一种基于车辆间通信的车辆密度感知系统及其感知方法

摘要

一种基于车辆间通信的车辆密度感知系统及其感知方法，通过车辆位置信息感知与预测以及借助车辆间通信进行信息的传播与显示，满足了在车辆行驶过程中，驾驶人员对前方实时交通信息的需求，为驾驶人员进行预先制动，提前绕行提供参考，从而提高驾驶人员的行车安全性，并能够显著降低道路拥堵或缓解道路拥堵的情况发生。本发明将车辆获取到的车辆GPS信息通过车辆无线传输设备向周围的车辆进行传播，收到这些位置信息的车辆，通过计算比较，使得每个车辆都能够知道其周围一定范围内的其他车辆的位置和密度信息，从而对驾驶人员的行车判断起到辅助提醒作用。

说明书

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及机动车辆行驶状况或当前路况监视的方法，为一种基于车辆间通信的车辆密度感知系统及其感知方法。 

背景技术

随着社会与经济的发展，车辆的普及度越来越高，驾车出行已经成为很多人的选择。在行车过程中，驾驶人员如果能够了解周围车辆状况，可以进行预判，较少事故的发生。同时，了解附近道路的车辆交通状况，可以帮助驾驶人员选择道路，减少道路阻塞的发生。由此可见一种优良的车辆密度感知方法可以帮助驾驶人员更好的驾车行驶。 

目前存在的几种的车辆感知主要体现在以下几个方案：1)车辆通过自带的设备向指定信息处理站发送，通过信息处理站处理后接受返回信息从而了解交通状况；2)通过在一些路段设置一些路边单元(RSU，Road Side Unit)，安装传感器来统计车辆通过信息，经过处理后进行预估，判定交通状况；3)通过在导航系统中加入相关通讯模块，通过GPS模块和实时接入Internet处理相结合为用户进行导航，如google maps。 

发明人在研究过程中发现以上方案均存在着不足：第一种方案停留在信息和数据传递方面，无法获取实时的车辆信息，实时性和准确性的不到保障；第二种方案需要提前部署路边单元来进行协助，当处于无路边单元路段或者路边单元发生故障时，可能导致部分路段感知错误，误导驾驶人员的判断。同时，在各路段部署路边单元成本也较高；第三种方案需要随时随地的无线Internet接入，流量较大，普通用户难以承受。 

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的交通车辆感知技术中，存在实时性和准确性的问题，并且成本较高，通信数据量较大，不能适应使用需求。 

本发明的技术方案为：一种基于车辆间通信的车辆密度感知系统，包括信息传播模块，车辆位置信息感知模块，车辆位置预测模块和车辆密度显示模块，所 述车辆密度感知系统为车载装置，车辆位置信息感知模输出车辆位置信息至信息传播模块，信息传播模块与车辆位置预测模块双向数据连接，信息传播模块输出车辆节点信息至车辆密度显示模块，其中，信息传播模块设有支持802.11p协议的无线网络接口设备，每辆车作为一个节点，彼此之间通过信息传播模块通信连接。 

车辆位置预测模块为位置分析处理器，车辆密度显示模块为人机接口设备，车辆位置信息感知模块包括GPS定位系统、车头雷达和车位雷达。 

车辆位置信息感知模块通过GPS设备获得车辆节点位置信息，传输至信息传播模块，信息传播模块不断将自身所在车辆节点当前位置信息，以及接收的其余车辆节点的位置信息进行广播，车辆位置预测模块从信息传播模块获取本车以外的其余车辆节点信息用于其余车辆位置的预测，并返回给信息传播模块，信息传播模块将自身所在车辆节点当前位置信息以及其余车辆节点的位置信息发送至车辆密度显示模块进行显示。 

车辆位置信息感知模块通过GPS设备获取车辆当前经度、纬度、海拔高度信息，通过数据的处理进一步得到车辆的速度信息，加速度信息。 

信息传播模块使用支持802.11p协议的无线网络接口设备用于数据发送和接收，数据传输方式为广播，广播的时间间隔与车辆位置信息感知模块中获取车辆位置的时间间隔相同，其中，对于转发的其余车辆节点的位置信息进行筛选，筛选使用以下三种中的至少一种： 

1)使用距离作为判断的依据：信息传播模块广播车辆节点的位置信息，根据发送车辆节点和接收车辆节点的GPS信息，得到它们的经纬度信息，设发送车辆节点A和接收车辆节点B的位置分别为： 

(X_A，Y_A)，(X_B，Y_B) 

其中，X_A表示发送车辆节点的经度，Y_A表示发送车辆节点的纬度，X_B表示接收车辆节点的经度，Y_B表示接收车辆节点的纬度，两者的距离D的计算公式为： 

D＝R·arccos(sin(Y_A)·sin(Y_B)·cos(X_A-X_B)+cos(Y_A)·cos(Y_B))·π/180 

R代表地球的半径，且D与R的单位相同； 

过滤掉与接收车辆距离大于N公里的车辆信息； 

2)使用信息被广播的次数，即跳数，作为判断的依据：信息传播模块在发 送节点信息的时候将跳数加入数据包进行广播，每广播一次广播节点就将发送的数据包中跳数字段加1，信息传播模块对接收的数据包进行判断，如果发现某一个数据包中的跳数大于阈值M，则不对这个发送节点发送来的信息进行广播，直接过滤； 

3)使用时间间隔作为判断信息：信息传播模块在发送数据包的时候将发送节点的发送时间作为数据包含进去，当接收节点收到信息的时候计算这个信息从发出到接收经过了多长时间，如果所述经过的时间大于阈值T秒，则将这个信息舍弃。 

作为优选，距离阈值N、跳数阈值M、时间间隔阈值T的取值范围为：N∈[5，15]，M∈[50，150]，T∈[1，5]。 

车辆位置预测模块收到来自于信息传播模块的数据之后，分析得到其余车辆节点的当前位置： 

P_now＝P_ori+(t_now-t_ori)·speed 

其中，P_now表示现在的位置，即对车辆节点的预测位置；P_ori代表原始位置，即由信息传播模块获取的车辆节点位置；t_now表示当前时间；t_ori表示原始时间，即与原始位置信息被记录的时间，speed表示速度，其中P_now，P_ori，speed均为矢量，P_now，P_ori均由经度和纬度组成，speed由单位时间内车辆前进的经度和纬度组成； 

车辆在设定的时间段内没有收到来自其他某个车辆节点的位置更新信息时，车辆位置预测模块根据已经接收到的信息对该车辆节点的位置进行估算；如果在设定的时间段内收到了此车辆节点的位置信息，则直接将该车辆节点的位置信息更新。 

对车辆位置信息感知模块的发送数据进行封装，封装的格式如下六元组： 

(<车辆标识>，<速度>，<加速度>，<车辆GPS信息>，<时间戳>，<跳数>) 

其中，车辆标识则是车辆的唯一标识，值为车载无线网接口的物理层地址，即MAC地址；速度是指当前车辆行驶的速度；加速度是指当前车辆的加速度；车辆GPS信息是指车辆位置信息感知模块中获取到的位置信息；时间戳是指数据发送的时刻；跳数是指数据包被广播的次数，在数据包每次被转发前，其值被转发节点加1，其初始值是0； 

信息传播模块广播的报文数据包括车辆标识，车辆GPS信息，跳数和时间戳。 

车辆密度显示模块对设定区域范围内的车辆节点位置进行显示，并通过不同大小、形状、颜色来区分节点。 

为了解决现有技术中存在的问题，本发明采用基于车辆间通信的方式，构成车载自组织网络VANET，来减少行车过程中数据通信依赖于路边单元和需要Internet接入手段的问题，车辆将配有支持802.11p协议的无线传输接口，这样在偏远山区，与气候恶劣的地区，特别是RSU和电信基站难以部署的区域，也可以实现车辆间的数据发送。802.11p是一个由IEEE 802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载电子无线通信，对传统的无线短距离网络技术加以扩展，可以实现对汽车非常有用的功能。相比于802.11b/g，802.11p在热点间切换方面更先进，对移动环境支持更好，同时增强了安全性，加强了身份认证。车载通讯可以在汽车之间进行，也可以是汽车与路边基础设施网络之间进行，解决了车辆感知的实时性和依赖性问题。本发明将采集当前车辆的信息，并通过广播的方式，将当前车辆的位置信息，进行发送；同时可以接收其他车辆传递来的信息，并同样根据需要进行转发，采用802.11p协议实现车辆间的信息传递，通过接收到的位置信息来计算周围车辆的位置，实现车辆密度感知。因此只要有车辆通行的地方，装备了按照本发明的车辆密度感知方法而设计的装置后，就可以帮助驾驶人员感知周围车辆的密度分布情况，实时地了解周围车辆的行驶状况。 

本发明直接将车辆作为节点，虽然现有技术也有网络节点之间的感知技术，但是现有技术中节点之间的感知多为静态感知，不能适应车载自组织网络VANET中车辆节点的高速移动性和不断变化的网络拓补，本发明通过节点之间有效的数据交互和改进后的广播路由算法实现了VANET中车辆节点的密度感知。 

有益效果： 

1)本发明可以使VANET中的节点知道自身节点周围的节点信息，从而能够选择有利于自己的路径，同时由于能够随时知道节点周围的节点分布情况，从而提高了行车安全； 

2)本发明的组织方式是通过不同的模块松耦合在一起，不同模块之间的依赖关系比较低，能够根据不同的底层硬件来具体实现，实现者可以结合实际情况 做出不同的具体实现，而且本发明方便与其他系统，例如现有的导航仪系统集成，但不依赖于导航仪系统； 

3)本发明便于用户使用。将得到的信息结合其他方式显示，能够用户能够很清晰的得知自己的周边节点的分布情况，从而有效地帮助用户正确的选择道路，提高行车安全；在个人行车路径选择科学的情况下，整个交通系统就会更为顺畅。 

4)本发明使用的设备均为构建车载自组织网络VANET所需要的基础设备，所以构建的成本比较低。 

5)本发明可以实时和准确地提供车辆密度信息，车辆由自身的车载设备获取数据、处理数据，不依赖Internet无线网络或路测设备，不易受外部设备的影响或限制，车辆位置预测模块使得在信息传播模块暂时无法获得新数据的情况下，也能持续进行车辆密度状态的显示。另外，密度信息的实时显示需要建立在大量的数据传输的基础之上，但是相比较传统的数据传输，本发明在路由算法中添加了遏制无用报文转发的机制，从而有效地减少了数据报文的收发；同时如果用户对于车辆密度信息不需要过于实时和准确，可以通过调节GPS获取车辆信息的频率，减少数据报文的收发和传输。 

附图说明

图1是本发明的硬件设备示意图。 

图2是本发明的数据流向图。 

图3是本发明的数据包结构图。 

图4是车辆节点的位置随时间变化的示意图。 

图5是转发条件判断的流程图。 

图6是本发明的节点密度显示示意图。 

图7是本发明的在VANET中的节点抽象全局图。 

具体实施方式

本发明有助于解决机动车驾驶人员由于视觉限制，包括距离和障碍物，而不能及时掌握前方车辆行驶状况或当前路况信息的问题，辅助机动车辆的道路行驶。本发明通过车辆位置信息感知与预测以及借助车辆间通信进行信息的传播与 显示，满足了在车辆行驶过程中，驾驶人员对前方实时交通信息的需求，为驾驶人员进行预先制动，提前绕行提供参考，从而提高驾驶人员的行车安全性，并能够显著降低道路拥堵或缓解道路拥堵的情况发生。本发明将车辆获取到的车辆GPS信息通过车辆无线传输设备向周围的车辆进行传播，收到这些位置信息的车辆，通过计算比较，使得每个车辆都能够知道其周围一定范围内的其他车辆的位置和密度信息，从而对驾驶人员的行车判断起到辅助提醒作用。 

在数据传输方面，本发明使用广播方式进行传播，但是在广播时对数据包的判定更为严格。而且在具体场景中，不论是对于方向相同的车辆还是方向相反的车辆都可以具体适应。如果场景中包含有路边单元，则建议实现者使用其他的数据传播方式。本发明将需要一个GPS装置，用于车辆位置感知，一个支持802.11p协议的无线网络接口设备，用于数据发送和接收，数据的处理可以基于计算机也可以基于具有数据处理能力的嵌入式设备。 

本发明的车辆密度感知系统为车载系统，分为信息传播模块，车辆位置信息感知模块，车辆位置预测模块和车辆密度显示模块四个模块，各模块之间的据传递和协作关系如图2所示，每个模块的功能和所需要的硬件如图2所示。图1是本发明的硬件设备示意图，如图所示，系统硬件设备包括位置分析设备，人机接口设备，定位系统，车头雷达，通信设备，车尾雷达，其中车尾雷达是可选的，车辆位置预测模块为位置分析处理器，车辆密度显示模块为人机接口设备，车辆位置信息感知模块包括GPS定位系统、车头雷达和车位雷达。各模块之间的协作关系如下：车辆位置信息感知模块将当前车辆节点的位置信息传递给信息传播模块；信息传播模块将需要被预测的车辆节点的信息传递给车辆位置预测模块；车辆预测模块将预测结果传递给信息传播模块；信息传播模块将车辆节点的信息传递至车辆密度呈现模块。 

下面具体介绍每个模块的作用： 

车辆位置信息感知模块： 

车辆位置感知模块的作用在于实时地获取车辆当前的位置信息，实现方式是通过GPS设备获取车辆当前经度、纬度、海拔高度信息，通过数据的处理可以进一步得到车辆的速度信息，加速度信息。因此，这个模块需要一个GPS装置用于车辆位置感知。该模块的设计思路应当遵循接口和实现的思路，也就是说最好规定好接口，然后根据不同的车载位置信息感知设备进行具体的实现。得到信 息之后需要将信息进行封装起来，封装的格式如下六元组： 

(<车辆标识>，<速度>，<加速度>，<车辆GPS信息>，<时间戳>，<跳数>) 

其中，车辆标识则是车辆的唯一标识，值为车载无线网接口的物理层地址(MAC地址)；速度是指当前车辆行驶的速度；加速度是指当前车辆的加速度；车辆GPS信息是指本模块中获取到的信息；时间戳是指数据包发送的时刻，其初始值是当前时间；跳数是指数据包被广播的次数，在数据包每次被转发前，其值被转发节点加1，其初始值是0。 

这六元组中的信息在信息传播模块中将会被使用到，所以在这里进行了相应的封装。如果在信息传播模块中不需要使用这些信息，则可以在信息封装的时候相应的增减数据。 

车辆位置预测模块： 

在车载网中，车辆节点实时移动，而本发明需要能够动态地显示周围车辆节点的位置，所以对于节点的位置预测就是必不可少的。本发明对获取车辆节点位置信息的时间间隔的默认值设定为2秒，而其他可供选择的时间间隔包括1秒、5秒、10秒、15秒、30秒、60秒、120秒，越小的时间间隔对于车辆位置信息的预测越为精确。本模块收到来自于信息传播模块的数据之后，通过对这些数据分析可以得到其他车辆节点的当前位置。其计算公式如下： 

P_now＝P_ori+(t_now-t_ori)·speed 

其中，P_now表示现在的位置，是车辆节点的预测位置，P_ori代表原始位置，t_now表示当前时间，t_ori表示原始时间，speed表示速度。需要注意的是P_now，P_ori，speed均为矢量，P_now，P_ori均由经度和纬度组成，speed则由单位之间内车辆前进的经度和纬度组成。因此计算的方式可以通过图4来表示，由于本发明位置和速度都是矢量，因此计算新的位置就需要使用矢量的加法，图中的x轴代表经度，y轴代表纬度。 

因此，如果车辆一段时间内没有收到来自某个车辆节点的位置信息时，就可以使用这个公式对该车辆节点的位置进行估算；如果收到了此车辆节点的位置信息，则直接将该车辆节点的位置信息更新。 

信息传播模块： 

由于本模块需要进行数据的收发，因此本模块需要一个支持802.11p协议的无线网络接口设备用于数据发送和接收。本发明采用的数据传输方式是广播，如果每一个车辆节点不加限制地进行数据包的广播，结果会造成广播风暴，从而导致节点接收和发送数据变得困难。所以，在转发数据包之前需要对数据进行筛选。如果数据包符合筛选的条件，本模块就会转发这个数据包，否则不转发该数据包。本发明中车辆判断是否转发数据包的流程如图5所示，从收到广播数据包开始判断，如果不满足三个条件：距离是否小于阈值，跳数是否小于阈值，时间是否小于阈值中任意一个，则不转发数据包，如果三个条件全部满足，则转发数据包。下面具体的阐述图5中三种判断条件以及选择它们作为判断条件的依据。 

(1)使用距离作为判断的依据。信息传播模块在发送数据的时候将节点的位置信息作为数据的一部分进行广播，接收节点在接收到这个数据包之后，根据发送和接收车辆GPS信息，可以得到发送车辆和接收车辆的经纬度信息。假设发送车辆A和接收车辆B的位置分别为： 

(X_A，Y_A)，(X_B，Y_B) 

其中，X_A表示发送车辆的经度，Y_A表示发送车辆的纬度，X_B表示接收车辆的经度，Y_B表示接收车辆的纬度，则两者的距离D的计算公式为： 

D＝R·arccos(sin(Y_A)·sin(Y_B)·cos(X_A-X_B)+cos(Y_A)·cos(Y_B))·π/180 

其中R代表地球的半径，且D与R的单位相同。 

与接收车辆距离大于N公里的车辆信息将被过滤掉，因为超出这个阈值的点对于接收节点没有实际的作用。发送车辆在数据包传播的过程中又向前行进了一定的距离，所以需要对接收到的位置信息进行调整，可以通过车辆位置预测模块来调整车辆的当前位置。 

(2)使用信息被广播的次数，即跳数，作为判断的依据。信息传播模块在发送节点信息的时候将跳数加入数据包进行广播，如图3所示，每广播一次广播节点就将数据包中跳数字段加1。在判断模块中，如果发现某一个数据包中的跳数已经大于阈值M，则不对这个节点的信息进行广播，直接过滤。原因也是类似的，一个被广播过许多次的节点信息有很大的可能是距离接收节点很远的节点，因此可以将这种类型的信息过滤。 

(3)使用时间间隔作为判断信息。信息传播模块在发送数据包的时候将节点的发送时间作为数据包含进去，当接收节点收到信息的时候就可以计算出这个 信息从发出到现在已经经过了多长时间，如果两者的时间差大于阈值T秒，则将这个信息舍弃，原因是时间间隔很长的信息可以看多距离节比较远的节点发出的，没有使用的价值；也可以理解为时间间隔很长的信息，节点的位置信息已经不再是原来的位置了，如果使用就会带来不准确的结果。 

需要说明的是，这里的距离阈值N、跳数阈值M、时间间隔阈值T都是可以调节的值，本发明的说明，将以N＝10，M＝100，T＝2为例来阐述车辆位置感知的过程。N，M，T的具体取值，可以根据需要和具体环境相应的调节，我们建议N∈[5，15]，M∈[50，150]，T∈[1，5]。 

以上3种判断条件可以根据实际情况进行具体的组合，比如说节点比较密集的节点环境，信息被广播的次数就不是一个比较合理的判断依据，因为同一个区域内节点个数很多，即使信息被广播过很多次也不能够说明此信息已经过期，因此这些条件的组合必须能够做到与环境相适应。同时，实现者需要保留添加其他判断条件的接口，这样可以使得软件结构更为合理，扩展更为简易。本发明中，条件的默认组合为同时满足这三个条件。 

信息传播模块需要定时向外广播自己的位置信息，才能够使得其他车辆节点接收到最新的节点坐标信息。从车辆位置信息感知模块中获得数据之后，要将此数据封装成为可以广播发送的数据包，本发明中使用的报文格式如图3所示，其中MAC层和数据链路层的结构图是基于通用结构，网络层中则进行有效数据的填充，填充的数据有：车辆ID，车辆GPS信息，跳数和时间戳。广播的时间间隔与车辆位置信息感知模块中获取车辆位置的时间间隔相同，默认值为2秒，其他值可以由使用者根据具体的需求情况进行调节。信息传播模块同时也需要有接收数据和存储数据功能，每次接收到数据之后都要将接收到的数据经过上述的判断后存入对应的数据结构，以便其他模块能够方便的使用这些数据。 

为了方便车辆密度显示模块使用，将提取六元组格式的数据包(<车辆标识>，<速度>，<加速度>，<车辆GPS信息>，<时间戳>，<跳数>)中的部分信息存入到相应的数据结构中，需要存入的数据是下面的四元组格式(<车辆标识>，<速度>，<车辆GPS信息>，<时间戳>)。 

车辆密度显示模块： 

此模块的作用是将信息传播模块中获取到的数据显示在可视化的显示屏上 面，显示的时候需要确定如下的信息：筛选条件，不同性质的车辆如何区分，当前车辆在图中的位置。下面分别解释这些信息： 

显示区域中车辆节点的显示图形包括圆形、矩形和不规则图形形状。本发明中显示区域的形状取圆形。 

筛选条件是指哪些车辆节点会被显示在显示屏上面，具体包括距离条件，方向条件，位置条件，速度条件。在本发明中，筛选条件为P公里范围内所有的车辆节点，本发明中将以P＝5作为筛选条件，具体实现时我们建议P∈[5，15]。 

本发明节点密度的显示具体如图6所示。不同性质车辆的区分是指如何在显示屏区分不同性质的车辆，可以通过节点的大小，形状，颜色来区分不同的节点。本发明中使用◆代表与当前车辆方向相同的节点，●代表与当前车辆方向相反的节点，■代表可疑节点，即位置没有发生变化的车辆节点， 代表既不是同向，也不是反向的车辆节点，▲代表当前车辆节点。 

当前车辆在图中的位置可以处于显示图形的正中间，也可以处于显示图形的边缘。本发明中将当前车辆显示在图形的正中间。 

车辆节点获取周围车辆节点密度的步骤如下： 

步骤0，打开信息传播模块，监听广播信息，收到其他节点的数据包之后，立即执行步骤1至步骤4；同时不断调用车辆位置信息感知模块得到车辆的位置信息，并且通过信息传播模块将此信息广播出去； 

步骤1，根据信息传播模块中的要求对接收到的数据进行判断，判断车辆之间的距离时需要调用车辆位置信息感知模块。如果数据符合判断标准，则执行步骤2，否则结束此次调用； 

步骤2，对接收到的数据进行修改，即将数据包的跳数加1； 

步骤3，将步骤2中的修改后的数据包广播出去； 

步骤4，根据步骤0中获取的数据，车辆密度显示模块将最新的信息显示到显示屏上。 

需要说明的是，步骤0是一个始终运行的步骤。 

图7描述了本发明的一种典型的应用场景。当前的道路信息的情况如图7中所示，共有9个十字路口，其中C3，C6和C7都发生了堵车的情况，假设车辆N要从位置P1到达位置P2，它应该如何选择路径呢？显然比较好的策略是 C1-＞C2-＞C5-＞C8-＞C9或者C1-＞C4-＞C5-＞C8-＞C9，比较不好的策略是经过C3，C6或C7的策略，但是车辆节点如何能够知道这三个交通路口发生了堵车呢？利用本发明，车辆节点能够知道一定范围内的节点的分布情况。一旦知道了车辆节点的分布情况，正确的道路选择策略就会很容易达到。 

本发明基于车辆间通信的车辆密度感知方法的精髓在于利用VANET中的车辆之间的数据通信技术，使得驾驶人员可以根据随时掌握周围车辆的密度情况。从而能够适时调整行驶路线，以缓解交通拥塞的压力，此外，驾驶人员可以根据周围车辆的密度分布，及时采取制动措施，避免交通意外的发生。本发明可以有多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。