分布式交通网络仿真平台的动态负载均衡算法研究及应用制造技术

分布式交通网络仿真平台的动态负载均衡算法研究及应用。本发明专利技术提出了基于博弈论的动态负载均衡算法，以分布式交通仿真平台为基础，借鉴博弈论的思想，提出了基于博弈论的动态负载均衡算法，并通过仿真实验和理论分析来验证了算法的优越性。算法首先对道路的费用函数进行定义，并通过理论推导证明该函数存在纳什均衡；然后，采用迭代生长的方式来对地图网络进行初始分割；最后，道路将根据费用函数计算自身的费用，并根据自身的费用来决定是否进行迁移以及迁移的目的终端，直到完成整个路网的均衡；并且在仿真系统运行中再次出现不均衡状况时，同样也可以依据道路的费用来对道路进行迁移，并再次达到均衡状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术依据自主开发的分布式微观交通网络仿真平台为基础，在该平台上设计了混合模式的动态负载均衡模型，模型采用CS和P2P的结合来完成，总控端与仿真终端间以CS的模式存在，而仿真终端和仿真终端之间以P2P的模式存在。借鉴博弈论中纳什均衡的思想，将单个道路看作玩家，并给出道路费用的计算函数，以轮流的方式让其做出是否迁移的选择。通过实验对本专利技术提出的动态负载均衡算法与经典的递归对分算法进行了比较。
技术介绍
交通问题的日益严重，使得行业内外的专家学者都对交通问题作了深入的分析和研究。但由于交通问题本身涉及到的因素众多，因此，利用真实的交通环境来对交通问题的根本原因进行研究存在一定的困难，必须借助于交通仿真系统来对交通现象实现观察、分析和研究等工作，通过交通仿真系统对交通道路网络以及运行车辆进行仿真，不仅可以对交通网络运行的各种参数以及环境影响等进行评价，并且可以为相关部门评估现有路网或规划新道路提供有效依据，是如今分析和评估城市交通路网规划和交通管理最有效的方式，有着传统模型无法与之相比的优势。在交通仿真领域，微观交通仿真以单个车辆为研究对象，能够更加精准的实现对现实中交通网络道路状况、交通参与者的行为等的重现，因而被认为是当今分析解决许多交通问题最准确、有效的方法之一。但是，在以单个交通实体为研究对象的情况下，微观交通仿真系统的计算量极大。在路网规模较小时，串行微观仿真系统的计算效率尚接受范围内。当路网规模较大时，其仿真结果难以用于进行交通控制，仿真所花费的时间超过了被仿真交通系统的物理时间，虽然使用高性能的计算机系统能够在性能上提高计算速度，减少仿真时间，但是一般的高性能计算机系统花费较高，用于通常的交通仿真性价比较低，因此，没有得到推广和普及。通常更多时候，会使用分布式交通仿真系统来实现大规模交通道路网络的仿真。如何尽量动态复平衡仿真终端之间的仿真任务并减少仿真终端之间的通信开销是分布式交通仿真中的关键问题。在分布式交通网络仿真平台中，为了减少系统的仿真时间，提高系统的仿真效率，引入动态负载均衡是必不可少的。
技术实现思路
本专利技术提出了基于分布式交通仿真的路网模型设计，依据自主开发的分布式微观交通网络仿真平台为基础，在该平台上设计了混合模式的动态负载均衡模型。该模型采用CS和P2P的结合来完成，总控端与仿真终端间以CS的模式存在，而仿真终端和仿真终端之间以P2P的模式存在。采用这样的混合模式，即能够使得终端间的仿真达到同步，也能够减少终端与总控端的通信开销，以局部平衡的方式来达到系统最终的均衡。本专利技术提出了基于博弈论的动态负载均衡算法，借鉴博弈论中纳什均衡的思想，将单个道路看作玩家，并给出道路费用的计算函数，以轮流的方式让其做出是否迁移的选择。在之前的许多负载均衡类算法中，道路一般被动进行选择。而在本文提出的算法中，道路作为玩家，主动决定是否迁移。通过实验对本专利技术提出的动态负载均衡算法与经典的递归对分算法进行了比较，借助自主研发的分布式微观交通仿真平台，通过两组实验，分别从固定车辆数变化终端数以及固定终端数变化车辆数来对算法的仿真速度、仿真时间方差、通信时间开销总和、通信时间方差四个方面进行了比较。实验结果表明，本文提出基于博弈论的动态负载均衡算法在仿真速度、仿真时间方差、通信时间开销总和、通信时间方差四个方面都是优于经典的递归对分算法的。附图说明图1是路网模型组成图；图2是负载均衡算法组成模块图；图3是交通网络仿真路网分解图；图4是系统CS架构和P2P架构图；图5是混合模式的动态负载均衡模型图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作详细说明。在微观交通网络仿真中，通常以车辆个体为单位对交通网络流进行仿真。同时对车辆的运动和它们的相互作用进行描述。其中路网模块主要负责路网的构建，使用路网的拓扑结构来展示真实世界中道路网络的结构，路网的构建主要包括道路的位置信息、车道情况、信号灯的分布以及周围环境其他信息等，如图1所示。动态负载均衡最理想的情况，是能够达到系统中终端仿真时间相同的前提下，终端间的通信量最小。一般动态负载均衡包括三个模块：信息收集模块、决策模块以及任务迁移模块，如图2所示。为了能达到更大的仿真规模，同时简化系统设计，本文采用的分布式交通网络仿真系统对交通网络的仿真在仿真任务及路网上进行了分解，使得交通网络仿真中的不同任务由不同终端完成。例如仿真控制由仿真控制端来完成、仿真计算由仿真计算端完成、仿真结果显示由显示端完成等，各个终端相互独立，同时互相影响。路网上的分解是指将整个需要仿真的交通网络分解成若干个道路子网分别进行仿真，如图3所示。子网内的交通状况分别由不同的仿真终端完成，其中需要进行仿真的交通状况主要包括：车辆的状态更新、交通控制设施(如红绿灯)的设置、交通统计信息的收集等。同时，子网间也会因为子网边界车辆的进出而产生通信量。本文采用的混合模式的动态负载均衡模型如图4所示。通过任务分解之后，仿真终端只需要负责车辆的仿真，而不需要耗费资源来对仿真的结果进行显示。能够有效地提高系统的仿真效率。系统使用CS架构来控制系统负载均衡的起止、参数设置等，使用P2P架构来实现终端间相互的信息传递，为之后的负载均衡提供有效数据。总控端根据从仿真数据库中查询的数据来判别仿真终端是否处于均衡状态，当总控端判定仿真终端不处于均衡状态的时候，向仿真终端发送动态均衡命令。此时，收到动态均衡命令的仿真终端将会在下一步仿真完成之后，停止仿真，并根据邻居节点共享的数据等来完成动态负载均衡。当系统中的仿真终端完成再次均衡之后，系统开始继续仿真，直到完成总控端要求的仿真时间。具体如图5所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
提出了基于博弈论的动态负载均衡算法，其特征在于：对道路的费用函数进行定义，并通过理论推导证明该函数存在纳什均衡；采用迭代生长的方式来对地图网络进行初始分割；道路将根据费用函数计算自身的费用，并根据自身的费用来决定是否进行迁移以及迁移的目的终端，直到完成整个路网的均衡；并且在仿真系统运行中再次出现不均衡状况时，同样也可以依据道路的费用来对道路进行迁移，并再次达到均衡状态。

【技术特征摘要】
1.提出了基于博弈论的动态负载均衡算法，其特征在于：对道路的费用函数进行定义，并通过理论推导证明该函数存在纳什均衡；采用迭代生长的方式来对地图网络进行初始分割；道路将根据费用函数计算自身的费用，并根据自身的费用来决定是否进行迁移以及迁移的目的终端，直到完成整个路网的均衡；并且在仿真系统运行中再次出现不均衡状况时，同样也可以依据道路的费用来对道路进行迁移，并再次达到均衡状态。2.如权利要求1所述，算法首先对道路的费用函数进行定义，并通过理论推导证明该函数存在纳什均衡；然后，采用迭代生长的方式来对地图网络进行初始分割；最后，道路将根据费用函数计算自身的费用，并根据自身的费用来决定是否进...

【专利技术属性】
技术研发人员：周世杰，廖永建，李志鹏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51