自主式IVTIS模型及路網(wǎng)擁堵信息擴散效果評價

張 崎，鄭 昊,張建平，彭 紅

(1.北京科技大學 自動化學院，北京 100083；2.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083)

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自主式IVTIS模型及路網(wǎng)擁堵信息擴散效果評價

張 崎1，鄭 昊2,張建平2，彭 紅1

(1.北京科技大學 自動化學院，北京 100083；2.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083)

針對集中式交通信息系統(tǒng)存在的基礎設施投資過大、信息處理過于集中，以及自主式交通信息系統(tǒng)較多側重安全信息，而較少涉及路網(wǎng)擁堵信息的采集與發(fā)布等相關問題和不足，提出了一種基于車載自組網(wǎng)(VANET)、面向城市路網(wǎng)的自主式智能車載交通信息系統(tǒng)(IVTIS)及相應模型。為驗證和評價IVTIS的合理性及有效性，基于交通仿真二次開發(fā)平臺及相關評價指標，分別對路網(wǎng)擁堵信息的采集融合及動態(tài)傳播效果進行了仿真評價，進而對路網(wǎng)車流量、信息傳播丟包率對整體傳播效果的影響進行了綜合分析。仿真結果表明：IVTIS模型較為合理，其在面向城市路網(wǎng)的擁堵信息實時采集與動態(tài)傳播方面表現(xiàn)出良好的自主性及擴散傳播效果。

交通工程；智能車載交通信息工程；擁堵信息；自動采集；自主傳播

0 引 言

目前城市道路交通信息系統(tǒng)中最為有效的體系結構之一是基于交管中心的集中式交通信息系統(tǒng)。其最大特點是交通路況信息的采集、數(shù)據(jù)處理及信息發(fā)布是通過設置在地面的固定基礎設施完成的[1]，該模式是目前應用最為廣泛的交通信息系統(tǒng)。然而，該模式存在系統(tǒng)投資過大，服務精度嚴重依賴固定設置的采集與發(fā)布設施布點密度，以及信息處理過于集中而在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負載過重或故障時出現(xiàn)整體實時性的降低等不足。隨著車車通信技術的飛速發(fā)展，基于車載自組網(wǎng)(VANET：Vehicular Ad Hoc Networks)的交通信息系統(tǒng)受到各國交通專家學者的關注[2]；其中研究較多的主要是車輛行駛安全及駕駛預警等，而對交通路況信息服務方面的關注度及研究，尤其是對一個城市路網(wǎng)交通擁堵信息的研究相對較少。

目前完全基于車車通信的交通擁堵信息自主采集與傳播模式研究中，一種是基于對螞蟻覓食過程中避免交通擁堵的行走模式而提出的利用對向車傳播前方路段交通擁堵信息的新思路[3]，國內外一些專家學者對此進行了不同程度的研究和探討[4]，該模式主要適用于一個路段前方擁堵時如何向擁堵后方車輛提供實時準確的擁堵信息，但對無對向車的單行道或對向車不曾經(jīng)過駕駛員所關注的前方路網(wǎng)其他擁堵路段時，將無法由對向車獲得自車行駛前方路段的交通擁堵信息。而另一種是德國專家L. Wischhof等[5]提出的自組織交通信息系統(tǒng)(SOTIS: Self Organizition of Traffic Information System)，其主要以德國高速公路為對象，在車流密度相對均勻及車輛高速行駛等條件下進行了交通信息傳播效果仿真評價，獲得較好效果。此外，一些專家學者從不同角度也進行了相應研究[6]，其中筆者也提出了一種面向城市路網(wǎng)的智能車載交通信息系統(tǒng)[7-8]。然而，對于城市路網(wǎng)而言，由于其路網(wǎng)結構復雜，周圍樓群聳立，車流方向、車流密度、交叉路口及信號等待時間等各不相同，使得交通信息在傳播過程中常常會出現(xiàn)信道爭搶、擁塞或信號干擾而造成的丟包現(xiàn)象；進而由于車車通信距離有限，車群間距時常出現(xiàn)疏密不均等現(xiàn)象，也會導致個別路段或局部路網(wǎng)出現(xiàn)信息傳播斷鏈現(xiàn)象，由此影響到交通信息在路網(wǎng)的整體傳播時間及效果。因而，在城市路網(wǎng)行駛車數(shù)巨大、車車通信爭搶信道嚴重、車載信息終端數(shù)據(jù)處理能力有限的條件下，如何解決城市路網(wǎng)交通擁堵信息采集的實時性及簡便性、尋找最小通信量及最小信息處理量的數(shù)據(jù)融合方法、提高交通信息的快速傳播及可持續(xù)性、以及自主生成整個路網(wǎng)擁堵信息等問題是目前研究尚無深入涉及或解決，也是筆者所要進一步探討并重點關注的主要問題。

1 智能車載交通信息系統(tǒng)模型

筆者面向城市路網(wǎng)，基于智能車載交通信息系統(tǒng)(Intelligent Vehicular Traffic Information System：IVTIS)模式，從車載交通路況信息采集的實時性、擁堵信息的傳播與解除、以及信息傳播時的丟包現(xiàn)象對路網(wǎng)擁堵信息傳播效果的影響等方面，進行了深入研究及模型構建，并進而通過交通仿真進行了相應分析及及效果評價。其主要系統(tǒng)模型如下。

1.1 交通擁堵信息自主采集融合模型

IVTIS原始路況信息的采集是一種相對簡單但不可或缺的基礎數(shù)據(jù)獲取來源。其主要思路是獲取一種簡便有效、實時準確、具有采集路段代表性的原始路況信息。筆者在此采用各車輛進入采集路段至當前時刻所行駛的平均速度來代表該采集路段的原始路況信息(稱為原始采集信息)。同時根據(jù)車輛進入采集路段的距離遠近賦予其不同的信息價值權值(代表性)。即各車輛自身采集與通過VANET接收其他車輛原始采集信息并融合處理后的該采集路段平均速度為：

(1)

tp(i)=tp,c(i)-tp,s(i),p∈Ok(i),i∈{1,2,…,N}

(2)

(3)

p∈Ok(i),lp(i)≤L(i) ,i∈{1,2,…,N}

(4)

為減少車載終端數(shù)據(jù)處理負擔過重以及傳播信息量過大而造成的系統(tǒng)功能及處理實時性的下降，筆者僅將產(chǎn)生擁堵路段的擁堵信息(或解除信息)對外發(fā)布，而不傳播暢通路段的路況信息；同時參考日本(VICS)等國車載交通擁堵信息發(fā)布時對道路擁堵程度提示的速度范圍劃分方法，將融合處理后的采集信息以簡化擁堵信息形式加以傳播；進而引入目前研究極少涉及的擁堵解除信息的自主判斷及發(fā)布，由此便于路網(wǎng)擁堵信息的實時動態(tài)更新。即：

(5)

1.2 交通擁堵信息傳播模型

IVTIS系統(tǒng)主要面向路網(wǎng)各路段行駛車輛，通過VANET廣播方式，使其擁堵信息接力式地傳播擴散至整個路網(wǎng)。其根據(jù)信息發(fā)布的對象車輛不同，相應交通信息內容分為三類：①面向同一采集路段的其他車輛發(fā)布其自身擁有的原始采集信息集合〔式(6)〕，其中包括該車自身采集以及通過VANET接收的同一采集路段其他車輛自身采集的原始路況信息；②面向其他采集路段的車輛發(fā)布其最新融合處理后的簡化擁堵信息及擁堵解除信息〔式(7)〕；③通過VANET接收由不同車輛轉發(fā)而來的其他路段最新簡化擁堵信息或擁堵解除信息，以及其信息初次發(fā)布的時刻〔式(8)〕。

綜合三類信息，即路段i的采集車輛k發(fā)布其交通路況信息的傳播模型如式(9)：

Sk(i)={Vp(i) |p∈Ok(i)} ,i∈{1,2,…,N}

(6)

(7)

(8)

Bk(i)=Sk(i)∪Dk(i)∪Rk(i) , i∈{1,2,…,N}

(9)

式中：Sk(i)為路段i的采集車輛k自身擁有的原始采集信息集合；Dk(i)為路段i的采集車輛k信息融合處理后的簡化擁堵信息；Rk(i)為路段i的采集車輛k轉播的其他路段j的最新簡化擁堵信息；Gk(i)為路段i的采集車輛k擁有的所有簡化擁堵信息的路段集合；tk,r(i)，tq,r(j)分別為路段i的采集車輛k及路段j的采集車輛q信息融合處理后初次發(fā)布其簡化擁堵信息的時刻；Bk(i)為路段i的采集車輛k發(fā)布其自身擁有的所有交通路況信息內容。

1.3 路網(wǎng)擁堵信息自動生成與動態(tài)更新模型

1.3.1 路網(wǎng)擁堵信息自動生成模型

各車輛通過對其原始采集信息集合的融合處理，以及通過VANET接收其他車輛發(fā)布的簡化擁堵信息，便可在其車載信息終端上逐漸生成整個路網(wǎng)擁堵路段的擁堵程度信息，且隨著與其他車輛信息交互次數(shù)的增加，其路網(wǎng)擁堵路段的信息愈加完整，最終生成整個路網(wǎng)擁堵路段的完整信息，由此供駕駛員在駕駛時實時參考。即路網(wǎng)擁堵信息生成模型如式(10)：

(10)

其中

[q≠k,j∈Gk(i)]

tk(i,j) ≤t

i,j∈{1,2,…,N}，Gk(i)?{1,2,…,N}

1.3.2 路網(wǎng)擁堵信息動態(tài)更新模型

隨著車輛在路網(wǎng)中的行駛移動以及VANET的動態(tài)交替，各車輛不斷接收其他車輛發(fā)布的路網(wǎng)簡化擁堵信息，由此便可根據(jù)其信息新舊來對自車相關路網(wǎng)擁堵信息進行實時更新。根據(jù)情形不同，路網(wǎng)擁堵信息的動態(tài)更新模型分別如下。

1)原始采集信息集合的更新

若車輛k與車輛k′ 屬于相同采集路段i，且車輛k′ 的原始采集信息集合中，含有車輛k所沒有的原始采集信息時，則更新車輛k的原始采集信息集合。即

若Ok(i)≠Ok′(i)

Sk(i)=Sk(i)∪{Sk′(i)|p?Ok(i)}

則使

Ok(i)=Ok(i)∪Ok′(i)

(11)

其中：k≠k′,i∈{1,2,…,N}。

當兩車的原始采集信息集合中都含有同路段某車輛采集的原始路況信息，且車輛k′ 擁有的信息更為新時，則更新至車輛k。

2)路網(wǎng)擁堵信息集合的更新

若路段i的采集車輛k所擁有的路網(wǎng)擁堵信息中不含有路段m的采集車輛k′ 所擁有的某路段j的簡化擁堵信息，或兩車輛都擁有其簡化擁堵信息，但車輛k′ 的信息更為新時，則將其補充或更新至車輛k。即

若Nk(i)≠Nk′(m)

而tk(i,j)

tk(i,j)=tk′(m,j)

Gk(i)= Gk(i)∪Gk′(m)

(12)

其中：k′≠k, m=i or m≠i , Gk(i),Gk′(m){1,2,…,N}；i,j,m∈{1,2,…,N}

3)交通擁堵信息的存留時效

當車輛k擁有的某路段簡化擁堵信息在規(guī)定的一定時間內沒有得到更新，則其路況狀態(tài)不明而失去參考價值，系統(tǒng)自動將其消除。即

若t-tk(i，j)≥T0

Gk(i)={Gk(i)|j?Gk(i)}

(13)

其中j≠i，Gk(i)?{1,2,…,N}, i∈{1,2,…,N}

式中：T0為事先設定的路網(wǎng)擁堵信息存留時間。

2 交通仿真與評價

2.1 交通仿真平臺

為評價IVTIS系統(tǒng)模型對于城市路網(wǎng)交通擁堵信息的擴散傳播效果，筆者以VISSIM為基礎，利用其二次開發(fā)環(huán)境，通過調用其COM接口所提供的對象列表及其數(shù)據(jù)讀取與控制方法等，將所構建和編制的IVTIS系統(tǒng)各功能模型的相關程序嵌入到每個車輛，并在每一仿真步中加以運行，以此賦予VISSIM完成IVTIS系統(tǒng)相關功能的仿真能力。同時，針對車輛信息傳播丟包率問題，通過編程及設定各車輛廣播范圍內沒有接收到其廣播信息的車輛比率進行模擬，由此實現(xiàn)不同丟包率對傳播效果影響的仿真評價功能。

2.2 仿真環(huán)境設定

圖1為路網(wǎng)各端口流入車流量為600veh/h時，擁堵路段采集車輛發(fā)布其擁堵信息后擴散傳播至路網(wǎng)各路口及端口的最短傳播時間示意。短路段：1km，長路段：2km；限速60km/h；路段A①間設置減速帶模擬擁堵路段(通行速度4～6km/h)；路口設置同步信號燈(周期60s)；路口分流率(十字路口25:50:25；丁字路口50:50)；路網(wǎng)流入車流量：各入口300,600,900veh/h(車流服從泊松分布)；廣播通信范圍：300m；仿真時間：35min；丟包率：0,25%,50%,75%。擁堵開始時間：15min；擁堵信息存留時間：T0=15min；初始采集時刻或距離：Ts=15s，Ls=50m，采集間隔：Tc=5s，發(fā)布間隔：Tr=1s；擁堵程度劃分上限：Vc=20km/h,Vs=40km/h。

圖1 路網(wǎng)交通擁堵信息最短傳播時間示意Fig.1 The shortest transmission time of congestion information in the road network

2.3 仿真與評價

2.3.1 路網(wǎng)流入車流量對擁堵信息傳播的影響

圖2是路網(wǎng)流入車流量不同時擁堵信息路網(wǎng)端口最短傳播時間。由圖2看出：①路網(wǎng)流入車流量的增加使得路網(wǎng)內車流密度增大，其擁堵信息傳播至路網(wǎng)端口的最短時間整體呈縮短趨勢；②當路網(wǎng)流入車流量較少時(300 veh/h)，由于路網(wǎng)車流密度減少以及頻繁出現(xiàn)不同程度的車輛間距疏密不均現(xiàn)象，使得信息傳播斷鏈現(xiàn)象頻出，由此引發(fā)交通擁堵信息傳播時間的明顯增加。其結果顯示，擁堵路段采集車輛發(fā)布的擁堵信息傳播至路網(wǎng)所有端口所需的最短時間為28 s(最長傳播路徑距離為7～8 km)。

圖2 路網(wǎng)流入車流量不同時擁堵信息路網(wǎng)端口最短傳播時間Fig.2 The shortest dissemination time of the traffic congestion information to the entrances of road network with different flow-in traffic volumes

2.3.2 信息傳播丟包率對擁堵信息傳播的影響

圖3為路網(wǎng)各端口流入車輛量為600 veh/h、信息傳播丟包率分別為0%，25%，50%，75%時交通擁堵信息的最短傳播時間仿真結果。由其看出，隨著丟包率的增加，傳播至路網(wǎng)各端口的最短時間隨之增大，當丟包率為75%時變化顯著，這是由于丟包率的增加使得信息傳播斷鏈現(xiàn)象加重，從而使得傳播時間相應增大。

圖3 不同丟包率時交通擁堵信息的路網(wǎng)端口最短傳播時間Fig.3 The shortest transmission time when traffic congestion information reaches the road entrances in different packet loss rates

圖4為不同丟包率時交通擁堵信息隨時間推移的路網(wǎng)覆蓋率變化曲線比較圖。由其看出，丟包率越大，相同傳播時間時擁堵信息的路網(wǎng)覆蓋率越低，亦即路網(wǎng)覆蓋所需時間越長；丟包率為25%時路網(wǎng)覆蓋時間為56 s。

圖4 不同丟包率時交通擁堵信息的路網(wǎng)覆蓋率變化曲線Fig.4 Change curve of road network coverage of congestion information with different packet loss rate

3 結 語

筆者針對智能車載交通信息系統(tǒng)(IVTIS)，基于VANET廣播方式，在構建原始交通信息自主采集及融合處理基礎模型的基礎上，重點研究了面向城市路網(wǎng)的交通信息自主傳播模型、路網(wǎng)擁堵信息自動生成模型、以及動態(tài)更新模型。并針對IVTIS模型，通過對交通仿真系統(tǒng)VISSIM的二次開發(fā)，成功實現(xiàn)了IVTIS模型在VISIIM平臺上的算法嵌入及仿真運算功能。進而，在仿真評價面向城市路網(wǎng)的交通擁堵信息傳播效果基礎上，對不同路網(wǎng)流入車流量以及不同信息傳播丟包率對交通擁堵信息路網(wǎng)傳播效果的影響進行了綜合比較和評價。仿真結果表明，IVTIS系統(tǒng)及其模型，對于城市路網(wǎng)、尤其是較大規(guī)模路網(wǎng)交通擁堵信息的自動生成、動態(tài)更新、以及快速傳播具有一定的適應性和有效性。

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A Self-organizing IVTIS Model and Diffusion Effect Evaluation ofCongestion Information in Road Network

Zhang Qi1, Zheng Hao2, Zhang Jianping2, Peng Hong1

(1. School of Automation & Electrical Engineering, Beijing University of Science & Technology, Beijing 100083, China; 2. School of Computer & Communication Engineering, Beijing University of Science & Technology, Beijing 100083, China)

The concentrated traffic information system had problems, such as over-size investment on infrastructure and over-concentrated data processing. The self-organizing traffic information system focused more on the information safety and focused less on the collection and release of congestion information of the road network. According to the conditions mentioned above, a VANET-based and urban road network-oriented self-organizing intelligent vehicular traffic information system (IVTIS) pattern and model was proposed. Road network congestion information collection, integration and dynamic disseminating effects were simulated and analyzed comprehensively based on the secondary development platform of VISSIM and relative evaluation indexes. Moreover, impacts of vehicle inflow and information packet loss rate during transmitting on the congestion information spread within the whole road network were compared and evaluated. The simulation results confirm not only the rationality and feasibility of the proposed IVTIS model, but also its satisfactory performance in automatic real-time collection and dynamic spreading of congestion information within the whole urban road network.

traffic engineering; intelligent vehicular traffic information system(IVTIS); congestion information; autonomous collection; autonomous transmission

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.22

2014-06-19；

2014-07-21

北京市自然科學基金資助項目(4122048)

張 崎(1960—)，男，河北邯鄲人，副教授，博士，主要從事智能交通系統(tǒng)及系統(tǒng)工程方面的研究。E-mail:zhqi@ustb.edu.cn。

U491.2

A

1674-0696(2015)05-110-04