CN108235282A - 交通流量感知协议 - Google Patents

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Abstract

智能交通调度系统中，实时交通流量的获取非常重要，本发明中，在道路网络中，每辆车作为一个节点，节点之间通过邻居节点信息交互方法交互信息并维护邻居信息表；节点有睡眠、监视、竞争和扩散四种状态，并可以在四种状态之间可进行转换；每个交叉口最多可以有一个领导节点LN，LN由选举产生，LN收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路的权值，与相邻LN交互，完善权值信息更新，并向全网扩散；道路上所有车辆接受权值信息更新，获得全网道路实时路况，通过Dijkstra算法计算出从当前位置到目的地权值最小的道路，作为自己通行的线路。

Description

交通流量感知协议
技术领域
本发明专利属于智能交通调度算法，具体地说，涉及一种交通流量感知算法。
背景技术
智能交通调度系统中，实时交通流量的获取非常重要，当前主要做法是各个车辆与调度中心联系，定期汇报自己坐标，然而这种做法的消耗太大，而在车辆密集区域，通过车联网技术，将每辆车构成网络中的一个节点，节点之间相互通信以获取交通流量成为当前消耗较少的一种做法，由于各节点的快速移动和动态拓扑结构，使得传统的无线路由协议难以应用到各节点上，因此提出了交通流量感知协议。
发明内容
本发明的目的建立一种基于车联网的交通流量感知协议。
本发明首先要求具备以下条件：
(1)在道路网络中，每辆车作为一个节点，网络中的所有节点均配备GPS设备，均可获得自己的精确位置信息；与此同时，所有节点都拥有无线通信设备，任何两个节点在其通信范围内均可互相通信；
(2)在源节点将数据发送到目标节点前，源节点已通过位置服务获得目标节点和邻居节点的位置信息；
(3)网络中的节点可以获得道路信息，包括：
a)道路的拓扑结构和位置坐标；
b)道路ID和交叉口ID；
c)道路ID和道路的长度。
本发明的技术方案包括：在道路网络中，每辆车作为一个节点，节点之间通过邻居节点信息交互方法交互信息并维护邻居信息表；节点有睡眠、监视、竞争和扩散四种状态，并可以在四种状态之间可进行转换；每个交叉口最多可以有一个领导节点LN，LN由选举产生，LN收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路的权值，与相邻LN交互，完善权值信息更新，并向全网扩散；道路上所有车辆接受权值信息更新，获得全网道路实时路况，通过Dijkstra算法计算出从当前位置到目的地权值最小的道路，作为自己通行的线路。
邻居节点信息交互方法包括：
节点周期性向外广播“hello”报文，宣告本节点的实时信息，这样在通信范围内的邻居节点就能获得该节点的实时信息，hello报文的格式为：
Node ID Road ID Location(x,y) At junction TTLj or ChannelLoad
其中，Node ID是本节点ID；Road ID是本节点所处道路的ID；Location(x,y)是本节点的位置；At junction是指本节点是否在交叉口，如果本节点位于道路交叉口附近预设值范围内，则判定该节点在交叉口，否则就判定其不在交叉口；如果本节点在交叉口，那么TTLj or ChannelLoad处是本节点在交叉口上的驻留时间TTLj；如果本节点不在交叉口，TTLj or ChannelLoad处是本节点所在道路的通道负载。
每个节点需要维护邻居信息表，邻居信息表的格式为：
Node ID Road ID Location(x,y) At junction TTLj or ChannelLoad Time stamp
其中，Node ID是节点ID；Road ID是该节点所处道路的ID；Location(x,y)是该节点的位置；At junction是指该节点是否在交叉口；如果该节点在交叉口，那么TTLj orChannelLoad处是该节点在交叉口上的驻留时间TTLj，否则，TTLj or ChannelLoad处是该节点所在道路的通道负载；Time stamp是时间戳，用来记录本节点获得该节点“hello”报文的时间；
TTLj由公式TTLj(t)＝D(t)/V(t)获得，D(t)是节点离开交叉口的路径长度，V(t)是节点的速度，TTLj值越大，该节点在交叉口停留时间越长；
节点n的通道负载ChannelLoad(n)的值等于该节点邻居信息表中表项的数量，表示在该节点通信范围内车辆的数量，该值越大，表明局部越拥挤；
节点维护邻居信息表的算法为：当本节点收到某一节点的“hello”报文时，根据“hello”报文Node ID查找本节点邻居信息表中是否有该节点的信息，如有则以“hello”报文中的信息覆盖原信息，Time stamp填写当前时间；如本节点邻居信息表中没有该节点的信息，则以“hello”报文中的信息新增一个表项，Time stamp填写当前时间；在任一表项中，若当前时间与Time stamp时间间隔达到预设值时，节点删除邻居信息表中该表项。
节点有睡眠、监视、竞争和扩散四种状态，并可在四种状态之间进行转换，其方法为：
(1)当节点不在交叉口或离开交叉口时，它进入睡眠状态；
(2)当节点进入交叉口时，它首先进入监视状态，监视该交叉口是否存在LN；
(3)若此交叉口没有LN，该节点从监视状态切换到竞争状态；
(4)若节点当选LN，该节点从竞争状态切换到扩散状态；
(5)若节点未当选LN，该节点保持竞争状态，直到倒数计时器TC时间结束。
领导节点是在交叉口上的多个节点中的一个，每个交叉口最多能产生一个领导节点，以LN(Leading Node)表示，LN主要负责以下三个任务：
(1)及时收集邻居道路负载信息；
(2)根据收集的信息计算道路的权值；
(3)定时与相邻LN交互，完善权值信息更新，并向全网扩散。
领导节点的选举过程为：
(1)当节点进入交叉口时，节点由睡眠状态切换到监视状态，监视该交叉口是否存在LN；该节点进入监视状态时，同时启动Tm秒的倒数计时器，Tm为预置时间，在Tm时间内，该节点如果收到当前交叉口上LN定期发送的权值信息更新WIU(Weight Information Update)，则表明此交叉口有LN，该节点保持监视状态，并重置Tm秒的倒数计时器；
(2)如果在Tm时间内，该节点未收到当前交叉口上LN定期发送的WIU，则表明此交叉口没有LN，该节点切换到竞争状态；
(3)竞争状态中的节点需要设置倒数计时器TC，并与本交叉口上处于竞争状态中的其他节点竞争LN；
(4)多个节点竞争LN时，由TTLj最大的节点当选,当选LN的节点状态切换到扩散状态；
(5)竞争状态中的节点当倒数计时器TC未结束时，保持竞争状态，倒数计时器TC结束时，未当选的节点切换回监视状态，并重置Tm秒的倒数计时器，期间若该节点离开交叉口，则该节点切换到睡眠状态。
LN收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路权值的方法为：
(1)LN发出并收集流量信息收集数据包(TIC)，TIC的格式为：
其中，Junction ID(Source)是源交叉口ID；Junction ID(Destination)是目的交叉口ID；Road ID是源交叉口和目的交叉口之间道路的ID；Time stamp是TIC包的时间戳；Segment ID是连接源交叉口和目的交叉口道路上的一个区段号；ChannelLoad是道路的负载；LN发出TIC时，其Segment ID和ChannelLoad都置为0；
(2)道路上所有传输节点接收到LN发来的TIC后，将自己的区段号、通道负载和当前时间戳填入TIC并发回源LN；两相邻道路交叉口上的LN因节点的通信距离R限制，无法直接通信，则需要在一条道路上两个相邻LN之间划分区段，区段划分基于公式其中Nseg是区段的数量，L是两个相邻LN之间的道路长度，R是节点通信距离，表示向上取整；每个区段选取最靠近区段中心的节点作为传输节点；传输节点收到LN发出的TIC包后，将自己的区段号、通道负载和当前时间戳填入TIC并发回源LN；
(3)每个区段的传输节点n的通道负载记为ChannelLoad(n)，区段所在道路i的负载ChannelLoadi等于该道路上所有区段传输节点通道负载的最大值，即ChannelLoadi＝max(ChannelLoad(n)),n∈Ni取得，其中Ni是道路i上区段的集合；LN发出查询TIC包后，启动倒数计时器TT，在TT时间结束时通过收集到的道路i上各传输节点返回的TIC，再根据道路i的负载ChannelLoadi计算出道路i的权值Weighti，道路权值为该道路负载的倒数，即Weighti＝1/ChannelLoadi；
相邻LN交互，完善权值信息更新的方法为：
(1)当某节点被选举为LN时，该LN创建权值信息更新(WIU)，WIU的格式为：
Junction ID(Source) Junction ID(Destination) Road ID Weight Time stamp
其中，Junction ID(Source)是道路的源交叉口ID；Junction ID(Destination)是道路的目的地交叉口ID；Road ID是源交叉口和目的交叉口之间道路的ID；Weight是该条道路的权值；Time stamp是权值信息更新的时间戳；
(2)该LN如果收到周围LN发来的WIU，则使用收到WIU更新本地WIU，更新的原则是相同Road ID的表项用新时间戳的内容取代老时间戳的内容；
(3)该LN发出并收集流量信息收集数据包(TIC)，每次TT时间结束时，通过收集到的所有TIC获得相邻道路的权值，以此更新本地的WIU中所有相邻道路的权值信息和时间戳，再向外广播，并发送到所有相邻的LN，这样不断扩散，使全网能获得所有道路的权值信息更新。
(4)该LN向外广播WIU后，再次发出信息收集数据包(TIC)重新收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路权值。
道路上的所有车辆均可接收到权值信息更新，再通过Dijkstra算法计算出从当前位置到目的地的权值最小的道路，作为自己通行的线路。
具体实施方式
某一辆ID为A的车行驶在ID为R1的道路上，通过GPS获取当前地理坐标A(XA,YA)，在接收周围车辆“hello”包的同时，定期向外发送“hello”包，当A处于交叉路后附近时，A在交叉口，此时A要计算自己在交叉路口上的驻留时间TTLj，设此时A的速度为10米/秒，A离开交叉口的路径为100米，则TTLj(t)＝D(t)/V(t)＝10s，此时A发出的“hello”包为：
A R1 (XA,YA) Y 10
若此时A不在交叉口，此时A要计算自己邻居信息表中表项的数量，在邻居信息表未建立时，数量为0，则A节点的通道负载为0，此时A发出的“hello”包为：
A R1 (XA,YA) N 0
若节点A于11:23:45收到节点B的hello包，
B R1 (XB,YB) N 4
则节点A生成邻居信息表，其格式为：
Node ID Road ID Location(x,y) At junction TTLj or ChannelLoad Time stamp
B R1 (XB,YB) N 4 11:23:45
若节点A于11:23:48收到节点C的hello包，
C R2 (XC,YC) Y 8
则节点A更新邻居信息表，
Node ID Road ID Location(x,y) At junction TTLj or ChannelLoad Time stamp
B R1 (XB,YB) N 4 11:23:45
C R2 (XC,YC) Y 8 11:23:48
当节点A不在交叉口时，节点A处于睡眠状态；
当节点A处于交叉口时，A切换到监视状态，启动Tm＝2秒的倒数计时器，2秒内如果节点A收到当前交叉口上LN定期发送的权值信息更新WIU，则A保持监视状态，并重置Tm＝2秒的倒数计时器；
若节点A在2秒内未收到当前交叉口上LN定期发送的权值信息更新WIU，A切换到竞争状态，此时A节点需要设置倒数计时器TC，并与本交叉口上处于竞争状态中的其他节点竞争LN，取TC＝10s；
多个节点竞争LN时，由TTLj最大的节点当选；
若节点A当选LN，则节点A切换到扩散状态，若节点A未当选LN，则A保持竞争状态，直到倒数计时器TC结束或A节点离开交叉口；若A节点倒数计时器TC结束，则A切换到监视状态；A节点离开交叉口，则A切换到睡眠状态；
若节点A当选LN，节点A切换到扩散状态后，节点A将定期收集道路信息，并向邻近节点广播权值信息更新WIU；
节点A收集道路信息时，向外传输流量信息收集数据包(TIC)，假设A所在交叉口为J1，与J1直接相连的交叉口分别为J2、J3，J1到J2之间的道路长2000米，每个节点的通信距离60米，则J1到J2之间的区段数Nseg＝34，其ID以1～34表示，A此时需要向连接J2、J3两个交叉口的道路分别发出TIC报文，其在11:23:50向连接J2的道路发出的报文为：
J1 J2 R1 11:23:50 0 0
在J1和J2之间按通信距离划分为34个区段，最靠近区段中心的节点自动成为传输节点，传输节点接收到J1和J2交叉口LN的TIC报文后，将自身的区段ID和负载情况填入TIC包后，发回给收到的TIC包的源节点，假设第10个区段负载为25，则该区段的传输节点A发出的TIC包后，返回的TIC包为：
J1 J2 R1 11:23:50 10 25
设TT＝5s，则节点A在发出TIC查询包5秒后，收到J1、J2交叉口之间道路上各传输节点返回的TIC包，取出其中各区段负载情况，设其中各区段最大负载为40，则J1、J2交叉口之间道路的负载为40，A根据道路负载计算出该道路的权值为0.025，再将J1、J2之间道路的权值填入权值信息更新中，再采用同样方法获得J1到J3之间的道路权值填入权值信息更新中，得到：
Junction ID(Source) Junction ID(Destination) Road ID Weight Time stamp
J1 J2 R1 0.025 11:23:55
J1 J3 R2 0.01 11:23:55
节点A将接收到的相邻交叉口LN转发来的权值信息更新添加至本地，再采用广播格式将权值信息更新扩散到附近的交叉口，通过不断扩散，使全网能获得所有道理的权值信息更新。
道路上的所有车辆均可接收到权值信息更新，再通过Dijkstra算法计算出从当前位置到目的地的权值最小的道路，作为自己通行的线路。

Claims (8)

1.交通流量感知协议，其特征在于，所述协议包括：在道路网络中，每辆车作为一个节点，节点之间通过邻居节点信息交互方法交互信息并维护邻居信息表；节点有睡眠、监视、竞争和扩散四种状态，并可在四种状态之间进行转换；每个交叉口最多可以有一个领导节点LN，LN由选举产生，LN收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路的权值，与相邻LN交互，完善权值信息更新，并向全网扩散；道路上所有车辆接受权值信息更新，获得全网道路实时路况，通过Dijkstra算法计算出从当前位置到目的地权值最小的道路，作为自己通行的线路。
2.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的邻居节点信息交互方法为：节点周期性向外广播“hello”报文，宣告本节点的实时信息，这样在通信范围内的邻居节点就能获得该节点的实时信息，hello报文的格式为：
Node ID Road ID Location(x,y) At junction TTLj or ChannelLoad
其中，Node ID是本节点ID；Road ID是本节点所处道路的ID；Location(x,y)是本节点的位置；At junction是指本节点是否在交叉口，如果本节点位于道路交叉口附近预设值范围内，则判定该节点在交叉口，否则就判定其不在交叉口；如果本节点在交叉口，那么TTLjor ChannelLoad处是本节点在交叉口上的驻留时间TTLj；如果本节点不在交叉口，TTLj orChannelLoad处是本节点所在道路的通道负载。
3.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的维护邻居信息表的方法为：每个节点需要维护邻居信息表，其格式为：
Node ID Road ID Location(x,y) At junction TTLj or ChannelLoad Time stamp
其中，Node ID是节点ID；Road ID是该节点所处道路的ID；Location(x,y)是该节点的位置；At junction是指该节点是否在交叉口；如果该节点在交叉口，那么TTLj orChannelLoad处是该节点在交叉口上的驻留时间TTLj，否则，TTLj or ChannelLoad处是该节点所在道路的通道负载；Time stamp是时间戳，用来记录本节点获得该节点“hello”报文的时间；TTLj由公式TTLj(t)＝D(t)/V(t)获得，D(t)是节点离开交叉口的路径长度，V(t)是节点的速度，TTLj值越大，该节点在交叉口停留时间越长；节点n的通道负载ChannelLoad(n)的值等于该节点邻居信息表中表项的数量，表示在该节点通信范围内车辆的数量，该值越大，表明局部越拥挤；
节点维护邻居信息表的算法为：当本节点收到某一节点的“hello”报文时，根据“hello”报文Node ID查找本节点邻居信息表中是否有该节点的信息，如有则以“hello”报文中的信息覆盖原信息，Time stamp填写当前时间；如本节点邻居信息表中没有该节点的信息，则以“hello”报文中的信息新增一个表项，Time stamp填写当前时间；在任一表项中，若当前时间与Time stamp时间间隔达到预设值时，节点删除邻居信息表中该表项。
4.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的节点有睡眠、监视、竞争和扩散四种状态，并可在四种状态之间进行转换，其方法为：
(1)当节点不在交叉口或离开交叉口时，它进入睡眠状态；
(2)当节点进入交叉口时，它首先进入监视状态，监视该交叉口是否存在LN；
(3)若此交叉口没有LN，该节点从监视状态切换到竞争状态；
(4)若节点当选LN，该节点从竞争状态切换到扩散状态；
(5)若节点未当选LN，该节点保持竞争状态，直到倒数计时器时间结束。
5.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的领导节点是在交叉口上的多个节点中的一个，每个交叉口最多能产生一个领导节点，以LN(Leading Node)表示，LN主要负责以下三个任务：
(1)及时收集邻居道路负载信息；
(2)根据收集的信息计算道路的权值；
(3)定时与相邻LN交互，完善权值信息更新，并向全网扩散。
6.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的领导节点的选举过程为：
(1)当节点进入交叉口时，节点由睡眠状态切换到监视状态，监视该交叉口是否存在LN；该节点进入监视状态时，同时启动Tm秒的倒数计时器，Tm为预置时间，在Tm时间内，该节点如果收到当前交叉口上LN定期发送的权值信息更新WIU(Weight Information Update)，则表明此交叉口有LN，该节点保持监视状态，并重置Tm秒的倒数计时器；
(2)如果在Tm时间内，该节点未收到当前交叉口上LN定期发送的WIU，则表明此交叉口没有LN，该节点切换到竞争状态；
(3)竞争状态中的节点需要设置倒数计时器TC，并与本交叉口上处于竞争状态中的其他节点竞争LN；
(4)多个节点竞争LN时，由TTLj最大的节点当选,当选LN的节点状态切换到扩散状态；
(5)竞争状态中的节点当倒数计时器TC未结束时，保持竞争状态，倒数计时器TC结束时，未当选的节点切换回监视状态，并重置Tm秒的倒数计时器，期间若该节点离开交叉口，则该节点切换到睡眠状态。
7.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的LN收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路权值的方法为：
(1)LN发出并收集流量信息收集数据包(TIC)，TIC的格式为：
其中，Junction ID(Source)是源交叉口ID；Junction ID(Destination)是目的交叉口ID；Road ID是源交叉口和目的交叉口之间道路的ID；Time stamp是TIC包的时间戳；Segment ID是连接源交叉口和目的交叉口道路上的一个区段号；ChannelLoad是道路的负载；LN发出TIC时，其Segment ID和ChannelLoad都置为0；
(2)道路上所有传输节点接收到LN发来的TIC后，将自己的区段号、通道负载和当前时间戳填入TIC并发回源LN；两相邻道路交叉口上的LN因节点的通信距离R限制，无法直接通信，则需要在一条道路上两个相邻LN之间划分区段，区段划分基于公式其中Nseg是区段的数量，L是两个相邻LN之间的道路长度，R是节点通信距离，表示向上取整；每个区段选取最靠近区段中心的节点作为传输节点；传输节点收到LN发出的TIC包后，将自己的区段号、通道负载和当前时间戳填入TIC并发回源LN；
(3)每个区段的传输节点n的通道负载记为ChannelLoad(n)，区段所在道路i的负载ChannelLoadi等于该道路上所有区段传输节点通道负载的最大值，即ChannelLoadi＝max(ChannelLoad(n)),n∈Ni取得，其中Ni是道路i上区段的集合；LN发出查询TIC包后，启动倒数计时器TT，在TT时间结束时通过收集到的道路i上各传输节点返回的TIC，再根据道路i的负载ChannelLoadi计算出道路i的权值Weighti，道路权值为该道路负载的倒数，即Weighti＝1/ChannelLoadi。
8.根据权利要求1所述的交通流量感知协议，其特征在于，所述的与相邻LN交互，完善权值信息更新的方法为：
(1)当某节点被选举为LN时，该LN创建权值信息更新(WIU)，WIU的格式为：
Junction ID(Source) Junction ID(Destination) Road ID Weight Time stamp
其中，Junction ID(Source)是道路的源交叉口ID；Junction ID(Destination)是道路的目的地交叉口ID；Road ID是源交叉口和目的交叉口之间道路的ID；Weight是该条道路的权值；Time stamp是权值信息更新的时间戳；
(2)该LN如果收到周围LN发来的WIU，则使用收到WIU更新本地WIU，更新的原则是相同Road ID的表项用新时间戳的内容取代老时间戳的内容；
(3)该LN发出并收集流量信息收集数据包(TIC)，每次TT时间结束时，通过收集到的所有TIC获得相邻道路的权值，以此更新本地的WIU中所有相邻道路的权值信息和时间戳，再向外广播，并发送到所有相邻的LN，这样不断扩散，使全网能获得所有道路的权值信息更新。
(4)该LN向外广播WIU后，再次发出信息收集数据包(TIC)重新收集交叉口相邻道路的负载情况并生成该道路权值。
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