車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構及關鍵技術研究

唐紅杰

（遼寧警官高等?？茖W校 遼寧 116036）

1 物聯(lián)網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

對于物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)這個概念，目前比較公認的說法是1999年由MIT Auto-ID中心首次提出。而實際上物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)最早可追溯到PC 時代，在1998年就已提出[1]。

2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了同名報告，其中給物聯(lián)網(wǎng)的明確定義是：通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[2]。

可見，物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，將用戶端延伸和擴展到任何物與物之間，進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡概念[3]。即物聯(lián)網(wǎng)主要解決物——物（thing to thing，T2T）相連、人——物（human to thing，H2T）相連、人——人（human to Human，H2H）相連的問題。尤其需要注意的是，其中人——物相連、人——人相連中的“人”這一端主要是借助通用裝置進行網(wǎng)絡連接，而并非是單純借助個人計算機進行網(wǎng)絡連接。也就是說通過物聯(lián)網(wǎng)，可以構建無處不在的網(wǎng)絡，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何物品的互連。

1.2 車聯(lián)網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)如火如荼的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)作為其典型應用，也正在智能交通系統(tǒng)領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。

根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的說法，車聯(lián)網(wǎng)指的是由車輛位置、速度和路線等信息構成的巨大交互網(wǎng)絡。通過GPS、RFID、傳感器、攝像頭圖像處理等裝置，車輛可以完成自身環(huán)境和狀態(tài)信息的采集；通過互聯(lián)網(wǎng)技術，所有的車輛可以將自身的各種信息傳輸匯聚到中央處理器；通過計算機技術，這些大量車輛的信息可以被分析和處理，從而計算出不同車輛的最佳路線、及時匯報路況和安排信號燈周期[4]。

對比物聯(lián)網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)的概念不難看出，車聯(lián)網(wǎng)本質上是物聯(lián)網(wǎng)技術在智能交通系統(tǒng)領域的延伸。如圖1所示，在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛可以作為物聯(lián)網(wǎng)的終端。車聯(lián)網(wǎng)就是借助相應的信息技術實現(xiàn)車——車（包括車與路、車與車主、車主與車主、車主與第三方服務商）相聯(lián)，以期達到交通智能化管理、車輛智能化行駛、信息智能化服務等目的，也可以說車聯(lián)網(wǎng)就是交通物聯(lián)網(wǎng)。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)示意圖

2 車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的定義及功能，進一步對車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構進行剖析，可將其分為三層，即感知層、網(wǎng)絡層、應用層，如圖2所示。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構

2.1 感知層

感知層相當于車聯(lián)網(wǎng)的感覺神經(jīng)末梢，主要通過視頻檢測、傳感器、RFID等終端設備完成車、路環(huán)境信息的感知和采集，這些信息大致包括車輛所處位置、車輛行駛速度、道路環(huán)境、道路基礎設施等。

2.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層相當于車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，主要負責整合、處理、傳輸數(shù)據(jù)。具體而言，網(wǎng)絡層的功能之一是建立相應的網(wǎng)絡協(xié)議模型，該協(xié)議模型用于滿足異構網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的需求，進而整合感知層的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡層的功能之二是通過向應用層屏蔽通信網(wǎng)絡的類型，充分利用有線及無線網(wǎng)絡資源，為上層應用服務器和應用程序提供透明的信息傳輸服務。

2.3 應用層

應用層相當于車聯(lián)網(wǎng)的大腦，主要通過應用服務器和車載計算機終端等設備進行數(shù)據(jù)加工，從而為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供包括道路導航、通信服務、遠程監(jiān)控等在內的各種具體服務。

3 車聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

國際電信聯(lián)盟（ITU）2005年發(fā)布的同名報告中指出物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術有：標簽事物的RFID，感知事物的傳感網(wǎng)絡技術Sensor technologies，思考事物的智能技術Smart technologies，微縮事物的納米技術Nanotechnology[2]。以上四項內容可以簡要描述為RFID技術、傳感技術、智能技術、納米技術。而車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)時代的先行者，其關鍵技術也可大致歸結為前述幾個方面。

3.1 RFID技術

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）技術是基于無線通信的一種技術，它可以利用無線信號非接接觸識別出特定目標，并對相應數(shù)據(jù)進行讀、寫操作。目前，在許多行業(yè)中都已經(jīng)運用了RFID技術，如物流管理行業(yè)、汽車生產(chǎn)行業(yè)等。RFID技術的飛速發(fā)展對于車聯(lián)網(wǎng)領域的進步具有十分重要的意義。在車聯(lián)網(wǎng)中，RFID技術主要用于實現(xiàn)節(jié)點間高效率、遠距離的數(shù)據(jù)通信，而其中亟需解決的問題是標準兼容?，F(xiàn)有的RFID標識、標準尚未統(tǒng)一，如果要將節(jié)點全部接入網(wǎng)絡則需要有統(tǒng)一的標準；因為在車聯(lián)網(wǎng)中單個標識或設備的工作是沒有意義的，只有相互協(xié)同工作才能滿足現(xiàn)實的需求[5]。許多歐美組織正在著手解決這個問題，并已經(jīng)取得了一些成績。標準兼容必將刺激RFID技術的長足發(fā)展及廣泛應用。

3.2 傳感技術

車聯(lián)網(wǎng)感知層的實現(xiàn)需要大量的原始數(shù)據(jù)，例如車輛的速度、加速度、胎壓、道路車流量、路面狀況等。對于這些信息的采集，傳統(tǒng)的做法是在道路沿線（特定路段或路口）安裝傳感器、埋設探測器，利用這些傳感設備獲取到的圖像、聲音、感應等數(shù)據(jù)，來追蹤交通運動。而事實上，這些信息是遠遠不夠的。現(xiàn)在比較新穎的做法是把道路上的車輛作為移動傳感器來采集交通數(shù)據(jù)。而在這其中又涉及到兩個問題：一是如何將原始數(shù)據(jù)轉化成實用數(shù)據(jù)；二是如何進行車身網(wǎng)絡建設。

3.3 通信與網(wǎng)絡技術

通信與網(wǎng)絡技術是車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層的關鍵技術。為了將感知層RFID標識、傳感數(shù)據(jù)等多種信息實時、有效地接入Ad Hoc網(wǎng)絡或Internet網(wǎng)絡，必須借助目前通用的短距離無線通訊網(wǎng)（包括十多種已存在的短距離無線通訊）、長距離無線通訊網(wǎng)（主要包括基于蜂窩技術的偽長距離通訊）、短距離有線通訊網(wǎng)（包括十多種現(xiàn)場總線標準）、長距離有線通訊網(wǎng)（包括廣電、電信、互聯(lián)網(wǎng)及三網(wǎng)融合），進而深入研究制定出符合車聯(lián)網(wǎng)特殊需求的通信協(xié)議、通信標準。

3.4 數(shù)據(jù)處理技術

車聯(lián)網(wǎng)（尤其是感知層與應用層）的實現(xiàn)需要大量數(shù)據(jù)的支持，而這些數(shù)據(jù)往往都是異構數(shù)據(jù)，如何利用數(shù)據(jù)處理技術完成這些數(shù)據(jù)的表達、傳輸、交換是又一關鍵性問題。

目前，建立數(shù)據(jù)控制中心是一種普遍認可的做法，其中有以下幾個關鍵問題：其一是如何將多源異構數(shù)據(jù)即時接入并進行安全有效的管理，從而為行駛車輛、道路基礎設施、數(shù)據(jù)控制中心之間頻繁進行的數(shù)據(jù)交換提供保障；其二如何將采集到的數(shù)據(jù)進行深入分析，從而得到指定路段或指定區(qū)域的交通狀況，同時根據(jù)已有數(shù)據(jù)進行近期交通態(tài)勢預測；其三是如何宏觀調控多節(jié)點交通信息，即如何高速、有效地完成綜合指揮調度；其四是如何利用“云”計算手段完成大容量節(jié)點交通調控信息的分布計算；其五是如何實現(xiàn)大容量交通數(shù)據(jù)存儲[6]。

3.5 信息安全技術

車聯(lián)網(wǎng)具有節(jié)點眾多、信息繁雜等特點，所以在其應用過程中必然存在一定的安全隱患。如何借助信息安全技術來抵御網(wǎng)絡攻擊、保證數(shù)據(jù)的真實性和完整性、保護個人隱私也是車聯(lián)網(wǎng)面臨的難題之一?？梢哉f，車聯(lián)網(wǎng)的普及和應用在很大程度上依賴于此。分層密鑰管理和身份認證技術是現(xiàn)階段車聯(lián)網(wǎng)解決信息安全問題的突破口。

4 車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路線

隨著車聯(lián)網(wǎng)概念的提出及深化，其在智能交通系統(tǒng)領域的發(fā)展路線可劃分為三個階段：其一信息發(fā)布階段，其二智能管理階段，其三協(xié)同控制階段[7]。

（1）信息發(fā)布階段

信息發(fā)布階段是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級階段，目前的車聯(lián)網(wǎng)就處于這一階段。該階段主要實現(xiàn)車載終端與Internet相聯(lián)，進而提供基于呼叫中心的信息服務（如為駕駛員提供定位導航、娛樂資訊、安全防范等）。據(jù)了解，我國現(xiàn)已有約20萬用戶正在體驗車載信息服務。

（2）智能管理階段

隨著信息發(fā)布功能的日臻完善，車載信息服務終端也由產(chǎn)品化走向智能化、由智能感知走向智能決策，從而推動車聯(lián)網(wǎng)進入智能交通管理階段。在該階段，車聯(lián)網(wǎng)主要實現(xiàn)諸如交通信號燈智能控制、車輛運行實時監(jiān)控、車輛安全預警、車輛智能調度、交通事故處理、智能出行誘導等功能。車聯(lián)網(wǎng)的智能化交通管理，將大幅提升交通事故的處理效率，同時減少警力、財力方面的支出。

（3）協(xié)同控制階段

在經(jīng)歷信息發(fā)布階段、智能管理階段之后，伴隨著RFID技術、傳感技術、通信與網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展與成熟，車聯(lián)網(wǎng)將進入車輛感知、道路信息獲取、車——車通信、車——路協(xié)同的綜合協(xié)同控制階段。在該階段，車聯(lián)網(wǎng)主要實現(xiàn)車輛智能防撞、車輛自動駕駛以及基于導航線路的自組網(wǎng)駕駛等功能。

[1]譚國真.物聯(lián)網(wǎng)三個新觀點的思考[J].新觀點新學說學術沙龍文集47：物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展.2010(10):39-43

[2] International Telecommunication Union UIT. ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things[R]. 2005

[3]周洪波.物聯(lián)網(wǎng):技術、應用、標準和商業(yè)模式[M].北京：電子工業(yè)出版社.2011,7

[4]王建強.車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式探析[J].計算機技術與發(fā)展.2011，21(12):235-238

[5]劉小洋.車聯(lián)網(wǎng)_物聯(lián)網(wǎng)在城市交通網(wǎng)絡中的應用[J].計算機應用.2012，32(4) : 900－904

[6]常琳.車聯(lián)網(wǎng)中的關鍵技術[J].中國公共安全（綜合版）.2012（5）:108-111

[7]周建山.田大新.韓旭.王云鵬. 基于車路協(xié)同的單點信號交叉口自適應優(yōu)化控制方法[A].第七屆中國智能交通年會優(yōu)秀論文集——智能交通技術[C].北京：電子工業(yè)出版社.2012（9）:48-51