C2R-BC2模型（通用4篇）
C2R-BC2模型 篇1
0 引言
IEC 61850采用面向对象分析的方法, 通过对现实世界的具体对象进行虚拟、抽象、封装等手段, 建立了完整的变电站的信息模型。IEC 61850标准要求独立应用功能和通信, 标准化两者之间的中性点接口, 并在变电站自动化系统的组件之间需要进行数据交换。由于发送的IEC 61850-9-1标准数据是点对点的通信方式, 不能被各个合并单元之间共享[1,2];而且IEC 61850-9-2标准既没有规定个体是实体或产品, 也不强制计算机系统中的实体以及接口实现[3]。因此IEC 61850-9-2标准中要求合并单元必须实现灵活配置, 需要设备支持基于TCP/IP传输的MMS协议栈[3]。所以, 本文采用面向对象自我描述的方法, 使得合并单元能够直接从网络获取配置信息, 以此来降低人工配置信息的成本和人工配置的出错率;同时采样值报文可以满足不同用户和制造商传输不同信息对象和应用功能发展的要求, 提高了IED设备间互操作性, 增强了合并单元配置的灵活性。
1 合并单元的信息模型
合并单元 (MU) 作为电子式互感器、智能一次设备、传统互感器与智能二次设备的中间环节[4], 接收一次设备的信号, 并验证、汇总采样的数据, 采用通信的形式向变电站的间隔层传递数字采样合并值[5]。所以, 合并单元作为变电站过程层数字化的一种实现方式[5], 其在IEC 61850标准下的信息模型的研究具有现实意义。
变电站自动化通信系统模型的层次结构包括服务器 (Server) 、逻辑设备 (LD) 、逻辑节点 (LN) 、数据对象 (DO) 和数据属性 (DA) 等部分[8]。服务器用于封装逻辑节点和数据, 外界可通过其提供的接口进行访问。逻辑设备是一种虚拟设备, 用来汇集有关的逻辑节点和数据集[6], 在本文中具体指合并单元 (MU) 。
以MU的A相电流采样值为例, 构成合并单元的信息模型, 如图1所示。其中MU1是MU对应的逻辑设备的实例;phsa TCTR表示A相保护电流逻辑节点;逻辑节点TCTR表示电流互感器, 后缀1为测量用, 不带后缀1为保护用。电流/电压互感器逻辑节点的数据以采样值信息和额定相电流/电压信息为主, 则Amp表示采样值电流信息, 是此逻辑节点的强制数据;ARtg表示额定相电流信息, 是可选数据[7]。
A相保护电流的采样值phsaTCTR.Amp作为数据对象, 它的数据属性包括测量值 (instMag) 、q (品质) 、t (时标) 、units (单位) 、sVC (比例系数) 等, 信息模型的任何操作归根到底就是数据属性的读写操作。数据属性的操作根据用途的不同, 其功能约束FC (Functional Constraint) 也不同, 如数据属性的值可读但不可写的测量值功能约束 (MX) , 数据属性的值可读写且写入后立即生效的配置信息功能约束 (CF) [8]。
2 信息模型属性的映射
信息模型的属性有4个不同层次的语义空间, 这4个语义空间必须完整映射到虚拟制造设备 (VMD) , 并通过与之对应的MMS服务实现对实际设备的控制。IEC 61850对象与MMS对象的映射关系如图2所示, 其中VMD的产品信息等特定资源存放在Domain (域) 中;各种抽象变量存储在Named Variable (命名变量) 中。由于能够存储结构化变量, 信息模型属性中的LN、DO和DA都映射到了Named Variable[9]。Domain和Named Variable都是VMD的对象子集。
若确定了所述的信息模型属性的映射对象, 就可以确定MMS服务是与信息模型通信服务相对应的。由于MSVCB的属性是以数据对象及其属性的形式存在, 故其映射为VMD中的Named Variable。而与Named Variable对应的MMS读服务为Read, 则G e t M S V C B V a l u e s应映射为M M S的R e a d ; 与Named Variable对应的MMS写服务为Write, 故Set MSVCBValues应映射成MMS的Write。
3 合并单元的传输模型
3.1 采样值传输的一般模型
采样值传输是合并单元最主要的功能服务, 采样值传输过程由发布方的采样值控制SVC决定, 可以选用多路采样值控制块 (MSVCB) 和单路采样值控制块 (USVCB) [8], 前者采用组播的传输方式, 后者采用单播的传输方式。MSVCB通信功能包括Send MSVMessage (采样值传输) 、Get MSVCBValues (控制块属性读取) 和Set MSVCBValues (控制块属性设置) [8]。合并单元引用的采样值传输模型就是采用MSVCB, 以多路广播采样值 (MSV) 报文格式单向发送采样值, 不需要回复确认, 能够有效地利用信道的带宽。另外, 由于具有良好的实时性, 发布方和订阅方能够动态接入或退出。
采样值的传输可以采用IEC 61850-9-1/2 标准。IEC 61850-9-1标准只能支持Send MSVMessage传输服务, 无法提供Get (Set) MSVCBValues的通信服务, 也不支持ASCI服务, 采样值报文格式固定, 内容仅含采样值, 而没有采样值的状态品质等信息。因此IEC 61850-9-1不能满足过程总线的通信要求。
IEC 61850-9-2标准支持以下3种服务功能:
(1) Send MSVMessage服务, 映射到数据链路层中, 可实现采样值数据帧发送; (2) Get MSVCBValues服务, 映射到MMS中, 可以读取采样值控制块值; (3) Set MSVCBValues服务, 映射到MMS中可设置采样值控制块值。但IEC 61850-9-2要求达到外部可视特性及其一致性, 在工程应用中较难得到满足。
3.2 基于IEC 61850-9-2标准的采样值传输模型
采样值传输包括采样值报文传输和采样值控制块读/写[10]。采样值报文传输基于ISO/IEC 8802-3规定的数据链路层映射[3], 以太网方式进行传输。采样值报文传输虽然简单但是实时性强, 故采用FPGA实现。采样值控制块读/写基于IEC 61850-8-1规定的制造报文规范 (MMS) 映射[3], 可以对采样值的传输属性 (例如采样频率、数据集等) 进行控制, 实现对采样值传输模型的灵活配置。采样值传输模型如图3所示。
采样值控制模块实现复杂, 可以采用ARM系统。因此, 本文采用ARM+FPGA结构的合并单元方案, 对基于IEC 61850-9-2标准的采样值传输模型作详细说明。
对于Send MSVMessage服务, MSVCB不断地查询采样值, 即TCTR和TVTR中由数据集公共数据类SAV派生而来的数据对象和数据属性 (如图3中数据对象的A相电流采样值LD1/phsa TCTR.Amp) , 只要采样值发生变化, 就立刻刷新发送缓冲, 向外广播/组播发送采样值 (SMV) 报文。网络上的节点将接收到的MSV报文后放在接收缓存中。订阅者需要获得采样数据, 并查询在接收缓存中是否有需要的数据 (Request) , 返回需要更新的数据 (Response+) 。
对于Set MSVCBValues服务, 客户机通过Set MSVCBValues服务向ARM发送设置控制请求, ARM从数据缓冲区中获得采样频率、数据集等信息, 设置发布者控制模块的属性。设置完之后ARM向客户机发送设置控制响应。如图3中对控制块属性的设置:Name=MSVCB1;Ref=MU1/LLN0.MSVCB1;Msv TD=1;Dat Set=MU1/LLN0.DS1;Smp Rate=48。
对于Get MSVCBValues服务, 客户机从ARM的配置文件中获得MSVCB实例的语义路径作为服务对象, 发起MMS的read服务。在ARM接收到检索的MSVCB路径名、功能约束或获得数据值的请求报文后, 首先由通信映射程序将读指示服务的服务原语识别为Get MSVCBValues.Request和MSVCB的实例名, 然后, 由相应的Get MSVCBValues.Request服务的应用程序访问内存数据库中的MSVCB实例, 读取数据集的数据对象及其数据属性值 (如数据对象中A相电流的采样值LD1/phsa TCTR.Amp和额定相电流LD1/phsa TCTR.ARtg等信息) 。最后执行结果以Get MSVCBValues.Response服务的形式反馈给通信映射程序, 并映射为MMS的读响应服务。
采样值控制块读/写服务的实现要映射到MMS的Read/Write服务, 故要求设备能够支持基于TCP/IP传输的MMS协议栈。由于IEC 61850-9-1仅支持底层传输的网络驱动程序有很大变动, 相关设备的大量系统资源将被占用, 工程实现有较大难度, 不能明确凸显IEC 61850标准过程层总线通信的优势。但IEC 61850-9-2既没有规定个体是实体或产品, 也不强制计算机系统中的实体以及接口实现。因此, 本文将通过预配置采样值控制块, 进行IEC 61850-9-2采样值传输, 突出IEC 61850-9-2通道配置灵活、互操作性高的特点。
本文将12路采集信号 (7路电流量和5路电压量) 预配置为Phs Meas1和Phs Meas2这2个数据集, Phs Meas1包括4路保护值, Phs Meas2包括8路测量值, 由MSVCB01和MSVCB02两个采样控制块分别传输。MSVCB01负责4路保护值的传输, MSVCB02负责8路测量值的传输, 传输频率为800点/s, 采集1个点, 发送5个保护数据包。在IEC 61850-9-2帧格式中的以太网类型Ethertype默认为0x88BA, 以太网类型PDU的应用标识APPID默认为0x4000, 采样值控制块sv ID固定, 根据工程需要预配置采样值数据集, 实现采样值数据集面向工程实际间隔灵活配置的同时避免了MMS映射的实现困难[11]。
4 合并单元信息的灵活配置
上位机将配置信息经FTP方式发送到合并单元中, 合并单元通过对配置信息的读取, 对采集频率等相关信息进行灵活设置。合并单元信息的灵活配置对采样值的传输模型没有影响, 只对传输的参数进行更改。配置信息的内容包括采样频率、各相的额定电压和额定电流、每帧报文中的采样值的个数、IEC 61850-9-2的目的地址和源地址、采样值传输延时需要进行补偿的角度等。
当上位机对合并单元的配置信息进行更改, 通过Set MSVCBValues服务对相关信息进行重新设置;合并单元发送报文的格式不发生改变, 但是发送报文的内容将作出相应的更改。同时, 还可以通过Get MSVCBValues服务从配置信息中读取相关数据参数, 利用读取的数据进行采样值标定、SMV包序号计算以及采样值延时补偿等相关处理。
合并单元在完成这些处理之后, 将相关信息 (主要是电子式互感器的电压、电流采样值及其附加信息) 按照IEC 61850-9-2标准的帧打包发送给上位机/其他IED设备。上位机/其他IED设备接收合并单元发送的报文, 可以用相关软件对接收到的报文进行解析, 从而获得报文中发生变化的各种采样值信息和配置信息, 实现对合并单元信息的灵活设置, 进而增强IED设备间的互操作性。
本文通过Packet Cap网络报文分析软件对合并单元发出的采样值报文进行解析, 图4为Packet Cap对合并单元发送的IEC 61850-9-2采样值报文的解析界面。
从图中可看到合并单元所发出的IEC 61850-9-2采样值报文中所包含的采样值信息和配置信息;可看出合并单元发送的采样值报文符合IEC 61850-9-2标准。该报文中包含1个ASDU, 合并单元的ID识别码为SEUEE_MU001, 配置版本号为1, 并与时间同步信号实现同步采样, 由于一个APDU中只包含了1个ASDU, 所以在4 k Hz的采样频率下, IEC 61850-9-2采样值报文的发送频率为4 k Hz。Packet Cap作为专门解析变电站报文的软件, 还具有分析采样值报文内部包含的各通道的实时采样值并将采样值以波形的方式还原出来的功能, 从图4可以看出各通道的实时采样值。
另外, 当合并单元接收采样值数据的线路相序发生变化 (不是固定的A-B-C, 也可能是C-B-A) 时, 也可以通过更改配置信息中输入通道的顺序, 使得合并单元获得正确的各相电流电压数据。
5 结语
面向智能变电站的信息描述数字化、信息采集集成化、信息传输网络化的发展要求, 本文深入地分析了面向对象自我描述的合并单元, 通过预配置采样值控制模块, 进行基于IEC 61850-9-2标准的采样值传输。同时还结合合并单元信息的灵活配置, 分析了其对采样值传输参数的影响, 验证了信息配置的正确性, 突出了IEC 61850-9-2通道配置灵活、互操作性高的特点, 对于工程实践具有参考借鉴意义。
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C2R-BC2模型 篇2
按照目前管理规定,驾照的获得要通过“科目一”“科目二”“科目三”和“科目四”4门考试,考试依次进行,前科通过方能进入下科考试.“科目二”为场地考试,考试中心由于场地所限,每批分配的考试名额指标按照各驾校前期的通过率来操作,而且所分配的指标不能满足学员的需求.从驾校方面来说,如何合理分配“科目二”的考试名额指标,提高通过率,进而获得更多的下期考试中心名额指标,进入良性循环发展是极为重要的.
我校机电学院卓越驾校现有教练39位,每位教练所带学员数及前期通过率见表1,学员共计269人,现有208个考试名额指标,如何分配名额指标更具公平合理性?
二、模型建立及求解
名额分配问题就是研究名额如何分配,公平性是其基本要求.因此,驾校在分配指标时要公平、合理,综合考虑教练所带学员的多少、教练水平等因素进行.最早的名额分配采用比例分配方法,随之发现这种方法易出现矛盾结果———亚拉巴马悖论.为了解决这一矛盾,1974年公平分配的五条公理产生(即人口单调性、无偏性、名额单调性、公平分摊性和接近份额数).1982年有学者提出了Q方法,同年证明了“B—Y不可能原理”,即同时满足五条公理的分配方案是不存在的,因此,绝对公平是没有的,这样相对公平性就变得重要了.前面提到的Q方法就是构造了相对公平系数,通过比较这个系数来进行分配.同样,随后产生的D'hondt法、新Q值法、相对尾数法、最大概率法、最大熵法、最小极差法、遗传算法、0-1规划法及χ2拟合法等等,大都是基于相对公平意义的方法.在与驾校管理方的研讨并比较各方法的优劣后,本文采用χ2拟合法来进行名额分配.
(一)模型假设与符号设定
1. 模型假设
(1)每个教练的学员之间没有差异;
(4)每个教练的通过率由“科目一”“科目二”“科目三”共同确定.
2. 符号设定
N———考试中心分配的当期名额;
m———驾校的教练数;
pi———教练Ai的学员数;
ri———教练Ai的综合通过率;
ni———教练Ai的名额分配数.
(二)2χ2拟合法及其解法
1. χ2拟合法模型
由数理统计理论可知,χ2值反映了实际分配数与理论分配数的吻合程度:其值越小,两者之差越小,反之两者之差越大.因此,名额分配问题的数学模型为P1:
2.模型P1的求解
(1)模型的转化:
模型P1通过数学软件求解,但实际操作有一定的难度.下面对模型进行转化,使操作更为方便.
假设N个名额时分配给教练Ai为ni(i=1,…,m)是公平合理的,现考虑增加一个名额,记增加一个名额时教练Ai的名额为n'i(i=1,…,m),不妨假设这名额分配给教练Ak,令
则对模型P1,考虑统计量
(2)算法:
模型P1的方法是动态的,名额逐次进行分配:
三、模型的计算结果及分析
依据上面的算法采用Matlab编程计算得到模型结果如表1,序号i对应教练Ai,第2列为教练Ai所带的学员数,表中后两列是对教练Ai的考试分配名额,其中“分配名额1”为用χ2拟合法的分配名额,“分配名额2”为用传统的比例分配法的分配名额.两种方法的结果具有明显的差异性:χ2拟合法恰好分配完名额,然而用比例法分配的总数为206人,剩余2人由于同比例数超过2而不能分配下去,只能采用不完全分配法.
参考文献
[1]王若鹏,徐红敏.基于χ2拟合优度检验的席位公平分配模型[J].系统工程理论与实践,2014,34(7):1732-1738.
C2R-BC2模型 篇3
1 材料与方法
1.1 试验仪器与材料
人结肠腺癌细胞系Caco-2细胞, 由浙江大学药学院药物分析与药物代谢研究室提供;DMEM培养基:Gibco公司 (Grand Island, N Y) ;超滤胎牛血清 (FBS) :Gibco公司;Dulbeeo′s磷酸缓冲液、胰酶:Gibco公司;非必需氨基酸 (NEAA) :Gibco公司;碱性磷酸酶试剂盒购自南京建成生物技术公司;跨膜电阻仪 (Millipore, 美国) ;12孔Transwell培养板购自 (Corning, 美国) 。
1.2 方法
1.2.1 细胞模型的建立
将Caco-2细胞培养于含10%胎牛血清的DMEM高糖培养基进行培养, 培养条件:37℃, 5%CO2, 相对湿度90%。培养液每2天更换一次, 并用倒置显微镜观察细胞的生长情况。当细胞生长至紧密连接状态时, 将细胞进行传代培养。实验所用的传代数在20～60代之间。将上述细胞取0.5mL种植在12孔Transwell板上, 接种浓度为1×105cell/mL。转运槽肠腔侧 (AP侧) 加入0.5mL培养基, 基底侧 (BL侧) 加入1.5mL培养基, 前7天每48h更换1次培养液, 以后每24h更换1次培养液, 待细胞长到20～22d备用。
1.2.2 细胞模型的评估
通常情况下, 用于评价Caco-2细胞模型单细胞层紧密性与完整性用倒置显微镜进行形态学检查, 并用跨膜电阻仪测量Caco-2细胞单层的TEER值, 同时测定漏出标志物被动扩散的跨膜通量荧光素钠:Caco-2细胞在Transwell板内生长达21d后, 吸弃培养液, 在AP和BL侧均加入预热至37℃的PBS;吸弃, 再加入预热的PBS, 37℃, 5%CO2条件下培养20min;吸弃, 再加入预热的PBS, 37℃, 5%CO2条件下培养20min。吸弃PBS, 在A侧加0.5mL Lucifer Na (20μg/mL) , B侧加1.5mLPBS, 在, 37℃, 5%CO2条件下培养2h, 取BL的转运液, 在Ex=485nm, Em=530nm的条件下, 检测荧光强度, 根据标准曲线, 计算Lucifer yellow CH在BL侧转运液的浓度。根据公式Papp=V/ACo.dC/dt (cm/s) [4], 计算Lucifer yellow CH在的表观渗透系数Papp。采用ALP/AKP试剂盒考察Caco-2细胞单层的碱性磷酸酶的活性, 并评价其生长分化特征。
1.2.3 数据分析
采用SPSS软件进行分析。
2 结果
2.1 细胞形态
从图1可以看出, Caco-2细胞经消化传代后, 随着培养时间的延长, 可以观察出细胞生长密集并逐渐贴壁, 不断和周围细胞融合成片。光镜下细胞生长均匀, 边界清晰, 可清楚地看到细胞之间的接触。在Transwell板中5～7d左右形成一层致密的膜, 从而形成紧密的细胞单层 (见图2) 。
2.2 跨膜电阻值
选取在Transwell板内生长0、3、9、14、21d的Caco-2细胞, 吸弃培养液, 在A侧和B侧均加入预热至37℃的PBS缓冲液, 转移至培养箱, 37℃, 5%CO2条件下培养20min。用PBS溶液浸泡过夜的灭菌电极, 连上跨膜电阻仪后, 检测单层细胞两侧的跨膜电阻。所测得的样品电阻值减去空白膜 (及未接种细胞) 的电阻值, 求其平均值, 即为Caco-2细胞单层的电阻值。结果见图3, 可见随着培养时间的延长, 细胞单层两侧之间的跨膜电阻也逐渐增加, 斜率增大, 至第21天可达到500Ω/cm2左右。
2.3 荧光素钠跨膜通量检测
根据公式Papp=V/ACo.dC/dt (cm/s) , 计算Lucifer yellow CH在的表观渗透系数Papp值, 结果见表1。Papp为4.45×10-7cm/s, 小于通透实验规定的0.5×10-6cm/s值。
(n=6)
2.4 碱性磷酸酶检测
如图4所示, 当细胞培养到5、21d时, 其标志酶—碱性磷酸酶已大部分被限制在刷状缘一侧, 刷状缘一侧的酶活性远大于基底膜一侧的酶活性, 表明细胞生长已经形成了极性, 刷状缘朝向培养液一侧, 基底膜朝向多聚碳酸酯膜。
3 讨论
本文建立了Caco-2细胞模型并对其进行了完整性验证, 电镜条件下观察了细胞单层分化情况, 并用碱性磷酸酶检测细胞的极性;同时, 还测定了单细胞层的电阻和荧光黄跨膜通量。通过电镜观察, 细胞在形态学上分化良好, 紧密连接以及微绒毛。电阻随培养天数增加而增大, 在第21d时到达500Ω/cm2, 符合文献报道要求[5]。作为标志物的荧光素钠试剂来检测单层细胞的完整性, 荧光黄在8h内的Papp为4.45×10-7cm/s, 小于通透实验规定的0.5×10-6cm/s值, 表明单细胞层非常紧密。碱性磷酸酶是肠上皮细胞刷状缘的标志酶, 是分析肠上皮细胞分化程度及反映其功能状态的酶。检测Caco-2细胞在不同生长时间内碱性磷酸酶的浓度变化, 可以确定Caco-2单层细胞极性及其功能。通过加入碱性磷酸酶试剂后比较第5天与第21天的Caco-2细胞单层, 后者颜色加深, 显色全面, 表明酶活性随时间增加而增强。本实验室培养的Caco-2细胞模型, Caco-2细胞在形态上与小肠上皮细胞类似, 细胞生长具有较好的完整性, 且细胞可以产生极性分化, 跨膜电阻值、荧光素钠透过量均符合要求[6], 因此, 可作为模拟小肠吸收的体外模型。
摘要：目的:建立Caco-2细胞体外吸收模型并对其进行评估。方法:将细胞接种在Transwel转运培养槽的微孔滤膜上, 进行体外培养。采用细胞形态学、跨膜电阻值 (TEER) 和表观渗透系数 (Papp) 及碱性磷酸酶活性等指标对细胞模型进行检测。结果:培养21d后, 细胞间形成紧密连接, 跨膜电阻值达到恒定值, 为500Ω/cm2, 表观渗透系数低于0.5×10-6cm/s;肠腔侧碱性磷酸酶活性显著高于基底侧酶活性。结论:在本实验室条件下构建的Caco-2细胞模型在形态上与小肠上皮细胞相似, 细胞已产生极性, 可作为小肠吸收的体外模型。
关键词：Caco-2细胞,吸收,跨膜电阻,表观渗透系数,碱性磷酸酶
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C2R-BC2模型 篇4
换道驾驶是驾驶人根据自身驾驶特性,针对周围车辆的车速、间隙等周边环境信息的刺激调整并完成自身驾驶目标策略[1]的一系列驾驶操作。换道过程中还必须兼顾车辆的横向和纵向控制,考虑换道过程中的快速性,平顺性和安全性,是一个难度很大也容易引发道路交通事故、造成经济损失的驾驶环节,也是安全辅助驾驶领域中的研究热点之一。目前已有学者专门针对车道变换行为特性的交通安全影响进行了分析[2,3],建立了各种常见情形下车辆换道模型[4]、提出了换道算法[5]以及相应的仿真验证方法。
车载自组网(Vanet)将自组网技术应用于车辆间通信,使司机能够在超视距的范围内获得其他车辆的状况信息(如车速、方向、位置、刹车板压力等)和实时路况信息[6]。车辆换道时,在Vanet环境下就能通过无线传输实现车车通信来实时获得其他车辆,特别是当前车道和目标车道相关车辆的实时状态信息,从而使驾驶人可以更好的结合自身状况分析当前操作的可行性以及安全性,同时还可以实时辅助换道过程,使换道过程更快速,更平顺,提高道路交通安全及效率。VanetMobiSim作为一种可以为Vanet提供真实交通流的仿真工具,可以在微观和宏观方面建立移动车辆模型,而且生成的移动车辆Trace文件可以直接导入不同的网络仿真器,如NS-2、QualNet和GloMoSim。
本文结合VanetMobiSim和目前网络研究领域应用最为广泛的网络仿真软件之一的NS-2[7]这两种仿真工具,建立仿真场景,并考虑车车通信对模型各参数的影响,改变各参数值进行对比,从而分析车载自组网对车辆换道效率及安全性等各方面的影响。
1 仿真工具及车辆移动模型
车载自组网移动模型仿真器(vehicular ad hoc networks mobility simulator vanetMobiSim,VanetMobiSim)是对CanuMobiSim的扩展,其框架中包括一系列的移动模型以及对各种格式地理信息数据源的解析器和一个可视化单元模块[8]。作为一款通用的交通流仿真器,软件由Java编写并且拥有独立的平台和仿真器。另外,它是一款开源免费的车辆移动产生器,它可以和网络仿真软件进行联合仿真,包括Ns-2、QualNet以及GloMosim。VanetMobiSim可以采用不同的宏观、微观移动模型以及两者联合使用产生详尽的车辆移动跟踪文件,而且可以通过完全定制场景来仿真不同的交通场景。
1.1 VanetMobiSim的移动特性
根据车辆节点移动模型对交通场景的细节描述程度的不同,VanetMobiSim的移动特征分为微观和宏观移动性2类[9]。
1.1.1 宏观移动特性
宏观移动特性不仅涉及到道路的拓扑,还包括路面结构(单向或双向,单车道或多车道),道路特征(如速度限制,车辆类型限制)以及交通标志(停车标志,红绿灯等)。
VanetMobiSim所提供的扩展集中很重要的1个模型就是车辆空间模型,它允许用用户自定义、随机产生、地理数据文件(GDF)、TIGER地图4种方式定义道路拓扑结构。
本文选取的是第1种,即应用Eurecom.Usergraph.UserGraph Extension的自定义的道路拓扑结构,更具实际代表性,并且也更利于结果分析。
1.1.2 微观移动特性
车辆微移动性包括所有与车辆的速度以及加速度相关的描述,负责处理车辆速度的平稳改变、车辆队列管理、交通堵塞以及超车等效果。VanetMobiSim中车辆模型主要是对交叉口管理的智能驾驶模型(intelligent driving model with intersection management IDM＿IM,)和换道过程中的智能驾驶模型(intelligent driving model with lane changing IDM＿LC,)的支持,它们都是微观层面的移动模型。前者详尽的描述了车车之间以及交叉口的管理,后者则集成了一个超车模型MOBIL,它与IDM＿IM配合完成换道以及加减速时的驾驶管理。两者都考虑多车流的相互作用,其操作与路面基础设施相一致,为了引进由交通标志以及多车道道路管理的十字路口模块,这些模型对IDM进行了拓展,它们是CanuMobisim中与现实车辆场景最吻合的模型。
本文重点考虑仿真车辆换道时的交通状况,在此对IDM＿LC作详细分析。
1.2 VanetMobiSim中的IDM＿LC模型
IDM＿LC将IDM＿IM扩展成为具备多车道以及超车的功能。在此我们重点分析当车辆接近十字路口时驶向街道右边的情况。在超车模型IDM＿LC中采用了Mobil模型[10],这主要是因为该模型与IDM模型相互兼容。该模型采用的策略为,如果换道能够最小化制动次数那么该模型就允许车辆驶向另一条车道。利用式(1)和(2)进行判断:
式中:a1、a为换道车辆在候选车道和当前车道加速度;acur、a1cur为当前车道的跟随车辆在换道前和换道后加速度;anew、a1new为候选车道的跟随车辆在在换道前和换道后的加速度;athr为加速度阈值aaafe为加速度安全值;abian为促使车辆靠右车道行驶的加速度偏见值;P为礼貌因子。
当式(1)满足时,该模型允许车辆驶入车道1。也就是说,就加速度而言,如果驾驶人改变车道a1-a所获得的好处比跟随车辆在当前车道acur-a1cur以及候选车道anew-a1new行驶时就进行换道操作大,才能进行换道。Mobil模型也考虑礼貌因素(politeness factor)p,p的值对应相应的礼貌程度,从而获得对其他驾驶人的礼貌行为。例如,当p趋向于零(或者小于零)时,驾驶人就会变得自私。加速度的阈值athr提出了允许车辆换道的最小的加速度,该最小加速度值是为了规避在边界情况下车辆跳入车道。增加偏见值abiss使得车辆在道路的一侧行驶:其中,该偏见值利于计算获得朝右边行驶结果,从而再现现实世界驾驶人在多车道上在右边行驶的倾向。最后,在任何情况下,不等式(2)表达的安全状况必须满足才能进行换道,这意味着车辆换道时,后面新到来的车辆不必进行急刹车(它的减速度必须高于安全值asafe)。
1.3 NS-2简介
NS-2是目前应用最为广泛的网络仿真软件之一,它同时还附带了一些分析工具,如Gawk、Nam等,便于研究人员对仿真数据进行分析和图形化显示。使用NS-2进行仿真的过程可用图1表示[11]。
本文应用NS-2对在VanetMobiSim中设计的不同情景下的车辆换道模型模拟的得到的移动Trace文件进行仿真,从而分析车辆换道时的车车通信与车辆换道效率和安全性之间的关系。实际操作时并未添加修改原有的C++类或添加新的协议,所以只是编写OTcl脚本设置了基本的参数进行了仿真,并由此将结果反馈到IDM＿LC模型中,修改相应的参数(比如安全换道时间t、礼貌因子P等)从而得到车车通信对交通流状况的影响。
2 仿真的实现与分析
在VanetMobiSim中利用XML格式的配置文件来进行宏观和微观模型参数的设置。在此,选取1 000m×1 000m的城市场景进行仿真,车道设置为常见的双向车道,选取不同的车流密度和车道数(双车道、3车道)为仿真变量。具体参数见表1,图2则给出了典型的车辆换道场景。
本文选取的道路拓扑结构为Eurecom.Usergraph.UserGraph实例,选取8个道路结点构建了简单的路段和交叉口模型。移动模型为Polito.Uomm.IDM＿LC实例,所以每个车辆都引入了带换道功能的智能驾驶人模型。图3所示为场景中(双车道)有30个车辆结点时仿真某时刻截图。
如果在Vanet环境下车车之间能够通信,那么车辆换道所需的安全换道时间t(默认为1.5s)就会减少而且模型的礼貌因素也需要做改变大。将VanetMobiSim生成的移动Trace文件能够通信时礼貌因子P(默认为0.5)应适量加(见图4)导入NS-2进行仿真。NS-2仿真参数设置见表2。因此考虑通信因素,改变移动模型中的这2个参数再分别进行仿真实验。分别在双车道和3车道时改变场景中的车辆结点数(10～50)进行仿真实验,根据所得实验数据,分析不同车密度和车道数时,考虑与不考虑车车通信影响车辆的平均速度,得到图5。
图5中,3L为3车道,相应的2L为2车道;V2V为考虑车车通信对模型的影响。从折线图分析可看出,随着场景中车辆结点的增加,平均速度都有所下降。3车道相对于2车道可以明显提高车辆平均速度,而考虑车车通信时不管在3车道还是两车道时都可以一定程度上改善交通效率。
3 总结及展望
本文在Vanetmobisim仿真软件中IDM＿LC车辆换道模型的基础上重新设计了仿真场景并对其进行了仿真分析,证实了VanetMobiSim和NS-2这两款仿真软件结合确实可以为VANET提供真实可靠的仿真平台,而且此联合仿真平台得出的仿真结果表明,考虑车车通信对换道模型的影响,车载自组网有助于对提高车辆换道效率及安全性,为进一步的研究提供了基础。车辆在道路上的驾驶行为具有复杂性,如换道,刹车,加减速等往往是综合的并不可预测的,本文仅结合两款优秀的仿真工具搭建了车载自组网换道时的仿真架构,构建了车辆换道模型,分析了车辆换道过程。在今后的工作中,将进一步分析车联网条件下各类典型交通行为的特点。
摘要：高速公路上驾驶人换道行为容易导致车辆碰撞事故。利用车载自组网(Vanet)车车通信提醒驾驶人在换道过程中可能遇到的危险,但在真实环境中测试车载自组网难度大,代价高。Vanet-MobiSim和NS-2分别是优秀的交通、网络仿真器,两者联合可以为车载自组网提供真实可靠的微观仿真平台。文中结合开源的VanetMobiSim中的智能驾驶人换道模型——IDMLC设计Vanet环境下的车辆换道模型,仿真产生不同车密度、车道数下的移动车辆Trace文件。将Trace文件导入开源的NS-2中进行仿真分析。结果表明,采用VanetMobiSim/NS-2联合仿真平台可以很好的模拟设计的不同情景下的车辆换道模型,车辆换道时的车车通信将使得车辆换道效率和安全性都得到提高。
关键词：VanetMobiSim,NS-2,车辆换道模型,仿真
参考文献
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