車載自組織網(wǎng)絡(luò)交通特性建模與仿真

王江衛(wèi)，黨建武

車載自組織網(wǎng)絡(luò)交通特性建模與仿真

王江衛(wèi)，黨建武

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、結(jié)構(gòu)開(kāi)放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)，它能滿足車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求。根據(jù)車載自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下車輛交互通信模式，采用元胞自動(dòng)機(jī)方法對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)中交通行為進(jìn)行建模分析，仿真得到了時(shí)走時(shí)停的交通波現(xiàn)象，并進(jìn)行定量與定性分析。研究了車載自組織環(huán)境下交通流的復(fù)雜特性，從而為后期車聯(lián)網(wǎng)交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)與管理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

車載自組織網(wǎng)；交通;元胞自動(dòng)機(jī);仿真

0 引言

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad-Hoc Networks，VANET）是一種自組織、結(jié)構(gòu)開(kāi)放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的汽車制造商為汽車安裝了智能計(jì)算和無(wú)線通信設(shè)備以及車載傳感器和 GPS 系統(tǒng)，用于部署大規(guī)模的車載網(wǎng)絡(luò)，以提供安全、有效、方便的駕駛?；?VANET 及相關(guān)技術(shù)（如傳感器技術(shù)、智能處理技術(shù)等），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)和交通狀況的全面感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)安全、智能交通管理、車載娛樂(lè)等應(yīng)用[1]。此外，VANET 部署方便、費(fèi)用低廉、結(jié)構(gòu)開(kāi)放，利用它可以實(shí)現(xiàn)事故告警、輔助駕駛、道路交通、信息查詢、應(yīng)急救援等。國(guó)內(nèi)已有眾多學(xué)者對(duì) VANET 進(jìn)行了研究，VANET 是近年來(lái)智能交通研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-7]，但目前對(duì)車與車網(wǎng)絡(luò)可靠性、通信協(xié)議研究較多，關(guān)于車載自組織網(wǎng)絡(luò)里交通特性研究較少。

本文 運(yùn)用微觀 交 通流研究 工 具元胞自 動(dòng)機(jī)(Cellular Automata，CA )理論對(duì) VANET 多車交互通信行駛場(chǎng)景進(jìn)行了建模研究，建立了 VANET 環(huán)境下車輛交互行駛動(dòng)力學(xué)模型，分析了 VANET 場(chǎng)景下交通特性化，并進(jìn)行了定量定性分析。

1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)介紹

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，以配備了無(wú)線互連接口設(shè)備的車輛為節(jié)點(diǎn)。車載網(wǎng)絡(luò)是一種融合了車輛與車輛之間直接互連、間接互連以及車輛與路邊固定設(shè)施互連的混合體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。車載網(wǎng)絡(luò)的整體框圖如圖1所示：

VANET 通過(guò)車與車、車與路邊基站相互通信來(lái)構(gòu)成統(tǒng)一的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)專用短程通信技術(shù)(Dedicated ShortRange Communications，DSRC)，DSRC 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在特定小區(qū)域內(nèi)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)下的移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和雙向通信，例如車輛的“車-路”、“車-車”雙向通信，實(shí)時(shí)傳輸圖像、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息，將車輛和道路有機(jī)連接。車載自組織網(wǎng)是基于 IEEE802.11p 無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的，IEEE 802.11p(wireless access in the vehicular environment, WAVE)是由 802.11 標(biāo)準(zhǔn)所擴(kuò)充的通信協(xié)定，802.11p 主要用于車上用戶與路邊基站之間，汽車與汽車之間的通行[8]。

2 元胞自動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

元胞自動(dòng)機(jī)（(Cellular Automata，CA）也稱為細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、點(diǎn)格自動(dòng)機(jī)或單元自動(dòng)機(jī)等，是一種離散型自動(dòng)機(jī)模型。元胞自動(dòng)機(jī)是描述自然界復(fù)雜現(xiàn)象的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，作為生命科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉的結(jié)果，CA一方面可以進(jìn)行細(xì)致的數(shù)學(xué)分析，另外一方面可以表現(xiàn)出復(fù)雜的物理現(xiàn)象[9]。

定義一個(gè)元胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)四元組{n，S，N，f}，其中:

①n 為元胞空間的維數(shù);

②S 為元胞的有限狀態(tài)集，S={s1，s2…sk}；

③N為離散空間Zn的矢量組成的v元組，即元胞的鄰居，N={x1，x2，…，xv}，xi 是鄰居元胞相對(duì)給定中心元胞的位置；如圖2所示：

圖2 元胞自動(dòng)機(jī)常用鄰居類型

元胞是元胞自動(dòng)機(jī)的最基本的組成部分，按定義，在元胞自動(dòng)機(jī)演化規(guī)則是局部的，演化規(guī)則在局部時(shí)間空間范圍內(nèi)起作用，即一個(gè)元胞下一時(shí)刻的狀態(tài)僅取決于其本身和它鄰居元胞此時(shí)刻的狀態(tài)。在元胞自動(dòng)機(jī)模型中，時(shí)間和空間都是離散的，并且具有良好的并行性，可以很好的實(shí)現(xiàn)城市交通現(xiàn)象的仿真與模擬[10,11]。

3 基于 CA 的車載自組織網(wǎng)交通建模模和驗(yàn)證

3.1 VANET 環(huán)境下通信模型

VANET 環(huán)境下道路上的汽車高速移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，車輛與車輛之間通過(guò)車載無(wú)線設(shè)備通過(guò) WiFi等其他短程通信 DSRC 技術(shù)與其他車輛實(shí)時(shí)通信，在前方車輛距離都比較遠(yuǎn)的情況下，駕駛員結(jié)合 DSRC 信息采取自由駕駛，并盡可能達(dá)到所容許的最大行駛速度。當(dāng)車輛之間車頭距比較近的情況下，車輛之間存在相互影響，此時(shí)駕駛員采取跟馳駕駛。VANET 下單車行為模型如圖3所示：

圖3 VANET 下單車行為模型

它涉及到的駕駛員行為和車輛間 DSRC 信息，DSRC 信息主要包含兩部分一部分是車輛之間通信的速度與位置信息，該信息可以實(shí)現(xiàn)車輛之間的交互通信；另外，一部分為路邊基站交通發(fā)布的路況信息，這類信息主要是為了給駕駛員提供交通狀況查詢，如道路交通擁堵情況、車輛密度、線路地理環(huán)境等信息。

VANET 下車輛與車輛交互通信，車輛與車輛相互作用，最終車輛的群體運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)了路網(wǎng)中交通的實(shí)際情況，該系統(tǒng)是典型的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。在車載自組織網(wǎng)交通建模過(guò)程中，如圖4所示：

圖4 車載自組織網(wǎng)交通建模過(guò)程

首先，根據(jù)車輛間 DSRC 信息和道旁 DSRC 信息，建立車輛的動(dòng)力學(xué)運(yùn)行規(guī)則，最終通過(guò)多車交互實(shí)現(xiàn) VANET下道路交通的分析。

3.2 模型建立

復(fù)雜系統(tǒng)具有離散性、強(qiáng)耦合、多變量等特點(diǎn)，具有一種非秩序的非線性特點(diǎn)。元胞自動(dòng)機(jī)作為復(fù)雜系統(tǒng)的研究工具已經(jīng)在復(fù)雜系統(tǒng)建模等方法進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用[8]。在數(shù)學(xué)上，元胞自動(dòng)機(jī)演化規(guī)則可以理解為根據(jù)當(dāng)前元胞狀態(tài)及其領(lǐng)域狀態(tài)確定下一時(shí)刻元胞狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)函數(shù)，或者可以稱為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，這些演化規(guī)則構(gòu)造了一種簡(jiǎn)單的離散時(shí)空局部物理系統(tǒng)。本文將用元胞自動(dòng)機(jī)理論應(yīng)用車載自組網(wǎng)VANET，實(shí)現(xiàn)VANET 環(huán)境下交通行為進(jìn)行建模與仿真。具體 VANET 環(huán)境下車輛運(yùn)行規(guī)則如下：

上述規(guī)則中，規(guī)則(1)反映了 VANET 環(huán)境下駕駛員傾向于以盡可能大的車速行駛的特點(diǎn)；規(guī)則(2)確保車輛不會(huì)與前車發(fā)生碰撞；規(guī)則(3)引入隨機(jī)慢化規(guī)則來(lái)體現(xiàn)車載自組織網(wǎng) IEEE802.11p 無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議通信過(guò)程中，信道擁塞、通信端到端延時(shí)等因素對(duì)交通造成的減速，這樣既可以反映隨機(jī)行為，又可以反映減速過(guò)程中司機(jī)的過(guò)度反應(yīng)行為。

3.3 仿真與分析

在定義車輛動(dòng)力學(xué)交互規(guī)則后，下面進(jìn)行 VANET 交通行為分析，在VANET 環(huán)境下，根據(jù)元胞自動(dòng)機(jī)建模方法，首先將道路離散化，將長(zhǎng)度為 L的道路劃分為若干個(gè)離散的元胞，每個(gè)元胞在某個(gè)時(shí)刻或者為空或被一輛車占據(jù)。結(jié)合實(shí)際車輛物理長(zhǎng)度每個(gè)元胞長(zhǎng)度取 7.5m，系統(tǒng)模擬迭代演化的時(shí)間步為 1s，為了能夠表示 VANET 車輛實(shí)際的物理速度，取車輛 i在 t時(shí)刻的狀態(tài)由車輛本身的行駛速度 vi(t)表示，vi(t)∈[0，vmax]，其中 vmax 為車輛行駛的最大速度，例如 vmax =1，對(duì)應(yīng)的實(shí)際速度為 27km/h，vmax =3，對(duì)應(yīng)的實(shí)際速度為 81 km/h，vmax =5，對(duì)應(yīng)的實(shí)際速度為135km/h，這樣通過(guò) CA 的車載自組織網(wǎng)交通行為仿真就具有實(shí)際的物理意義。

進(jìn)行CA的車載自組織網(wǎng)交通行為仿真分析時(shí)，模型采用周期型邊界元胞自動(dòng)機(jī)模型。VANET 系統(tǒng)演化仿真時(shí)間為 103 時(shí)間步。下面進(jìn)行仿真分析，取道路長(zhǎng)度 L=7500m，被分成 1000 個(gè)元胞，車速取值范圍是[0，vmax]，其中vmax=5，即 vmax=135km/h。系統(tǒng)仿真分析開(kāi)始時(shí)，所有車輛隨機(jī)的分布在公路上。根據(jù)交通流基本概念，在宏觀角度來(lái)看，人工道路上行進(jìn)的機(jī)動(dòng)/非機(jī)動(dòng)車輛都具有類似氣體或液體的整體流動(dòng)性，類似于流體力學(xué)的研究，交通流理論中最為關(guān)心的3個(gè)特征量為：流量、速度和密度。模擬中取仿真時(shí)間 T=1000，在 Visual S2008 中編程實(shí)現(xiàn)。仿真運(yùn)行結(jié)果界面截圖，如圖5所示：

圖5 VANET 環(huán)境下仿真運(yùn)行界面圖

圖中數(shù)字表示道路上車輛的行駛速度，可以看出VANET 環(huán)境下大量車輛交互行駛，車輛有加速運(yùn)動(dòng)、也有停止的。

首先，仿真得到了不同初始化車輛密度條件下，VANET環(huán)境下車輛的不同時(shí)刻車輛在不同位置的時(shí)空軌跡圖，如圖6所示：

圖6 VANET 環(huán)境下車輛時(shí)空軌跡圖

圖6顯示了VANET交通流特性，其中圖中時(shí)間軸為縱軸，方向從上向下，距離軸為橫軸，方向從左向右，圖中黑色的點(diǎn)表示在VANET環(huán)境下某一時(shí)刻道路上某位置有車占據(jù)，白色表示沒(méi)有車輛占據(jù)，(a)圖為 p=0.02，vmax=5，q=0.08條件下得到的時(shí)空演化軌跡圖，p=0.02 說(shuō)明此時(shí)道路上有20 輛車，交通密度很低；vmax=5，即 vmax=135km/h，此時(shí)車速較快；q=0.08 表明該條件下 VANET 通信網(wǎng)絡(luò)狀況較好，道旁 BTS 基站與車輛通信狀況較好，(a)圖中可以看出整個(gè)道路未出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，道路車輛之間的影響非常小，車輛行駛基本處于自由流狀態(tài)，車輛行駛速度較快，相互制約作用較小。(b)圖為 p=0.1，vmax=5，q=0.4 條件下得到的時(shí)空演化軌跡圖，p=0.1 說(shuō)明此時(shí)道路上有 100 輛車，交通密度很大，車輛之間的相互影響較大；q=0.4 表明該條件下VANET 通信網(wǎng)絡(luò)狀況較差，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)較大，信道擁塞嚴(yán)重，(b)圖中可以看出大量黑色密集區(qū)，說(shuō)明整個(gè)道路出現(xiàn)了大量車輛聚集導(dǎo)致了擁堵現(xiàn)象的發(fā)生，并產(chǎn)生了時(shí)走時(shí)停的交通波現(xiàn)象，道路車輛基本處于擁擠流狀態(tài)，車輛行駛速度較慢，相互制約作用較大。

接著仿真得到了 VANET 環(huán)境下道路交通密度與車速、路網(wǎng)交通流量的關(guān)系，如圖7、圖8所示：

圖7 VANET 環(huán)境下密度與速度關(guān)系圖

圖8 VANET 環(huán)境下密度與流量關(guān)系圖

在圖7中可以看出隨著道路密度的增大，車速在不斷的減小，在密度為 0.1 時(shí)，此時(shí)整個(gè)交通車速較快，平均車速為 4.676，此后速度開(kāi)始逐步減小，當(dāng)密度為 1 時(shí)，此時(shí)平均車速為0，說(shuō)明此時(shí)道路已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的交通擁堵。圖8也驗(yàn)證了上述結(jié)論，可以看出在 VANET 環(huán)境下，隨著交通密度的逐步增大，路網(wǎng)交通流量在逐漸下降，說(shuō)明隨著車輛數(shù)的增大，此時(shí)車輛間制約作用加劇，交通狀況逐漸轉(zhuǎn)向擁擠流，這一結(jié)論也符合實(shí)際交通狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用元胞自動(dòng)機(jī)方法為車載自組織網(wǎng)絡(luò)交通行為進(jìn)行了建模與仿真，根據(jù) VANET 環(huán)境下車輛交互場(chǎng)景，建立了車輛交互式動(dòng)力學(xué)規(guī)則，引入隨機(jī)慢化概率表示VANET 通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)車輛運(yùn)行的影響，并 VANET 框架下交通特性進(jìn)行建模和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了車輛交互及 VANET 交通流特性的定量與定性分析。本文提出的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛運(yùn)營(yíng)管理有一定的借鑒意義。

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Modeling and Simulation of Traffic Characteristics of Vehicular Ad-hoc Network

Wang Jiangwei, Dang Jianwu
（1. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou730070, China; 2. School of Physics and Electronic Engineering, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China）

Vehicular ad-hoc network is a communication network of self-organization and opening structure, which meets the needs of the development of Internet of Vehicles. Modeling and analysis of traffic behavior is done based on the method of cellular automata. According to vehicle interactive communication under vehicular ad-hoc network environment, simulation results show the traffic wave phenomenon is stopping and going. It is analyzed in quantitative and qualitative ways. By researching on complex characteristics of Vehicular ad-hoc network transit traffic system by modeling and simulation，it can provide scientific theory for Internet of Vehicles transit Operation and management later.

TP391.9

A

1007-757X(2014)02-0012-04

2014.02.20)

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012211A051）。

王江衛(wèi)（1967-），女，蘭州交通大學(xué)，博士研究生，研究方向：智能交通與信息系統(tǒng)，蘭州，730070黨建武（1963-），男，蘭州交通大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：智能信息處理，蘭州，730070