自主式IVTIS模型及路网拥堵信息扩散效果评价

张 崎，郑 昊,张建平，彭 红

(1.北京科技大学 自动化学院，北京 100083；2.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083)



自主式IVTIS模型及路网拥堵信息扩散效果评价

张 崎1，郑 昊2,张建平2，彭 红1

(1.北京科技大学 自动化学院，北京 100083；2.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083)

针对集中式交通信息系统存在的基础设施投资过大、信息处理过于集中，以及自主式交通信息系统较多侧重安全信息，而较少涉及路网拥堵信息的采集与发布等相关问题和不足，提出了一种基于车载自组网(VANET)、面向城市路网的自主式智能车载交通信息系统(IVTIS)及相应模型。为验证和评价IVTIS的合理性及有效性，基于交通仿真二次开发平台及相关评价指标，分别对路网拥堵信息的采集融合及动态传播效果进行了仿真评价，进而对路网车流量、信息传播丢包率对整体传播效果的影响进行了综合分析。仿真结果表明：IVTIS模型较为合理，其在面向城市路网的拥堵信息实时采集与动态传播方面表现出良好的自主性及扩散传播效果。

交通工程；智能车载交通信息工程；拥堵信息；自动采集；自主传播

0 引 言

目前城市道路交通信息系统中最为有效的体系结构之一是基于交管中心的集中式交通信息系统。其最大特点是交通路况信息的采集、数据处理及信息发布是通过设置在地面的固定基础设施完成的[1]，该模式是目前应用最为广泛的交通信息系统。然而，该模式存在系统投资过大，服务精度严重依赖固定设置的采集与发布设施布点密度，以及信息处理过于集中而在数据处理系统负载过重或故障时出现整体实时性的降低等不足。随着车车通信技术的飞速发展，基于车载自组网(VANET：Vehicular Ad Hoc Networks)的交通信息系统受到各国交通专家学者的关注[2]；其中研究较多的主要是车辆行驶安全及驾驶预警等，而对交通路况信息服务方面的关注度及研究，尤其是对一个城市路网交通拥堵信息的研究相对较少。

目前完全基于车车通信的交通拥堵信息自主采集与传播模式研究中，一种是基于对蚂蚁觅食过程中避免交通拥堵的行走模式而提出的利用对向车传播前方路段交通拥堵信息的新思路[3]，国内外一些专家学者对此进行了不同程度的研究和探讨[4]，该模式主要适用于一个路段前方拥堵时如何向拥堵后方车辆提供实时准确的拥堵信息，但对无对向车的单行道或对向车不曾经过驾驶员所关注的前方路网其他拥堵路段时，将无法由对向车获得自车行驶前方路段的交通拥堵信息。而另一种是德国专家L. Wischhof等[5]提出的自组织交通信息系统(SOTIS: Self Organizition of Traffic Information System)，其主要以德国高速公路为对象，在车流密度相对均匀及车辆高速行驶等条件下进行了交通信息传播效果仿真评价，获得较好效果。此外，一些专家学者从不同角度也进行了相应研究[6]，其中笔者也提出了一种面向城市路网的智能车载交通信息系统[7-8]。然而，对于城市路网而言，由于其路网结构复杂，周围楼群耸立，车流方向、车流密度、交叉路口及信号等待时间等各不相同，使得交通信息在传播过程中常常会出现信道争抢、拥塞或信号干扰而造成的丢包现象；进而由于车车通信距离有限，车群间距时常出现疏密不均等现象，也会导致个别路段或局部路网出现信息传播断链现象，由此影响到交通信息在路网的整体传播时间及效果。因而，在城市路网行驶车数巨大、车车通信争抢信道严重、车载信息终端数据处理能力有限的条件下，如何解决城市路网交通拥堵信息采集的实时性及简便性、寻找最小通信量及最小信息处理量的数据融合方法、提高交通信息的快速传播及可持续性、以及自主生成整个路网拥堵信息等问题是目前研究尚无深入涉及或解决，也是笔者所要进一步探讨并重点关注的主要问题。

1 智能车载交通信息系统模型

笔者面向城市路网，基于智能车载交通信息系统(Intelligent Vehicular Traffic Information System：IVTIS)模式，从车载交通路况信息采集的实时性、拥堵信息的传播与解除、以及信息传播时的丢包现象对路网拥堵信息传播效果的影响等方面，进行了深入研究及模型构建，并进而通过交通仿真进行了相应分析及及效果评价。其主要系统模型如下。

1.1 交通拥堵信息自主采集融合模型

IVTIS原始路况信息的采集是一种相对简单但不可或缺的基础数据获取来源。其主要思路是获取一种简便有效、实时准确、具有采集路段代表性的原始路况信息。笔者在此采用各车辆进入采集路段至当前时刻所行驶的平均速度来代表该采集路段的原始路况信息(称为原始采集信息)。同时根据车辆进入采集路段的距离远近赋予其不同的信息价值权值(代表性)。即各车辆自身采集与通过VANET接收其他车辆原始采集信息并融合处理后的该采集路段平均速度为：

(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)

为减少车载终端数据处理负担过重以及传播信息量过大而造成的系统功能及处理实时性的下降，笔者仅将产生拥堵路段的拥堵信息(或解除信息)对外发布，而不传播畅通路段的路况信息；同时参考日本(VICS)等国车载交通拥堵信息发布时对道路拥堵程度提示的速度范围划分方法，将融合处理后的采集信息以简化拥堵信息形式加以传播；进而引入目前研究极少涉及的拥堵解除信息的自主判断及发布，由此便于路网拥堵信息的实时动态更新。即：

(5)

1.2 交通拥堵信息传播模型

IVTIS系统主要面向路网各路段行驶车辆，通过VANET广播方式，使其拥堵信息接力式地传播扩散至整个路网。其根据信息发布的对象车辆不同，相应交通信息内容分为三类：①面向同一采集路段的其他车辆发布其自身拥有的原始采集信息集合〔式(6)〕，其中包括该车自身采集以及通过VANET接收的同一采集路段其他车辆自身采集的原始路况信息；②面向其他采集路段的车辆发布其最新融合处理后的简化拥堵信息及拥堵解除信息〔式(7)〕；③通过VANET接收由不同车辆转发而来的其他路段最新简化拥堵信息或拥堵解除信息，以及其信息初次发布的时刻〔式(8)〕。

综合三类信息，即路段i的采集车辆k发布其交通路况信息的传播模型如式(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)为路段i的采集车辆k自身拥有的原始采集信息集合；Dk(i)为路段i的采集车辆k信息融合处理后的简化拥堵信息；Rk(i)为路段i的采集车辆k转播的其他路段j的最新简化拥堵信息；Gk(i)为路段i的采集车辆k拥有的所有简化拥堵信息的路段集合；tk,r(i)，tq,r(j)分别为路段i的采集车辆k及路段j的采集车辆q信息融合处理后初次发布其简化拥堵信息的时刻；Bk(i)为路段i的采集车辆k发布其自身拥有的所有交通路况信息内容。

1.3 路网拥堵信息自动生成与动态更新模型

1.3.1 路网拥堵信息自动生成模型

各车辆通过对其原始采集信息集合的融合处理，以及通过VANET接收其他车辆发布的简化拥堵信息，便可在其车载信息终端上逐渐生成整个路网拥堵路段的拥堵程度信息，且随着与其他车辆信息交互次数的增加，其路网拥堵路段的信息愈加完整，最终生成整个路网拥堵路段的完整信息，由此供驾驶员在驾驶时实时参考。即路网拥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 路网拥堵信息动态更新模型

随着车辆在路网中的行驶移动以及VANET的动态交替，各车辆不断接收其他车辆发布的路网简化拥堵信息，由此便可根据其信息新旧来对自车相关路网拥堵信息进行实时更新。根据情形不同，路网拥堵信息的动态更新模型分别如下。

1)原始采集信息集合的更新

若车辆k与车辆k′ 属于相同采集路段i，且车辆k′ 的原始采集信息集合中，含有车辆k所没有的原始采集信息时，则更新车辆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)}

则使

Ok(i)=Ok(i)∪Ok′(i)

(11)

其中：k≠k′,i∈{1,2,…,N}。

当两车的原始采集信息集合中都含有同路段某车辆采集的原始路况信息，且车辆k′ 拥有的信息更为新时，则更新至车辆k。

2)路网拥堵信息集合的更新

若路段i的采集车辆k所拥有的路网拥堵信息中不含有路段m的采集车辆k′ 所拥有的某路段j的简化拥堵信息，或两车辆都拥有其简化拥堵信息，但车辆k′ 的信息更为新时，则将其补充或更新至车辆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)交通拥堵信息的存留时效

当车辆k拥有的某路段简化拥堵信息在规定的一定时间内没有得到更新，则其路况状态不明而失去参考价值，系统自动将其消除。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为事先设定的路网拥堵信息存留时间。

2 交通仿真与评价

2.1 交通仿真平台

为评价IVTIS系统模型对于城市路网交通拥堵信息的扩散传播效果，笔者以VISSIM为基础，利用其二次开发环境，通过调用其COM接口所提供的对象列表及其数据读取与控制方法等，将所构建和编制的IVTIS系统各功能模型的相关程序嵌入到每个车辆，并在每一仿真步中加以运行，以此赋予VISSIM完成IVTIS系统相关功能的仿真能力。同时，针对车辆信息传播丢包率问题，通过编程及设定各车辆广播范围内没有接收到其广播信息的车辆比率进行模拟，由此实现不同丢包率对传播效果影响的仿真评价功能。

2.2 仿真环境设定

图1为路网各端口流入车流量为600veh/h时，拥堵路段采集车辆发布其拥堵信息后扩散传播至路网各路口及端口的最短传播时间示意。短路段：1km，长路段：2km；限速60km/h；路段A①间设置减速带模拟拥堵路段(通行速度4～6km/h)；路口设置同步信号灯(周期60s)；路口分流率(十字路口25:50:25；丁字路口50:50)；路网流入车流量：各入口300,600,900veh/h(车流服从泊松分布)；广播通信范围：300m；仿真时间：35min；丢包率：0,25%,50%,75%。拥堵开始时间：15min；拥堵信息存留时间：T0=15min；初始采集时刻或距离：Ts=15s，Ls=50m，采集间隔：Tc=5s，发布间隔：Tr=1s；拥堵程度划分上限：Vc=20km/h,Vs=40km/h。

图1 路网交通拥堵信息最短传播时间示意Fig.1 The shortest transmission time of congestion information in the road network

2.3 仿真与评价

2.3.1 路网流入车流量对拥堵信息传播的影响

图2是路网流入车流量不同时拥堵信息路网端口最短传播时间。由图2看出：①路网流入车流量的增加使得路网内车流密度增大，其拥堵信息传播至路网端口的最短时间整体呈缩短趋势；②当路网流入车流量较少时(300 veh/h)，由于路网车流密度减少以及频繁出现不同程度的车辆间距疏密不均现象，使得信息传播断链现象频出，由此引发交通拥堵信息传播时间的明显增加。其结果显示，拥堵路段采集车辆发布的拥堵信息传播至路网所有端口所需的最短时间为28 s(最长传播路径距离为7～8 km)。

图2 路网流入车流量不同时拥堵信息路网端口最短传播时间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 信息传播丢包率对拥堵信息传播的影响

图3为路网各端口流入车辆量为600 veh/h、信息传播丢包率分别为0%，25%，50%，75%时交通拥堵信息的最短传播时间仿真结果。由其看出，随着丢包率的增加，传播至路网各端口的最短时间随之增大，当丢包率为75%时变化显著，这是由于丢包率的增加使得信息传播断链现象加重，从而使得传播时间相应增大。

图3 不同丢包率时交通拥堵信息的路网端口最短传播时间Fig.3 The shortest transmission time when traffic congestion information reaches the road entrances in different packet loss rates

图4为不同丢包率时交通拥堵信息随时间推移的路网覆盖率变化曲线比较图。由其看出，丢包率越大，相同传播时间时拥堵信息的路网覆盖率越低，亦即路网覆盖所需时间越长；丢包率为25%时路网覆盖时间为56 s。

图4 不同丢包率时交通拥堵信息的路网覆盖率变化曲线Fig.4 Change curve of road network coverage of congestion information with different packet loss rate

3 结 语

笔者针对智能车载交通信息系统(IVTIS)，基于VANET广播方式，在构建原始交通信息自主采集及融合处理基础模型的基础上，重点研究了面向城市路网的交通信息自主传播模型、路网拥堵信息自动生成模型、以及动态更新模型。并针对IVTIS模型，通过对交通仿真系统VISSIM的二次开发，成功实现了IVTIS模型在VISIIM平台上的算法嵌入及仿真运算功能。进而，在仿真评价面向城市路网的交通拥堵信息传播效果基础上，对不同路网流入车流量以及不同信息传播丢包率对交通拥堵信息路网传播效果的影响进行了综合比较和评价。仿真结果表明，IVTIS系统及其模型，对于城市路网、尤其是较大规模路网交通拥堵信息的自动生成、动态更新、以及快速传播具有一定的适应性和有效性。

[1] 向勇.基于车载自组网的动态交通信息的挖掘和利用[J].中兴通讯技术,2011,17(3):29-34. Xiang Yong.Dynamic traffic data mining based on vehicular ad hoc networking [J].ZTE Technology Journal,2011,17(3):29-34.

[2] Liu Bojin,Khorashadi Behrooz,Ghosal Dipak,et al.Analysis of the information storage capability of VANET for highway and city traffic [J].Transportation Research Part C:Emerging Technologies,2012,23:68-84.

[3] Narzt W,Wilflingseder U,Pomberger G,et al.Self-organizing congestion evasion strategies using ant-based pheromones [J].IET Intelligent Transport Systems,2010,4(1):93-102.

[4] 陆希,谢康林.基于Ad-Hoc无线网络的自主式道路通行状况信息系统[J].计算机应用与软件,2008,25(4):122-123,134. Lu Xi,Xie Kanglin.A traffic information system based on ad-hoc wireless network [J].Computer Applications and Software,2008,25(4):122-123,134.

[5] Wischhof L,Ebner A,Rohling H.Information dissemination in self-organizing intervehicle networks [J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2005,6(1):90-101.

[6] Tomotaka Wada,Junya Fukumoto,Kazuhiro Ohtsuki,et al.A novel real-time recognition method of vehicular traffic congestion by VANET [J].IEICE Transactions on communications,2011,94-B (1):55-63.

[7] Zhang Qi,Zheng Hao,Zhang Jianping.Effectiveness analysis for automatic collection and dynamic transmission of traffic congestion information based on VANET[C]//The 2nd International Conference on Transportation Information and Safety.Wuhan:[s.n.],2013.

[8] 张崎,赵检豪.智能车载交通信息系统[J].北京工业大学学报,2014,40(1):11-16. Zhang Qi,Zhao Jianhao.Research for an intelligent vehicular traffic information system [J].Journal of Beijing University of Technology,2014,40(1):11-16.

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

北京市自然科学基金资助项目(4122048)

张 崎(1960—)，男，河北邯郸人，副教授，博士，主要从事智能交通系统及系统工程方面的研究。E-mail:zhqi@ustb.edu.cn。

U491.2

A

1674-0696(2015)05-110-04