CN107026902B - 一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法，通过将停放车辆加入车联网和对行驶车辆进行簇划分，利用簇的划分情况及停放车辆，挑选出需要动态工作的停放车辆，再通过设置车辆的能耗限制，进一步来优化停放车辆的耗能与性能间的工作方式，大大提升了资源利用率，也改善大量车辆涌入车联网带来的问题，提升了车联网最优服务。

Description

一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，更为具体地讲，涉及一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法。

背景技术

近几年来，车联网高速发展，无论是安全或是保护隐私方面都取得巨大进步，但伴随着汽车行业的发展，越来越多的车辆涌入车联网，这些数目庞大的车辆无疑增加了车联网中网络和资源的压力，给原本就负载过大的车联网造成进一步的问题。根据以上情况，现如今车联网领域内许多学者都在对这个问题进行研究，试图提高车联网内资源的利用率。

在近来国内外学者的研究中，他们提出一些有价值的想法，譬如其中研究最深入的——将路边停放的车辆资源利用起来。他们所提出的应用方向有：众所周知RSU是车联网的重要组成，肩负着分配容量，中继广播，中心协同的任务，但却存在这安装维护成本太高的问题，有学者提出按照一定标准选择停放着的车辆作为RSU，分担路边固定RSU的工作；有学者注意到车联网中最大的通信问题就是车辆之间低质量的连接，经常造成车联网中流量分布不均匀，便提出让停放的车辆加入车联网，他们有着天生的道路节点的特性，比如数量多，停放时间长，分布广泛等优点，可以让他们作为静态的主干服务设施，去改进连接问题；也有学者提出停放的车辆作为网络的接入点，使得其他车辆能更加方便的加入网络，从而扩大了网络的范围；也有学者提出利用停放车辆去进行消息的分发，即只要从停放车辆旁边路过的车辆就能够很容易且立即接收到信息，从而降低了移动车辆的下载时延，改善了用户体验，同时也充分利用了大量停放无人利用的停靠车辆资源……诸如以上的应用研究还有很多，毫无疑问，他们都极大的改善了车联网内资源的利用率问题，而解决的方法就是将停放的空闲车辆充分利用起来。

随着利用停放车辆的想法出现，越来越多的应用也就建立在利用这些停放车辆之上，极大的改善了车联网内资源匮乏等问题。但在实际应用中，我们可以清楚的知道，车辆在停放后，无法继续向蓄电池充电，车子电量就处于一个有限的范围，如果一直使用这些电量去迫使设备工作，那么势必会造成电量急剧下降，甚至会影响车主的再次打火启动，这也正是利用停放车辆所面对的一大难题。

在当前的现有技术中，一种方法是通过分析车辆停放后的能量和提供相关应用的能耗，发现车辆剩余电量可以保证提供服务长达十几天，所以此技术让停放车辆一直持续的工作，不采用任何节能办法，直至电量耗尽，无法正常提供服务。

上述方法适应性差，未充分考虑不同车辆储电情况及不同应用耗电情况，不适用于所有车辆提供多种应用服务；其次，该方法没有采取任何节能方式，会造成停放车辆的能量浪费，也没有结合现实需求，工作方式太过单一；最后此方法没有设置一个最低限制，如果电量全部耗尽，则车辆无法再次启动。

有的学者提出让停放车辆间接性工作的方法，通过设置一个固定的占空比，让车辆在周期内固定的工作和休息，相比起一直持续工作，能大大的减小能耗。

但该方法让所有车辆都处于间接性工作的状态中，为充分考虑到当停放车辆数量很大或者服务需求小的时候能让一部分车辆停止以节能；其次，所有的停放车辆工作与休息的占空比相同，极易造成服务需求大时工作时长太短无法满足需求，而服务需求小时工作时长太长而造成能量的浪费；最后，此方法还是没有设置一个最低限制，如果电量全部耗尽，则车辆无法再次启动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法，将停放车辆加入车联网，通过车联网来优化停放车辆耗能与性能间的工作，大大提升资源利用率。

为实现上述发明目的，本发明一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将一段马路中，车联网中互相通信的行驶车辆划为一簇；

(2)、判断任意两簇之间是否有交叉点，如果有交叉点，则放弃不处理；如果无交叉点，则进入步骤(3)；

(3)、选出停放在无交叉点的两簇汽车之间的需要工作的汽车；

(4)、利用效率分析计算模型计算步骤(3)中选出的需要工作的汽车的效率η；

其中，P_a表示只通过行驶车辆便可通信的概率，M表示道路上停放车辆数目，P_idle表示停放车辆处于空闲状态所消耗的功率，P_on表示停放车辆工作功率，M_on表示需要开启停放车辆的平均数目；

(5)、判断需要工作的汽车的效率η是否大于预设的效率阈值T，如果η≥T，则进入步骤(6)，如果η＜T，则返回到步骤(1)；

(6)、启动步骤(3)中选出的需要工作的汽车开始动态工作。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法，通过将停放车辆加入车联网和对行驶车辆进行簇划分，利用簇的划分情况及停放车辆，挑选出需要动态工作的停放车辆，再通过设置车辆的能耗限制，进一步来优化停放车辆的耗能与性能间的工作方式，大大提升了资源利用率，也改善大量车辆涌入车联网带来的问题，提升了车联网最优服务。

同时，本发明一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法还具有以下有益效果：

(1)、节能。本发明根据实际情况，考虑能量有限问题，提出在不影响服务的前提下最优的节能方式。

(2)适应性强。本发明考虑了不同车辆的储电量及应用耗能情况，能够适应各种环境下的不同情况。

(3)动态工作。本发明所提出的动态工作方式，综合考虑各种因素，让不同车辆根据情况动态的工作，而不是千篇一律的固定模式。

附图说明

图1是本发明一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法流程图；

图2是车辆处于临近车辆的通信范围内示意图；

图3是车辆最大通信范围示意图；

图4是车辆未处于临近车辆的通信范围内示意图；

图5是行驶车辆的簇划分示意图；

图6是相距最远簇的行驶车辆经过多少跳数的中继服务示意图；

图7是行驶车辆未经过多少跳数的中继服务示意图；

图8是行驶车辆经过1跳数的中继服务示意图；

图9是行驶车辆经过2跳数以上的中继服务示意图；

图10是停放车辆在加入车联网后三个状态的转移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，主要考虑的就是在能量有限的前提下，停放车辆如何工作才能提供最优的服务。在进行工作方式设计时需要考虑到停放车辆具体所提供的服务，所以这里我们利用停放车辆改善障碍物带来通信问题作为其所需要提供的服务。介绍如下：现实中在障碍物周围，比如一些商场、超市旁都设有路边停车场，而且根据相关研究标明，路边停车场内停放车辆数目多且停放时间长。当两辆车由于建筑物遮挡无法进行信息交换时，而停放建筑物路边的车辆正好处于这两辆车信号可达的范围内，当停放车辆收到其中一辆的广播信息时，它可以无需任何处理或者等待的直接进行中继转发，广播这个信息到另一辆车，以便他们都能及时获取对方信息。

图1是本发明一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法流程图。

下面结合图1对一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法进行详细说明，具体包括以下步骤：

S1、将一段马路中，车联网中互相通信的行驶车辆划为一簇；

如图2所示，所有的车辆都处于其临近车辆的通信范围内，则图中线框内的所有车辆可以通过多跳而相互通信，本技术称此为一个簇，在一个簇内的任何两辆车可以相互通信。那么很明显可以看出此时虽然建筑物周围有许多停放车辆，但是在此场景下，不需要任何车辆去提供服务，移动中的车辆可以达到很好的通信效果。

在图3所示的情况下，车辆周围同一圈代表其最大通信范围，由图我们可以看出，某一圈内的车辆可以经过中间车辆的转发而与其他圈内的车辆相互通信，此时处于道路旁边的停放车辆无需开启任何服务。

如图4所示，此时情况下，并非所有车辆都处于其相邻车辆的通信范围内，这就造成了这一区域的车辆有多个簇，在每个簇内的车辆是可以正常通信的，但是簇与簇之间是无法通过移动车辆而达到通信目的的，这就需要路边的停放车辆去提供服务，停放车辆进行消息的中继转发，使得不同簇之间的车辆能够正常通信。

如在图5中，其中的两辆车构成一个簇，而另一辆车单独为一个簇，不同簇的车辆无法通信，但此时若将这两个簇之间的停放车辆开启，让他们提供中继服务，一方面能很好的解决上述问题了，另一方面并非开启所有停放车辆，只选取了需要提供服务的车辆，这样既不影响服务质量，也节约了停放车辆的能量。

S2、判断任意两簇之间是否有交叉点，如果有交叉点，则放弃不处理；如果无交叉点，则进入步骤S3；

如图5所示，在两簇汽车间，判断距离最近的两辆汽车间的距离是否大于车联网的2倍通信距离，如果大于，则无交叉点，反之则有交叉点。

S3、选出停放在无交叉点的两簇汽车之间的需要工作的汽车。

通过分析得知，并非所有停放车辆都要开启去提供服务，在不同场景中，所需要的服务需求也是不同的，所以需要去分析实际的场景，将本就不需要的停放车辆关闭服务，两簇汽车之间的停放汽车才是真正需要去提供服务车辆，这样就能极大的节约本就有限的能量。

S4、假设道路的长度为D km，在此道路上有M辆停放车辆，他们随机的分布在此道路上，车辆的最大通信范围为R，移动车辆到达此道路的情况满足参数为λ的泊松分布，因此两个相邻车辆之间的距离满足参数为1/λ的指数分布。当停放车辆工作时，其功率为P_on，处于休息时功率为P_idle。

令M_V表示在此路段行驶的车辆数目，因为车辆到达满足泊松分布，则行驶车辆数目为m的概率可表示为：

那么在此路段上行驶的车辆平均数目可表示为：E[M_V]＝D*λ；

假设在此路段上有m辆车行驶，那么可以将这个路段看为被分隔成了m+1，其中，每一段的距离表示为d_i，而路段总长度为D，所以有如下等式：

令η表示平均的节约能量效率，P_avg表示按照上述方式工作，停放车辆平均需要消耗的能量，P_all表示所有停放车辆开启工作需要消耗的能量，M_on表示需要开启停放车辆的平均数目，M_idle表示为不需要开启工作的平均车辆数目。则能量消耗效率可以表示为如下的式子：

P_avg＝P_a*M*P_idle+P_b*(M_on*P_on+M_idle*P_idle)

其中，P_a表示只通过行驶车辆便可通信的概率，即不需要停放车辆开启服务，P_b表示需要开启停放车辆才能正常通信的概率，因此我们有如下式子：

P_a＝1-P_b

M_idle＝M-M_on

由上面的式子可以明显得出效率η取决于P_a与M_on，接着在分别讨论这两个重点需要参数。

1)、仅通过行驶车辆便可以通信的概率P_a

令d_max＝{d_i,i＝0,1,…,m}表示相邻行驶车辆间的最大距离，为了让所有车辆仅通过行驶车辆便可通信，只需要让相距最远的相邻车辆处于可通信范围内即可，即d_max≤R。

当其处于路段上有m辆车行驶的前提下，我们可以得到如下的条件概率

其次，众所周知汽车在路上行驶是一个独立过程，他们之间的距离同理也是独立的，且在同样的情况下，他们之间的距离小于R的概率也是相互相等的，根据一些研究结果得到，在路段上有m辆车的前提下仅通过行驶车辆便可正常通信的概率为：

其中，τ表示一个计算变量，没有实际意义；我们将不同的m值带入上述公式，得到所需的概率大小：

其中，P_a表示只通过行驶车辆便可通信的概率，M_V表示道路上行驶车辆的数目，m表示具体行驶车辆数目，从1变化到无穷，d_max表示行驶车辆中相邻车辆间最大的距离，R表示车辆最远通信距离。

2)、需要开启工作的平均停放车辆数目M_on

行驶车辆之间距离过大，大于了通信的最大范围，与上述不同，此时需要开启停放车辆，让他们为通信提供中继服务，此时就需要路边停放的车辆去解决这一问题，两辆相邻行驶车辆间的距离是满足指数分布的，他的密度函数为：

相应的分布函数为：

令M_c表示此路段上簇的数目

表示在一个簇内车辆的数目，则此路段上簇的平均数目可表示为：

其中，

表示向上取整；由式子可以明显看出，簇的平均数目取决于单个簇内车辆平均数目。

计算

先考虑一个簇内有z辆车时，分别令z等于不同的数值，当z等于1时，即其他所有车辆都在此辆车的通信范围外，我们可以得到如下概率：

当一个簇内有两辆车的时候，同理可得：

当有z辆车的时候，其概率变成：

则由以上这些概率，我们可以得到

的计算公式：

令M_hop表示相距最远的簇之间所经过的跳数，由图6我们可以显然得出M_hop＝E[M_c]-1。如图6所示，一共有3个簇，相距最远的簇经过的跳数为2，即3个簇的数目减去1。

下面接着描述M_on与M_hop之间的关系。

令m_on表示单位距离内需要开启工作的停放车辆，m_hop表示同样距离内的簇之间的跳数，假设簇之间的平均距离为l，停放车辆的密度为每单位距离内停放p辆车，为得到M_on与M_hop之间的关系，首先去分析m_on与m_hop之间的关系。

令w_v表示这一定距离的子路段上行驶车辆数目，距离为L，因此，在此子路段上有k辆车辆行驶的概率可以表示为

再具体分析子路段中簇的情况：

【1】在此子路段中没有跳数。

在这种情况下，子路段之间所有行驶车辆之间可以相互通信，形成一个大簇，如图7所示，即m_hop＝0，则也不需要开启停放车辆，m_on＝0；

【2】在此路段中，仅有一跳。

在这种情况下，即此路段中有两个簇，造成他们无法正常通信，需要开启路边停放车辆，如图8所示，m_hop＝1，则仅需要开启两个簇之间的停放车辆，m_on＝l*p。

【3】在此子路段中，有大于或等于两跳的情况.

在此情况下，就可能出现m_hop+1，m_hop，m_hop-1个簇在此子路段内，对应如下图9(a)、(b)、(c)所示，为计算m_on，就需要找到这两者之间的关系。首先，当有h跳在此子路段时，其概率可以表示为：

P(x＞R)＝e^-λR

P(x＜R)＝1-e^-λR

因此，当有h跳的时候，m_on＝h*l*p，则【3】情景中，在此子路段需要开启的平均停放车辆数目为：

则M_on可以被表示为

当然，还会存在没有车辆在连续的簇内，令m_sub表示在连续的子路段内没有车辆行驶的子路段数目，则中间的车辆都应开启服务，为保证提供无障碍通信，则这种情况的概率为：

这时，所有处于此之间的车辆都应该开启服务，则可表示为：

由以上的分析可知，在整个路段中需要开启的车辆数目可以表示为：

其中，M_hop表示相距最远的簇之间所经过的跳数，l表示簇之间距离，p表示停放车辆密度，L表示子路段距离，D表示道路的长度，k表示单位距离内行驶的车辆数目，h表示单位路段内的跳数，m_hop表示单位距离内的跳数，p(m_hop＝h)表示单位距离内有h跳的概率，W_v表示行驶的车辆数目，p[W_v＝k]表示单位距离内有k辆车辆行驶的概率，M表示道路上停放车辆数目，m_sub表示子路段数目，d表示相邻两辆行驶车辆之间距离，p(d＞Lm_sub)表示在m_sub个子路段内都没有车辆行驶的概率。

最后，利用效率分析计算模型计算步骤(3)中选出的需要工作的汽车的效率η为：

其中，P_a表示只通过行驶车辆便可通信的概率，M表示道路上停放车辆数目，P_idle表示停放车辆开不启工作需要消耗的能量，P_on表示停放车辆工作功率，M_on表示需要开启停放车辆的平均数目；

S5、判断需要工作的汽车的效率η是否大于预设的效率阈值T，如果η≥T，则进入步骤S6，如果η＜T，则返回到步骤S1；

在本实施例中，设置效率阈值T＝20％。

S6、启动步骤S3中选出的需要工作的汽车开始动态工作。

停放车辆在加入车联网后，我们设计它的工作状态分为三个，分别为：

a、工作。也就是服务正常运行。

b、空闲。只有低功耗的器件运行，不提供服务，但运行基本部件。比如时间探测；监听剩余电量，看是否需要改变工作周期或者停止工作；监测周围环境，即车流量和停车场数量。

c、停止。为保证剩余电量可以正常打火启动，关闭一切设备，不提供任何服务。

他们的状态转移如图10所示，下面结合图10对他们的状态转移进行详细说明。

S6.1、汽车停放后，探测汽车当时剩余电量、密度以及周围停放汽车的数目，并带入到如下公式，计算出工作时间twork和空闲时间tfree；

twork+tfree＝T

twork＝f*T

其中，T为单位时间，在本实施例中，取T＝1小时；f为占空比；

S6.2、启动需要工作的汽车进入工作状态；

当需要工作的汽车处于工作状态时，开启车联网服务器，在工作时间twork到达后，将需要工作的汽车置于空闲状态；

当需要工作的汽车处于空闲状态时，判断需要工作的汽车当前剩余电量是否小于预设的阀值，如果小于等于预设的阈值，则关闭车联网服务器和探测器，使需要工作的汽车置于关闭状态；如果大于预设的阈值，且处于空闲时间tfree内，则关闭车联网服务器，使需要工作的汽车置于空闲状态，当空闲时间tfree结束后，返回步骤S6.1进行下一轮的探测和计算。

在本是实施例中，设置一个剩余电量最低限制，防止电量全部耗尽，车辆无法再次启动。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将一段马路中，车联网中互相通信的行驶车辆划为一簇；

(2)、判断任意两簇之间是否有交叉点，如果有交叉点，则放弃不处理；如果无交叉点，则进入步骤(3)；

(3)、选出停放在无交叉点的两簇汽车之间的需要工作的汽车；

(4)、利用效率分析计算模型计算步骤(3)中选出的需要工作的汽车的效率η；

其中，P_a表示只通过行驶车辆便可通信的概率，M表示道路上停放车辆数目，P_idle表示停放车辆处于空闲状态所消耗的功率，P_on表示停放车辆工作功率，M_on表示需要开启停放车辆的平均数目；

(5)、判断需要工作的汽车的效率η是否大于预设的效率阈值T，如果η≥T，则进入步骤(6)，如果η＜T，则返回到步骤(1)；

(6)、启动步骤(3)中选出的需要工作的汽车开始动态工作；

其中，所述步骤(2)中，判断任意两簇之间是否有交叉点的方法为：两簇汽车间，距离最近的两辆汽车间的距离是否大于车联网的2倍通信距离，如果大于，则无交叉点，反之则有交叉点；

所述P_a的计算方法为：

其中，P_a表示只通过行驶车辆便可通信的概率，M_V表示道路上行驶车辆的数目，m表示具体行驶车辆数目，从1变化到无穷，d_max表示行驶车辆中相邻车辆间最大的距离，R表示车辆最远通信距离；

所述M_on的计算方法为：

其中，M_hop表示相距最远的簇之间所经过的跳数，l表示簇之间距离，p表示停放车辆密度，L表示子路段距离，D表示道路的长度，k表示单位距离内行驶的车辆数目，h表示单位路段内的跳数，m_hop表示单位距离内的跳数，p(m_hop＝h)表示单位距离内有h跳的概率，W_v表示行驶的车辆数目，p[W_v＝k]表示单位距离内有k辆车辆行驶的概率，M表示道路上停放车辆数目，m_sub表示在连续的子路段内没有车辆行驶的子路段数目，d表示相邻两辆行驶车辆之间距离，p(d＞Lm_sub)表示在m_sub个子路段内都没有车辆行驶的概率。

2.根据权利要求1所述的一种车联网中静止车辆选择性动态工作的节能方法，其特征在于，所述步骤(6)中，启动需要工作的汽车动态工作的方法为：

(2.1)、汽车停放后，探测汽车当时剩余电量、密度以及周围停放汽车的数目，并带入到如下公式，计算出工作时间twork和空闲时间tfree；

twork+tfree＝T

twork＝f*T

其中，T为单位时间，f为占空比；

(2.2)、启动需要工作的汽车进入工作状态；

当需要工作的汽车处于工作状态时，开启车联网服务器，在工作时间twork到达后，将需要工作的汽车置于空闲状态；

当需要工作的汽车处于空闲状态时，判断需要工作的汽车当前剩余电量是否小于预设的阀值，如果小于等于预设的阈值，则关闭车联网服务器和探测器，使需要工作的汽车置于关闭状态；如果大于预设的阈值，且处于空闲时间tfree内，则关闭车联网服务器，使需要工作的汽车置于空闲状态，当空闲时间tfree结束后，返回步骤(2.1)进行下一轮的探测和计算。

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