一种基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法，引入区块链、群智感知、边缘计算和5G技术建立终端‑边缘‑远端管理三层智能交通管理框架；对交通管理的安全性、延迟以及用户效用进行抽象并建立最大化交通管理安全性和用户效用以及最小化交通管理延迟的多目标优化模型；将上述多目标优化模型分解为三个子模型，分别是区块链优化、车辆任务计算以及基站子信道分配；设计基于深度强化学习的方法求解区块链优化子模型；利用分布式交替方向乘子法求解车辆任务计算子模型；设计双边匹配算法解决基站的子信道分配子模型。本发明专利技术提出了一种新的智能交通管理系统，为设计安全、高效、可行的智能交通管理系统提供了一种新的解决方案。

An intelligent traffic management method based on block chain enabled group intelligence perception

【技术实现步骤摘要】
一种基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法
本专利技术涉及车辆交通领域中智能交通管理系统，尤其涉及到一种基于区块链、群智感知、边缘计算和5G技术的终端-边缘-远端管理三层交通管理框架与人工智能算法、分布式交替方向乘子法和双边匹配算法相结合，对交通管理的安全性、延迟以及用户效用进行优化的智能交通管理系统。
技术介绍
生活水平的迅速提高使得城市中的车辆数量急剧增加，为了提供一个安全、高效的交通环境，智能交通管理变得越来越重要。然而现有的交通管理系统主要侧重于工程的角度，如交通信号灯的控制，不能提供司机有关发生的交通事件的服务。即使少量的交通管理系统引入了车联网以及群智感知，但是都忽略了交通管理的安全性问题。对于有效的交通管理系统，交通管理延迟和用户效用也可忽略。因此如何设计有效的交通管理系统来智能地管理交通且为司机提供交通有关服务并综合考虑交通管理的安全性、延迟以及用户效用需要研究人员进一步探索。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有研究的不足，提出基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法。本专利技术首次根据区块链、群智感知、边缘计算以及5G技术提出一个安全、高效、可行的终端-边缘-远端管理三层智能交通管理框架并通过人工智能算法、分布式交替方向乘子法以及双边匹配算法对交通管理的安全性、延迟以及用户效用进行优化，为设计有效的智能交通管理系统提供了一种新的方案。本专利技术的技术方案：一种基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法，步骤如下：(1)引入区块链、群智感知、边缘计算和5G技术建立终端-边缘-远端管理三层智能交通管理框架；1.1)终端层设计终端层包含车辆、注册机构和交通管理部门；其中车辆用于收集交通事件有关的数据；注册机构是一个可信的政府机构，并且负责交通管理中车辆以及路侧单元的注册以及奖励车辆；交通管理部门负责解决发生的交通事故；采用车辆群智感知技术并将车辆聚为不同的簇来分布式地、高效地收集交通数据，并引入区块链技术提供安全的数据收集环境和保证车辆在收集过程中的隐私保护以及数据安全；1.2)边缘层设计边缘层包含路侧单元和移动边缘计算服务器；由于车辆具有有限的计算能力和存储能力，区块链应用部署在路侧单元上，并安全存储所有车辆收集的数据以及在选择活跃矿工时车辆给路侧单元的本地分数；引入边缘计算并借助移动边缘计算服务器帮助车辆对收集到的数据进行处理；当簇头完成数据的收集，并将要通过数据处理提取出一条准确的消息时，有三种任务计算方式供簇头选择，分别是本地计算、将计算任务卸载到簇内成员以及将计算任务卸载到移动边缘计算服务器；1.3)远端管理层设计远端管理层包含部署计算服务器的基站；基站主要负责接收来自簇头的信息并验证信息的准确性，通知交通管理部门发生的事件，通过路侧单元通知车辆发生的事件以及通知注册机构相关簇头的奖励信息；将基站的信道划分为多个子信道，并且引入5G中非正交多址接入技术，即每个子信道同时为多个用户服务；(2)对交通管理的安全性、延迟以及用户效用进行抽象并建立最大化交通管理的安全性、用户效用且最小化交通管理延迟的多目标优化模型；2.1)抽象交通管理的安全性交通管理的安全性由区块链保证并根据如下公式计算区块链的安全性：其中，x为包含簇头m在数据收集过程中收集到的最后一个消息所对应的交易的块，λ为路侧单元被攻击者妥协的概率，A是区块链中活跃旷工的数量；2.2)抽象交通管理的延迟Step1：数据收集中的延迟包含数据收集的固有时间τ以及区块链的延迟；区块链的延迟计算如下：其中，是块的产生时间，是块达成共识所需要的时间；块的产生时间表达如下：其中，w是块的大小，即块x中包含的交易数，是块管理者A在生成块x时的CPU频率，lg和lh分别是验证一个签名和计算一个哈希值所需要的CPU周期数；最坏情况下块x的共识时间表达如下：其中，ψ是关于广播时间的一个常数，dx是共识过程中消息的大小，是旷工a的CPU频率，是从活跃旷工a到块管理者A的数据传输速率，zq是交易q的数据大小，而是块x的数据大小，是路侧单元集合，J是路侧单元个数，是矿工a在区块链上添加块x所需要的时间；Step2：在数据处理过程中，簇头m本地计算的任务延迟：其中，lk,m是连接移动边缘计算服务器k的簇头m的任务所需要的CPU周期数，是簇头m的CPU频率；卸载到移动边缘计算服务器时簇头m的任务延迟：其中，dk,m是连接移动边缘计算服务器k的簇头m收集到的数据的大小，是任务从簇头m到移动边缘计算服务器k的数据传输速率，是簇头m连接的移动边缘计算服务器k的CPU频率；卸载到簇内成员时簇头m的任务延迟：其中，Nk,m是簇头m的簇内成员数，是簇内成员n对于其所分配的卸载任务的任务延迟，计算入下：其中，ζk,m,n是簇头m卸载到簇内成员n的任务比例，是簇头m到簇内成员n的数据传输速率，是簇内成员n的CPU频率；考虑上述三种任务计算方式，簇头m在数据处理中的任务计算延迟：其中，αk,m,βk,m和γk,m是二元变量；Step3：设在数据上传的过程中簇头m在基站s的子信道中传输，则传输过程中信号与干扰加噪声比为：其中，Ps,m是连接基站s的簇头m的发射功率，Ps,i是连接基站s的簇头i的发射功率，是同时与簇头m在相同的子信道上传输的簇头集合，ξs,m,m是二元变量，hs,m和hs,i分别为簇头m和簇头i上传数据时的信道增益，σ2为加性白高斯噪声的方差；簇头m到基站s的数据上传速率为：其中，Bs是基站s的带宽，Ws是基站s的子信道数量；簇头m的上传延迟根据如下公式计算：其中，ds,m是簇头m提取的信息的数据大小；综合上述三步交通管理在数据收集、处理以及上传的延迟，交通管理的总延迟为：其中Tx是区块链延迟。2.3)抽象用户效用用户效用等于用户从注册机构中获得的奖励与其在数据处理中计算成本的差；簇头m获得的奖励表示为：其中，AoImax是交通管理延迟的上限；簇头m本地计算的成本为：其中，lk,m是任务所需要的CPU周期数，δk,m是簇头m运行一周期CPU的成本；簇头m将任务卸载到移动边缘计算服务器的成本为：其中，Pk,m是连接移动边缘计算服务器k的簇头m的发射功率，r是单位能量的价格，δk是移动边缘计算服务器k运行一周期CPU的价格；簇头m将任务卸载到簇内成员的成本为：其中，δn是簇内成员n运行一周期CPU的价格；综合考虑上述三种计算方式，簇头m的计算成本为：最后簇头m的效用表示为：2.4)建立最小化交通管理延迟、最大化交通管理安全性以及用户效用的多目标优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法，其特征在于，步骤如下：/n(1)引入区块链、群智感知、边缘计算和5G技术建立终端-边缘-远端管理三层智能交通管理框架；/n1.1)终端层设计/n终端层包含车辆、注册机构和交通管理部门；其中车辆用于收集交通事件有关的数据；注册机构是一个可信的政府机构，并且负责交通管理中车辆以及路侧单元的注册以及奖励车辆；交通管理部门负责解决发生的交通事故；/n采用车辆群智感知技术并将车辆聚为不同的簇来分布式地、高效地收集交通数据，并引入区块链技术提供安全的数据收集环境和保证车辆在收集过程中的隐私保护以及数据安全；/n1.2)边缘层设计/n边缘层包含路侧单元和移动边缘计算服务器；由于车辆具有有限的计算能力和存储能力，区块链应用部署在路侧单元上，并安全存储所有车辆收集的数据以及在选择活跃矿工时车辆给路侧单元的本地分数；/n引入边缘计算并借助移动边缘计算服务器帮助车辆对收集到的数据进行处理；当簇头完成数据的收集，并将要通过数据处理提取出一条准确的消息时，有三种任务计算方式供簇头选择，分别是本地计算、将计算任务卸载到簇内成员以及将计算任务卸载到移动边缘计算服务器；/n1.3)远端管理层设计/n远端管理层包含部署计算服务器的基站；基站主要负责接收来自簇头的信息并验证信息的准确性，通知交通管理部门发生的事件，通过路侧单元通知车辆发生的事件以及通知注册机构相关簇头的奖励信息；/n将基站的信道划分为多个子信道，并且引入5G中非正交多址接入技术，即每个子信道同时为多个用户服务；/n(2)对交通管理的安全性、延迟以及用户效用进行抽象并建立最大化交通管理的安全性、用户效用且最小化交通管理延迟的多目标优化模型；/n2.1)抽象交通管理的安全性/n交通管理的安全性由区块链保证并根据如下公式计算区块链的安全性：/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于区块链使能的群智感知的智能交通管理方法，其特征在于，步骤如下：
(1)引入区块链、群智感知、边缘计算和5G技术建立终端-边缘-远端管理三层智能交通管理框架；
1.1)终端层设计
终端层包含车辆、注册机构和交通管理部门；其中车辆用于收集交通事件有关的数据；注册机构是一个可信的政府机构，并且负责交通管理中车辆以及路侧单元的注册以及奖励车辆；交通管理部门负责解决发生的交通事故；
采用车辆群智感知技术并将车辆聚为不同的簇来分布式地、高效地收集交通数据，并引入区块链技术提供安全的数据收集环境和保证车辆在收集过程中的隐私保护以及数据安全；
1.2)边缘层设计
边缘层包含路侧单元和移动边缘计算服务器；由于车辆具有有限的计算能力和存储能力，区块链应用部署在路侧单元上，并安全存储所有车辆收集的数据以及在选择活跃矿工时车辆给路侧单元的本地分数；
引入边缘计算并借助移动边缘计算服务器帮助车辆对收集到的数据进行处理；当簇头完成数据的收集，并将要通过数据处理提取出一条准确的消息时，有三种任务计算方式供簇头选择，分别是本地计算、将计算任务卸载到簇内成员以及将计算任务卸载到移动边缘计算服务器；
1.3)远端管理层设计
远端管理层包含部署计算服务器的基站；基站主要负责接收来自簇头的信息并验证信息的准确性，通知交通管理部门发生的事件，通过路侧单元通知车辆发生的事件以及通知注册机构相关簇头的奖励信息；
将基站的信道划分为多个子信道，并且引入5G中非正交多址接入技术，即每个子信道同时为多个用户服务；
(2)对交通管理的安全性、延迟以及用户效用进行抽象并建立最大化交通管理的安全性、用户效用且最小化交通管理延迟的多目标优化模型；
2.1)抽象交通管理的安全性
交通管理的安全性由区块链保证并根据如下公式计算区块链的安全性：



其中，x为包含簇头m在数据收集过程中收集到的最后一个消息所对应的交易的块，λ为路侧单元被攻击者妥协的概率，A是区块链中活跃旷工的数量；
2.2)抽象交通管理的延迟
Step1：数据收集中的延迟包含数据收集的固有时间τ以及区块链的延迟；区块链的延迟计算如下：



其中，是块的产生时间，是块达成共识所需要的时间；块的产生时间表达如下：



其中，w是块的大小，即块x中包含的交易数，是块管理者A在生成块x时的CPU频率，lg和lh分别是验证一个签名和计算一个哈希值所需要的CPU周期数；
最坏情况下块x的共识时间表达如下：



其中，ψ是关于广播时间的一个常数，dx是共识过程中消息的大小，是旷工a的CPU频率，是从活跃旷工a到块管理者A的数据传输速率，zq是交易q的数据大小，而是块x的数据大小，是路侧单元集合，J是路侧单元个数，是矿工a在区块链上添加块x所需要的时间；
Step2：在数据处理过程中，簇头m本地计算的任务延迟：



其中，lk,m是连接移动边缘计算服务器k的簇头m的任务所需要的CPU周期数，是簇头m的CPU频率；
卸载到移动边缘计算服务器时簇头m的任务延迟：



其中，dk,m是连接移动边缘计算服务器k的簇头m收集到的数据的大小，是任务从簇头m到移动边缘计算服务器k的数据传输速率，是簇头m连接的移动边缘计算服务器k的CPU频率；
卸载到簇内成员时簇头m的任务延迟：



其中，Nk,m是簇头m的簇内成员数，是簇内成员n对于其所分配的卸载任务的任务延迟，计算入下：



其中，ζk,m,n是簇头m卸载到簇内成员n的任务比例，是簇头m到簇内成员n的数据传输速率，是簇内成员n的CPU频率；
考虑上述三种任务计算方式，簇头m在数据处理中的任务计算延迟：



其中，αk,m,βk,m和γk,m是二元变量；
Step3：设在数据上传的过程中簇头m在基站s的子信道中传输，则传输过程中信号与干扰加噪声比为：



其中，Ps,m是连接基站s的簇头m的发射功率，Ps,i是连接基站s的簇头i的发射功率，是同时与簇头m在相同的子信道上传输的簇头集合，是二元变量，hs,m和hs,i分别为簇头m和簇头i上传数据时的信道增益，σ2为加性白高斯噪声的方差；
簇头m到基站s的数据上传速率为：



其中，Bs是基站s的带宽，Ws是基站s的子信道数量；
簇头m的上传延迟根据如下公式计算：



其中，ds,m是簇头m提取的信息的数据大小；
综合上述三步交通管理在数据收集、处理以及上传的延迟，交通...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁兆龙，孙守铭，王小洁，张凯源，董沛然，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21