CN104978866A - 分布式自组织公共交通信息系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型交通信息系统，尤其涉及一种以车载设备为基础，通过短距离无线通信集成的分布式、自组织交通信息系统。通过分布的车载数据库存储公共交通网络中的行驶车辆完整的路径信息，并以此为基础通过车辆之间的短距离无线通信交换各自经过处理和优化的信息，实现动态路网交通信息在公共交通体系内的实时传播，形成有别于传统交通信息系统的无须集中处理和发送中心便可自行组织为一体的公共交通信息系统体系。此系统产生和传播的信息可以广泛应用于交通管理、控制、规划等方面，对现有交通信息体系是有益的补充和提升，并可提高引入第三方服务商的可行性，更好利用现有交通网络的通行能力，推动城市交通朝向低碳环保的大方向前进。

Description

分布式自组织公共交通信息系统

所属技术领域

本发明涉及一种新型公共交通信息系统，尤其涉及一种以车载设备为基础，通过短距离无线通信集成的分布式、自组织交通信息系统。

背景技术

几乎无时无刻我们不得不经历着交通拥堵。随着经济、环境、社会各方面制约的不断增加，通过新建更多道路从而提高交通系统的通行能力去解决拥堵问题越来越不可持续和不堪承受。更为可行的思路是：通过更好的利用现有交通网络的通行能力而缓解拥堵。例如，当部分路段由于过高通行需求或通行能力暂时降低而变得拥堵时，部分道路使用者可以改变其行驶路径，使交通网络的利用更为均衡，从而达到整个系统的最优。还可以暂时提高高需求路段的通行能力，例如，当预计有的较高的需求时，通过分配更多的绿灯时段给特定的路段和方向。但这些决策的根据何来?无论哪一种情况，都必须准确掌握实时交通状况并预测未来交通状况。

传统的交通检测系统都是点测量，即点传感器只能提供点变量，如点截面交通流量、点截面速度等等。但以ATIS(高级交通信息系统)、ATMS(高级交通管理系统)、RGS(行车导航系统)为代表的更高级的交通应用，需要以行驶车辆/驾驶人为中心的变量为支撑。传统上，这些变量通常可以通过点变量估计得来，但很难保证高质量。如果以行驶车辆/驾驶人为中心的变量可以直接测量得到，这些变量的可信度会大大提高，进而整个系统的性能也得以提升。传统交通信息系统，虽然传感器(路侧或车载)是分布于交通网络各处，但对信息的处理和发送是集中的。要使其正常运行并提供最基本的服务，必须一次性投资建设信息处理中心和数量巨大传感器。这对初始启动投资要求很高，在用户较少的初期阶段资金回收慢，在市场条件下很难得到推广。

分布式交通信息采集处理系统是一种很有前途的可以直接测量得到以行驶车辆/驾驶人为中心的变量的系统。它的目标是收集和存储系统中每一个行驶车辆/驾驶人完整的路径表，进而道路网络实时交通状况可以被直接测量，未来交通状况可以被准确预测。每一个带有相应车载设备的车辆即是网络中的一个传感器测量当前路网交通状况，车辆间通过短距离的无线通信相互传递交换交通信息，同时每一车辆自行处理和优化接受到的交通信息，从而这些车辆不依靠任何路侧通信设施和集中的信息处理中心便可以自行组织形成交通信息系统为其服务。相比于传统系统，分布式、自组织的交通信息系统理论上可以不需要任何公共基础设施的先期投入便可支持系统生成相关信息为客户服务。在市场条件下，伴随着用户的逐渐增加，系统可以从小到大逐步演变，对投资者而言风险相对较小。

分布式、自组织的交通信息系统的优点是明显的，但在其发展起步阶段却可能面临着技术和市场的各种困难，在私人轿车市场开拓困难较多。在起始阶段，由于尚未达到经济规模，相应车载通讯、处理设备的生产、安装、维护的成本有可能较高，特别在一般家庭轿车中的市场推广可能阻力较大。同样，在系统初建期间由于相应车载通讯设备市场穿透率可能较低，交通信息系统对路网的覆盖面可能会较低，信息的实时性可能会较差。还很重要的是，在系统还不完善成熟的阶段，带有车载设备的私人车辆作为网络中的传感器产生信息，通过车辆间的短距无线通信交换信息，可能造成个人信息和隐私的泄露。

在广义的公共交通体系(包括固定线路的公交车辆、出租车、其它带有运营性质的车辆)中建设分布式、自组织的交通信息系统则可以有效的避免和解决上述在起步阶段可能面临的困难和问题。由于广义的公交车辆通常价格较高，使得其对车载设备的价格相对不敏感，并且此类车辆多归属于企业，较易达到规模效益，推广成本较低。公交车辆和其它运营车辆的出行率和行速距离会远远高于一般私人车辆，这使得建立在其上的分布式、自组织的交通信息系统对路网的覆盖范围大幅度扩大，信息的实时性大大加强，系统对客户的服务质量得以提高。对于公交性质的车辆，也不会造成个人信息和隐私的泄露。因此，建设基于广义的公共交通体系上的分布式、自组织的公共交通信息系统不但是可行的，而且系统的建成还会大大提升公共交通系统的可预测性和服务水平。

发明内容

要解决的使技术问题：

本发明的核心内容是：通过分布式的车载数据库存储公共交通网络中的每一行驶公交车辆完整的路径信息，并以此为基础通过公交车辆之间的短距离无线通信交换各自已经过处理和优化的交通信息，从而实现动态路网交通信息在公共交通体系内的实时传播，形成有别于传统交通信息系统的无须集中处理、发送中心的便可自行组织为一体的公共交通信息系统体系。在此系统中，每一在公共交通网络中(带有相应设备的)行驶车辆存贮其途经的路径和相关的交通信息。当车辆进入到可以与邻近的(带有相应设备的)公交车辆进行短距离无线通信的范围时，之间建立通信联络，并交换彼此数据库中的最新交通信息。

此信息系统是分布的，因为每一(带有相应设备的)行驶的公交车辆将会有自己的车载计算和存储功能。其自身的可追踪的行驶路径将会被存储于其自身的车载数据库中，此信息并可以提供给可进行短距离车辆间无线通信的相邻公交车辆，使其不仅存储其自身的信息更有从其它车辆转发的其还未行驶过的路段信息，进而掌握整个路网的实时交通信息。在接受到这些信息后，每一(带有相应设备的)行驶的公交车辆将会对比其数据库中已有的交通信息，并进行相应的更新从而掌握最新的实时交通信息，这些更新后的实时交通信息将会在其下一次与相邻公交车辆的短距离车辆间的无线通信中被发送个其它公交车辆。

此信息系统是自组织的，因为每一(带有相应设备的)行驶车辆将会有自己的车载计算和存储功能，而不依赖于传统交通信息系统中的信息处理中心与任何路侧通信设施便可以自组织形成交通信息系统为其服务。随着带有相应设备的车辆的进入和离开，系统中的传感器和用户数量也在动态的增加和减少，但还在网络中的车辆依然可以产生、交换、处理路网交通信息，并自组成网。

基于广义的公共交通运输体系的分布式、自组织的公共交通信息系统特别需要解决如下几个问题。作为公共交通信息系统最基本组成单元的传感器(带有相应设备的行驶公交车辆)如何产生最基本的路况信息，即在何时何地以何种方式生成何种形式的交通信息，以达到准确及时全面地感应相应的路况信息但同时不生成过多冗余无用的内容。为了利用有限的通信带宽交换尽可能多的信息反映实时相关的路况信息，行驶公交车辆之间通过短距离无线通信交换什信息时，应该采用何种方式。车辆应该如何处理自身产生和收到相邻车辆传来的信息，才能在不降低交通信息覆盖面、精度、时效的前提下简化数据的存储。

技术方案：

为解决上述技术问题，本发明对分布式、自组织车载公共交通信息系统中的核心问题：交通信息的产生、交通信息的交换、交通信息的处理，都设计了全面的解决方案。

交通信息的产生：带有车载设备的车辆将根据自身的实际行驶时间和状况自动产生相应的数据包反应其已经驶过路段的交通信息。每一个数据包主要涵盖该车辆在该路段的旅行时间以及此数据包生成的时间和地点。针对本发明的车载分布式、自组织公交通信息系统，我们设计融合了路段行驶结束产生法和时间门槛产生法的混合路段数据包产生法，用以综合平衡时间和距离两个因素。即在车辆行驶完每一路段时必产生针对该路段的数据包，且在距离上一次产生数据包超过一定时间门槛时再次产生数据包。

交通信息的交换：带有车载设备的车辆在交通网络中行驶并与其它公交车辆建立短距无线通信时，针对之间交通信息的交换，我们设计了问答—广播式混合信息共享法。并通过系统内用户分级和积分奖励的手段，满足不同用户的需求，可使得系统长期可持续正常运行。

交通信息的处理：带有车载设备的车辆在接收到相邻的车辆通过车辆间短距无线通信传来的数据包后，通过比对自身的数据库，并采用我们设计的改进时间门槛动态指数过滤器对数据库中已有数据包进行更新。特别考虑到交通信息系统对时间敏感性，通过对数据库中各路段交通信息数据包不断更新，车载分布式、自组织交通信息系统中每一带有车载设备的车辆，都会实时更新的动态路网交通信息。

有益效果：

本发明的分布式、自组织车载公共交通信息系统具有许多独一无二的功能特点和优势。当此系统与其它交通信息、交通管理、交通控制、交通规划系统集成整合后，可以提供给针对每一个(带有相应设备的)行驶车辆/驾驶人个人化的信息，从而整个系统的表现更优。其收益者包括：每一个独立的行驶车辆/驾驶人、公共(交通管理、规划、运营)部门、系统服务提供商。

对于每一个独立的行驶车辆/驾驶人：在使用车载分布式、自组织的交通信息系统与系统内其它车辆交换信息时，在短距无线通信带宽有限的条件下，基于对其记录的以往行驶路径和模式之上的分析和预测，可以获得针对其个人需求的有限的相关信息。在传统的交通信息系统中，类似于广播方式传递的信息，造成过多的不相关信息，不仅无用而且信息太多分散驾驶人注意力，不利于安全驾驶。在短距无线通信带宽允许的条件下，也可传递更大范围交通网络的信息为网络中的其他用户服务。由于通过车载分布式、自组织的交通信息系统可以获得实时动态的交通网络信息，驾驶人/行驶车辆可以据此更新最优行驶路径，节省旅行时间。当与交通控制系统集成后，在足够多的(带有相应设备的)行驶车辆/驾驶人以相同的模式到达交叉路口时，相应的绿灯时段可得以延长，从而降低分布式、自组织交通信息系统使用者的延误和等待时间。

对于公共(交通管理、规划、运营)部门：可以通过设置路侧或集中定点的通信设施与带有车载设施的系统内车辆建立通信联系，直接从分布式、自组织车载公共交通信息系统中的行驶车辆取样得到历史的交通规律、模式和实时的交通信息，进而更为准确的估测交通需求，可以提升交通控制系统的功能。以此信息系统为来源，对于动态的、以路径为基础的交通变量的估测提供了必要的数据给交通控制系统，从而实现了更好的交通控制。如果采用(非使用者、非政府交通管理部门)第三方模式运营，分布式、自组织车载公共交通信息系统的建设几乎不需要政府的投资；并且与一般公共基础设施不同，此系统完全可以由独立的商业机构例如电讯公司运营。基于分布式系统的优势，不需要中央数据库存储大量的数据，其交通数据的维护成本很低；同样，系统有较好的扩容延展性，增加新用户和新路侧设施几乎不需要对现有系统框架进行修改。

对于系统服务提供商：独立的商业机构必须建立一个成功的商业模式去运营分布式、自组织交通信息系统，发现和确定潜在的利润来源，至少从以下两个方面。第一，集成交通需求和交通信息的数据(例如：路段旅行时间、路口延误等等)并出售给交通规划、管理、控制机构。这些数据有广泛的应用，但是从传统的方法不宜获取。第二，向信息系统的注册用户收取一定的服务费。许多调查表明用户愿意为其车内安装的车载设备付费，特别是系统可以节约交通时间的情况下。初始阶段通过以公交车、出租车和其它运营性车辆为骨架建设和运营分布式、自组织的交通信息系统，使得系统有稳定的服务水平，以此为基础，将系统向更为广阔的私人轿车市场扩展，应是较为可行的商业模式，也是本发明的分布式、自组织车载公共交通信息系统应当的历史责任和使命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的路段信息数据包结构说明和事例图。

图2为本发明的路段信息数据包产生方法：路段行驶结束与时间门槛混合法示意图。

图3为本发明的路段信息数据包交换方法和奖惩机制示意说明。

图4为本发明的更新路段信息数据包采用的改进时间门槛动态指数过滤器说明。

具体实施方式

我们发明的新型车载分布式、自组织公共交通信息系统具体实施方式可以在如下的文字和图例加以说明。在此例中，(带有相应设备的)行驶车辆A可与交通网络中其它(带有相应设备)的车辆进行交互式短距无线通信。

交通信息的产生：带有车载设备的车辆A将根据自身的实际行驶时间和状况自动产生相应的数据包反应其已经驶过路段的交通信息。每一个数据包主要涵盖该车辆在该路段的旅行时间以及此数据包生成的时间和地点，其的具体格式和内容可见附图1。在本发明的新型车载分布式、自组织公交通信息系统中，我们设计融合了路段行驶结束产生法和时间门槛产生法的混合路段数据包产生法，用以综合平衡时间和距离两个因素。以附图2为例，带有车载设备的行驶车辆A在进入路段i时记录时刻为t_s，并在离开该路段i时记录时刻t_e，并据此两时刻差计算出该路段的行驶时间，产生反应路段i信息的数据包p[i，t_e](见附图1)。如果因路段拥堵原因，行驶车辆A也可在时刻t_d(即：距离上一次产生数据包的时间超过预设的时间门槛△_t之时刻)根据在路段i已经行驶的距离和时间推算出全路段的行驶时间，产生反应路段i信息的数据包p[i，t_d](见附图1)。

交通信息的交换：带有车载设备的车辆A在交通网络中行驶并与其它公交车辆建立短距无线通信时，在交换交通信息时会应用我们设计的问答—广播式混合信息共享法。当无线通信带宽资源有限时，车辆A在与相邻车辆建立通信联系后主动发出询问信息索取其感兴趣的路段(通常为其计划行驶的路段)交通信息，相邻车辆在接到A的询问后在自身数据库中查找并将相应路段的数据包发送给A作为应答。问答式信息共享法最然大大压缩了需要通信的内容，但是由于车辆A只得到了其所需要的内容，其数据库内的数据过少对其它车辆用处不大，推广至整个系统将会使得系统冗余度大大减少，系统的正常运行可能受限。而广播法则是在车辆A与相邻车辆建立无线通信后，相互并无由针对性问答过程，便与相邻车辆交换尽可能多的(与己相关或不相关的)路段交通信息。这样增加了需要无线通信内容，车辆A不但得到了其所需要的内容，而其数据库内的数据对其它车辆也会用处，使得系统冗余度和可靠性大大增加。我们设计的问答—广播式混合信息共享法融合了这两种方法，本着用户权利和义务对等原则，采取系统内用户分级和积分奖励的手段，促使用户在无线通讯带宽充足并且系统内传感器或用户较少的条件时优先采用广播法交换路段交通信息，而在无线通讯带宽相对不足并且系统内传感器和用户较多时优先采用问答法，其具体形式见附图3。长期累积积分为负值的用户意味着其对系统的贡献为负，需要通过系统向积分为正值的各用户转移支付一定的费用作为使用本车载分布式、自组织交通信息系统的支出。长期累积积分为正且分值越高的用户等级越高，对系统的贡献越大，通过系统得到的被转移支付就越多。这既可以满足不同用户的需求，也是使得系统长期可持续正常运行的必要条件。

交通信息的处理：带有车载设备的车辆A在接收到相邻的车辆通过车辆间短距无线通信传来的数据包后，首先比对该数据包对应的路段是否已存储于自身的数据库中，如不在已有数据库中则添加之，如已在但该数据包产生时间晚于已有相应路段数据包则弃之。如不属于以上俩种情形，由于车辆A接收的系统内其它车辆发送的数据包其产生时在时间上的不规则和不连续，需要过滤处理最新收到的信息才能使其为自身和系统服务。即采用我们设计的改进时间门槛动态指数过滤器对数据库中已有数据包进行更新，其具体内容和形式见附图4。考虑到交通信息系统对时间的特别敏感性，在我们的改进时间门槛动态指数过滤器更新数据时，采用车载数据库中已存储的旧数据与最新接收的数据的权重将是动态的且与新旧数据产生时间点的差距相关，并只有在已存储的旧数据产生时间点与最新的数据产生时间点相差小于特定时间门槛时旧数据才会在更新中被采用。通过对自身数据库中的交通路网各路段交通信息数据包不断的处理更新，车载分布式、自组织交通信息系统中每一带有车载设备的车辆，都会实时更新的动态路网交通信息。

Claims (5)

1.车载分布式、自组织公共交通信息系统，其特征在于：通过分布式的车载数据库存储公共交通网络中的每一行驶公交车辆完整的路径信息，并以此为基础通过公交车辆之间的短距离无线通信交换各自已经过处理和优化的交通信息，从而实现动态路网交通信息在公共交通体系内的实时传播，形成有别于传统交通信息系统的无须集中处理、发送中心的便可自行组织为一体的公共交通信息系统体系；在此系统中，每一在公共交通网络中(带有相应设备的)行驶车辆存贮其途经的路径和相关的交通信息，当进入到可以与邻近的(带有相应设备的)公交车辆进行短距离无线通信的范围时，之间建立通信联络，并交换彼此数据库中的最新交通信息，在接受到这些信息后，对比其数据库中已有的交通信息，进行相应的更新从而掌握最新的实时交通信息，这些更新后的实时交通信息将会在其下一次与相邻公交车辆的短距离车辆间的无线通信中被发送个其它公交车辆。

2.根据权利1所述的车载分布式、自组织公共交通信息系统。其特征在于：带有相应车载设备的公共交通车辆产生路段信息数据包产生反应其行驶过路段的交通信息。

3.根据权利1所述的车载分布式、自组织公共交通信息系统。其特征在于：带有相应车载设备的公共交通车辆产生路段信息数据包的方法为路段行驶结束与时间门槛混合法，即在车辆行驶完成一路段时生成反应该路段交通信息的数据包，如果在驶入该路段超过特定时间门槛仍未离开该路段时则根据其已行驶的部分路段状况推广至整个路段并产生反应该路段交通信息的数据包。

4.根据权利1所述的车载分布式、自组织公共交通信息系统。其特征在于：带有车载设备的公共交通车辆在交通网络中行驶并与其它公交车辆建立短距无线通信时，交换路段信息数据包时会应用问答—广播式混合信息共享法，即本着用户权利和义务对等原则，采取系统内用户分级和积分奖励的手段，促使用户在特定情形下优先采用广播法或是问答法交换路段交通信息。

5.根据权利1所述的车载分布式、自组织公共交通信息系统。其特征在于：带有相应车载设备的公共交通车辆，通过短距无线通信接收到相邻车辆传来的信息数据包后，采用改进时间门槛动态指数过滤器对自身数据库中的各路段交通信息数据包进行处理更新。