車聯(lián)網(wǎng)體系結構與解決方案

　　背景介紹

　　近年來，隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路承載容量 在許多城市已達到飽和，交通安全、出行效率、環(huán)境保護等 問題日益突出。 在此大背景下，汽車聯(lián)網(wǎng)技術因其被期望具有大幅度緩解交通擁堵、提高運輸效率、提升現(xiàn)有道路交通能力等功能，而成為當前一個關注重點和熱點。歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)較早進行了智能交通和車輛信息服務的研究與應用。

　　車聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)是一個以互聯(lián)網(wǎng)為主體， 兼容各項信息技術， 為社會不同領域提供可定制信息化服務的具有泛在化屬性的信息基礎平臺。 物聯(lián)網(wǎng)的概念和內涵隨著信息技術的發(fā)展和不同階段人們信息化需求的不斷演進， 因其接入對象的廣泛性、運用技術的復雜性、服務內容的不確定性以及不同社會群體理解和追求上的差異性， 很難用已有概念和標準來準確完整地給出權威定義。 然而，車聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)，因其服務對象和應用需求明確、運用技術和領域相對集中、實施和評價標準較為統(tǒng)一、社會應用和管理需求較為確 定，引起了業(yè)界的普遍關注，已被認為是物聯(lián)網(wǎng)中最能夠率先突破應用領域的重要分支，并成為目前的研究重點和熱點。

　　源于物聯(lián)網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)，以車輛為基本信息單元，以提高交通運輸效率、改善道路交通狀況、拓展信息交互方式, 進而實現(xiàn)智能交通管理，使物聯(lián)網(wǎng)技術這一原本寬泛的概 念在現(xiàn)代交通環(huán)境中得以具體體現(xiàn)。 本文立足物聯(lián)網(wǎng)基礎 理論和模型，以構建以信息技術為主導的智能交通系統(tǒng)為背景，對車聯(lián)網(wǎng)的基本概念、體系結構、通信架構及其關鍵技術進行研究。

　　車聯(lián)網(wǎng)基本概念和分類

　　車聯(lián)網(wǎng)概念是物聯(lián)網(wǎng)面向行業(yè)應用的概念實現(xiàn)。 物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上，利用射頻識別 ( Radio Frequency Identification，RFID) 、無線數(shù)據(jù)通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡體系，實現(xiàn)任何物體的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。物聯(lián)網(wǎng)不刻意強調物體的類型，更多的是強調物理世界信息的獲取和交換，以實現(xiàn)當前互聯(lián)網(wǎng)未觸及的物與物信息交換領域。車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)概念的著陸點，將這個具 體的物理世界限定到車、路、人和城市上。車聯(lián)網(wǎng)利用裝載在車輛上電子標簽 RFID 獲取車輛的行駛屬性和系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，通過 GPS 等全球定位技術獲取車輛行駛位置等參數(shù)，通過 3G 等無線傳輸技術實 現(xiàn)信息傳輸和共享，通過RFID 和傳感器獲取道路、橋 梁等交通基礎設施的使用狀況，最后通過互聯(lián)網(wǎng)信息平 臺，實現(xiàn)對車輛運行監(jiān)控以及提供各種交通綜合服務。

　　從技術角度區(qū)分，車聯(lián)網(wǎng)技術主要有電子標簽技術、位置定位技術、無線傳輸 技術、數(shù)字廣播技術、網(wǎng)絡服務平臺技術。

　　從系統(tǒng)交互角度，主要有車與車通信系統(tǒng)、車與 人通信系統(tǒng)、車與路通信系統(tǒng)、車與綜合信息平臺通 信系統(tǒng)、路與綜合信息平臺通信系統(tǒng)。車與車通信系統(tǒng)強調物與物之間的端到端通信。這種端到端的通信 使得任何一個車輛既可以成為服務器，也可以作為通信終端。車與路通信系統(tǒng)使得車輛能夠提前獲取道路基礎設施的運營狀況，如某條道路是否在維修，某個 橋洞是否積水過多等信息，以方便車輛的順暢通行。車與綜合信息平臺通信系統(tǒng)是匯集車輛行駛狀態(tài)等信息，提供路況、車輛監(jiān)控等綜合統(tǒng)計性信息以及出行提醒、安全行駛等個性化信息的綜合性平臺。路與綜合信息平臺通信系統(tǒng)目的是維護道路基礎設施的運營狀況，以及時更換老化和運營狀況不佳設備。

　　從應用角度區(qū)分，車聯(lián)網(wǎng)技術可以分為監(jiān)控應用系統(tǒng)、行車安全系統(tǒng)、動態(tài)路況信息系統(tǒng)、交通事件 保障系統(tǒng)等。監(jiān)控應用系統(tǒng)主要用于政府部門或者車輛管理部門的運營監(jiān)控和決策支持，主要分為兩類系統(tǒng): 道路基礎設施安全情況監(jiān)控以及車輛行駛狀況監(jiān)控。道路基礎設施安全情況的監(jiān)控主要是通過定時獲 取道路、橋梁上安裝的監(jiān)控設備傳回的檢測信息，查看基礎設施的破壞程度、應用狀況等，為交通基礎設施的維護提供重要參考。車輛行駛狀況監(jiān)控主要是監(jiān)控車輛的行駛路線、行駛參數(shù)，如油耗，車況等信息，為城市車流量分布提供可視化，為擁堵緩解提供 輔助決策。行車安全系統(tǒng)主要指車輛行駛過程安全監(jiān)測以及分析車輛行駛行為后的安全建議。在車輛行駛過程中，通過車聯(lián)網(wǎng)信息的交互，可以獲取前方道路 狀況，規(guī)避安全交通事故等。如在霧天高速公路上前方發(fā)生事故之后的主動規(guī)避等。另外通過上傳和分析 車輛的油耗、行駛狀態(tài)等參數(shù)，在服務器端進行車輛信息挖掘，主動提供一些車輛行駛安全建議，如是否需要去保養(yǎng)，是否需要更換某零部件。動態(tài)路況信息系統(tǒng)主要利用行駛車輛的運行速度和 GPS 定位技術， 獲取道路行駛狀況信息，實現(xiàn)路況動態(tài)信息的發(fā)布。 交通事件保障系統(tǒng)主要利用車輛事故檢測和報告機制，為事故的檢測、規(guī)避、疏導等提供輔助支持。

　　總之，車聯(lián)網(wǎng)以車、路、道路基礎設施為基本節(jié)點和信息源，通過無線通信技術實現(xiàn)信息交互，從而 實現(xiàn) “車-人-路-城市”的和諧統(tǒng)一。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，以及智能交通和智慧城市的發(fā)展，應用車聯(lián)網(wǎng)技術的概念車、系統(tǒng)原型已蓬勃開展。

　　車聯(lián)網(wǎng)關鍵技術分析

　　1.RFID 射頻識別技術。車聯(lián)網(wǎng)使用 RFID 技術結合已有的網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、中間件技術 等，構建一個由大量聯(lián)網(wǎng)的 RFID終端組成比互聯(lián)網(wǎng)更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)，因此 RFID 技術是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的 基礎技術。我國 RFID 缺乏關鍵核心技術，特別是在超高頻 RFID 方面。

　　2. 傳感技術。利用傳感器及汽車總線采集車 輛、道路等交通基礎設施的運行參數(shù)等傳感技術需要根據(jù)不同物體的運行參數(shù)進行定制。如車需要油 耗、剎車、發(fā)動機等運行參數(shù)，而橋梁需要壓力、老 化程度等參數(shù)。傳感技術是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的關鍵技術。

　　3. 無線傳輸技術。無線傳輸技術將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器或其它終端，或者接收控制指令完成物體遠程控制。只有通過無線傳輸技術， 才能實現(xiàn)信息的交換和共享。

　　4. 云計算技術。對采集獲取的物體數(shù)據(jù)進行 綜合加工分析，并提供各類綜合服務。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡以按需、易擴展的方式獲得云計算所提供的服務。

　　5. 車聯(lián)網(wǎng)標準體系。標準是一個產(chǎn)業(yè)興起的 重要標志。車聯(lián)網(wǎng)只有建立一套易用、統(tǒng)一的標準體系，才能實現(xiàn)不同物體之間的相互通信，不同車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的融合，才能帶動汽車、交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

　　6. 車聯(lián)網(wǎng)安全體系。包括車聯(lián)網(wǎng)物體信息化之后的安全度、傳輸器安全度、傳輸技術安全以及服務端安全。安全是保障車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠快速推廣的前提。

　　7. 定位技術。通過 GSP、無線定位技術等提高當前車聯(lián)網(wǎng)中物體的位置精度。通過定位精度的提高，將準確獲取車輛行駛位置，提高實時路況精準 度、交通事件定位精確度。

　　車聯(lián)網(wǎng)體系結構

　　感知層，承擔車輛自身與道路交通信息的全面感知和采集，是車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，也是車聯(lián)網(wǎng)“一枝獨秀”于物聯(lián)網(wǎng)的最顯著部分。 通過傳感器、RFID、車輛定位等技術，實時感知車況及控制系統(tǒng)、道路環(huán)境、車輛與車輛、車輛與人、車輛 與道路基礎設施、車輛當前位置等信息，為車聯(lián)網(wǎng)應用提供全面、原始的終端信息服務。

　　網(wǎng)絡層，通過制定專用的能夠協(xié)同異構網(wǎng)絡通信需要的網(wǎng)絡架構和協(xié)議模型，整合感知層的數(shù)據(jù);通過向應用層屏蔽通信網(wǎng)絡的類型， 為應用程序提供透明的信息傳輸服務; 通過對云計算、虛擬化等技術的綜合應用，充分利用現(xiàn)有 網(wǎng)絡資源，為上層應用提供強大的應用支撐。

　　應用層，車聯(lián)網(wǎng)的各項應用必須在現(xiàn)有網(wǎng)絡體系和協(xié)議的基礎 上，兼容未來可能的網(wǎng)絡拓展功能。 應用需求是推動車聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的源動力，車聯(lián)網(wǎng)在實現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控 制、交通事件預警等高端功能的同時，還應為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供車輛信息查詢、信息訂閱、事件告知等各類服務功能。

　　安全能力，車聯(lián)網(wǎng)的通信特點制約著車聯(lián)網(wǎng)信息的安全性和通信能力。 安全能力為車聯(lián)網(wǎng)提供密鑰管理和身份鑒別能力，確保入網(wǎng)車輛信息的真實性;提供信息的安全保護功 能，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被破壞、篡改和丟棄;提供準 確的位置信息，實現(xiàn)對車輛的定位和路徑回溯;提供精確的時鐘信息， 保證車聯(lián)網(wǎng)實時業(yè)務尤其是安全應用在時間上的同步。

　　管理能力，作為車聯(lián)網(wǎng)的控制中心，管理能力提供對入網(wǎng)車輛信 息和路況信息的管理能力，實現(xiàn)車輛之間、車輛與道路基 礎設施之間以及不同網(wǎng)絡之間的自由、無縫切換;實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信的 QoS 管理，根據(jù)不同的入網(wǎng)車輛信息及業(yè)務類型，提供不同的網(wǎng)絡優(yōu)先級服務。

　　車聯(lián)網(wǎng)需求和挑戰(zhàn)

　　車聯(lián)網(wǎng)本質上是物聯(lián)網(wǎng)技術的一種應用形式，物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)同樣也給車聯(lián)網(wǎng)的實施帶來挑戰(zhàn)。同時由于車聯(lián)網(wǎng)由于車輛數(shù)量的急劇膨脹，也面臨巨大的需 求。車聯(lián)網(wǎng)面臨的主要需求和挑戰(zhàn)有:

　　1.車聯(lián)網(wǎng)信息的統(tǒng)一標識問題。為實現(xiàn)物體的互聯(lián)互通，首先要解決的問題是統(tǒng)一編碼問題。車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要有一個統(tǒng)一的物品編碼體系，尤其是國家物品編碼標準體系。這個統(tǒng)一的物品編碼體系是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)信息互聯(lián)互通的關鍵。但目前由于車 聯(lián)網(wǎng)概念剛剛興起，相關的統(tǒng)一編碼規(guī)范還未出臺， 各個示范原型系統(tǒng)根據(jù)各自需求，建立起獨立的編碼 識別體系。這為后續(xù)行業(yè)內不同系統(tǒng)乃至不同行業(yè)之間的互聯(lián)互通帶來了障礙。

　　2.網(wǎng)絡接入時的 IP 地址問題。車聯(lián)網(wǎng)中的每個物品都需要在網(wǎng)絡中被尋址，就需要一個地址。由 于 IPv4 資源即將耗盡，而過渡到 IPv6 又是一個漫長的過程。包括設備、軟件、網(wǎng)絡、運營商等都存在兼容問題。

　　3.采集設備的信息化程度低。目前道路、橋 梁等交通基礎設施并沒有實現(xiàn)電子化管理，其智能程度較低。傳統(tǒng)的設備通過傳感器、采集設備等信息化處理才能具備聯(lián)網(wǎng)能力。這些交通基礎設施的信息化改造覆蓋面廣，投資額大、建設周期長，都是目前車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)終端信息化改造所面臨的問題。

　　4.車聯(lián)網(wǎng)信息安全問題。車聯(lián)網(wǎng)的安全問題主要來源于3 個方面: 傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的安全問題、物聯(lián)網(wǎng)帶來的安全問題以及車聯(lián)網(wǎng)本身的安全問題。車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸和消息交換還未有特定的標準，因此 缺乏統(tǒng)一的安全保護體系。車聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點數(shù)量龐大， 且以集群方式存在，因此會導致在數(shù)據(jù)傳播時，由于大量機器的數(shù)據(jù)發(fā)送使網(wǎng)絡擁塞。車聯(lián)網(wǎng)中的感知節(jié)點部署在行駛車輛等設施中，如果遭到攻擊者破壞， 很容易造成生命危險、道路設施破壞等。因此，車聯(lián)網(wǎng)中的信息安全是至關重要的，影響著車聯(lián)網(wǎng)的未來 發(fā)展和實施力度。

　　5.車聯(lián)網(wǎng)相關軟件和服務產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度。目前車聯(lián)網(wǎng)概念剛剛興起，還未出現(xiàn)較為成熟的軟件平臺和服務應用。而交通行業(yè)往往需要較高的安全要求，如保證行車安全等。如果相關軟硬件平臺未經(jīng)過大規(guī)模應用測試，勢必對車聯(lián)網(wǎng)的應用前途大打折扣。

　　6.相關技術兼容度。車聯(lián)網(wǎng)是一個相關技術 的集成體，包括傳感器技術、識別技術、計算技術、 軟件技術、納米技術、嵌入式智能技術等。任何一個技術的不兼容或者基礎薄弱，都會造成整個車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的推廣難度。

　　7.車聯(lián)網(wǎng)是一種全新的網(wǎng)絡應用, 是物聯(lián)網(wǎng)技術在智能交通領域中的應用體現(xiàn),是新一代智能交通系統(tǒng)的核心基礎。經(jīng)過分析我們可以看出車聯(lián)網(wǎng)是下一代智能交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，是我國下一代互聯(lián)網(wǎng)的典型示范應用。車聯(lián)網(wǎng)將帶動汽車和交通產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。

　　另一方面，車聯(lián)網(wǎng)技術也面臨著諸多挑戰(zhàn)?？傮w來看該領域的研究還處在起步階段，對各項關鍵技術的研究都還不夠完善，已提出的一些原型系統(tǒng)離實用 還有很大差距，還需要研究者繼續(xù)不斷的努力。相信隨著研究的不斷深入，車聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn) “車-人-路-城市”之間的和諧統(tǒng)一發(fā)展。

　　參考文獻：

　　1、《車聯(lián)網(wǎng)架構與關鍵技術研究》 蘭州交通大學 王建強，吳辰文，李曉軍;

　　2、《車聯(lián)網(wǎng)技術初探》北京航空航天大學計算機學院，北京市交通信息中心;

　　3、《車聯(lián)網(wǎng)體系結構及感知層關鍵技術研究》王 群，錢煥延。