城市公交車輛互聯(lián)自適應(yīng)模型研究與實(shí)現(xiàn)

呂紅琳,吳 懿

(1.四川省經(jīng)濟(jì)信息中心,四川成都 610021;2.成都大學(xué)藝術(shù)學(xué)院,四川成都 610106)

0 引 言

隨著城市公共交通系統(tǒng)的日益發(fā)達(dá),公交車輛間的互聯(lián)日益成為各方面關(guān)注的話題.以成都市為例,現(xiàn)有公交車輛5 200余臺次,每天乘坐公共交通工具的市民約有三百萬人次,這么大的流動(dòng)量和公交網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)車輛間的互聯(lián)具有十分重要的意義:交通管理者可以清楚地了解每個(gè)車輛的運(yùn)行情況,車輛之間可以及時(shí)互相通信以及定位,通過這種方式,可以大大提高公交車輛的運(yùn)行效率.由于城市車輛運(yùn)行的特點(diǎn)比較符合移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Networks, MANET)的特點(diǎn),而自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以方便地得到周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的信息,包括節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度,移動(dòng)方向以及節(jié)點(diǎn)之間的距離,這些信息恰好是本論文必須的參數(shù)信息.本研究以城市公交車輛互聯(lián)為研究對象,采用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ),進(jìn)行相關(guān)的理論分析和系統(tǒng)建模,最后得出仿真結(jié)果.

1 研究對象概述

本研究以成都市公交系統(tǒng)為研究對象,選擇具有代表性的4路公交車運(yùn)行線路為模型設(shè)計(jì),4路公交車運(yùn)行線路如圖1所示.

從圖1可以看出,該公交線路屬于較長運(yùn)行路線,運(yùn)行范圍為東西走向,全長約19 km,共有21站,運(yùn)行時(shí)間約90 min,早上發(fā)車時(shí)間為6點(diǎn)30,晚上收車時(shí)間為11點(diǎn).4路公交車線路共有車輛65臺,早晚高峰時(shí)段發(fā)車頻率為5 min,其他時(shí)段發(fā)車頻率約為10 min.本研究以平時(shí)出行為參考對象,即每10 min有一臺車輛離開總站.以平均運(yùn)行時(shí)間為90 min計(jì)算,在該時(shí)間段內(nèi),理論上應(yīng)該有9臺車輛運(yùn)行在線路上.由于線路長度為19 km,因此,理論上每臺車之間的距離約為2 km.

圖1 成都市4路公交車運(yùn)行線路圖

2 車輛互聯(lián)自適應(yīng)模擬理論分析

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[1]是一種對等網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沒有主次之分,它們同時(shí)具備主機(jī)和路由器的功能.一個(gè)節(jié)點(diǎn)既可扮演網(wǎng)絡(luò)中的“端系統(tǒng)”(主機(jī))的角色,也可以扮演“中間系統(tǒng)”(路由器)的角色.由于該類網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱诓粩嘧兓?因此,該類網(wǎng)絡(luò)必須能適應(yīng)拓?fù)渥兓M(jìn)行重組,故稱之為“自組網(wǎng)”.當(dāng)該類網(wǎng)絡(luò)中的一對主機(jī)不能直接通信時(shí),需要借助一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn),故又稱之為“多跳網(wǎng)絡(luò)”.在無線網(wǎng)絡(luò)中,對節(jié)點(diǎn)相對的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析,通過對節(jié)點(diǎn)速率的測試,可以得出:對于檢測Pc節(jié)點(diǎn)的位置是相對不變的,而Pt節(jié)點(diǎn)相對于Pc節(jié)點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的.所以,針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)下的速率,本研究設(shè)計(jì)了如圖2所示的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度檢測機(jī)制,也就是檢測節(jié)點(diǎn)速率針對被檢測節(jié)點(diǎn)Pt移動(dòng)時(shí)的過程[2].

圖2 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度檢測圖

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間位置的移動(dòng),在某種情況下可以認(rèn)為是速度的檢測問題(見圖3).在被測試的節(jié)點(diǎn)Pc在開始時(shí)向其前方節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包,這個(gè)時(shí)候,前方節(jié)點(diǎn)Pt收到這個(gè)數(shù)據(jù)包,當(dāng)然這個(gè)時(shí)候的時(shí)刻t2應(yīng)該記錄下來,同時(shí)生成數(shù)據(jù)包發(fā)送響應(yīng).繼續(xù)假設(shè)Pc向前移動(dòng),在t3時(shí)刻,它收到了前方節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來的響應(yīng)包,這個(gè)時(shí)候Pc節(jié)點(diǎn)再次發(fā)送數(shù)據(jù)包, Pt在t4時(shí)候又回送數(shù)據(jù)包,這樣的兩次檢測后時(shí)間才會(huì)比較穩(wěn)定,才具有參考性.這樣的一次完整的檢測才算結(jié)束.

圖3 節(jié)點(diǎn)速度檢測示意圖

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相對的位置與距離可以通過兩次收集到數(shù)據(jù)包的時(shí)間來進(jìn)行計(jì)算,其中時(shí)間為:ΔT =(t4-t2),通常忽略掉數(shù)據(jù)的更新帶來的時(shí)間消耗[3].節(jié)點(diǎn)相對距離為,

故,目標(biāo)節(jié)點(diǎn) Pt的相對移動(dòng)速率可以表示為,

就城市公交車輛運(yùn)行系統(tǒng)而言可以將上述的公式簡化為,

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的相對距離為,

節(jié)點(diǎn)的相對移動(dòng)速率可以表示為,

依據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度,可方便地計(jì)算出前后方車輛的距離,這些數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)仿真提供重要參數(shù).

3 車輛互聯(lián)自適應(yīng)模擬仿真研究

本研究城市公交車輛的互聯(lián)自適應(yīng)模型的建立參考Ad Hoc的網(wǎng)絡(luò)模型,在Opnet[3]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中實(shí)現(xiàn).模型仿真參數(shù)的設(shè)置[4]為:

(1)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置.網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為3×3 km2,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)18個(gè)(代表車輛雙向通行),節(jié)點(diǎn)的通信距離300 m,信號的傳輸速度為0.5 Mb/s.

(2)底層MAC采用IEEE802.11協(xié)議,以CSMA/ CA方式接入,物理層采用擴(kuò)頻跳頻方式,網(wǎng)絡(luò)層采用表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議OLSR協(xié)議.

(3)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行采用2種方式:第一種方式是節(jié)點(diǎn)運(yùn)行沒有規(guī)律,節(jié)點(diǎn)的速度隨機(jī)產(chǎn)生,主要是用于測試自適應(yīng)前的數(shù)據(jù);第二種方式為采用自適應(yīng)后的模型,節(jié)點(diǎn)依靠前后方節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行速度和距離,自適應(yīng)調(diào)整自己的速度,通過仿真觀察節(jié)點(diǎn)之間的距離是否適合城市公交車輛的運(yùn)行優(yōu)化方案[5].

本模型仿真數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)速度比較圖

從圖4中可以看出,前后方的節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度在比較固定的情況下,本節(jié)點(diǎn)的速度在自適應(yīng)前通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)整為比較突發(fā)變動(dòng),其最大的速度差為2.7,速度比最大為77%,可見仿真實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的針對性.而通過自適應(yīng)后,節(jié)點(diǎn)的速度差變?yōu)?,速度比最大為14%,基本符合系統(tǒng)要求(見圖5).

圖5 節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)距離比較圖

從圖5中可以清楚地看到,由于在自適應(yīng)之前,測試節(jié)點(diǎn)與前后節(jié)點(diǎn)的距離處于比較突發(fā)階段,最遠(yuǎn)距離和最近距離的差距達(dá)到了15 m,這幾乎是前面最短距離的2倍,這樣的結(jié)果很容易造成城市車輛在運(yùn)行過程中,2輛車輛幾乎同時(shí)到達(dá)某個(gè)站臺.通過系統(tǒng)的自適應(yīng)后,節(jié)點(diǎn)之間的距離基本維持在一個(gè)很穩(wěn)定的尺度以內(nèi),距離之間的差距都非常接近,因此系統(tǒng)的自適應(yīng)是非常有效和成功的.

4 結(jié) 語

本論文以城市車輛互聯(lián)自適應(yīng)模型為研究對象,利用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行模型仿真.仿真實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)采用自適應(yīng)方式后能夠顯著提高車輛的運(yùn)行效率.當(dāng)然,本研究只是對系統(tǒng)做了仿真操作,具體公交車輛互聯(lián)系統(tǒng)還有待進(jìn)一步開發(fā)和研究.

[1]Chlamtac I,Conti M,Liu J,et al.Mobile Ad Hoc Networking: Imperatives and Challenges[J].Ad Hoc Networks,2003,1(1): 13-64.

[2]何暉,王換招,李昊,梅濤,等.增強(qiáng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的移動(dòng)問題解決策略[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(4):6-11.

[3]陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]張洪.高速移動(dòng)自組網(wǎng)OLSR路由協(xié)議研究與改進(jìn)[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[5]徐娟,張洪,周啟忠.基于遺傳算法的雜寨溝車輛調(diào)度優(yōu)化方案研究[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2010,29(1):57 -59.