本發(fā)明涉及一種車載數(shù)據(jù)路由協(xié)議制定方法，尤其是涉及一種基于電動汽車網(wǎng)絡中最優(yōu)充電策略的車載數(shù)據(jù)路由方法。

背景技術：

車載自組織網(wǎng)絡是智能交通系統(tǒng)中重要的組成部分之一，其作為一項極具發(fā)展前景的技術對提升交通數(shù)據(jù)傳輸具有重要意義。在既定的網(wǎng)絡引入移動站點可顯著地提升實時數(shù)據(jù)交換或緊急交通信息傳遞的路由性能。如今，隨著無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展又催生了電動汽車車載自組織網(wǎng)絡，使得電動汽車能夠作為一個移動的數(shù)據(jù)傳遞中繼。通過電動汽車車載自組織網(wǎng)絡可以實現(xiàn)局部緊急信息或路況信息在整個網(wǎng)絡內的共享。

然而，電動汽車經常面臨電量耗盡的問題，其不得不進行及時得充電以保證數(shù)據(jù)傳遞的順利進行。通常，電動汽車充電站建有固定數(shù)量的充電接口，其在同一時間只能實現(xiàn)對一定數(shù)量電動汽車的充電?？紤]到電動汽車充電站設計容量、電動汽車充電時間及同一時刻所有的充電需求等因素，從而設計一種高效的充電調度策略是非常有挑戰(zhàn)性的工作。把電動汽車視為固定網(wǎng)絡中移動的數(shù)據(jù)傳輸載體時，主要有兩個問題有待解決：1.求取最優(yōu)的充電調度策略；2.滿足1的同時，建立一種有效的路由協(xié)議，其應當能夠融合電動汽車移動路由協(xié)議和固定站點路由協(xié)議。

目前，已有眾多學者提出了各式各樣的電動汽車充電調度策略，主要有以下幾種：(1).從電力系統(tǒng)運行角度出發(fā)，以電動汽車等待充電時間最短為目標，包括電力系統(tǒng)電壓或功率等約束，以期在滿足電動汽車充電的同時使得其充電行為對電力系統(tǒng)運行影響最小；(2).從電動汽車用戶角度出發(fā)，使電動汽車能夠在最近的充電站充電；上述兩種調度策略均只滿足電動汽車充電需求，并未發(fā)揮電動汽車在信息傳遞上的能力。在應用電動汽車進行信息傳遞領域，有學者提出了不考慮物理運動先驗信息的攜帶-轉發(fā)策略，電動汽車在周圍缺乏路由的情況下攜帶信息，當有其他電動汽車駛入其范圍內時則將攜帶信息傳遞給新的載體，但這種方法信息傳遞率低，具有很長的時間延遲。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術所存在的信息傳遞率低、不能兼顧充電需求和信息傳遞等的技術問題，提供一種在保證電動汽車正常行駛的前提下能夠極大地提升數(shù)據(jù)傳輸效率，降低數(shù)據(jù)傳輸成本并提升數(shù)據(jù)準時投遞率的基于最優(yōu)充電策略的車載數(shù)據(jù)路由方法。

本發(fā)明針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：一種基于最優(yōu)充電策略的車載數(shù)據(jù)路由方法，包括以下步驟：

S1、數(shù)據(jù)包加載至電動汽車：固定基站分布在網(wǎng)絡各處，當固定基站存在待發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，該固定基站會搜索附近要前往待發(fā)送數(shù)據(jù)包目的地的電動汽車；當電動車按照既定路線行駛時，其向固定基站發(fā)送Hello報文及包括目的地的既定的路線信息；當附近的固定基站收到電動汽車報文信息后做出是否將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包加載至該電動汽車判斷，如果判斷結果為加載，則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包加載至該電動汽車，如果判斷結果為不加載則流程停止；

S2、發(fā)送充電需求：在電動汽車按照既定路線行駛過程中，當電池電量下降至門檻值時，電動汽車會發(fā)送充電需求及當前電池狀態(tài)至集中充電調度服務商；

S3、充電站分配：集中充電調度服務商獲知所有電動汽車的充電需求及相關狀態(tài)信息，充電需求及狀態(tài)信息包括電池當前電量水平、電動汽車接下來的行駛軌跡、充電站是否有空置充電接口以及車載數(shù)據(jù)包的失效截止時間，通過優(yōu)化求解滿足盡可能多的充電汽車的充電需求，根據(jù)求解結果安排電動汽車至指定的充電站充電；

S4、數(shù)據(jù)包下放：當電動汽車載有多個有固定基站載入的數(shù)據(jù)包時，電動汽車需要根據(jù)其自身的行駛軌跡、電池電量水平以及數(shù)據(jù)包失效的截止時間來決定在何時何處將相應的數(shù)據(jù)包下放；當一個數(shù)據(jù)包被下放至固定基站后，需要等待加載至另一合適的電動汽車，依次類推直至數(shù)據(jù)包順利抵達目的地。

作為優(yōu)選，所述步驟S3中優(yōu)化求解具體為：

以滿足盡可能多充電汽車充電需求為目標，最終得到待充電電動汽車與其目標充電站的對應關系即為調度結果；

目標函數(shù)：

約束條件：

(1)充電站車輛容納限額約束：等待充電和正在充電的汽車總數(shù)不能超過充電站容納上限；

(2)數(shù)據(jù)信息截止時間約束：數(shù)據(jù)包傳輸時間應該小于所有數(shù)據(jù)包中失效截止時間的最小值；

(3)邏輯約束：每一臺電動汽車只能被分配至至多1個充電站進行充電；

其中，N_k表示在第k個充電站等待充電電動車及正在充電電動汽車總數(shù)；I_i,j為定義的一個指示函數(shù)，當?shù)趇輛電動汽車被分配至第j個充電站充電時其值取1，否則取0；Q_k表示第k個充電站所能容納的最大電動汽車數(shù)量(包括等待充電汽車和正在充電汽車)；Δt表示從充電調度至電動汽車充滿電的時間；T_i表示第i輛電動汽車所載數(shù)據(jù)信息失效的截止時間；

N表示向集中充電調度服務商發(fā)出充電請求的電動汽車總量；

J_i表示第i輛電動汽車是否被分配到某一充電站充電，若是則J_i等于1，若不是則J_i等于0。

作為優(yōu)選，所述步驟S1中，當附近的固定基站收到電動汽車報文信息后判斷是否將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包加載至該電動汽車的流程如下：

S11、確認該電動汽車是否還有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間，還有足夠空間則進入步驟S12，空間不足則流程停止；

S12、計算由該電動汽車將數(shù)據(jù)信息傳送至目的地所需的傳輸成本：

其中，C_i表示利用第i輛電動汽車傳輸數(shù)據(jù)的傳輸成本；C_m表示數(shù)據(jù)從電動汽車傳送至固定基站或從固定傳輸基站傳送至電動汽車所產生的傳輸成本；C_s表示從A_ij至A_dst最短路徑傳輸數(shù)據(jù)的成本；

如果傳輸成本比不采用電動汽車傳輸成本小且傳輸時間小于數(shù)據(jù)包失效的截止時間則認為該電動車為潛在的可選擇用于數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)哪繕耍?/p>

S13、將所有可選的電動車列表，選取傳輸成本最低的一輛電動汽車加載需要傳輸數(shù)據(jù)信息；若沒有滿足條件的電動汽車，則固定基站進行等待。

作為優(yōu)選，步驟S13中，為了避免無休止地等待，需要為數(shù)據(jù)包設置一個臨界時間，若等待時間超過臨界時間則不再考慮通過電動汽車這一移動中繼進行數(shù)據(jù)傳遞。

作為優(yōu)選，步驟S4中，數(shù)據(jù)包下放分為三種情況：

a).正常的數(shù)據(jù)包下放：承載數(shù)據(jù)包的電動汽車到達數(shù)據(jù)包目的地則對該數(shù)據(jù)包進行下放；

b).由于電動汽車電量耗竭發(fā)生的數(shù)據(jù)包下放：承載數(shù)據(jù)包的電動汽車在行駛過程中電池電量耗竭，向集中充電調度服務商發(fā)出的充電請求被持續(xù)拒絕，這種情況下，電動汽車無法繼續(xù)行駛至數(shù)據(jù)包目的地，不得不下放數(shù)據(jù)包從而令該數(shù)據(jù)包更換移動中繼；

c).由于電動汽車充電導致的數(shù)據(jù)包下放：當承載數(shù)據(jù)包的電動汽車在行駛過程中電池電量耗竭且相應的充電請求獲得集中充電調度服務商的應答時，該電動汽車進入充電站進行充電；此時，該電動汽車可以獲悉充電站中其他電動汽車的狀態(tài)信息，若存在比自己優(yōu)先到達數(shù)據(jù)包目的地的其他電動汽車則將數(shù)據(jù)包下放，從而使數(shù)據(jù)包能夠更早地到達目的地。

本發(fā)明制定了一種利用電動汽車進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔鬏斅酚蓞f(xié)議，同時考慮到電動汽車行駛過程中需要進行充電這一特點及數(shù)據(jù)包失效時間約束設計電動汽車最優(yōu)的充電調度策略。

本發(fā)明帶來的實質性效果是，能夠在充分照顧電動汽車充電需求且感知數(shù)據(jù)包截止時間的基礎上發(fā)揮電動汽車在既定交通網(wǎng)絡中的信息中繼作用，在保證電動汽車正常行駛的前提下能夠極大地提升數(shù)據(jù)傳輸效率，降低數(shù)據(jù)傳輸成本并提升數(shù)據(jù)準時投遞率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于電動汽車網(wǎng)絡中最優(yōu)充電策略的車載數(shù)據(jù)路由方法全景圖；

圖2是本發(fā)明的一種數(shù)據(jù)源動作流程圖；

圖3是本發(fā)明的一種數(shù)據(jù)包電動汽車載體動作流程圖；

圖4是本發(fā)明的一種充電請求滿足率與電動汽車數(shù)量相關關系圖；

圖5是本發(fā)明的一種數(shù)據(jù)傳輸費用與電動汽車數(shù)量相關關系圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例：本發(fā)明的技術方案采用如下步驟：

1).設計一個成本低效率高的路由機制，使電動汽車作為移動中繼。

2).在特定電動汽車網(wǎng)絡中充電站充電能力有限的情況下考慮數(shù)據(jù)包失效時間約束設計電動汽車最優(yōu)的充電調度策略。

所述的步驟1)中的設計一個成本低效率高的路由機制的具體思路為：

本發(fā)明主要用于解決電動汽車特定固態(tài)網(wǎng)絡中的高效數(shù)據(jù)傳輸路由問題，主要思路是：在這一特定固態(tài)網(wǎng)絡中，電動汽車充電站可以視為固定的基站，而電動汽車視為移動的基站。電動汽車作為移動的基站具備一定的無線傳輸范圍，其在行駛過程中由于需要進行充電便會與作為固定基站的電動汽車充電站之間存在數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目赡埽瑫r行駛的電動汽車之間也可進行數(shù)據(jù)信息的相互傳輸，概念圖如圖1所示。本發(fā)明的第一個目標是設計一個成本低效率高的路由機制，使電動汽車作為移動中繼可以減少固定基站的建設數(shù)量；第二個目標是在特定電動汽車網(wǎng)絡中充電站充電能力有限的情況下求取電動汽車最優(yōu)的調度策略，希望能夠延長電動汽車作為數(shù)據(jù)信息載體的壽命。

假設電動汽車沿著事先既定的行駛路線行駛，特別是一些行駛規(guī)律的電動汽車如電動大巴、班車等。固定基站可以將信息數(shù)據(jù)傳輸給附近無線傳輸范圍內的電動汽車或者附近另外的固定基站。同時假設電動汽車集中充電調度服務商能夠根據(jù)電動汽車當前位置及電池狀態(tài)獲悉電動汽車的充電需求，電動汽車向集中充電調度服務商上傳充電需求以及集中充電調度服務商向電動汽車下達充電調度指令則通過已有的基礎設施網(wǎng)絡實現(xiàn)。本發(fā)明沒有計及可能對電動汽車行程造成延遲的實時交通狀況的影響。

所述的步驟1)中的設計一個成本低效率高的路由機制，具體內容為：

(1)數(shù)據(jù)包加載至電動汽車：固定基站分布在網(wǎng)絡各處，當固定基站存在待發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，該固定基站會搜索附近要前往待發(fā)送數(shù)據(jù)包目的地的電動汽車。當電動車按照既定路線行駛時，其向固定基站發(fā)送Hello報文及包括目的地的既定的路線信息。當附近的固定基站收到電動汽車報文信息后需要做出是否將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包加載至該電動汽車：首先，確認該電動汽車是否還有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間，其次，估計由該電動汽車將數(shù)據(jù)信息傳送至目的地所需的傳輸成本：

其中，C_i表示利用第i輛電動汽車傳輸數(shù)據(jù)的傳輸成本；C_m表示數(shù)據(jù)從電動汽車傳送至固定基站或從固定傳輸基站傳送至電動汽車所產生的傳輸成本；C_s表示從A_ij至A_dst最短路徑傳輸數(shù)據(jù)的成本。

如果傳輸成本比不采用電動汽車傳輸成本小且傳輸時間小于數(shù)據(jù)包失效的截止時間則認為該電動車為潛在的可選擇用于數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)哪繕?。最后，將所有可選的電動車列表，選取傳輸成本最低的一輛電動汽車加載需要傳輸數(shù)據(jù)信息。若沒有滿足條件的電動汽車，則固定基站進行等待，但是為了避免無休止地等待，需要為數(shù)據(jù)包設置一個臨界時間，若等待時間超過臨界時間則不再考慮通過電動汽車這一移動中繼進行數(shù)據(jù)傳遞。相應的流程圖如圖2所示。

(2).發(fā)送充電需求。在電動汽車按照既定路線行駛過程中，當電池電量下降至門檻值時，電動汽車將會發(fā)送充電需求及當前電池狀態(tài)至集中充電調度服務商，流程如圖3所示。

(3).充電站分配。集中充電調度服務商獲知所有電動汽車的充電需求及相關狀態(tài)信息，包括電池當前電量水平、電動汽車接下來的行駛軌跡、充電站是否有空置充電接口之后，通過優(yōu)化求解滿足盡可能多的充電汽車的充電需求，根據(jù)求解結果安排電動汽車至指定的充電站充電。相應的優(yōu)化模型在后續(xù)介紹。

(4).數(shù)據(jù)包下放。當電動汽車載有多個有固定基站載入的數(shù)據(jù)包時，電動汽車需要根據(jù)其自身的行駛軌跡、電池電量水平以及數(shù)據(jù)包失效的截止時間來決定在何時何處將相應的數(shù)據(jù)包下放，具體的流程如圖3所示。當一個數(shù)據(jù)包被下放至固定基站后，需要等待加載至另一合適的電動汽車，依次類推直至數(shù)據(jù)包順利抵達目的地。

具體地，數(shù)據(jù)包下放又分為三種情況：

a).正常的數(shù)據(jù)包下放：承載數(shù)據(jù)包的電動汽車到達數(shù)據(jù)包目的地則對該數(shù)據(jù)包進行下放。

b).由于電動汽車電量耗竭發(fā)生的數(shù)據(jù)包下放：承載數(shù)據(jù)包的電動汽車在行駛過程中電池電量耗竭，向集中充電調度服務商發(fā)出的充電請求被持續(xù)拒絕，這種情況下，電動汽車無法繼續(xù)行駛至數(shù)據(jù)包目的地，不得不下放數(shù)據(jù)包從而令該數(shù)據(jù)包更換移動中繼。

c).由于電動汽車充電導致的數(shù)據(jù)包下放：當承載數(shù)據(jù)包的電動汽車在行駛過程中電池電量耗竭且相應的充電請求獲得集中充電調度服務商的應答時，該電動汽車進入充電站進行充電。此時，該電動汽車可以獲悉充電站中其他電動汽車的狀態(tài)信息，若存在比自己優(yōu)先到達數(shù)據(jù)包目的地的其他電動汽車則將數(shù)據(jù)包下放，從而使數(shù)據(jù)包能夠更早地到達目的地。

所述的步驟2)中在特定電動汽車網(wǎng)絡中充電站充電能力有限的情況下考慮數(shù)據(jù)包失效時間約束設計電動汽車最優(yōu)的充電調度策略的具體思路為：

在網(wǎng)絡中充電站數(shù)量有限且存在許多電動汽車行駛途中需要充電的情況下，電動汽車將會向充電調度服務商發(fā)送充電需求，充電調度服務商在綜合考慮所有充電需求后對每一輛電動汽車下達指令：允許其至某特定充電站進行充電或者認為其充電需求尚不迫切拒絕其在該時段進行充電。不難想象，影響充電調度決策的主要因素有當前充電需求負荷大小、已調度的正處于充電中的電動汽車負荷大小以及電動汽車當前位置與充電站的相對距離。為此，本發(fā)明提出了一種電動汽車充電調度優(yōu)化算法，能夠最大可能地滿足電動汽車充電需求，且在此基礎上提出了一種利用電動汽車作為數(shù)據(jù)信息載體的傳輸機制。

所述的步驟2)中在特定電動汽車網(wǎng)絡中充電站充電能力有限的情況下考慮數(shù)據(jù)包失效時間約束設計電動汽車最優(yōu)的充電調度策略的具體數(shù)學模型為：

本發(fā)明在制定電動汽車充電調度策略時將等待調度電動汽車的狀態(tài)信息、已經調度正在充電的電動汽車狀態(tài)信息以及車載數(shù)據(jù)包失效截止時間作為輸入信息，以滿足盡可能多充電汽車充電需求為目標，最終得到待充電電動汽車與其目標充電站的對應關系即為調度結果。

目標函數(shù)：

約束條件：

(1)充電站車輛容納限額約束：等待充電和正在充電的汽車總數(shù)不能超過充電站容納上限。

(2)數(shù)據(jù)信息截止時間約束：數(shù)據(jù)包傳輸時間應該小于所有數(shù)據(jù)包中失效截止時間的最小值。

(3).邏輯約束：每一臺電動汽車智能被分配至至多1個充電站進行充電。

其中，N_k表示在第k個充電站等待充電電動車及正在充電電動汽車總數(shù)；I_i,j為定義的一個指示函數(shù)，當?shù)趇輛電動汽車被分配至第j個充電站充電時其值取1否則取0；Q_k表示第k個充電站所能容納的最大電動汽車數(shù)量(包括等待充電汽車和正在充電汽車)；Δt表示從充電調度至電動汽車充滿電的時間；T_i表示第i輛電動汽車所載數(shù)據(jù)信息失效的截止時間。

具體實施例如下：

在一個虛擬的舊金山市中心算例上測試本發(fā)明。該算例分布在面積為830×790m²大小的區(qū)域上，包括719個固定基站和20條特定的電動汽車行駛軌跡以及6個充電站。測試過程中，隨機選取100個固定基站作為數(shù)據(jù)源，單臺電動汽車所能承載的最大數(shù)據(jù)包數(shù)量為10?；谝陨蠝y試算例，對以下內容進行了測試：

1.測試本發(fā)明情況下電動汽車充電請求滿足率與電動汽車數(shù)量的關系，并與最近充電算法做比較。相應的結果如圖4所示，可以看出在電動汽車數(shù)量較少時，本文算法和傳統(tǒng)的最近充電算法均能完全滿足電動汽車充電要求，但當電動汽車數(shù)量增多時，本發(fā)明算法對電動汽車充電要求的滿足率更高

2.測試數(shù)據(jù)傳輸成本與電動汽車數(shù)量的關系，并與僅依賴固定基站傳輸方法做比較。相應的測試結果如圖5所示，可以看出僅依靠固定基站進行數(shù)據(jù)傳輸時傳輸費用與電動汽車數(shù)量無關且傳輸費用高，本發(fā)明方法下，數(shù)據(jù)傳輸費用隨電動汽車數(shù)量的增加而逐步下降并且始終小于僅依靠固定基站進行傳輸?shù)姆绞?。這不難理解，因為電動汽車越多，數(shù)據(jù)可選擇的傳輸路徑越多，從而導致了傳輸成本的下降。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了數(shù)據(jù)包、固定基站、充電需求等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。