CN110267228B - 一种v2x车载终端消息自适应调度管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统及方法，本发明采用基于中间件的软件架构，主要包括：线程池管理模块、消息自适应转发管理模块、异构通信网络管理模块。本发明的方法主要对车载终端统一对来车身、其他车辆、路侧设备、车联网云平台等异构多源信息进行管理；在该方法中，基于优先级策略对消息进行调度，以保证信息紧急程度较高的信息优先发送，从而提高安全消息的实时性；基于线程池进行消息并行化处理，另外，对异构通信网络，采用基于端口的设计方法对异构网络通信进行管理，以此向上层应用提供统一的通信调用接口，屏蔽异构性，提高应用开发的效率和功能可扩展性。

Description

一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统及方法

技术领域

本发明属于智能网联汽车技术领域，尤其涉及基于V2X的车载终端消息自适应调度管理方法领域。

背景技术

车联网是一项创新性的技术，而关于具备完全车联网意义上的功能的车载单元研究更是缺乏深入探讨。OBU与RSU通信，获取道路、车辆、行人、本地环境信息进行处理，与行驶的车辆通过LTE-V方式进行相互通信，向驾驶员提供实时的道路状况、路面状况、交通拥堵状况等信息，通过4G/5G通信接收后台发送的紧急通告消息。

由于技术、成本和法规原因，在中国目前在车路协同环境下OBU的信息处理研究中，国内对于OBU的信息处理的研究处于起步阶段，目前主要聚焦于OBU的部署优化、网络路由接入调度、节点数据分发效率等方面，缺乏总体功能的设计。国外目前主要研究OBU对车辆数据的转发策略，针对的是车辆和RSU之间的数据交换问题。

参照欧洲DSRC标准SAE-J2735，车联网中的消息可以划分为8个等级:0-7，等级越高，消息的优先级越高。消息的优先级划分有两个指标:重要性和紧急程度。不同优先级消息QoS要求不同，因此采用不同的转发机制。对于高优先级消息，如车辆碰撞预警，需要快速、可靠的分发，而对于低优先级消息，如电子地图下载、娱乐消息等，只需尽力传输即可。另有一类低优先级消息，虽重要性程度低，但时延要求高，需要快速分发，如ETC电子支付。因此，需要对消息的优先级进行考虑，以此保证安全消息转发的实时性。

在实际环境中，无线网络的信道对于信息传输的影响特别大，特别是动态环境中会造成信息的丢包率很高。没有考虑对于紧急消息进行分类，比如车辆发生碰撞和车辆发生拥堵，这是两种不同级别的交通安全消息，理论上碰撞消息的安全级别应该高于拥堵消息。没有设置不同的交通安全消息优先级，有可能重要交通安全消息发送出现时延，导致车辆事故安全。

目前基于车联网的信息分发效率低，可靠性差，不能满足车联网的通信需求。因此，需要提供一种新的消息自适应调度管理方法来解决上述问题。别烦明提出了一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统及方法，采用基于线程池进行消息并行化处理，以此减少线程创建和消亡的开销，可有效控制最大并发线程数，以提高系统资源的使用率，同时避免过多资源竞争，避免堵塞；另外，对异构通信网络，采用基于端口的设计方法对异构网络通信进行管理，以此向上层应用提供统一的通信调用接口，屏蔽异构性，提高应用开发的效率和功能可扩展性。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高分发效率、可靠性高的V2X车载终端消息自适应调度管理系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统，其采用基于中间件层的软件架构，所述中间件层包括线程管理模块、消息自适应转发管理模块及异构通信网络管理模块；其中

线程管理模块，用于根据V2X通信设备中的通信网络属性和内核个数创建异构网络间通信子线程，根据消息紧急程度和时限要求，动态设置线程池中异构网络间通信子线程的优先级，采用并行化的方法管理各个异构网络间通信子线程；

消息自适应转发管理模块，包括消息收发管理模块和消息队列管理模块，消息收发管理模块用于消息的接收与解析、端口管理、消息端口映射管理；消息队列管理模块用于消息队列创建、队列优先级和队列管理，根据消息队列管理模块的消息属性，结合消息与端口的映射关系，选择对应端口收发不同网络的消息；

异构通信网络管理模块，异构通信网络管理模块根据消息自适应转发管理模块的消息队列属性和消息-端口映射建立通信网络-端口映射表，存储管理底层通信模块的通信组件发送通道和接收通道所对应的消息关系；通道接口选择模块提供消息发布对应的通信通道接口，采用端口的设计方式将不同的通信方式和通道相分离，为异构通信网络提供统一的访问接口，便于软件移植、通信网络的管理与扩展。

进一步的，所述线程管理模块根据消息的通信网络效率、网络通信数据量、消息的时限要求、消息的紧急程度在内的属性，动态调整消息所在的队列优先级，触发该类消息的实时发送，提高V2X网络通信的实时性以此实现线程动态调度。

进一步的，所述线程管理模块采用并行化的方法管理各个异构网络间通信子线程步骤为；

系统启动后，线程池管理模块根据处理器内核个数和V2X终端网络通信信息表创建启动网络通信子线程，包括V2X通信线程、车载以太网线程、CAN通信线程，建立子线程与通信端口射表，并监控子线程状态；除了可以创建和销毁其子线程，还可以更改线程绑定CPU和线程优先级，进行线程的迁移和调度；当子进程发生异常时，线程管理器重新创建子线程，如果让CPU有空余内核，线程管理模块还为繁忙线程创建多个子线程，另一方面，线程管理器还杀死中间件冗余子线程来释放内存。

进一步的，所述消息包括消息内容和隶属于消息的属性，消息的属性包括优先级、有效存在时间、发送周期、消息发送端口、抢占属性，消息收发管理模块接收到异构通信网络模块接收的消息后，对消息进行解析和分类，设置消息属性并将消息按照异构通信管理模块提供的消息-端口映射表写入对应的通信消息队列。或者线程池中的通信子线程从对应的消息队列取出消息，根据消息-端口映射表，选择端口发送。

一种基于所述系统的消息自适应调度管理方法，其包括以下步骤：

A.在应用启动后，线程池管理模块创建状态监控线程用于监控各个线程的状态，分配与回收线程资源；创建基础的功能子线程管理器，包括消息自适应转发线程管理器、异构通信网络管理线程管理器，用于消息事件响应，并创建指定数目的关联空闲线程；

B.当异构通信网络模块获取数据后，线程池分配给这次事件请求一个空闲的线程，如果同时收到多个通信接口的事件请求，将收到的多个并发请求按照请求的时间戳记录到相应的时间片队列上，根据记录和预测应用程序和组件的工作属性实现线程优先级动态调整，处理各个事件采用基于优先级的消息调度策略。

进一步的，所述实现线程优先级动态调整，基于优先级的消息调度策略具体包括：

采用对不同的业务范围产生的数据包划分不同的优先级，并放入不同的控制队列中，并自适应的选择路由方式，根据消息的重要性和紧急程度将消息划分为不同等级，结合线程池并行化管理，采用改进的加权公平队列方式来对消息进行调度，高优先级队列采用先进先出机制，且当该队列中有消息时，优先发送该队列消息；低优先级队列的每个分队列都采用先进先出的排队机制；

消息优先级调度策略在消息代理模块中实现具体过程是：消息调度分发模块轮询存储主题消息的消息队列的优先级，查询通信网络管理模块建立的消息-通道映射表，从高优先级队列开始提取主题消息从对应的通信通道发送，直至高优先级队列的消息发送完毕，开始提取下一优先级队列的消息发送，依次提取各优先级队列的数据；对通信组件发布的消息，通过查询订阅者信息表，消息分发模块提取信息发送给订阅该主题消息的应用层软件。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明针对复杂交通场景下车载单元需要处理分发的消息的多样性和通信网络的异构性，考虑消息分发时不同类型消息的优先级问题，提出的一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统及方法主要对车载终端统一对来车身、其他车辆、路侧设备、车联网云平台等异构多源信息进行管理；在该方法中，基于优先级策略对消息进行调度，以保证信息紧急程度较高的信息优先发送，从而提高安全消息的实时性；基于线程池进行消息并行化处理，以此减少线程创建和消亡的开销，可有效控制最大并发线程数，提高系统资源的使用率，同时避免过多资源竞争，避免堵塞；另外，对异构通信网络，采用基于端口的设计方法对异构网络通信进行管理，以此向上层应用提供统一的通信调用接口，屏蔽异构性，提高应用开发的效率和功能可扩展性。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例整体设计架构图；

图2中间件的消息帧格式定义；

图3消息自适应转发模块的内部架构图；

图4异构通信网络管理模块的内部架构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，一种V2X车载终端中消息自适应调度管理方法，采用基于中间件的软件架构，主要包括3个模块：线程管理模块、消息自适应转发管理模块、异构通信网络管理模块。

线程池管理模块负责根据V2X通信设备中设置与启动的通信网络属性和内核个数创建异构网络间通信子线程，根据消息紧急程度和时限要求，动态设置线程池中线程的优先级，以便于采用并行化的方法管理各个线程模块，提高消息的处理效率。根据消息的通信网络效率、网络通信数据量、消息的时限要求、消息的紧急程度等属性，动态调整消息所在的队列优先级，触发该类消息的实时发送，提高V2X网络通信的实时性以此实现线程动态调度。支持并行处理的线程池管理方法如下：系统启动后，线程池管理模块会根据处理器内核个数和V2X终端网络通信信息表创建启动网络通信子线程，如V2X通信线程、车载以太网线程、CAN通信线程等，建立子线程与通信端口射表，并监控子线程状态；它可以创建和销毁其子线程，还可以更改线程绑定CPU和线程优先级，进行线程的迁移和调度。当子进程发生异常时，线程管理器可以重新创建子线程。如果让CPU有空余内核，线程管理模块还可以为繁忙线程创建多个子线程以提高并行效率。另一方面，线程管理器还可以杀死中间件冗余子线程来释放内存。

如图2所示，消息自适应转发管理模块，主要包括消息收发管理模块和消息队列管理模块。消息收发管理模块负责消息的接收与解析、端口管理、消息端口映射管理；消息队列管理模块负责消息队列创建、队列优先级和队列管理。管理消息自适应转发管理模块根据消息队列管理模块的消息属性，结合消息与端口的映射关系，选择对应端口收发不同网络的消息。如图3所示，消息包括消息内容和隶属于消息的属性，消息的属性包括优先级，有效存在时间、发送周期、消息发送端口、抢占属性等。该模块接收到异构通信网络模块接收的消息后，对消息进行解析和分类，设置消息属性并将消息按照异构通信管理模块提供的消息-端口映射表写入对应的通信消息队列。或者线程池中的通信子线程从对应的消息队列取出消息，根据消息-端口映射表，选择端口发送。

如图4所示，异构通信网络管理模块，根据消息自适应转发管理模块消息队列属性和消息-端口映射模块建立通信网络-端口映射表，存储管理底层通信模块的通信组件发送通道和接收通道所对应的消息关系；通道接口选择模块提供消息发布对应的通信通道接口，采用端口的设计方式将不同的通信方式和通道相分离，为异构通信网络提供统一的访问接口，便于软件移植、通信网络的管理与扩展。该模块提供V2X通信终端通信网络扫描及端口配置功能，模块根据配置端口提供网络访问接口调用，不同用户可以根据自己需要进行端口配置，提高网络通信的安全性。当异构网络通信管理模块监听到网络通信事件后，根据通信网络与端口映射表，触发通信事件发送给消息自适应转发模块，以通知该模块进行消息的收发。

一种V2X车载终端中消息自适应调度管理方法，支持并行处理的线程池管理方法包括以下步骤：

A.在应用启动后，线程池管理模块会创建状态监控线程用于各个线程的状态，分配与回收线程资源；创建基础的功能子线程管理器，包括消息自适应转发线程管理器、异构通信网络管理线程管理器等，这些线程管理器用于消息事件响应，并创建指定数目的关联空闲线程，这些线程均处于睡眠状态，不消耗CPU，只占用较少的内存空间；

B.当异构通信网络模块获取数据后，线程池将会分配给这次事件请求一个空闲的线程，如果同时收到多个通信接口的事件请求，将收到的多个并发请求按照请求的时间戳记录到相应的时间片队列上，根据记录和预测应用程序和组件的工作行为实现线程优先级动态调整，处理各个事件采用基于优先级的消息调度策略。

基于优先级的消息调度策略，采用对不同的业务范围产生的数据包划分不同的优先级，并放入不同的控制队列中，并自适应的选择路由方式。根据消息的重要性和紧急程度将消息划分为不同等级，等级越高，消息的优先级越高。结合线程池并行化管理，采用改进的加权公平队列方式来对消息进行调度。高优先级队列采用先进先出机制，且当该队列中有消息时，优先发送该队列消息；低优先级队列的每个分队列都采用先进先出的排队机制。消息优先级调度策略在消息代理模块中实现具体过程是消息调度分发模块轮询存储主题消息的消息队列的优先级，查询通信网络管理模块建立的消息-通道映射表，从高优先级队列开始提取主题消息从对应的通信通道发送，直至高优先级队列的消息发送完毕，开始提取下一优先级队列的消息发送，依次提取各优先级队列的数据；对通信组件发布的消息，通过查询订阅者信息表，消息分发模块提取信息发送给订阅该主题消息的应用层软件。

C.当消息自适应转发模块和异构通信网络模块执行完响应的事件，线程池管理模块会回收线程资源，使之再次处于空闲状态。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统，其特征在于，采用基于中间件层的软件架构，所述中间件层包括线程管理模块、消息自适应转发管理模块及异构通信网络管理模块；其中

线程管理模块，用于根据V2X通信设备中的通信网络属性和内核个数创建异构网络间通信子线程，根据消息紧急程度和时限要求，动态设置线程池中异构网络间通信子线程的优先级，采用并行化的方法管理各个异构网络间通信子线程；

消息自适应转发管理模块，包括消息收发管理模块和消息队列管理模块，消息收发管理模块用于消息的接收与解析、端口管理、消息端口映射管理；消息队列管理模块用于消息队列创建、队列优先级和队列管理，根据消息队列管理模块的消息属性，结合消息与端口的映射关系，选择对应端口收发不同网络的消息；

异构通信网络管理模块，异构通信网络管理模块根据消息自适应转发管理模块的消息队列属性和消息-端口映射建立通信网络-端口映射表，存储管理底层通信模块的通信组件发送通道和接收通道所对应的消息关系；通道接口选择模块提供消息发布对应的通信通道接口，采用端口的设计方式将不同的通信方式和通道相分离，为异构通信网络提供统一的访问接口，便于软件移植、通信网络的管理与扩展；

所述线程管理模块采用并行化的方法管理各个异构网络间通信子线程步骤为；

系统启动后，线程池管理模块根据处理器内核个数和V2X终端网络通信信息表创建启动网络通信子线程，包括V2X通信线程、车载以太网线程、CAN通信线程，建立子线程与通信端口射表，并监控子线程状态；除了可以创建和销毁其子线程，还可以更改线程绑定CPU和线程优先级，进行线程的迁移和调度；当子进程发生异常时，线程管理器重新创建子线程，如果让CPU有空余内核，线程管理模块还为繁忙线程创建多个子线程，另一方面，线程管理器还杀死中间件冗余子线程来释放内存。

2.根据权利要求1所述的一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统，其特征在于，所述线程管理模块根据消息的通信网络效率、网络通信数据量、消息的时限要求、消息的紧急程度在内的属性，动态调整消息所在的队列优先级，触发该类消息的实时发送，提高V2X网络通信的实时性以此实现线程动态调度。

3.根据权利要求1所述的一种V2X车载终端消息自适应调度管理系统，其特征在于，所述消息包括消息内容和隶属于消息的属性，消息的属性包括优先级、有效存在时间、发送周期、消息发送端口、抢占属性，消息收发管理模块接收到异构通信网络模块接收的消息后，对消息进行解析和分类，设置消息属性并将消息按照异构通信管理模块提供的消息-端口映射表写入对应的通信消息队列，或者线程池中的通信子线程从对应的消息队列取出消息，根据消息-端口映射表，选择端口发送。

4.一种基于权利要求1-3之一系统的消息自适应调度管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.在应用启动后，线程池管理模块创建状态监控线程用于监控各个线程的状态，分配与回收线程资源；创建基础的功能子线程管理器，包括消息自适应转发线程管理器、异构通信网络管理线程管理器，用于消息事件响应，并创建指定数目的关联空闲线程；

B.当异构通信网络模块获取数据后，线程池分配给这次事件请求一个空闲的线程，如果同时收到多个通信接口的事件请求，将收到的多个并发请求按照请求的时间戳记录到相应的时间片队列上，根据记录和预测应用程序和组件的工作属性实现线程优先级动态调整，处理各个事件采用基于优先级的消息调度策略；

C.当消息自适应转发模块和异构通信网络模块执行完响应的事件，线程池管理模块会回收线程资源，使之再次处于空闲状态；

所述实现线程优先级动态调整，基于优先级的消息调度策略具体包括：

采用对不同的业务范围产生的数据包划分不同的优先级，并放入不同的控制队列中，并自适应的选择路由方式，根据消息的重要性和紧急程度将消息划分为不同等级，结合线程池并行化管理，采用改进的加权公平队列方式来对消息进行调度，高优先级队列采用先进先出机制，且当该队列中有消息时，优先发送该队列消息；低优先级队列的每个分队列都采用先进先出的排队机制；

消息优先级调度策略在消息代理模块中实现具体过程是：消息调度分发模块轮询存储主题消息的消息队列的优先级，查询通信网络管理模块建立的消息-通道映射表，从高优先级队列开始提取主题消息从对应的通信通道发送，直至高优先级队列的消息发送完毕，开始提取下一优先级队列的消息发送，依次提取各优先级队列的数据；对通信组件发布的消息，通过查询订阅者信息表，消息分发模块提取信息发送给订阅该主题消息的应用层软件。

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