[发明专利]一种基于信息物理系统的车辆广播通信控制方法

说明书

本发明公开了一种基于信息物理系统的车辆广播通信控制方法，设计了融合状态估计在内的事件触发广播控制体系架构，包括多传感器模块，航迹推算模块，状态估计器和调度单元四个部分。根据多传感器模块获得的测量信息，经由状态估计器，获得尽可能精确的状态信息。通过调度单元和航迹推算模块组成车辆互联通信网络，并结合估计结果设计合适的事件触发条件，当触发条件满足时，广播车辆自身的运动数据到相邻车辆。通过搭建无人驾驶仿真平台验证了本方法的有效性，并使用SUMO和NS3评估了本方法在不同交通流场景下的通信能力。实验结果表明，本发明可以在保证车辆状态跟踪精度的前提下，显著降低通信频率，提高车辆网络资源利用率。

技术领域

本发明涉及车联网应用技术领域，具体涉及一种基于信息物理系统的车辆广播通信控制方法，用于实现车辆在路网中的状态信息互感知，以保障交通安全和满足车辆应用程序。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和第五代移动网络技术的完善，无线通信技术的应用范畴得到了进一步的拓宽，其中，车载自组织网络VANETs(Vehicular Ad-hoc Networks)作为智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)的重要基础之一，可以为车辆之间或车辆与路边基础设施之间的高速通信提供基础性支持。通过综合应用卫星定位、卫星导航、地理信息系统、传感器、雷达技术、电子计算机、网络、移动通讯、移动终端、云计算、大数据等方式，VANETs可以将车辆自身的状态信息分享给邻近车辆或基础设施，这些信息可能包括地理位置、行驶方向、行驶速度、路面情况，甚至是制动提醒或事故警告等，从而使信息接受者可以在超越视距的情况下获知身边全面的交通状况，并从中判断潜在危险，避免危害的发生。

在VANETs发展的早期，控制任务通常是通过网络在远程平台上执行的，车辆将信息发送到远程平台进行统一处理，并由远程平台返回控制指令。得益于完善的采样数据理论，时间触发控制的采样数据能够处理这种情况。然而，由于道路的拓宽和车流量的增大，传统的集中式时间触发控制已经不能处理这种情况，固定的采样周期，采样数据控制方法可能会采样冗余数据，这样会浪费网络带宽，甚至会造成通信信道的阻塞，控制系统的稳定性、可靠性和其他期望的性能将降低。

为了弥补上述缺点，事件触发控制的概念逐渐成为研究热点，该事件在“必要时”而不是在规定的时间起作用。1962年Dorf等人首次提出了事件触发这一思想，相比于时间触发机制，事件触发机制可以根据预设的与系统实时状态有关的触发条件对数据进行采样。简而言之，事件触发机制会对每一个数据进行筛选，只有当数据满足触发条件时该数据才会被网络传输，否则该数据将被丢弃，从而避免了不必要的数据传输，降低能量的消耗和带宽的占用。2010年，Razei等人首次在车辆通信领域提出了误差相关的通信广播策略，并在之后由Fallah等人进行了进一步的改进和分析。相对于时间触发的车辆广播策略，使用误差作为事件触发条件的方法，能够避免车辆增加时通信负载呈指数型增加的情况，极大的提高网络资源利用率。

为了能够在完成车辆间状态的互感知，需要车辆准确的获取自身的状态信息。具有感知、计算、控制、5G通信等能力的智能车在交通路网中通过车辆自身的传感器和外部的测量信号(如GPS等)获得自身的状态信息。然而，车辆的传感器总会伴随着噪声和其他不确定因素的干扰，尤其是通过外部通信方法获得的GPS信号，可能存在较大的误差。为了解决这个问题，根据实际情况使用状态估计器对原始的测量信号进行处理成为了必不可少的一部分。

在过去的车辆状态互感知策略中，估计器和通信方法通常是单独设计的，估计器通过尽可能准确的过滤系统的噪声来获得车辆的状态，而通信方法则专注于减少带宽的占用。然而，随着城市道路拥堵和交通事故频发的问题不断涌现，信息物理交通系统CPTSs(Cyber-Physical Transportation Systems)逐渐走入人们的视野。CPTSs是一个集控制、计算和网络为一体的系统，能够有效的结合物理组件和网络信息。在过去的十几年中，车辆的自动化水平逐渐提高，配备了CPTSs的自动化车辆能够使用大量的传感器监控车辆自身的运动和环境数据，并完成和其他车辆或基础设施之间的通信。