專利名稱:一種車載網(wǎng)絡(luò)rsu部署及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,屬于車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
車載自組網(wǎng)(Vehicular Ad-hoc Networks,簡(jiǎn)稱VANET)是安裝在車輛上的無(wú)線節(jié)點(diǎn)(本文簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn))和路邊單元(Roadside Unit,簡(jiǎn)稱RSU)組成的自組織異構(gòu)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò),通信模式包括節(jié)點(diǎn)之間自組織多跳通信(V-2-V =Vehicle to Vehicle)和節(jié)點(diǎn)與RSU之間通信(V-2-I =Vehicle to hfrastructure)。車載自組織網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)的MANET (Mobile Ad-hoc Networks)具有明顯的新特性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快、節(jié)點(diǎn)空間分布不均勻、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)軌跡受道路限制、節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和充足的電源供應(yīng)等。車載自組網(wǎng)的典型應(yīng)用包括交通管理、交通安全和城市監(jiān)測(cè)等。目前常用的RSU部署方式為基于規(guī)則形狀的RSU部署方式,此方法將地理空間劃分成若干個(gè)同等大小的規(guī)則幾何形狀,然后在每個(gè)小區(qū)域中部署一個(gè)RSU,鄰近的RSU之間使用無(wú)線或有線方式連接,形成骨干網(wǎng),車輛節(jié)點(diǎn)既可以進(jìn)行V-2-V方式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),也可以將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給RSU,從骨干網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如使用正方形將地理空間劃分為網(wǎng)格狀,在每個(gè)正方形中部署一個(gè)RSU,每個(gè)RSU與相鄰的四個(gè)RSU連接,RSU之間構(gòu)成了網(wǎng)格狀骨干網(wǎng)拓?fù)洹4朔椒ǖ奶攸c(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠,網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)RSU之間存在多個(gè)冗余路徑,當(dāng)部分 RSU發(fā)生故障或者數(shù)據(jù)擁塞時(shí),可以通過(guò)重新計(jì)算路由避開(kāi)這些RSU,因此能夠提供良好的可靠性。由于車輛節(jié)點(diǎn)在地理空間中呈現(xiàn)不均勻分布,存在車輛高密度的“熱點(diǎn)”區(qū)域。這些區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連通性較強(qiáng),節(jié)點(diǎn)間的多跳鏈路較為穩(wěn)定,即使不部署RSU也能獲得良好的數(shù)據(jù)分發(fā)性能。由于此技術(shù)在任意區(qū)域以同等密度部署RSU,因此造成了資源的浪費(fèi),無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能增強(qiáng)與部署成本降低之間的折中平衡。目前所用到的RSU輔助的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法為RSU周期性地廣播發(fā)送beacon消息, 接收到此消息的車輛節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送回應(yīng)消息與RSU建立連接。接入RSU的車輛節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算目的節(jié)點(diǎn)的距離,然后向RSU發(fā)送消息查詢RSU骨干網(wǎng)中是否存在距離目的節(jié)點(diǎn)更近的RSU,然后根據(jù)查詢結(jié)果確定是否將數(shù)據(jù)包上傳至RSU進(jìn)行輔助轉(zhuǎn)發(fā)。此方法中能夠接入 RSU的車輛節(jié)點(diǎn)的數(shù)量受到RSU無(wú)線傳輸范圍和部署密度的限制,出于成本考慮,RSU 一般采用稀疏部署方式,RSU的密度遠(yuǎn)不能提供整個(gè)地理空間的全覆蓋。只有行駛到RSU無(wú)線傳輸范圍內(nèi)的車輛節(jié)點(diǎn)能夠接入RSU,限制了接入RSU的車輛數(shù)量,沒(méi)有接入RSU的車輛節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲知RSU的位置以及骨干網(wǎng)的覆蓋范圍,不能較好地利用RSU骨干網(wǎng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì),對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成不利影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決目前車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法中因資源浪費(fèi)所造成的部署成本高的問(wèn)題以及RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的沒(méi)有接入RSU的車輛節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲知RSU的位置以及骨干網(wǎng)的覆蓋范圍造成的網(wǎng)絡(luò)性能不好的問(wèn)題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而提出一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法,該RSU部署方法的步驟如下1).利用地理網(wǎng)格將待部署RSU的區(qū)域進(jìn)行離散化處理;2).根據(jù)車輛在該區(qū)域中的車輛軌跡,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格中車輛位置點(diǎn)的個(gè)數(shù),確定該區(qū)域中的熱點(diǎn)位置;3).利用無(wú)向有權(quán)圖H = (V, E)表示各熱點(diǎn)之間的關(guān)系,V是頂點(diǎn)集表示熱點(diǎn),E 是邊集,邊的權(quán)值Wab代表在相應(yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間部署一條骨干鏈路的效率,效率定義為連通度增強(qiáng)效果與部署成本的比值,邊權(quán)值使用兩個(gè)“熱點(diǎn)”區(qū)域中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的和與地理距離的比值代替;4).建立鄰接矩陣C = (Cu)kxk,使用近似方法計(jì)算邊權(quán)值并存入相應(yīng)的矩陣元;5).利用I^rim算法計(jì)算熱點(diǎn)關(guān)系圖H的最大生成樹(shù);6).確定最大生成樹(shù)后,對(duì)樹(shù)中的每條邊,計(jì)算道路拓?fù)渲邢鄳?yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間最短距離的道路,即確定RSU的部署位置。所述的步驟2)的具體步驟如下1).根據(jù)車輛位置信息,計(jì)算每個(gè)地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目;2).計(jì)算所有時(shí)刻中每個(gè)待部署地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目的平均值;3).設(shè)定閾值,得到車輛密度比所設(shè)定閾值高的網(wǎng)格集合;4).調(diào)整閾值大小,確定不同數(shù)目車輛的熱點(diǎn)區(qū)域及熱點(diǎn)區(qū)域的個(gè)數(shù)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題還提供了一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,該RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法的步驟如下1).利用地理網(wǎng)格將待部署RSU的區(qū)域進(jìn)行離散化處理;2).根據(jù)車輛在該區(qū)域中的車輛軌跡,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格中車輛位置點(diǎn)的個(gè)數(shù),確定該區(qū)域中的熱點(diǎn)位置;3).利用無(wú)向有權(quán)圖H = (V, E)表示各熱點(diǎn)之間的關(guān)系,V是頂點(diǎn)集表示熱點(diǎn),E 是邊集,邊的權(quán)值Wab代表在相應(yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間部署一條骨干鏈路的效率,效率定義為連通度增強(qiáng)效果與部署成本的比值,邊權(quán)值使用兩個(gè)“熱點(diǎn)”區(qū)域中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的和與地理距離的比值代替;4).建立鄰接矩陣C = (Cu)kxk,使用近似方法計(jì)算邊權(quán)值并存入相應(yīng)的矩陣元;5).利用算法計(jì)算熱點(diǎn)關(guān)系圖H的最大生成樹(shù);6).確定最大生成樹(shù)后,對(duì)樹(shù)中的每條邊,計(jì)算道路拓?fù)渲邢鄳?yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間最短距離的道路,即確定RSU的部署位置;7).部署完成后的RSU將自身的標(biāo)識(shí)符和地理位置進(jìn)行周期性的廣播發(fā)送,處于 RSU覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送回應(yīng)消息直接接入RSU,并使用概率洪泛法擴(kuò)散RSU信息;8).節(jié)點(diǎn)檢查是否收到RSU消息,若沒(méi)有收到RSU信息則選擇與目的節(jié)點(diǎn)最接近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼,若收到RSU消息,則根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算自身與目的節(jié)點(diǎn)的距離,并向RSU發(fā)送包含目的節(jié)點(diǎn)位置的查詢消息后進(jìn)入步驟9);9). RSU收到消息后計(jì)算骨干網(wǎng)中距離目的節(jié)點(diǎn)最近的RSU的位置及其與目的節(jié)點(diǎn)的距離并返回查詢結(jié)果;
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10).車輛節(jié)點(diǎn)比較二者之間的大小,如果查詢到的骨干網(wǎng)中距離目的節(jié)點(diǎn)最近的 RSU的位置與目的節(jié)點(diǎn)的距離大于該節(jié)點(diǎn)自身與目的節(jié)點(diǎn)的距離,則無(wú)需使用RSU輔助轉(zhuǎn)發(fā),車輛在當(dāng)前鄰居中尋找合適的下一跳中繼,否則車輛將數(shù)據(jù)包發(fā)送至RSU進(jìn)行輔助轉(zhuǎn)發(fā),數(shù)據(jù)包被RSU骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至距離目的節(jié)點(diǎn)最近的RSU后,由該RSU尋找距離目的節(jié)點(diǎn)最近的車輛節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)。所述的步驟2)的具體步驟如下a.根據(jù)車輛位置信息,計(jì)算每個(gè)地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目;b.計(jì)算所有時(shí)刻中每個(gè)待部署地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目的平均值;c.設(shè)定閾值,得到車輛密度比所設(shè)定閾值高的網(wǎng)格集合;d.調(diào)整閾值大小,確定不同數(shù)目車輛的熱點(diǎn)區(qū)域及熱點(diǎn)區(qū)域的個(gè)數(shù)。所述的步驟7)中RSU是通過(guò)beacon消息周期性地廣播發(fā)送RSU信息的,且每個(gè)接收到此信息的車輛節(jié)點(diǎn)依該信息被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的負(fù)指數(shù)函數(shù)為概率向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播此信息。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將相鄰的RSU放置于彼此的無(wú)線傳輸范圍之內(nèi),能夠進(jìn)行直接數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā),并將多個(gè)RSU沿道路排列形成一條“骨干鏈路”,為兩個(gè)地理距離較遠(yuǎn)的位置提供連通性,能夠顯著地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性,增強(qiáng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)分發(fā)的性能, RSU將自身的標(biāo)識(shí)符和地理位置附在beacon消息中周期性地廣播發(fā)送,處于RSU覆蓋范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送回應(yīng)消息直接接入RSU,并且使用概率洪泛的方法擴(kuò)散RSU信息,使處在RSU無(wú)線傳輸范圍之外的節(jié)點(diǎn)也能夠獲知附近的RSU的部署信息。通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)概率函數(shù)的參數(shù),能夠保證廣播被限制在局部范圍,避免了網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)和廣播風(fēng)暴的發(fā)生。
圖1是本發(fā)明的RSU部署方法示意圖;圖2是本發(fā)明的RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的流程圖;圖3是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法實(shí)施例中的車輛行駛軌跡圖;圖4是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法實(shí)施例中的車輛密度分布圖;圖5是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法實(shí)施例中的規(guī)則部署示意圖;圖6是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法實(shí)施例中的RDS部署示意圖;圖7是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法實(shí)施例中的RSU部署數(shù)量示意圖;圖8是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法實(shí)施例中的三種部署方式的網(wǎng)絡(luò)連通比較圖;圖9是本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法實(shí)施例中的三種部署方式的平均時(shí)延結(jié)果比較圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法的實(shí)施例本實(shí)施例是基于預(yù)采集的真實(shí)車輛軌跡,計(jì)算得出了不同熱點(diǎn)閾值下RSU的部署方法,分析了對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性的增強(qiáng)效果以及與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比分析。該豐富的仿真工具采用赫爾辛基理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于Java環(huán)境的開(kāi)源仿真工具ONE (Opportunistic NetworkEnvironment simulator),仿真具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表一。表一仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
權(quán)利要求
1.一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法,其特征在于該RSU部署方法的步驟如下1).利用地理網(wǎng)格將待部署RSU的區(qū)域進(jìn)行離散化處理;2).根據(jù)車輛在該區(qū)域中的車輛軌跡,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格中車輛位置點(diǎn)的個(gè)數(shù),確定該區(qū)域中的熱點(diǎn)位置;3).利用無(wú)向有權(quán)圖H=(V,E)表示各熱點(diǎn)之間的關(guān)系,V是頂點(diǎn)集表示熱點(diǎn),E是邊集, 邊的權(quán)值 代表在相應(yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間部署一條骨干鏈路的效率,效率定義為連通度增強(qiáng)效果與部署成本的比值,邊權(quán)值使用兩個(gè)“熱點(diǎn)”區(qū)域中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的和與地理距離的比值代替;4).建立鄰接矩陣C=(Cjj)kxk,使用近似方法計(jì)算邊權(quán)值并存入相應(yīng)的矩陣元;5).利用I^rim算法計(jì)算熱點(diǎn)關(guān)系圖H的最大生成樹(shù);6).確定最大生成樹(shù)后,對(duì)樹(shù)中的每條邊,計(jì)算道路拓?fù)渲邢鄳?yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間最短距離的道路,即確定RSU的部署位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署方法,其特征在于所述的步驟2)的具體步驟如下1).根據(jù)車輛位置信息,計(jì)算每個(gè)地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目;2).計(jì)算所有時(shí)刻中每個(gè)待部署地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目的平均值;3).設(shè)定閾值,得到車輛密度比所設(shè)定閾值高的網(wǎng)格集合;4).調(diào)整閾值大小,確定不同車輛數(shù)目的熱點(diǎn)區(qū)域及熱點(diǎn)區(qū)域的個(gè)數(shù)。
3.一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,其特征在于該RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法的步驟如下1).利用地理網(wǎng)格將待部署RSU的區(qū)域進(jìn)行離散化處理;2).根據(jù)車輛在該區(qū)域中的車輛軌跡,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格中車輛位置點(diǎn)的個(gè)數(shù),確定該區(qū)域中的熱點(diǎn)位置;3).利用無(wú)向有權(quán)圖H=(V,E)表示各熱點(diǎn)之間的關(guān)系,V是頂點(diǎn)集表示熱點(diǎn),E是邊集, 邊的權(quán)值 代表在相應(yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間部署一條骨干鏈路的效率,效率定義為連通度增強(qiáng)效果與部署成本的比值,邊權(quán)值使用兩個(gè)“熱點(diǎn)”區(qū)域中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的和與地理距離的比值代替;4).建立鄰接矩陣C=(Cjj)kxk,使用近似方法計(jì)算邊權(quán)值并存入相應(yīng)的矩陣元;5).利用I^rim算法計(jì)算熱點(diǎn)關(guān)系圖H的最大生成樹(shù);6).確定最大生成樹(shù)后,對(duì)樹(shù)中的每條邊,計(jì)算道路拓?fù)渲邢鄳?yīng)兩個(gè)熱點(diǎn)之間最短距離的道路,即確定RSU的部署位置;7).部署完成后的RSU將自身的標(biāo)識(shí)符和地理位置進(jìn)行周期性的廣播發(fā)送,處于RSU 覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送回應(yīng)消息直接接入RSU,并使用概率洪泛法擴(kuò)散RSU信息;8).節(jié)點(diǎn)檢查是否收到RSU消息,若沒(méi)有收到RSU信息則選擇與目的節(jié)點(diǎn)最接近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼,若收到RSU消息,則根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算自身與目的節(jié)點(diǎn)的距離,并向RSU發(fā)送包含目的節(jié)點(diǎn)位置的查詢消息后進(jìn)入步驟9);9). RSU收到消息后計(jì)算骨干網(wǎng)中距離目的節(jié)點(diǎn)最近的RSU的位置及其與目的節(jié)點(diǎn)的距離并返回查詢結(jié)果;10).車輛節(jié)點(diǎn)比較二者之間的大小,如果查詢到的骨干網(wǎng)中距離目的節(jié)點(diǎn)最近的RSU 的位置與目的節(jié)點(diǎn)的距離大于該節(jié)點(diǎn)自身與目的節(jié)點(diǎn)的距離,則無(wú)需使用RSU輔助轉(zhuǎn)發(fā),車輛在當(dāng)前鄰居中尋找合適的下一跳中繼,否則車輛將數(shù)據(jù)包發(fā)送至RSU進(jìn)行輔助轉(zhuǎn)發(fā), 數(shù)據(jù)包被RSU骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至距離目的節(jié)點(diǎn)最近的RSU后,由該RSU尋找距離目的節(jié)點(diǎn)最近的車輛節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的車載網(wǎng)絡(luò)RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,其特征在于所述的所述的步驟2)的具體步驟如下a.根據(jù)車輛位置信息,計(jì)算每個(gè)地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目;b.計(jì)算所有時(shí)刻中每個(gè)待部署地理空間網(wǎng)格中的車輛數(shù)目的平均值;c.設(shè)定閾值,得到車輛密度比所設(shè)定閾值高的網(wǎng)格集合;d.調(diào)整閾值大小,確定不同數(shù)目車輛的熱點(diǎn)區(qū)域及熱點(diǎn)區(qū)域的個(gè)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的車載網(wǎng)絡(luò)RSU數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,其特征在于所述的步驟 7)中RSU是通過(guò)beacon消息周期性地廣播發(fā)送RSU信息的,且每個(gè)接收到此信息的車輛節(jié)點(diǎn)依該信息被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的負(fù)指數(shù)函數(shù)為概率向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播此信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車載網(wǎng)絡(luò)RSU部署及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,本發(fā)明將相鄰的RSU放置于彼此的無(wú)線傳輸范圍之內(nèi),能夠進(jìn)行直接數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā),多個(gè)RSU沿道路排列形成一條“骨干鏈路”,為兩個(gè)地理距離較遠(yuǎn)的位置提供連通性。進(jìn)一步地,利用多條“骨干鏈路”連接各個(gè)“熱點(diǎn)”區(qū)域,組成“骨干網(wǎng)絡(luò)”,RSU將自身的標(biāo)識(shí)符和地理位置附在beacon消息中周期性地廣播發(fā)送,收到RSU信息的車輛節(jié)點(diǎn)使用概率洪泛方法擴(kuò)散該信息,車輛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí),首先檢查是否已經(jīng)接收到RSU信息,若未接收則選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的車輛節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),若接收到RSU信息則按照最小距離原則決定是否利用RSU輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。本發(fā)明能夠顯著地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性,增強(qiáng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)分發(fā)的性能。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102572992SQ20121001465
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者馮琳琳, 劉伎昭, 盧志淵, 李攀, 李靜, 楊衛(wèi)東, 王珂, 陳長(zhǎng)寶 申請(qǐng)人:河南工業(yè)大學(xué), 百年金海安防科技有限公司