一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法
【专利摘要】本发明公开一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，包括车载设备、路侧设备以及网络后台服务器设备与车辆应急疏散路径决策模型。车载设备的无线数据通信模块通过无线网络向路侧设备广播车辆信息，路侧设备统计路段和局部路网区域的车辆信息，通过有线数据通信方式传输给网络后台服务器；网络后台服务器的车辆应急疏散路径规划模块以最小化疏散总行程距离、最小化疏散行程时间和最小化路段拥堵概率为目标建立、求解多目标车辆应急疏散路径最优决策模型，获得最优路径诱导危险区域内的车辆向安全域疏散。本发明的优点为：可为道路交通网络中的车辆提供实时、安全、可靠、高效的应急疏散路径。
【专利说明】 一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能交通系统、移动无线通信技术和交通组织与管理【技术领域】，具体来说，是一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法。
【背景技术】
[0002]近几年来，我国大中城市现代化建设的步伐不断加快，逐渐增加的城市居民人口密度给城市道路交通路网带来极大负担。城市居民的出行效率依赖于道路交通网络，当非常规事件突发，交通应急疏散的路径很大程度上决定了城市的应急疏散诱导、应急保障响应工作的成效。在交通流的应急疏散策略中，疏散路径的生成是开展应急疏散等一系列响应措施的前提和关键。因为，具备科学性、可靠性和实时性的道路交通网络应急疏散路径对提高交通流在应急疏散过程中的安全和效率、减少应急救援时间和降低灾害造成的生命财产损失有着极为重要的作用，所以，如何科学地规划、生成道路交通网络应急疏散路径成为现代城市公共突发事件应急管理、交通安全诱导的核心问题之一。
[0003]由于城市路段上的道路交通流量具有时变性，不同时间段的路段交通流量动态变化，这使疏散区域的交通需求量也会随着时间的变化而变化。这些动态的交通流特性给道路交通网络的应急疏散路径的规划带来较大的困难，传统的、基于静态路径规划方法的应急疏散路径生成策略由于不能处理动态交通流特性，从而无法满足城市道路网络中交通应急疏散的实时性要求。当前，已有的交通应急疏散路径生成策略多从最小化交通流旅行时间、最小化疏散清空时间或者最小化交通流旅行路径等单一的决策目标建立数学优化模型。事实上，由于在交通应急疏散决策响应中，既需要尽可能地降低疏散的旅行时间和缩减疏散的旅行路程，又要保证在每一条疏散路径上的交通流在疏散过程中不发生拥堵以保证交通流疏散的畅通性，所以，传统的、基于单一优化目标的交通应急疏散路径生成策略不利于保障交通流在应急疏散过程中的安全性、高效性和可靠性。此外，多数交通应急疏散路径生成策略所依靠的交通应急疏散模型需要以假设路网交通流量的输入率服从某种已知的概率分布，如泊松分布、爱尔朗分布等，作为模型运行的基本前提条件，这种假设性的基本前提条件并不能较好地与实际交通流场景相吻合，所以，这类数学模型及其生成的交通应急疏散路径潜在应用失效问题。
[0004]随着移动无线通信技术、网络硬件设施的快速发展，车辆与车辆之间、车辆与路侧之间可以通过广泛覆盖的无线网络进行信息传递、数据共享等。车载终端已被视为一种重要的移动通信终端，部署在车载终端的通信设备在日常生活中逐步得到广泛应用，使车辆具备网络接入、网络信息获取、车载信息及其车载环境信息采集与共享的能力。因此，以具备移动通信能力的车载终端、路侧通信设施以及通信网络后台服务设施为核心的车联网，成为智能交通系统的重要组成部分，其可为交通应急疏散响应措施的制定、开展等一系列工作，尤其是交通应急疏散路径的生成提供可靠、实时的交通信息，保障应急疏散路径生成的实时性。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明面向交通应急事件发生后的安全响应决策，为了支持道路交通网络中车辆的应急疏散，提出一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法。
[0006]本发明一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一:每间隔时间Tl将车辆车牌号、车辆地理位置信息、车辆瞬时车速与广播时间作为车载终端数据包，广播给实时监测车辆所在路段的路侧设备；同时，通过实时监听车辆所在路段的路侧设备广播的路侧数据包；若车辆接收到从车辆所在路段的路侧设备广播来的路侧数据包，则进入步骤二 ；否则进入步骤三。
[0008]步骤二:将车辆接收到的路侧数据包转发给车载电子地图显示模块；车载电子地图显示模块根据路侧数据包中的应急疏散路径数据，将该疏散路径显示在车载电子地图上，或者更新电子地图上已经显示的本车辆疏散路径，然后，返回步骤一继续执行。
[0009]步骤三:路侧设备实时监听路侧设备所监测路段上全部车辆广播的车载终端数据包；若接收到车载终端数据包，则进入步骤四；否则继续监听。
[0010]步骤四:根据接收到的车载终端数据包中车辆地理位置信息，查看车辆是否位于路侧设备监测的路段范围；若车辆未处于路侧设备监测的路段范围，则不对车辆的车载终端数据包进行处理；若车辆处于路侧设备监测的路段范围，则在车辆所在路段对应的车辆记录表中查看是否已经存在该车辆车牌号对应的记录；若不存在，则将车辆的车牌号、广播时间、车辆的地理位置信息(包括车辆的经度和纬度)、车辆的瞬时车速作为一条新的记录添加到车辆记录表中；若已存在，则通过车辆的车载终端数据包中广播时间、车辆的地理位置信息、车辆的瞬时车速更新车辆记录表中相应的“广播时间”、“车辆经度”、“车辆纬度”和“车速”字段所记录的内容。
[0011]同时，路侧设备还实时监听网络后台服务器的最优疏散路径数据包；如果接收到最优疏散路径数据包，则将最优疏散路径数据包广播给所监测路段上的车辆，之后继续监听最优疏散路径数据包；若没有接收到最优疏散路径数据包，则继续监听。
[0012]步骤五:路侧设备每间隔时间T2根据路段车辆记录表数据，统计路段的车辆总数，并统计单位时间内流入该路段的车辆数；然后，将路段的车辆总数、单位时间内流入路段的车辆数、路侧设备ID、路段ID、统计时间A作为路段数据包，以有线数据通信方式传输给网络后台服务器。
[0013]步骤六:路侧设备每间隔时间T3根据路侧设备监测路段的车辆记录表数据，将路侧设备所监测的全部路段构成一个局部交通网络区域，统计当前时刻局部交通网络区域内车辆总数，并将区域内车辆总数、路侧设备ID、区域ID、统计时间B作为区域数据包，传输给网络后台服务器。
[0014]步骤七:网络后台服务器接收各个路侧设备传输的路段数据包和区域数据包，根据路段数据包中记录的路段ID，在网络后台服务器的路段车辆流入率记录表中，用路段数据包中记录的数据将对应的“路段车辆总数”、“路段流入率”和“统计时间A”字段所记录的数据更新；在网络后台服务器的区域车辆统计记录表中，根据区域数据包中记录的数据将对应的“区域车辆总数”和“统计时间B”字段所记录的数据更新。
[0015]步骤八:若被监测交通网络中没有发生安全应急事件，则返回步骤七继续执行；若某一个或几个局部交通网络区域中发生安全应急事件，执行以下步骤:
[0016](I)定义发生安全应急事件的局部交通网络区域为:危险区域；没有发生安全应急事件的局部区域为:安全区域；令危险区域总数为N，用i表示第i个危险区域，将i的所有取值的集合记为I ;令安全区域总数为M，用j表示第j个安全区域，将j的所有取值的集合记为J ;同时，用I表示第I条路段，I的所有取值的集合记为A。
[0017](2)根据路段车辆流入率记录表中的数据，获得第I条路段上的车辆总数，记为n1； I e A ;根据区域车辆统计记录表中的数据，获得第i个危险区域的车辆总数，记为Si,i e I，并得到第j个安全区域内可容纳的最大车辆数，记为?_，j e J ;根据所有路段车辆流入率记录表中的数据，获得单位时间驶出第i个危险区域的车辆数，记为P i，i e I。
[0018](3)根据区域车辆统计记录表的数据，判断每一个危险区域内的车辆总数是否都大于S*;如果是，则继续执行步骤(4);如果否，则结束。
[0019](4)根据电子交通地图数据库，查询获得每一条路段的几何信息，包括--第I条路段的路段长度L1，第I条路段的车道数W1,1 e A ;网络后台服务器根据道路交通设计标准，查询获得第I条路段的设计自由流车速F1-和设计交通流密度夏广，且I e A。
[0020](5)根据所有路段的长度L1, We J ?利用Dijkstra算法搜索从每一个危险区域到达每一个安全区域的前K条行程距离最短的路径，K条行程距离最短的路径中每条路径用k表示，k取I至Ij K。
[0021](6)定义从第i个危险区域到达第j个安全区域的第k条最短路径总行程距离为〃/+(*)，定义决策变量为￥⑷；如果通过第k条最短路径将第i个危险区域内的车辆疏散到第j个安全区域，则s/(*)=u否贝U，彳(4') = 0;且i e l，j e J，ke {1,2, -,K};由此，进一步建立车辆应急疏散路径决策模型:
【权利要求】
1.一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:每间隔时间Tl将车辆车牌号、车辆地理位置信息、车辆瞬时车速与广播时间作为车载终端数据包，广播给实时监测车辆所在路段的路侧设备；同时，通过实时监听车辆所在路段的路侧设备广播的路侧数据包；若车辆接收到从车辆所在路段的路侧设备广播来的路侧数据包，则进入步骤二 ；否则进入步骤三； 步骤二:将车辆接收到的路侧数据包转发给车载电子地图显示模块；车载电子地图显示模块根据路侧数据包中的应急疏散路径数据，将该疏散路径显示在车载电子地图上，或者更新电子地图上已经显示的本车辆疏散路径，然后，返回步骤一继续执行； 步骤三:路侧设备实时监听路侧设备所监测路段上全部车辆广播的车载终端数据包；若接收到车载终端数据包，则进入步骤四；否则继续监听； 步骤四:根据接收到的车载终端数据包中车辆地理位置信息，查看车辆是否位于路侧设备监测的路段范围；若车辆未处于路侧设备监测的路段范围，则不对车辆的车载终端数据包进行处理；若车辆处于路侧设备监测的路段范围，则在车辆所在路段对应的车辆记录表中查看是否已经存在该车辆车牌号对应的记录；若不存在，则将车辆的车牌号、广播时间、车辆的地理位置信息、车辆的瞬时车速作为一条新的记录添加到车辆记录表中；若已存在，则通过车辆的车载终端数据包中广播时间、车辆的地理位置信息、车辆的瞬时车速更新车辆记录表中相应字段内容； 同时，路侧设备还实时监听网络后台服务器的最优疏散路径数据包；如果接收到最优疏散路径数据包，则将最优疏散路径数据包进行广播，之后继续监听最优疏散路径数据包；若没有接收到最优疏散路径数据包，则继续监听； 步骤五:路侧设备每间隔时间T2根据路侧的路段车辆记录表数据，统计路段的车辆总数，并统计单位时间内流入该路段的车辆数；然后，将路段的车辆总数、单位时间内流入路段的车辆数、路侧设备ID、路段ID、统计时间A作为路段数据包，传输给网络后台服务器；步骤六:路侧设备每间隔时间T3根据路侧设备监测路段的车辆记录表数据，将路侧设备所监测的全部路段构成一个局部交通网络区域，统计当前时刻局部交通网络区域内车辆总数，并将区域内车辆总数、路侧设备ID、区域ID、统计时间B作为区域数据包，传输给网络后台服务器； 步骤七:网络后台服务器接收各个路侧设备传输的路段数据包和区域数据包，根据路段数据包中记录的路段ID，在网络后台服务器的路段车辆流入率记录表中，用路段数据包中记录的数据将对应字段数据更新；在网络后台服务器的区域车辆统计记录表中，根据区域数据包中记录的数据将对应字段数据更新； 步骤八:若被监测交通网络中没有发生安全应急事件，则返回步骤七继续执行；若某一个或几个局部交通网络区域中发生安全应急事件，执行以下步骤: (1)定义发生安全应急事件的局部交通网络区域为:危险区域；没有发生安全应急事件的局部区域为:安全区域；令危险区域总数为N，用i表示第i个危险区域，将i的所有取值的集合记为I ;令安全区域总数为M，用j表示第j个安全区域，将j的所有取值的集合记为J ;同时，用I表示第I条路段，I的所有取值的集合记为A ； (2)根据路段车辆流入率记录表中的数据，获得第I条路段上的车辆总数，记为H1,I e A ;根据区域车辆统计记录表中的数据，获得第i个危险区域的车辆总数，记为Si,i e I，并得到第j个安全区域内可容纳的最大车辆数，记为?_，j e J ;根据所有路段车辆流入率记录表中的数据，获得单位时间驶出第i个危险区域的车辆数，记为P i，i e I ; (3)根据区域车辆统计记录表的数据，判断每一个危险区域内的车辆总数是否都大于S*;如果是，则继续执行步骤(4);如果否，则结束； (4)根据电子交通地图数据库，查询获得每一条路段的几何信息，包括--第I条路段的路段长度L1，第I条路段的车道数W1,1 e A ;网络后台服务器根据道路交通设计标准，查询获得第I条路段的设计自由流车速「/吣和设计交通流密度馬.，且I e A ; (5)根据所有路段的长度L1,We J ?利用Dijkstra算法搜索从每一个危险区域到达每一个安全区域的前K条行程距离最短的路径，K条行程距离最短的路径中每条路径用k表示，k取I到K ; (6)定义从第i个危险区域到达第j个安全区域的第k条最短路径总行程距离为￡//(a-)，定义决策变量为如果通过第k条最短路径将第i个危险区域内的车辆疏散到第j个安全区域，则<(λ.) = ι !否则，.v/W = o;且i e I，j e j，k e {1，2，…，K};由此，进一步建立车辆应急疏散路径决策模型:
Jd ?-1.式(I)中，O1为以最小化疏散车辆总行程距离为目标的目标函数，α表示目标函数O1的非负权重值，其根据具体应用情况设定，其取值范围可以为任意的正整数，如取α = I ;O2表示以最小化疏散车辆总行程时间为目标的目标函数，β表示目标函数O2的非负权重值，其根据具体应用情况设定，其取值范围可以为任意正整数，如取β =2;03表示以最小化疏散路径拥堵概率为目标的目标函数，Y表示目标函数O3的非负权重值，其根据具体应用情况设定，其取值范围可以为任意的正整数，如取Y=I;
是与第i个危险区域相关的决策变量的等式约束方程，其中i e I ;
是与第j个安全区域相关
的决策变量的不等式约束方程，其中j e J ; 上述OpOyO3的表达式为:
式⑶与式⑷中，i/fr0.表示路段决策变量，如果通过第k条最短路径将第i个危险区域内的车辆疏散到第j个安全区域且该最短路径经过第I条路段，则<來0=1;如果通过第k条最短路径将第i个危险区域内的车辆疏散到第j个安全区域且该最短路径不经过第I条路段，则<取/)=0;表示车辆在第I条路段上的最小旅行时间，其取值为Ifn =LlIvr I tx是车辆在第I条路段上的期望旅行时间;￥(*，/)表示利用第k条最短路径将第i个危险区域内的车辆疏散到第j个安全区域导致第I条路段发生拥堵的概率值；(7)通过遗传算法求解式(I)所述的车辆应急疏散路径决策模型，获得使目标函数取值最小化情况下的最优决策变量04和.、./⑷的取值，i e I，j e J，I e A，k e {1,2,…,K};然后，根据取值为I的最优决策变量04和.、/(a)，获得车辆从危险区域i疏散到安全区域j的最优路径!《Λ/ I (8)将最优疏散路径P—!、生成本次最优疏散路径的时间打包成最优疏散路径数据包，传输给第i个危险区域内所有路侧设备，且i e I ； (9)根据广播最优疏散路径数据包的截止时间T判断是否停止广播本次求解得到的最优疏散路径数据包，如果是，则停止广播本次最优疏散路径数据包，然后返回步骤六继续执行，否则，继续广播本次最优疏散路径数据包； (10)每一个危险区域内的路侧设备接收到由网络后台服务器传输来的最优疏散路径数据包，将该最优疏散路径数据包作为路侧数据包转广播给危险区域内的车载设备； (11)危险区域内车辆接收到由路侧设备广播的路侧数据包，将该数据包传输给车载电子地图显示模块，车载电子地图显示模块将最优疏散路径显示在车载电子地图上。
2.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述步骤(6)中，tx通过下述计算模型计算得到:
3.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述步骤(6)中，通过下述计算模型计算得到:
式中，ρ!的取值为:
4.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述步骤(7)中，ροΑ?为:
5.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述的时间间隔参数Tl、T2和T3均为正整数，满足条件T1〈T2〈T3。
6.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述Tl = 8秒、Τ2 = 16秒、Τ3 = 32秒。
7.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述时间参数T = 600秒。
8.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述S*为非负整数。
9.如权利要求1所述的一种基于车联网的道路交通网络应急疏散路径生成方法，其特征在于:所述S* = 2。
【文档编号】G08G1/0969GK104134344SQ201410367014
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】田大新, 周建山, 王云鹏, 朱科屹 申请人:北京航空航天大学