（控制理论与控制工程专业论文）基于自组网的车间通信系统的研究.pdf

武汉理上人学硕士学位论文 摘要 随着交通在日常生活中占有越来越重要的地位，交通安全和效率逐渐成为 亟待解决的问题，其中，交通系统中实时信息的获得和传输是其待解决的关键 问题。以此为基础的智能交通系统在近年来发展非常迅速。 一般而言，有两种典型的智能交通系统：路车通信( r v c ) 和车间通信( 1 v c ) 。 这两种系统有各自的特性和适用范围。为了保证在复杂情况下的汽车安全和效 率，一个完美的智能交通系统应该是路车通信和车间通信的结合体。但是基于 以下两方面的原因，最终在项目中采用了车间通信；其，车间通信系统不需 要路车通信系统中采用的昂贵的基础设施；其二，本项目的出发点就是解决交 通中的紧急情况报警和刹车，而车间通信系统已经足够解决这一问题。本文介 绍了一一种基于d s r 路由协议的车间通信仿真系统。 汽车自组网是基于开放式系统互联参考模型的针对汽车通信的一种网络。 对于这个自组网模型，本文将研究的重心放在三个要素上：无线接入接口，基 于自组网的路由协议和应用层软件开发。 基于无线接入接口，本文研究正在发展中的专用短程通信技术，其优良的 性能和优点，可以为将来的智能交通系统提供紧急连接。此项技术能为汽车与 基础设施之间以及安全子系统之问提供安全、可靠的连接。 因其易变的网络拓扑结构，自组网中最具挑战性的任务便是路由协议算法。 大量的试验结果证明：a o d v 和d s r 是最有效的自组网路由协议。为了比较它 们的性能，本文在仿真实验中尝试实现了这两种反应式的路由协议。 作为自组网路中的节点，必须具备自由进出网络，并可同网络中的任意 节点通信的能力。所以整个软件系统由三个部分组成：i p 发现，路由搜寻和数 据交换。系统在调试和测量过程中运行稳定，并且基本上实现了汽车自组网的 节点功能。 随着智能交通系统技术的不断成熟和新技术的发展，它很快将在h 常生活 中得到应用和实现。此仿真系统可以作为深入研究汽车间通信的基础和参考。 灭键词：智能交通系统；车m 通信；无线接入接厂i ；d s r 自组网 墨竖堡三奎堂堡主堂堡堡壅 a b s t r a c t b e c a u s et r a f f i ct a k e sa l l i m p o r t a n tr o l ei nd a i l yl i f e ，t r a f f i cs a f e t ya n de f f i c i e n c y b e c o m ec r i t i c a lp r o b l e m s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，r e a l t i m ei n f o r m a t i o nb e c o m e st o b et h ek e ye l e m e n t f o rt h i sa i m ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s li sd e v e l o p e d r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h e r ea r e t w o t y p i c a l k i n d so fi t s ：r o a d v e h i c l e c o m m u n i c a t i o n ( r v qa n di n t e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ( i v c ) ap e r f e c ti t sw i l l m o s tl i k e l y o n l yb e ac o m b i n a t i o no fi v ca n dr v ci no r d e rt om a k ec o l l i s i o n a v o i d a n c ei nc o m p l e xs c e n a r i o s b u tf o rs e v e r a lr e a s o n s ，i v ci sa d o p t e di no u r p r o j e c t t h i sp a p e rp r e s e n t sas i m u l a t e ds y s t e mf o ri n t e rv e h i c l ec o m m u n i c a t i o n w h i c hi sm a i n l yb a s e do nd s rr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fv a n e t ( v e h i c l ea dh o cn e t w o r k ) i sb a s e do no s im o d e l o u rs t u d yc o n c e n t r a t e so nt h r e em a i ne l e m e n t s ：w i r e l e s sa c c e s si n t e r f a c e ，r o u t i n g p r o t o c o la n da p p l i c a t i o n s a sn e t w o r kd e v e l o p ss of a s ti nt h el a s td e c a d e ，t h e r ea r eal o to fw i r e l e s sa c c e s s i n t e r f a c eo p t i o n s d e d i c a t e ds h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o n s ( d s r c ) i sa ne m e r g i n g t e c h n o l o g y w i t h i n t r i g u i n gp e r f o r m a n c ea n db e n e f i t s t h a t p r o v i d e s ac r i t i c a l c o m m u n i c a t i o nl i n kf o rf u t u r ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s d s r ct e c h n o l o g y w i l lp r o v i d es e c u r e ，r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nl i n k sb e t w e e nv e h i c l e sa n di n f r a s t r u c t u r e s a f e t ys u b s y s t e m st h a tc a ni n c r e a s eh i g l l w a ys a f e t y r o u t i n gp r o t o c o li st h em o s tc h a l l e n g et a s ki na dh o cn e t w o r kb e c a u s eo fi t s r a p i dv a r i a b l et o p o l o g y m a n ye x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a ta o d va n dd s ra r et h e m o s te f f i c i e n tm u t i n gp r o t o c o li na dh o cn e t w o r k w et r yt oa p p l yt h e s et w or e a c t i v e p r o t o c o l si no u rs i m u l a t i o ni no r d e rt oc o m p a r ei t sp e r f o r m a n c e a si na dh o cn e t w o r k an o d es h o u l dh a v et h ea b i l i t yt og e ti na n do u tf r e e l y , a n d c a nc o m m u n i c a t ew i t ha n yn o d ei nt h en e t w o r k s ot h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do f t h r e ep a r t s ：i pd i s c o v e r y , r o u t es e a r c ha n dd a t ae x c h a n g e t h ew h o l es y s t e mh a sr u ns t a b l yi nt h ec o u r s eo ft e s ta n dm e a s u r e m e n t ，a n dt h e s y s t e mh a sb a s i c a l l yi m p l e m e n t e d t h eb a s i cf u n c t i o no fan o d ei nv a n e t 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 a st h et e c h n o l o g yo fi t sb e c o m e sm o r ea n dm o r em a t u r ea n dn e w t e c h n o l o g i e s d e v e l o ps of a s t ，w eb e l i e v et h a ti t sw i l lb ea p p l i e di no u rr e a ll i f ev e r ys o o n t h i s s i m u l a t i o nc a nb et h eb a s i sa n dr e f e r e n c eo ft h ef u r t h e rr e s e a r c hf o rv e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：i t s ，i v c ，w i r e l e s sa c c e s si n t e r f a c e ，d s r ，a dh o c i i i 武汉理工大学硕士学位论文 c h a p t e r 1o v e r v i e w i ib a c k g r o u n da n di n t r o d u c t i o no fi t s a u t o m o b i l ei sa ne s s e n t i a lp a r ti no u rd a i l yl i f en o w , w h i l ev e h i c l e sm a k eo u r l i f ec o n v e n i e n t ，t h e yt a k eu sal o to fs e r i o u sp r o b l e m s f i r s t l y , t r a f f i ca c c i d e n t sh a v e b e e nt a k i n gt h o u s a n d so fl i v e se v e r yy e a r , o u tn u m b e r i n ga n yd e a d l yd i s e a s e so r n a t u r a ld i s a s t e r s t a k ef r a n c ea sa ne x a m p l e ，i n2 0 0 4 ，t h e r ew e r e5 ，2 3 2p e o p l ed e a d ， 1 7 ，4 3 4p e o p l eg r i e v o u sb o d i l yh a r m ，1 0 8 ，7 2 7p e o p l ei l 】j u r e di nt o t a lb e c a u s eo f 8 5 ，3 9 0t r a f f i ca c c i d e n t s i n2 0 0 3 ，u n i t e ds t a t e sl o s t4 2 ，0 0 0l i v e s ，w h i l et h e r ew e r e 3 ，0 0 0 ，0 0 0p e o p l ei n j u r e da n d2 3 0b i l l i o nd o l l a r sl o s t t h e s ef i g u r e sm a k eu st of a c e t h es a f e t yc h a l l e n g et h a ti sd e s c r i b e db yj e f f r e yw r u n g e ( m da d m i n i s t r a t o r n h t s a ll i k et h i s ：“w h i l ec r a s h w o r t h i n e s ss t a n d a r d sh a v eb e e na n dw i l lc o n t i n u et o b ev e r yi m p o r t a n t ，w ea r er e a c h i n gt h ep o i n to fd i m i n i s h i n gr e t u r n sb yf o c u s i n go n l y o nc r a s h w o r t h i n e s s ( f o re x a m p l e ，a b s ) t h eb i g g e s tr e t u r no ni n v e s t m e n ti nt e r m so f l i v e ss a v e da n di n j u r i e s p r e v e n t e d i nt h e f u t u r ew i l lc o m ef r o ma c c e l e r a t e d d e v e l o p m e n ta n dd e p l o y m e n to fc r a s ha v o i d a n c et e c h n o l o g i e s ”t j t s t u d i e s l 2 ls h o wt h a ta b o u t6 0 r o a d w a yc o l l i s i o nc o u l db ea v o i d e di ft h e o p e r a t o ro ft h ev e h i c l ew a sp r o v i d e dw a r n i n ga tl e a s to n e - h a l fs e c o n dp r i o r t oa c o l l i s i o n r e a l t i m ei n f o r m a t i o ni sa ne f f i c i e n ts o l u t i o n s e c o n d l y , t h o u g hv e h i c l e sa r ed e v e l o p e df a s ti nr e c e n ty e a r n ，p e o p i eh a v et o s p e n da tl e a s t4 0 - 5 0h o u r so nd e l a yp e ry e a r 吵i nu n i t e ds t a t e s ，6b i l l i o np e r s o n h o u r sa r el o s tp e ry e a rw h i c hc o s t s8 0b i l l i o nd o l l a r sl o s tw a g e sa n d w a s t e df u e l m e a n w h i l e c o n c e r n i n gt h es o u r c eo ft r a f f i cc o n g e s t i o n ，r e s e a r c h e sp o i n to u tt h a t “b o t t l e n e c k s ”a c c o u n t sf o r4 0 i nt h es o u r c e so ft r a f f i cc o n g e s t i o nw h i l e “t r a f f i c i n c i d e n t s ”t a k eu d2 5 m o r e o v e r , r e s e a r c h e s hs h o wt h a ti fv e h i c l e s c a ng e t “r e a l t i m ei n f o r m a t i o n ”t h i n g sw i l lb eq u i t ed i f f e r e n t ， n e wt e c h n o l o g i e sf o rb o t hi n t e m a la n de x t e r n a lv e h i c l ec o m m u n i c a t i o na r e e m e r g i n gf o rr e a lt i m es a f e t yc r i t i c a ls y s t e m sa sw e l la se n t e r t a i n m e n t ，a n dw i r e l e s s 武汉理工人学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o nf o rr e m o t eu s e r a p p l i c a t i o ni nt h el o c a la n dw i d e u e a b y i n c o r p o r a t i n gt h e s et e c h n o l o g i e si n t ot h ev e h i c l en e wa n di n n o v a t i v ef u n c t i o n sc a nb e p r o v i d e dt ot h ep a s s e n g e r s t h ei n t e l l i g e n tv e h i c l ei n i t i a t i v e ( i v i ) h a sc o n c l u d e dt h a t t oa c h i e v em a j o ri m p r o v e m e n t si ns a f e t ya ti n t e r s e c t i o n sa n di nr o a d d e p a r t u r e c r a s h e s ，c o o p e r a t i o nb e t w e e nt h ev e h i c l ea n dr o a d w a yi sr e q u i r e d 3 i t h e r e f o r e ，t h e f i e l do fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) h a sb e e nd e v e l o p e dd u r i n gt h e s el a s t y e a r s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) r e f e rt ot h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g , c o m m u n i c a t i o n s ，a n ds e n s o rt e c h n o l o g i e st ot r a n s p o r t a t i o n i n f r a s t r u c t u r ea n do p e r a t i o n s 吼w h e ni n t e g r a t e di n t ot h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i n f r a s t r u c t u r e ，a n di nv e h i c l e st h e m s e l v e s ，t h e s et e c h n o l o g i e sh e i pm o n i t o ra n d m a n a g et r a f f i cf l o w ，r e d u c ec o n g e s t i o n ，p r o v i d ea l t e m a t er o u t e st ot r a v e l e r s ，e n h a n c e p r o d u c t i v i t y ，a n ds a v el i v e s ，t i m ea n dm o n e y t h e r ea r eav e r yl a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n sp l a n n e dw i t l l i nt h ei t sd o m a i n ( i t ss e r v i c e s ) ，i n c l u d i n ga r t e r i a lm a n a g e m e n t ，f r e e w a ym a n a g e m e n t ，t r a n s i t m a n a g e m e n t ，i n c i d e n tm a n a g e m e n t ，e m e r g e n c ym a n a g e m e n t ，e l e c t r o n i cp a y m e n t ， t r a v e l e r i n f o r m a t i o n ，c r a s hp r e v e n t i o n a n d s a f e t y , r o a d w a yo p e r a t i o n s a n d m a i n t e n a n c e ，r o a dw e a t h e rm a n a g e m e n t ，c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n s ，i n t e r m o d a l f r e i g i l t ，c o l l i s i o na v o i d a n c e ，a n dd r i v e ra s s i s t a n t i nf a c t ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e s a n dp r o j e c t sh a v eb e e na c h i e v e dt od e s i g ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m f o r e x a m p l e ，a tt h eb e g i n n i n go ft h i sy e a r ，s e a t t l e ( u s ) t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c h e r s a r e t r y i n gt om a k et r a v e lo nt h ea r t e r i a lr o u t e sm o r ep r e d i c t a b l eb yu s i n gd a t ac o l l e c t e d f r o mc i t yb u s e s ，t h ee u r o p e a nc o m m i s s i o nf o r e c a s t sas t i l lh e a v yi n c r e a s eo fv e h i c l e k i l o m e t e r s t ok e e pm o b i l i t yi nf u t u r et h ee u r o p e a nc o m m i s s i o nh a si n i t i a t e dt h e e s a f e t yp r o g r a m m et o r e d u c et h er o a df a t a l i t i e sb y5 0 u n t i l2 0 1 0a n df u r t h e r i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr o a dt r a f f i c 叶a st h ef u t u r ep o t e n t i a l o fp a s s i v es a f e t y m e a s u r e si sl i m i t e d ，n e wa c t i v es a f e t ym e a s u r e sa r en e e d e dt oo p e nt h ea d d i t i o n a l s a f e t yp o t e n t i a ln e e d e de g p r e v e n t i n ga c c i d e n t s t h i sp a p e rp r e s e n t sak i n do fi n t e rv e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns i m u l a t e ds y s t e m b a s e do na dh o cn e t w o r ki no r d e rt os u p p l y “a p p r o a c h i n ge m e r g e n c yv e h i c l e w a r n i n ga n db r a k i n g ” 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 p r o j e c ts i g n i f i c a n c ea n d s o u r c e 1 2 1p r o j e c tt o p i ca n ds o u r c e p r o j e c tt o p i c ：r e s e a r c ho ni n t e rv e h i c l ec o m m u n i c a t i o nb a s e do na dh o c n e t w o r k p r o j e c ts o u r c e ：c o r p o r a t i o nc o m m i s s i o nv r o j e c t 1 2 2p r o j e c ts i g n i f i c a n c e v e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o n sc a bb r i n gv a l u a b l er e w a r d si nt e r m so fs a f e t y , a l l o w i n gc o n s t a n t ，r e a l - t i m es h a r i n go fi n f o r m a t i o nt h a tw i l lh e l pw a r no fh a z a r d sa n d a l s op o t e n t i a l l yr e g u l a t et h ef l o wo ft r a f f i c i nt h i sw a yt h es y s t e m sw i l lp r o v i d ean e w d i m e n s i o ni nv e h i c l es a f e t y ，w i t ha s s i s t a n c eo fs o m ep a s s i v es y s t e m s ，s u c ha sa b s a n da i r b a g s i no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n dh o wi t si sc h a n g i n gt h et r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，a n dh o wt e c h n o l o g i e sc a nb eu s e dt oa c c o m p l i s ht h i s ，i ti si m p o r t a n t t ol o o k a tt h ep o t e n t i a lf u n c t i o n so fi t sw i t h i ne a c ho ft h ef o u rk e yc o m p o n e n t so ft h es y s t e m ： t h ev e h i d e ，t h eu s g i ，t h ei n f r a s t r u c t u r e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h ev e h i c l e i t st e c h n o l o g i e sa l l o wt h ev e h i c l e si nt h es y s t e mt ob el o c a t e d ，i d e n t i f i e d ， a s s e s s e da n dc o n t r o l l e d t h ea b i l i t yt ol o c a t eav e h i c l eo nam a pi sk e yt os u c c e s s f u l f l e e tm a n a g e m e n ta n dt op r o v i d i n gi n v e h i c l en a v i g a t i o na n dr o u t i n ga d v i c e ，t h e a b i l i t yt oi d e n t i f y ( a s s e s sa n dc l a s s i f ”av e h i c l ew i t h o u ts t o p p i n go rs l o w i n gi t p e r m i t sm o r ee f f i c i e n ta n dc o s t e f f e c t i v ee n f o r c e m e n to fr e g u l a t i o n s ，t o l lc o l l e c t i o n a n du s e r p a ya p p l i c a t i o n s ，a n df a c i l i t a t e sb o r d e rc r o s s i n g s ，a s s e s s m e n to fv e h i c l es i z e ， w e i g h ta n do t h e rv e h i c l e r e l a t e ds a f e t yr e q u i r e m e n t s ，t r a c k i n go ff r e i g h to rc r i t i c a l c a r g om o v e m e n t s ，d a t ac o l l e c t i o n ，a n do t h e rr e l a t e df u n c t i o n s f i n a l l y ，e n h a n c e d a u t o m a t e dc o n t r o lf u n c t i o n so nv e h i c l e sc a nh e l pi m p r o v et h es a f e t ya n de f f i c i e n c yo f t h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h e u s e r i t so f f e r s n a v i g a t i o n ，p r o v i s i o n o ft r a v e l e ri n f o r m a t i o na n d m o n i t o r i n g c a p a b i l i t yt os y s t e mu s e r s n a v i g a t i o nc a p a b i l i t i e sc a ni n c l u d ei n 。v e h i c l en a v i g a t i o n ， 3 武汉理工大学硕士学位论文 r o u t eg u i d a n c ea n d ，w h e r ei t sm o n i t o r i n gi n f r a s t r u c t u r ei si n s t a l l e d ，d y n a m i cr o u t e g u i d a n c ei nr e s p o n s et oc h a n g i n gt r a f f i cc o n d i t i o n s t r a v e l e ri n f o r m a t i o np r o v i d e s m o t o r i s t sw i t hi n f o r m a t i o na n da d v i s o r i e so nt r a f f i ca n di n f r a s t r u c t u r ec o n d i t i o n sa s w e l la sa v a i l a b l es e r v i c e s i t sa b i l i t i e st om o n i t o rd r i v e rp e r f o r m a n c ea n dc o n d i t i o n s i no r d e rt od e t e c tf a t i g u e ，i n a t t e n t i o n ，o ro t h e rc i r c u m s t a n c e st h a tm i g h to t h e r w i s e r e s u l ti na na c c i d e n t ，c o u l dh e l pt o p r o v i d e as a f e ra n dm o r ec o m f o r t a b l e e n v i r o n m e n t n ei n f r a s t r u c t u r e i t sp r o v i d e sm o n i t o r i n g ，d e t e c t i o n ，r e s p o n s e ，c o n t r o la n da d m i n i s t r a t i o n f u n c t i o n si nt h i sd o m a i n t h em o n i t o r i n gf u n c t i o nc a na p p l yt os u c ha p p l i c a t i o n sa s w e a t h e ra n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s a sw e l la st ot r a f f i cc o n d i t i o n sa n dd a t a c o l l e c t i o n t h em o n i t o r i n go fv e h i c l e sd e t e c t sr a t eo ff l o wo fv e h i c l e so nar o a d ( i e c o n g e s t i o n ) ，i n c i d e n t s ，a n d v e h i c l e sa tc e r t a i nl o c a t i o n ss u c ha st r a f f i cs i g n a l s ， i n t e r c h a n g ep o i n t s o nh i g h w a y so ra t g r a d er a i l c r o s s i n g s r e s p o n s ec a p a b i l i t i e s i n c l u d er e s p o n d i n gt oe m e r g e n c ya n dh a z a r d o u sm a t e r i a li n c i d e n t sa n dm a n a g e m e n t o fb o t hp l a n n e da n du n e x p e c t e de v e n t s c o n t r o lf u n c t i o n sr e f e rt ot h ek i n d so f a c t i v i t i e st h a ta r en o wd o n ew i t ht r a f f i cs i g n a l sa n do t h e rs u c hd e v i c e s f i n a l l y ，t h e a d m i n i s t r a t i o nf u n c t i o nr e l a t e st or e g u l a t o r y e n f o r c e m e n to rt o l l u s e r p r i c i n g i m p l e m e n t a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o ni sw h a tm a k e si t sw o r k t h ea b i l i t y t oe x c h a n g e i n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ea b o v et h r e ef u n c t i o n si nt h es y s t e mp r o v i d e st h en e c e s s a r y l i n k a g e st oa l l o wf o rt h eg a t h e r i n go fd a t at h a tc a nb ep r o c e s s e di n t oi n t e l l i g e n c e ，a n d c a nt h e nb eu s e dt od e t e r m i n ea n da c t i v a t ea p p r o p r i a t ec o m m a n da n dc o n t r o la c t i o n s i t i su r g e n tt od e v e l o pi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 1 3r e s e a r c hs t a t u s m u c ho fi t si n n o v a t i o ni n v o l v e st h ec o m b i n a t i o no ft e c h n o l o g yp r o d u c t st h a t i n d i v i d u a l l yh a v eu n d e r g o n er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n te l s e w h e r e c o m p o n e n ti t s t e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r s ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ( e g f i b r eo p t i cc a b l e s ) ， 4 武汉理工大学硕士学位论文 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ( e g f o rs h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ) ，a n ds e n s o r s ( e g m i c r o w a v e ) w e r ca l ld e v e l o p e da n dp e r f e c t e df o ro t h e rp u r p o s e s c o n s e q u e n t ly m u c ho fi t sr & dt e n d st ob ef o c u s e do np u t t i n gan e ws y s t e mo ra p p