Projeto e análise de um sistema descentralizado e local para monitoramento de trânsito baseado no compartilhamento de dados colaborativos

Abstract

O constante aumento no número de acidentes e congestionamentos causa impactos negativos em diversas áreas, como economia, meio ambiente e saúde. Para minimizar os problemas de trânsito, é essencial que se conheça as condições da via. Como sistemas atuais para monitoramento automatizado de trânsito requerem alto custo de instalação e manutenção, especialmente por serem dependentes de uma estrutura que conecte os veículos a um elemento central (responsável por calcular e divulgar as condições da via), sistemas baseados em infraestruturas descentralizadas vêm ganhando força na comunidade cientifica. Todavia, sem o auxílio de dispositivos GPS, estes sistemas não são capazes de garantir que as informações mais recentes serão preservadas, devido à falta de sincronismo dos relógios internos de unidades de bordo e de acostamento. Este trabalho apresenta o DOCS4V (Decentralized and Offline Community-based System for Vehicles), um sistema descentralizado para monitoramento e divulgação das condições de trânsito baseado no compartilhamento de dados colaborativos, onde unidades de bordo e unidades de acostamento, que não precisam estar interligadas entre si, nem a um ponto central, trocam informações a fim de atualizar suas tabelas de condições sobre cada trecho da via. Alertas de obstáculos são propagados via broadcast como forma de disseminar as informações em tempo hábil aos veículos interessados. A falta de sincronismo entre os relógios é minimizada por meio de um mecanismo que atribui tempos de vida relativos para as informações geradas, a serem interpretados de acordo com o relógio local dos dispositivos. Cada dispositivo é responsável por decrementar a cada segundo o valor do tempo de vida útil da informação baseado no horário local. Para validar o funcionamento do DOCS4V em ambientes reais, simulações usando o padrão IEEE 802.11p foram executadas por meio do simulador de eventos discretos NS-3 integrado ao modelo de mobilidade IDM e ao modelo de troca de pista MOBIL. Como cenário, usou-se como referência as características físicas e de trânsito da Marginal Tietê, localizada na cidade de São Paulo, cuja análise histórica sobre volumes aponta um de seus trechos como o mais carregado da América do Sul. A comparação dos resultados obtidos com os dados de um GPS simulado mostram que DOCS4V é acurado em estimar as condições de trânsito e eficiente em disseminar alertas de obstáculos, com baixo atraso de rede, pequeno volume de tráfego e altos índices de quadros entregues com sucesso.

The steady increase in the number of accidents and congestions negatively impacts various areas, such as economy, environment and health. To minimize traffic problems, it is essential to know the road conditions. As current systems for automated traffic monitoring require expressive installation and maintenance, being dependent on a structure that connects vehicles to a central element (responsible for calculating and broadcasting the road conditions), systems based on decentralized infrastructures are gaining traction in the scientific community. However, without the aid of GPS devices, these systems are unable to ensure the preservation of the latest informa- tion, due to the lack of synchronization of the internal clocks of onboard and roadside units. This paper presents DOCS4V (Decentralized and Offline Community-based System for Vehicles), a decentralized system for monitoring and reporting on traffic conditions based on the sharing of collaborative data. Onboard and roadside units, which do not to be interconnected nor connected to a central point, exchange information in order to update their condition tables for each road segment. Information about obstacle alerts are broadcast to interested vehicles in a timely manner. The lack of synchronization between clocks is minimized through a mechanism that assigns a lifetime relative to generated information, to be interpreted according to the local clock of devices. Each device is responsible for decrementing the value of the information lifetime every second, based on the local time. To validate the performance of DOCS4V in real environments, simulations using the IEEE 802.11p standard were performed in the NS-3 discrete events simulator integrated with the IDM mobility model and lane change model, MOBIL. The study was based on the physical and traffic characteristics of Marginal Tietê, located in São Paulo, whose historical analysis about traffic volume indicates one of the stretches as being the most congestioned road in South America. The comparison between the obtained results and data from a simulated GPS shows that DOCS4V accurately estimates traffic conditions and efficiently disseminates obstacle alerts with low network delay, low traffic volume and a high rate of successfully delivered frames.