分布式交通網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法研究及應(yīng)用制造技術(shù)

分布式交通網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法研究及應(yīng)用。本發(fā)明專利技術(shù)提出了基于博弈論的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法，以分布式交通仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，借鑒博弈論的思想，提出了基于博弈論的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析來驗(yàn)證了算法的優(yōu)越性。算法首先對(duì)道路的費(fèi)用函數(shù)進(jìn)行定義，并通過理論推導(dǎo)證明該函數(shù)存在納什均衡；然后，采用迭代生長(zhǎng)的方式來對(duì)地圖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始分割；最后，道路將根據(jù)費(fèi)用函數(shù)計(jì)算自身的費(fèi)用，并根據(jù)自身的費(fèi)用來決定是否進(jìn)行遷移以及遷移的目的終端，直到完成整個(gè)路網(wǎng)的均衡；并且在仿真系統(tǒng)運(yùn)行中再次出現(xiàn)不均衡狀況時(shí)，同樣也可以依據(jù)道路的費(fèi)用來對(duì)道路進(jìn)行遷移，并再次達(dá)到均衡狀態(tài)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)依據(jù)自主開發(fā)的分布式微觀交通網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，在該平臺(tái)上設(shè)計(jì)了混合模式的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡模型，模型采用CS和P2P的結(jié)合來完成，總控端與仿真終端間以CS的模式存在，而仿真終端和仿真終端之間以P2P的模式存在。借鑒博弈論中納什均衡的思想，將單個(gè)道路看作玩家，并給出道路費(fèi)用的計(jì)算函數(shù)，以輪流的方式讓其做出是否遷移的選擇。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)本專利技術(shù)提出的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法與經(jīng)典的遞歸對(duì)分算法進(jìn)行了比較。
技術(shù)介紹
交通問題的日益嚴(yán)重，使得行業(yè)內(nèi)外的專家學(xué)者都對(duì)交通問題作了深入的分析和研究。但由于交通問題本身涉及到的因素眾多，因此，利用真實(shí)的交通環(huán)境來對(duì)交通問題的根本原因進(jìn)行研究存在一定的困難，必須借助于交通仿真系統(tǒng)來對(duì)交通現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)觀察、分析和研究等工作，通過交通仿真系統(tǒng)對(duì)交通道路網(wǎng)絡(luò)以及運(yùn)行車輛進(jìn)行仿真，不僅可以對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的各種參數(shù)以及環(huán)境影響等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且可以為相關(guān)部門評(píng)估現(xiàn)有路網(wǎng)或規(guī)劃新道路提供有效依據(jù)，是如今分析和評(píng)估城市交通路網(wǎng)規(guī)劃和交通管理最有效的方式，有著傳統(tǒng)模型無法與之相比的優(yōu)勢(shì)。在交通仿真領(lǐng)域，微觀交通仿真以單個(gè)車輛為研究對(duì)象，能夠更加精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)中交通網(wǎng)絡(luò)道路狀況、交通參與者的行為等的重現(xiàn)，因而被認(rèn)為是當(dāng)今分析解決許多交通問題最準(zhǔn)確、有效的方法之一。但是，在以單個(gè)交通實(shí)體為研究對(duì)象的情況下，微觀交通仿真系統(tǒng)的計(jì)算量極大。在路網(wǎng)規(guī)模較小時(shí)，串行微觀仿真系統(tǒng)的計(jì)算效率尚接受范圍內(nèi)。當(dāng)路網(wǎng)規(guī)模較大時(shí)，其仿真結(jié)果難以用于進(jìn)行交通控制，仿真所花費(fèi)的時(shí)間超過了被仿真交通系統(tǒng)的物理時(shí)間，雖然使用高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠在性能上提高計(jì)算速度，減少仿真時(shí)間，但是一般的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)花費(fèi)較高，用于通常的交通仿真性價(jià)比較低，因此，沒有得到推廣和普及。通常更多時(shí)候，會(huì)使用分布式交通仿真系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模交通道路網(wǎng)絡(luò)的仿真。如何盡量動(dòng)態(tài)復(fù)平衡仿真終端之間的仿真任務(wù)并減少仿真終端之間的通信開銷是分布式交通仿真中的關(guān)鍵問題。在分布式交通網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中，為了減少系統(tǒng)的仿真時(shí)間，提高系統(tǒng)的仿真效率，引入動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡是必不可少的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提出了基于分布式交通仿真的路網(wǎng)模型設(shè)計(jì)，依據(jù)自主開發(fā)的分布式微觀交通網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，在該平臺(tái)上設(shè)計(jì)了混合模式的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡模型。該模型采用CS和P2P的結(jié)合來完成，總控端與仿真終端間以CS的模式存在，而仿真終端和仿真終端之間以P2P的模式存在。采用這樣的混合模式，即能夠使得終端間的仿真達(dá)到同步，也能夠減少終端與總控端的通信開銷，以局部平衡的方式來達(dá)到系統(tǒng)最終的均衡。本專利技術(shù)提出了基于博弈論的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法，借鑒博弈論中納什均衡的思想，將單個(gè)道路看作玩家，并給出道路費(fèi)用的計(jì)算函數(shù)，以輪流的方式讓其做出是否遷移的選擇。在之前的許多負(fù)載均衡類算法中，道路一般被動(dòng)進(jìn)行選擇。而在本文提出的算法中，道路作為玩家，主動(dòng)決定是否遷移。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)本專利技術(shù)提出的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法與經(jīng)典的遞歸對(duì)分算法進(jìn)行了比較，借助自主研發(fā)的分布式微觀交通仿真平臺(tái)，通過兩組實(shí)驗(yàn)，分別從固定車輛數(shù)變化終端數(shù)以及固定終端數(shù)變化車輛數(shù)來對(duì)算法的仿真速度、仿真時(shí)間方差、通信時(shí)間開銷總和、通信時(shí)間方差四個(gè)方面進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出基于博弈論的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法在仿真速度、仿真時(shí)間方差、通信時(shí)間開銷總和、通信時(shí)間方差四個(gè)方面都是優(yōu)于經(jīng)典的遞歸對(duì)分算法的。附圖說明圖1是路網(wǎng)模型組成圖；圖2是負(fù)載均衡算法組成模塊圖；圖3是交通網(wǎng)絡(luò)仿真路網(wǎng)分解圖；圖4是系統(tǒng)CS架構(gòu)和P2P架構(gòu)圖；圖5是混合模式的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡模型圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案作詳細(xì)說明。在微觀交通網(wǎng)絡(luò)仿真中，通常以車輛個(gè)體為單位對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)流進(jìn)行仿真。同時(shí)對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)和它們的相互作用進(jìn)行描述。其中路網(wǎng)模塊主要負(fù)責(zé)路網(wǎng)的構(gòu)建，使用路網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來展示真實(shí)世界中道路網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，路網(wǎng)的構(gòu)建主要包括道路的位置信息、車道情況、信號(hào)燈的分布以及周圍環(huán)境其他信息等，如圖1所示。動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡最理想的情況，是能夠達(dá)到系統(tǒng)中終端仿真時(shí)間相同的前提下，終端間的通信量最小。一般動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡包括三個(gè)模塊：信息收集模塊、決策模塊以及任務(wù)遷移模塊，如圖2所示。為了能達(dá)到更大的仿真規(guī)模，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文采用的分布式交通網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的仿真在仿真任務(wù)及路網(wǎng)上進(jìn)行了分解，使得交通網(wǎng)絡(luò)仿真中的不同任務(wù)由不同終端完成。例如仿真控制由仿真控制端來完成、仿真計(jì)算由仿真計(jì)算端完成、仿真結(jié)果顯示由顯示端完成等，各個(gè)終端相互獨(dú)立，同時(shí)互相影響。路網(wǎng)上的分解是指將整個(gè)需要仿真的交通網(wǎng)絡(luò)分解成若干個(gè)道路子網(wǎng)分別進(jìn)行仿真，如圖3所示。子網(wǎng)內(nèi)的交通狀況分別由不同的仿真終端完成，其中需要進(jìn)行仿真的交通狀況主要包括：車輛的狀態(tài)更新、交通控制設(shè)施(如紅綠燈)的設(shè)置、交通統(tǒng)計(jì)信息的收集等。同時(shí)，子網(wǎng)間也會(huì)因?yàn)樽泳W(wǎng)邊界車輛的進(jìn)出而產(chǎn)生通信量。本文采用的混合模式的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡模型如圖4所示。通過任務(wù)分解之后，仿真終端只需要負(fù)責(zé)車輛的仿真，而不需要耗費(fèi)資源來對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行顯示。能夠有效地提高系統(tǒng)的仿真效率。系統(tǒng)使用CS架構(gòu)來控制系統(tǒng)負(fù)載均衡的起止、參數(shù)設(shè)置等，使用P2P架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)終端間相互的信息傳遞，為之后的負(fù)載均衡提供有效數(shù)據(jù)?？偪囟烁鶕?jù)從仿真數(shù)據(jù)庫中查詢的數(shù)據(jù)來判別仿真終端是否處于均衡狀態(tài)，當(dāng)總控端判定仿真終端不處于均衡狀態(tài)的時(shí)候，向仿真終端發(fā)送動(dòng)態(tài)均衡命令。此時(shí)，收到動(dòng)態(tài)均衡命令的仿真終端將會(huì)在下一步仿真完成之后，停止仿真，并根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)共享的數(shù)據(jù)等來完成動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡。當(dāng)系統(tǒng)中的仿真終端完成再次均衡之后，系統(tǒng)開始繼續(xù)仿真，直到完成總控端要求的仿真時(shí)間。具體如圖5所示。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
提出了基于博弈論的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法，其特征在于：對(duì)道路的費(fèi)用函數(shù)進(jìn)行定義，并通過理論推導(dǎo)證明該函數(shù)存在納什均衡；采用迭代生長(zhǎng)的方式來對(duì)地圖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始分割；道路將根據(jù)費(fèi)用函數(shù)計(jì)算自身的費(fèi)用，并根據(jù)自身的費(fèi)用來決定是否進(jìn)行遷移以及遷移的目的終端，直到完成整個(gè)路網(wǎng)的均衡；并且在仿真系統(tǒng)運(yùn)行中再次出現(xiàn)不均衡狀況時(shí)，同樣也可以依據(jù)道路的費(fèi)用來對(duì)道路進(jìn)行遷移，并再次達(dá)到均衡狀態(tài)。

【技術(shù)特征摘要】
1.提出了基于博弈論的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法，其特征在于：對(duì)道路的費(fèi)用函數(shù)進(jìn)行定義，并通過理論推導(dǎo)證明該函數(shù)存在納什均衡；采用迭代生長(zhǎng)的方式來對(duì)地圖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始分割；道路將根據(jù)費(fèi)用函數(shù)計(jì)算自身的費(fèi)用，并根據(jù)自身的費(fèi)用來決定是否進(jìn)行遷移以及遷移的目的終端，直到完成整個(gè)路網(wǎng)的均衡；并且在仿真系統(tǒng)運(yùn)行中再次出現(xiàn)不均衡狀況時(shí)，同樣也可以依據(jù)道路的費(fèi)用來對(duì)道路進(jìn)行遷移，并再次達(dá)到均衡狀態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述，算法首先對(duì)道路的費(fèi)用函數(shù)進(jìn)行定義，并通過理論推導(dǎo)證明該函數(shù)存在納什均衡；然后，采用迭代生長(zhǎng)的方式來對(duì)地圖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始分割；最后，道路將根據(jù)費(fèi)用函數(shù)計(jì)算自身的費(fèi)用，并根據(jù)自身的費(fèi)用來決定是否進(jìn)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周世杰，廖永建，李志鵬，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51