CN105160879A - 一种基于道路拓扑结构的车辆信息无线采集方法 - Google Patents

Abstract

一种基于道路拓扑结构的车辆信息无线采集方法，在该方法中，将路网分为路段和连接点以及由路段和连接点组成的连接区域。以道路拓扑为基础，本方法为行驶在道路上的车辆划分临时所属区域。对于在同一时段属于同一区域的具有无线通信能力的车辆，本方法在其中选择发起者(sponsor)和追随者(follower)。发起者为区域车辆中最优位置的车辆，是该区域内车辆数据的收集节点，而追随者作为数据的发送节点。以发起者和追随者为信息提供的主体，本方法以高效率完成无线自组织车辆网络的数据收集。

Description

一种基于道路拓扑结构的车辆信息无线采集方法

技术领域

本发明涉及智能交通领域，特别是涉及智能交通中的车辆信息局部无线自组织采集方法。

背景技术

智能交通系统(ITS)是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。而在智能交通系统中，交通数据的收集是智能应用的基础。而交通数据中，车辆的数据是重要的一类。该数据可以包含车辆的速度和对应的时间戳信息。车辆信息可以转化为路况估计、路径规划等十分有用的智能交通相关信息。车辆的数据收集中，收集效率是重要的问题。

本发明旨在结合道路的拓扑信息，优化数据收集过程，降低时间消耗，提高效率。

发明内容

本发明的目的主要是，以较低的时间花费，进行车辆信息的无线自组织式的局部区域收集。

本发明技术方案：

一种基于道路拓扑结构的车辆信息采集方法，其特征在于，方法如下：

在路网中，以三叉路口和十字路口为结点，称为连接结点。以连接结点为起点或者终点，形成路段。每条路段只有一个起点和一个终点。起点是指车辆可以进入该路段的位置，即入口；而终点是指车辆可以离开改路段的位置，即出口。

一个连接结点或者一个路段的内向邻居路段是指，车辆按照交通规定可以来到该连接结点或者路段的路段，并且在该路段或者连接结点与所述内向邻居路段之间没有其他的路段，即直接相邻。车辆按照交通规定可以从该连接结点或者路段的路段来到该外向路段，并且在该路段或者连接结点与所述外向邻居路段之间没有其他的路段，即直接相邻。

一个连接区域是以一个连接结点为核心，及其内向邻接路段组成的区域。该区域只包含路段和连接结点，并不包含道路以外的其他区域。

本方法将数据收集的时间轴按照等长的时间段T进行划分，每一个时间段作为数据收集的一个时间单位。每个时间段结束的时候就是数据收集的时间点。

按照是否配置GPS定位设备将车辆分为可定位和不可定位的车辆；按照是否配置有无线通讯车辆将车辆分为可以发送和接收信息的车辆和不可以进行发送和接收信息的车辆。既具有定位能力又配置有无线通讯设备的车辆可以将自己在当前所在时间段T内自己在n个位置的经度、纬度、速度等信息形成数据包发送出去。并且该车辆可以接收其他车辆发送的该形式的数据包。

对于一个特定的连接区域J，在一个特定的T内，当该T即将结束时，在J内仅有一个发起者作为数据的收集者S。J内的其他的车辆将作为信息的提供者。S本身也可以将自己的数据作为最终数据的一部分进行上传。

每辆车可以发送两种类型的数据包，或者称两种不同的消息。第一种是发起消息：发起消息用于通知其他车辆，该消息的发送者正要发起一次数据收集过程；发起信息的格式为{时间戳，发起车辆的ID，连接区域的ID}。第二种是应答信息：应答消息用于应答别的车辆传来的发起信息；应答信息的格式为{时间戳，应答车辆的ID，历史时间戳，历史位置，历史速度值}。

RSU设置于路网的连接处。通过RSU来上传信息是一种很快的方式。而且，如果一辆车距离J中的连接点很近，它在J内将会有更广的无线通讯覆盖范围，以便与其他车辆进行通信。在此定义连接区域J的中心点为P_J。我们从以下两个方面考虑，以给竞争发起者的车辆赋予优先级：

方面1：如果两个车r₁和r₂同时距离P_J相同的距离，但是r₁的行驶方向是靠近P_J，而r₂的行驶方向是远离P_J，那么r₁将具有比r₂更高的优先级。这是因为驶近的车辆将比驶远的车辆有更多的时间进行通信。

方面2：如果r₁和r₂都在驶向P_J，并且都离P_J很近，但是r₁更近一些。在此种情景下，我们并不简单地认为r₁一定比r₂具有更高的优先级。这是因为由于车辆的移动，在很短的时间以后，也许r₂比r₁更适合去跟所有其他车辆进行通信。

将J包含的路段集合记为R_J，并将现在正在J内行驶的车辆的集合记为V_J。我们现在将位置P处的车辆v的优先级记为pri(P,v)。在此，方程pri(P,v)应该满足上面两个要求。pri(P,v)的一种合适的形式可以是：

$pri(P,v)=\cos (\mathrm{\π}\×\frac{dist(P,P_J)\×Dire\left(v\right)-\mathrm{\γ}}{{\Σ}_{i=0}^{N_J-1}{\mathrm{length}}_i})$

dist(P,P_J)表示位置P和P_J之间的距离，length_i是J中第i条路段的长度。当v正行驶在J的内向路段时，方程Dire(v)表示方向，其值为1，否则其值为-1。式中γ的是指可以调整的偏移量，单位可以是米。π表示圆周率。图2表示了这种函数的一种可视化形式。

假设当前时刻的时间戳是T_now，上一次数据收集行为的时间戳是T_last，下一次将要进行数据收集的时间戳是T_next。我们将T_do定义为车辆开始应答下一次数据收集行为的发起消息的起始时刻。由于发起消息的散发和应答消息的接收都需要时间，我们将T_w定义为T_next前的准备时间。

从任意的车辆v的视角出发，我们的发起者选择方式可以描述如下标准和步骤，如3所示：

(1)v将首先估计其在T_do时刻的位置，我们将该位置记为该估计是基于v当前的位置、速度和行驶方向进行的。然后v将计算其在位置的优先级，记为然后，v将广播其包含该优先级的发起消息。

(2)v将会从其他车辆收到不同的应答消息。v将在这些应答消息中解析出优先级，并在这些优先级和自己的优先级中选择最大值及其对应的车辆ID。

(3)当时间到达T_do的时候，v将发送一条应答消息给具有最大优先级的车辆。发送该消息的时机是在T_do和T_next之间的随机时刻。自然地，如果具有最大优先级的车辆就是v本身，那么它不用发送应答消息。

(4)如果在v广播其优先级之前，它收到了一条含有比自己优先级高的优先级的发起消息，那么它将放弃发送。

(5)如果v是新进入J的车辆，它将立即计算其自身的优先级。但是如果它刚刚参与了J的上一次的数据收集，那么它将在T_now和T_do之间随机选择一个时刻计算其优先级。这种设计是为了避免在广播发起消息时候的冲突。

(6)如果v是发起者，它将在T_do和T_next之间的时间段开放接收来自其他车辆的数据。

在该选择过程结束之后，如果J中有超过一个发起者，该情况也是允许的。这是因为，由于车辆的流动性和无线通信环境的不稳定性，具有最大优先级的发起消息可能并没有被所有其他车辆接收到。

一种基于道路拓扑结构的车辆信息无线采集方法，其特征在于：在停止接收数据之后，发起者立即开始处理收到的消息。发起者将收集到的数据合并到一个数据包。然后，发起者将该数据包上传给最近的RSU，再由RSU将数据传给服务器。

RSU：是RoadSideUnit的英文缩写，直译就是路侧单元的意思。RSU的设计，遵循国家标准为GB20851。RSU是由高增益定向束控读写天线和射频控制器组成。高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块，负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密；射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块。

附图说明

图1为道路划分的示意图；

图2为pri(P,v)的示意图；

图3为该方法执行的时间顺序示意图。

具体实施方式

在该方法中，将路网分为路段和连接点以及由路段和连接点组成的连接区域。以道路拓扑为基础，本方法为行驶在道路上的车辆划分临时所属区域。对于在同一时段属于同一区域的具有无线通信能力的车辆，本方法在其中选择发起者(sponsor)和追随者(follower)。发起者为区域车辆中最优位置的车辆，是该区域内车辆数据的收集节点，而追随者作为数据的发送节点。以发起者和追随者为信息提供的主体，本方法以高效率完成无线自组织车辆网络的数据收集。

该方法的实施，是基于路网的。首先要按照说明书对路网进行划分，分为具有方向的路段和路段之间的连接点，并形成连接区域。

在划分完路网之后，给路网中的部分车辆配置无线通信装置和GPS定位设备。

确定初始时间：要确定该方法的系统初始化时间。

确定相关的参数：T,T_do,T_next,T_last,T_w等。

在每辆车上配置路网信息和相关参数。

按照说明书中的方法运行，关键部分为，从任意的车辆v的视角出发，我们的发起者选择方式可以描述如下标准和步骤：

(1)v将首先估计其在T_do时刻的位置，我们将该位置记为该估计是基于v当前的位置、速度和行驶方向进行的。然后v将计算其在位置的优先级，记为然后，v将广播其包含该优先级的发起消息。

(2)v将会从其他车辆收到不同的应答消息。v将在这些应答消息中解析出优先级，并在这些优先级和自己的优先级中选择最大值及其对应的车辆ID。

(3)当时间到达T_do的时候，v将发送一条应答消息给具有最大优先级的车辆。发送该消息的时机是在T_do和T_next之间的随机时刻。自然地，如果具有最大优先级的车辆就是v本身，那么它不用发送应答消息。

(4)如果在v广播其优先级之前，它收到了一条含有比自己优先级高的优先级的发起消息，那么它将放弃发送。

(5)如果v是新进入J的车辆，它将立即计算其自身的优先级。但是如果它刚刚参与了J的上一次的数据收集，那么它将在T_now和T_do之间随机选择一个时刻计算其优先级。这种设计是为了避免在广播发起消息时候的冲突。

(6)如果v是发起者，它将在T_do和T_next之间的时间段开放接收来自其他车辆的数据。

Claims (2)

1.一种基于道路拓扑结构的车辆信息无线采集方法，其特征在于：

对于一个特定的连接区域J，在一个特定的T内，当该T即将结束时，在J内仅有一个发起者作为数据的收集者S；J内的其他的车辆将作为信息的提供者；S本身也可以将自己的数据作为最终数据的一部分进行上传；

每辆车可以发送两种类型的数据包，或者称两种不同的消息，

第一种是发起消息：发起消息用于通知其他车辆，该消息的发送者正要发起一次数据收集过程；发起信息的格式为{时间戳，发起车辆的ID，连接区域的ID}，

第二种是应答信息：应答消息用于应答别的车辆传来的发起信息；应答信息的格式为{时间戳，应答车辆的ID，历史时间戳，历史位置，历史速度值}；

在此定义连接区域J的中心点为P_J，从以下两个方面考虑，以给竞争发起者的车辆赋予优先级：

方面1：如果两个车r₁和r₂同时距离P_J相同的距离，但是r₁的行驶方向是靠近P_J，而r₂的行驶方向是远离P_J，那么r₁将具有比r₂更高的优先级；

方面2：如果r₁和r₂都在驶向P_J，并且都离P_J很近，但是r₁更近一些，优先级待定；

将J包含的路段集合记为R_J，并将现在正在J内行驶的车辆的集合记为V_J，将位置P处的车辆v的优先级记为pri(P,v)，在此，方程pri(P,v)应该满足上面两个要求，pri(P,v)的一种合适的形式可以是：

$pri(P,v)=\cos (\mathrm{\π}\×\frac{dist(P,P_J)\×Dire\left(v\right)-\mathrm{\γ}}{{\Σ}_{i=0}^{N_J-1}{\mathrm{length}}_i})$

其中，dist(P,P_J)表示位置P和P_J之间的距离，length_i是J中第i条路段的长度。当v正行驶在J的内向路段时，方程Dire(v)的值为1，否则其值为-1；

式中γ的是值可以调整的偏移量；

假设当前时刻的时间戳是T_now，上一次数据收集行为的时间戳是T_last，下一次将要进行数据收集的时间戳是T_next；将T_do定义为车辆开始应答下一次数据收集行为的发起消息的起始时刻；由于发起消息的散发和应答消息的接收都需要时间，我们将T_w定义为T_next前的准备时间；

从任意的车辆v的视角出发，发起者选择方式可以描述如下标准和步骤：

(1)v将首先估计其在T_do时刻的位置，我们将该位置记为该估计是基于v当前的位置、速度和行驶方向进行的；然后v将计算其在位置的优先级，记为然后，v将广播其包含该优先级的发起消息；

(2)v将会从其他车辆收到不同的应答消息；v将在这些应答消息中解析出优先级，并在这些优先级和自己的优先级中选择最大值及其对应的车辆ID；

(3)当时间到达T_do的时候，v将发送一条应答消息给具有最大优先级的车辆；发送该消息的时机是在T_do和T_next之间的随机时刻；自然地，如果具有最大优先级的车辆就是v本身，那么它不用发送应答消息；

(4)如果在v广播其优先级之前，它收到了一条含有比自己优先级高的优先级的发起消息，那么它将放弃发送；

(5)如果v是新进入J的车辆，它将立即计算其自身的优先级。但是如果它刚刚参与了J的上一次的数据收集，那么它将在T_now和T_do之间随机选择一个时刻计算其优先级；这种设计是为了避免在广播发起消息时候的冲突；

(6)如果v是发起者，它将在T_do和T_next之间的时间段开放接收来自其他车辆的数据。

2.如权利要求1所述的一种基于道路拓扑结构的车辆信息无线采集方法，其特征在于：

在停止接收数据之后，发起者立即开始处理收到的消息；

发起者将收集到的数据合并到一个数据包；

然后，发起者将该数据包上传给最近的RSU，再由RSU将数据传给服务器。