城市公交車輛互聯自適應模型研究與實現

呂紅琳,吳 懿

(1.四川省經濟信息中心,四川成都 610021;2.成都大學藝術學院,四川成都 610106)

0 引 言

隨著城市公共交通系統的日益發達,公交車輛間的互聯日益成為各方面關注的話題.以成都市為例,現有公交車輛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,這么大的流動量和公交網絡,實現車輛間的互聯具有十分重要的意義:交通管理者可以清楚地了解每個車輛的運行情況,車輛之間可以及時互相通信以及定位,通過這種方式,可以大大提高公交車輛的運行效率.由于城市車輛運行的特點比較符合移動自組織網絡(Mobile Ad Hoc Networks, MANET)的特點,而自組織網絡中的節點可以方便地得到周圍鄰居節點的信息,包括節點移動速度,移動方向以及節點之間的距離,這些信息恰好是本論文必須的參數信息.本研究以城市公交車輛互聯為研究對象,采用Ad Hoc網絡理論基礎,進行相關的理論分析和系統建模,最后得出仿真結果.

1 研究對象概述

本研究以成都市公交系統為研究對象,選擇具有代表性的4路公交車運行線路為模型設計,4路公交車運行線路如圖1所示.

從圖1可以看出,該公交線路屬于較長運行路線,運行范圍為東西走向,全長約19 km,共有21站,運行時間約90 min,早上發車時間為6點30,晚上收車時間為11點.4路公交車線路共有車輛65臺,早晚高峰時段發車頻率為5 min,其他時段發車頻率約為10 min.本研究以平時出行為參考對象,即每10 min有一臺車輛離開總站.以平均運行時間為90 min計算,在該時間段內,理論上應該有9臺車輛運行在線路上.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路公交車運行線路圖

2 車輛互聯自適應模擬理論分析

移動Ad Hoc網絡[1]是一種對等網絡,網絡中的節點沒有主次之分,它們同時具備主機和路由器的功能.一個節點既可扮演網絡中的“端系統”(主機)的角色,也可以扮演“中間系統”(路由器)的角色.由于該類網絡的網絡拓撲處于不斷變化之中,因此,該類網絡必須能適應拓撲變化進行重組,故稱之為“自組網”.當該類網絡中的一對主機不能直接通信時,需要借助一個或多個中間節點的轉發來實現,故又稱之為“多跳網絡”.在無線網絡中,對節點相對的運動情況進行分析,通過對節點速率的測試,可以得出:對于檢測Pc節點的位置是相對不變的,而Pt節點相對于Pc節點是在運動狀態下的.所以,針對Ad Hoc網絡中節點活動狀態下的速率,本研究設計了如圖2所示的節點移動速度檢測機制,也就是檢測節點速率針對被檢測節點Pt移動時的過程[2].

圖2 節點移動速度檢測圖

兩個節點之間位置的移動,在某種情況下可以認為是速度的檢測問題(見圖3).在被測試的節點Pc在開始時向其前方節點發送數據包,這個時候,前方節點Pt收到這個數據包,當然這個時候的時刻t2應該記錄下來,同時生成數據包發送響應.繼續假設Pc向前移動,在t3時刻,它收到了前方節點發送回來的響應包,這個時候Pc節點再次發送數據包, Pt在t4時候又回送數據包,這樣的兩次檢測后時間才會比較穩定,才具有參考性.這樣的一次完整的檢測才算結束.

圖3 節點速度檢測示意圖

兩個節點之間相對的位置與距離可以通過兩次收集到數據包的時間來進行計算,其中時間為:ΔT =(t4-t2),通常忽略掉數據的更新帶來的時間消耗[3].節點相對距離為,

故,目標節點 Pt的相對移動速率可以表示為,

就城市公交車輛運行系統而言可以將上述的公式簡化為,

節點移動的相對距離為,

節點的相對移動速率可以表示為,

依據節點的移動速度,可方便地計算出前后方車輛的距離,這些數據對網絡仿真提供重要參數.

3 車輛互聯自適應模擬仿真研究

本研究城市公交車輛的互聯自適應模型的建立參考Ad Hoc的網絡模型,在Opnet[3]網絡仿真軟件中實現.模型仿真參數的設置[4]為:

(1)網絡參數設置.網絡覆蓋面積為3×3 km2,節點個數18個(代表車輛雙向通行),節點的通信距離300 m,信號的傳輸速度為0.5 Mb/s.

(2)底層MAC采用IEEE802.11協議,以CSMA/ CA方式接入,物理層采用擴頻跳頻方式,網絡層采用表驅動路由協議OLSR協議.

(3)節點的運行采用2種方式:第一種方式是節點運行沒有規律,節點的速度隨機產生,主要是用于測試自適應前的數據;第二種方式為采用自適應后的模型,節點依靠前后方節點的運行速度和距離,自適應調整自己的速度,通過仿真觀察節點之間的距離是否適合城市公交車輛的運行優化方案[5].

本模型仿真數據如圖4所示.

圖4 節點自適應速度比較圖

從圖4中可以看出,前后方的節點的移動速度在比較固定的情況下,本節點的速度在自適應前通過網絡調整為比較突發變動,其最大的速度差為2.7,速度比最大為77%,可見仿真實驗具有很強的針對性.而通過自適應后,節點的速度差變為1,速度比最大為14%,基本符合系統要求(見圖5).

圖5 節點自適應距離比較圖

從圖5中可以清楚地看到,由于在自適應之前,測試節點與前后節點的距離處于比較突發階段,最遠距離和最近距離的差距達到了15 m,這幾乎是前面最短距離的2倍,這樣的結果很容易造成城市車輛在運行過程中,2輛車輛幾乎同時到達某個站臺.通過系統的自適應后,節點之間的距離基本維持在一個很穩定的尺度以內,距離之間的差距都非常接近,因此系統的自適應是非常有效和成功的.

4 結 語

本論文以城市車輛互聯自適應模型為研究對象,利用Ad Hoc網絡特點進行模型仿真.仿真實驗表明,系統采用自適應方式后能夠顯著提高車輛的運行效率.當然,本研究只是對系統做了仿真操作,具體公交車輛互聯系統還有待進一步開發和研究.

[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Ad Hoc網絡穩定性的移動問題解決策略[J].西安交通大學學報,2011,45(4):6-11.

[3]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4]張洪.高速移動自組網OLSR路由協議研究與改進[D].成都:西南交通大學,2007.

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