型和事件危险程度生成高优先级消息level1_msg和低优先级的消息level0_msg，该方法包括以下步骤:

车载终端在接收到紧急消息后，判断发送队列中是否有与之属于同一事件的level1_msg；如果有，计算两者的可信度后，取两者中可信度高的消息，并将其置为高优先级放入发送队列；如果没有，则判断该消息的优先级，如果是level0_msg，对消息进行汇聚；如果是level1_msg，删除与level1_msg属于同一事件的所有level0_msg，更新可信度并加入发送队列；

车载终端按照固定频率和发送策略发送发送队列中的消息。

进一步的，所述消息至少包括下列信息：消息编号、事件类型、事件发生的地理位置、事件发生时间、消息源标识、消息的可信度、消息的优先级。

进一步的，所述消息源至少包括自身发生紧急事件的车辆，探测到周边紧急事件的车辆以及路侧单元。

进一步的，所述的发送策略包括：计算发送队列中消息的可信度，如果可信度小于Credit_min，删除消息；将可信度小于Credit_demotion的level1_msg的优先级置为低优先级；发送发送队列中的所有消息；

其中，可信度计算公式为：

其中，Credit_demotion为常数，是level1_msg降级至level0_msg的可信度门限值，msg是消息标识，cv是紧急事件消息上一次的可信度值，cv的初始值设为10，a取常数-10^-6，t是当前系统处理时间，t₀是消息中的事件发生时间。

进一步的，所述同一事件的判断标准为：消息源相同、事件发生地相同并且消息类型相同；

其中，两条消息事发地点的距离的计算公式为：

若S≤100，则判定为处于同一位置，否则，判定为不同位置；

其中，Lat是纬度，Lung是经度，a＝Lat1-Lat2为两点纬度之差，b＝Lung1-Lung2为两点经度之差，6378173(m)为地球半径。

进一步的，对消息进行汇聚的方法，包括下列步骤：

计算接收到的同一事件的所有level0_msg的可信度总和；

当可信度总和大于Credit_thres时，生成对应的level1_msg加入发送队列，并删除该事件所有的level0_msg。其中，Credit_thres为level0_msg升级至level1_msg的可信度门限值。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1.实用性：只需要在车载终端加入一段软件处理流程，不需要做硬件的更改，便能实现对紧急事件消息实时性和可信性的保障，避免因过期、不可信消息造成的危害。

2.可靠性：本方法引入消息汇聚技术，增加紧急事件消息的可信度，减少冗余过期的紧急事件消息引起的误报警，进而提高基于车车通信的安全相关应用的可靠性。

3.高效性：本方法引入消息汇聚技术，减少了低优先级消息的广播，一方面降低了广播风暴发生的可能性，同时通信开销也相对减少，另一方面确保了消息的可靠性，避免了过期消息和不可信消息的广播，而且整个处理过程不需要大量的计算，只需要一些简单的判断就可以实现，所以比较高效。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为应用场景示意图；

图2为本发明一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法原理图；

图3为本发明一种保障车联网紧急事件消息实时性的消息队列中消息的广播策略流程图；

图4为本发明一种保障车联网紧急事件消息实时性的消息汇聚流程图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

本实施例中涉及的符号含义如下：

level0_msg:低优先级消息；

level1_msg:高优先级消息；

Credit(msg，t):衡量紧急事件消息msg在t时刻的可信度；

Credit_min:可信度下界，低于该值的消息将被视为过期消息；

Credit_thres：level0_msg升级至level1_msg的可信度门限值；

Credit_demotion：level1_msg降级至level0_msg的可信度门限值；

Set_Level0:同一事件level0_msg的集合。

其中，上述的三个阈值的大小关系为：

Credit_thres>Credit_demotion>Credit_min。

如图2-4所示，面向车联网的一种保障紧急事件消息实时性的方法，消息源根据事件类型和事件危险程度生成高优先级消息level1_msg和低优先级的消息level0_msg，且每个消息都有一个初始的可信度值，每当消息被处理时，可信度值会被重新计算，不断递减，当可信度值低于阈值Credit_min时，判定该消息已经过期失效，系统将其删除。该方法的算法具体包括以下步骤：

(1)车载终端按固定频率和策略处理发送队列中的消息；

(2)车载终端接收到紧急事件消息，记作new_msg；

(3)在发送队列中查找与收到消息new_msg属于同一事件的level1_msg，若找到则继续执行步骤(4)，否则跳转到步骤(6)；

(4)步骤(3)找到的消息记作local_msg，更新计算并判断local_msg和new_msg的可信度的大小；

(5)若local_msg的可信度大于new_msg的可信度，则步骤(5)处理结束，退出算法；否则将new_msg的优先级置为level1(高优先级)，并加入到发送队列，同时从发送队列中删除local_msg，步骤(5)处理结束，退出算法；

(6)解析new_msg，判断消息的优先级，若消息为levle0_msg则继续执行步骤(7)，若消息为levle1_msg则跳转(12)；

(7)查找与new_msg属于同一事件的Set_Level0，若无，则生成一个空的Set_Level0，将消息加入其中，步骤(7)处理结束，退出算法；若找到，则继续执行步骤(8)；

(8)解析Level0_msg，获取消息的ID(消息编号)，类型，发生时间，可信度；

(9)在Set_Level0集合中查找是否有和该消息相同的消息(根据消息ID判断)，若有，则步骤(9)处理结束，退出算法；否则继续执行步骤(10)；

(10)将该消息加入Set_Level0集合中，根据当前时间计算Set_Level0集合中的所有消息的可信度值，并删除可信度值小于Credit_min的消息；

(11)计算Set_Level0集合中所有消息可信度的和，并判断该值与阈值Credit_thres的大小关系。若大于阈值，则生成该类型对应的level1_msg，加入发送队列中，并删除该Set_Level0，步骤(11)处理结束，退出算法；否则，直接退出；

(12)更新new_msg的可信度，加入发送队列中；

(13)查找是否存在与new_msg对应同一事件的Set_Level0，若存在，则删除该Set_Level0，步骤(13)处理结束，退出算法；否则，直接退出。

发送策略的算法如图3所示，车载终端计算发送队列中消息的可信度，如果消息的可信度低于Credit_min，则将该消息从队列中删除，并把可信度低于Credit_demotion的level1_msg降级为level0_msg，然后发送队列中的所有消息，以固定频率(如1Hz)执行该策略。

步骤(2)中，紧急事件消息内容包括消息编号，事件类型、事件发生的地理位置、事件发生时间、消息源标识、消息可信度、消息优先级；消息源标识为生成消息的车辆和路侧单元的编号。

步骤(3)中，判断不同消息是否属于同一事件的方法为：同时满足下面三个个条件，即可判定为同一事件：

(1)消息源相同；

(2)事件发生地相同；

(3)消息类型相同。

其中，针对两个消息是否属于同一事件的判定，大多数的情况下利用条件“事件发生地相同，并且消息类型相同”便可判定为属于同一事件，但仅仅使用该条件，可能会将某辆车高速移动过程中短时间内的两次刹车事件判定为不同的事件，而导致一个没有意义且具有危害性的刹车事件消息在网络中继续传播，故引入条件“消息源相同，并且消息类型相同”来判定属于同一事件。

计算两条消息事发地点的距离，采用球面距离算法：

若S≤100，则判定为处于同一位置，否则，判定为不同位置。

其中Lat是纬度，Lung是经度，a＝Lat1-Lat2为两点纬度之差，b＝Lung1-Lung2为两点经度之差，6378137(m)为地球半径，最终计算结果的单位是m。

步骤(4)中，可信度计算公式为：

该函数为随时间递减函数，其中msg是消息标识，cu是紧急事件消息上一次的可信度值，cv的初始值设为10，a取常数-10^-6，t是当前系统处理时间，t₀是消息中的事件发生时间。

步骤(7)中，Set_Level0是车辆节点接收到的同一事件Level0_msg的集合，保存在本地存储中，即每个Set_Level0集合中包含的都是针对同一事件的level0_msg。

上述步骤10-13为对消息进行汇聚的算法，如图4所示。

下面给出本发明的一种实施例，一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法中，消息源以1Hz的频率向外广播紧急事件消息，包括消息编号，事件类型、事件发生的地理位置、事件发生时间、消息源标识、消息的可信度，消息的优先级，其他车辆接收到该紧急事件消息后将按照本发明的方法进行处理，该方法包括以下步骤：

首先定义紧急事件消息格式为：

〈消息ID，事件类型，事件发生位置，事件发生时间，消息源标识，消息可信度，消息的优先级〉。

令Credit_demotion＝6，Credit_min＝3，Credit_thres＝25。

其中地理位置为一个二元组，为(纬度数值，经度数值)，优先级的取值范围为{0,1}，0表示低优先级level0,1表示高优先级level1。

上午10点整，消息源车辆S₀路经某地Z，发现道路积水，该事件记为E₀，便立刻生成一条优先级为level1的消息加入发送队列进行广播，消息内容为:

<”M0001983220140623100000”,”S1”,(31.313645,120.779383),"2014-06-2310:00:00",”00019832”,10,1>，记为msg0。

10:02时刻，在附近的车辆A(此时A的紧急事件消息发送队列为空，同时所有Set_Level0也为空)接收到S₀广播的msg0,首先更新可信度：

a(t-t₀)＝-0.12

Credit(msg0，t)＝10*e^-0.12＝8.87

此次t为"2014-06-23 10:02:00"，t₀是消息中的事件发生时间，t₀为"2014-06-2310:00:00"，t-t₀为时间差，单位为毫秒。

更新可信度后，将消息加入发送队列，消息内容为:

<”M0001983220140623100000”,”S1”,(31.313645,120.779383),"2014-06-2310:00:00",”00019832”,8.87,1>，记为msg1，处理结束。

10:05时刻，消息源车辆S₁路经Z地，发现道路依然积水，便生成一优先级为level1的消息加入发送队列并广播，消息内容为:

<”M0005467620140623100500”,”S1”,(31.313507,120.779386),"2014-06-2310:05:00",”00054676”,10,1>，记为msg2；

车辆A在10:06时刻，接收到S₁广播的level1级别的消息msg2，此时，A的发送队列中已经有一条级别为level1的消息msg1，

首先判断这两条消息是否属于同一个事件：

(1)都属于同一类型的事件”S1”；

(2)计算两条消息事发地点的距离，采用球面距离算法

计算得S＝15.36m＜100m，判定为同一地点。

故根据以上两个条件，可判定该两条消息属于同一个事件，再分别计算此时msg1和msg2的可信度：

计算msg1的可信度：

a(t-t₀)＝-0.36

Credit(msg2，t)＝8.87*e^-0.36＝6.19

此处t取"2014-06-23 10:06:00"，t0 为"2014-06-23 10:00:00"。

计算msg2的可信度：

a(t-t₀)＝-0.06

Credit(msg1，t)＝10*e^-0.06＝9.42

此处t取"2014-06-23 10:06:00"，t₀为"2014-06-23 10:05:00"。

显然msg1的可信度小于msg2的可信度，故从发送队列中删除msg1，并更新msg2的可信度后，将其加入发送队列，此时A的发送队列中有一条消息，内容为:

<”M0005467620140623100500”,”S1”,(31.313507,120.779386),"2014-06-2310:05:00",”00054676”,9.42,1>，处理结束。

消息源S₀每次向外广播消息时都要先计算实时的可信度，如果可信度低于Credit_demotion，将消息的优先级改为level0。

10:09时刻，S₀中原有msg0的优先级已经降为level0，记降级后的消息为msg3，此时，车辆B(此时B的紧急事件消息发送队列为空，同时所有Set_Level0也为空)接收到S₀广播的level0消息msg3，便将其加入一个Set_Level0中，消息内容为:

<”M0001983220140623100000”,”S1”,(31.313645,120.779383),"2014-06-2310:00:00",”00019832”,10,0>。

计算可信度：

a(t-t₀)＝-0.54

Credit(msg3，t)＝10*e^-0.54＝5.83

此处t取"2014-06-23 10:09:00"，t₀为"2014-06-23 10:00:00"。显然大于Credit_min，再调用汇聚算法，计算该Set_Level0总的可信度值，得∑Credit(E₀，t)＝5.83，显然小于Credit_thres，故处理结束。

10:11时刻，车辆B。又接收到S₁广播的级别为level1的消息msg2，由于B的发送队列为空，即没有相同事件的level1_msg，直接更新收到消息的可信度：

a(t-t₀)＝-0.36

Credit(msg3，t)＝10*e^-0.36＝6.98

此处t取"2014-06-23 10:11:00"，t₀为"2014-06-23 10:05:00"。

将其加入发送队列中，内容为:

<”M0005467620140623100500”,”S1”,(31.313507,120.779386),"2014-06-2310:05:00",”00054676”,6.98,1>，并记为msg4。

然后查找得一个Set_Level0中含有一条level0级别的消息，判断msg3和msg4是否属于同一个事件：

(1)都属于同一类型的事件”S1”；

(2)计算两条消息事发地点的距离，采用球面距离算法

计算得S＝15.36m＜100m，判定为同一地点。

故根据以上两个条件，可判断得知该两条消息属于同一个事件。删除该Set_Level0中的msg3。处理结束。

随着时间的推移，获取到该紧急事件消息的车辆越来越多，且最终必然会出现以下情况：

车辆C的发送队列中没有针对事件E₀的消息，但在某个Set_Level0中已经有针对事件E₀的多条level0消息，分别为：

<”M0001983220140623100600”,”S1”,(31.313645,120.779383),"2014-06-2310:06:00",”00019832”,10,0>，记为msg5；

<”M0001561220140623100630”,”S1”,(31.313635,120.779389),"2014-06-2310:06:30",”00015612”,10,0>，记为msg6；

<”M0006573420140623100640”,”S1”,(31.313666,120.779390),"2014-06-2310:06:40",”00065734”,10,0>，记为msg7；

<”M0007435120140623100650”,”S1”,(31.313635,120.779379),"2014-06-2310:06:50",”00074351”,10,0>，记为msg8。

在10:16时刻，C收到一条level0_msg，内容为：

<”M0004126720140623100700”,”S1”,(31.313637,120.779378),"2014-06-2310:07:00",”00041267”,10,0>，记为msg9，判定得知是属于事件E₀的消息。

分别计算可信度，计算得：

Credit(msg5，t)＝5.49 Credit(msg6，t)＝5.66

Credit(msg7，t)＝5.71 Credit(msg8，t)＝5.77

Credit(msg9，t)＝5.83

显然都大于Credit_min，再调用汇聚算法，计算得：

∑Credit(E₀,t)

＝Credit(msg5，t)+Credit(msg6，t)+Credit(msg7，t)

+Credit(msg8，t)+Credit(msg9，t)

＝28.46

显然大于Credit_thres，故删除该Set_Level0，并根据可信度最高的msg9生成一条对应的level1消息加入到发送队列中，消息内容为：

<”M0004126720140623100700”,”S1”,(31.313637,120.779378),"2014-06-2310:16:00",”00041267”,10,1>。处理结束。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种保障车联网紧急事件消息实时性的方法，其特征在于，消息源根据事件类型和事件危险程度生成高优先级消息level1_msg和低优先级的消息level0_msg，该方法包括以下步骤:

车载终端在接收到紧急消息后，判断发送队列中是否有与之属于同一事件的level1_msg；如果有，计算两者的可信度后，取两者中可信度高的消息，并将其置为高优先级放入发送队列；如果没有，则判断该消息的优先级，如果是level0_msg，对消息进行汇聚；如果是level1_msg，删除与level1_msg属于同一事件的所有level0_msg，更新可信度并加入发送队列；所述消息进行汇聚的方法为，计算接收到的同一事件的所有level0_msg的可信度总和；当可信度总和大于Credit_thres时，生成对应的level1_msg加入发送队列，并删除该事件所有的level0_msg；其中，Credit_thres为level0_msg升级至level1_msg的可信度门限值；

车载终端按照固定频率和发送策略发送发送队列中的消息。

2.根据权利要求1所述的保障车联网紧急事件消息实时性的方法，其特征在于，所述消息至少包括下列信息：消息编号、事件类型、事件发生的地理位置、事件发生时间、消息源标识、消息的可信度、消息的优先级。

3.根据权利要求1所述的保障车联网紧急事件消息实时性的方法，其特征在于，所述消息源至少包括自身发生紧急事件的车辆，探测到周边紧急事件的车辆以及路侧单元。

4.根据权利要求1所述的保障车联网紧急事件消息实时性的方法，其特征在于，所述的发送策略包括：计算发送队列中消息的可信度，如果可信度小于Credit_min，删除消息；将可信度小于Credit_demotion的level1_msg的优先级置为低优先级；发送发送队列中的所有消息；

其中，可信度计算公式为：

$Credit(msg,t)=cv*e^{a(t-t_0)}$

其中，Credit_demotion为常数，是level1_msg降级至level0_msg的可信度门限值，msg是消息标识，cv是紧急事件消息上一次的可信度值，cv的初始值设为10，a取常数-10^-6，t是当前系统处理时间，t₀是消息中的事件发生时间。

5.根据权利要求1所述的保障车联网紧急事件消息实时性的方法，其特征在于，所述同一事件的判断标准为：消息源相同、消息发生地相同并且消息类型相同；

其中，两条消息事发地点的距离的计算公式为：

$S=2arctan\sqrt{{\sin }^2\frac{a}{2}+cos\left(Lat1\right)*cos\left(Lat2\right)*{\sin }^2\frac{b}{2}}*6378137$

若S≤100，则判定为处于同一位置，否则，判定为不同位置；

其中，Lat是纬度，Lung是经度，a＝Lat1-Lat2为两点纬度之差，b＝Lung1-Lung2为两点经度之差，6378137(m)为地球半径。