面向干旱地区智能交通的集成式太阳能VANET时空协同优化框架

《Scientific Reports》：Solar-powered VANET architecture for sustainable and smart traffic management in arid regions

　　

摘要

能量自治的道路侧通信是实现可持续智能交通系统（ITS）的关键，尤其在干旱地区，该地区拥有丰富的太阳能资源且交通需求高度动态变化。现有的太阳能驱动车载自组织网络（VANET）方案通常将路侧单元（RSU）选址、激活调度和交通预测视为独立问题，限制了其协调长期基础设施布设与短期通信需求及能源供应的能力。本文提出了一种集成式太阳能VANET框架，在统一架构内协调这些空间与时间决策。离散灰狼优化（D-GWO）方法通过最大化交通覆盖率、网络中心性和太阳能收集潜力，同时惩罚冗余性，执行间距感知的RSU选址。交通感知占空比循环（TADC）控制器通过交通滞回、电池荷电状态保护和最小驻留时间来调控RSU运行。联合激活评分（JAS）将长期站点效用与运行时激活耦合，基于随机森林的交通预测模块实现主动调度；激活及时增益（ATG）指标量化了激活时机的改进效果。基于Ha'il市道路网络的轨迹驱动仿真，采用实测太阳辐照度和真实交通数据，表明所提出的框架实现了94.5–97.9%的分组投递率（PDR），将端到端时延（E2ED）降低了7–35毫秒，并使每个RSU的能耗降低了20–33%（相对于代表性基线），同时在评估条件下保持完全离网运行。预测辅助在交通高峰期间将RSU激活提前最多2.1分钟，且无需额外能量开销。这些结果表明，协调的时空设计可以同时提升通信可靠性、响应能力和能效，证明了在Ha'il拓扑、交通密度、辐照度轨迹和对数距离无线模型评估条件下，能量自治VANET运行的可行性。