基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

張 明

（湖北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，湖北 武漢 430070）

IBM前首席執(zhí)行官郭士納的“十五年周期定律”，計算模式每隔15年發(fā)生一次變革。1965年前后的“大型機”；1980年前后的“個人計算機”；1995年前后的“互聯(lián)網(wǎng)”；2010年前后“物聯(lián)網(wǎng)”。美國權(quán)威咨詢機構(gòu)Forester預(yù)測，到2020年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)，跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比，將達到30：1［1］，因此，“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為是下一個10萬億元級的大市場。

1 物聯(lián)網(wǎng)的定義和發(fā)展歷程

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，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(luò)。

國際電信聯(lián)盟曾描繪“物聯(lián)網(wǎng)”時代的圖景：當(dāng)司機出現(xiàn)操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)概念的意義

“物聯(lián)網(wǎng)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開：一方面是機場、公路、建筑物，而另一方面是數(shù)據(jù)中心，個人電腦、寬帶等。在“物聯(lián)網(wǎng)”時代，鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，在此意義上，基礎(chǔ)設(shè)施更像是一塊新的地球工地，世界的運轉(zhuǎn)就在它上面進行，其中包括經(jīng)濟管理、生產(chǎn)運行、社會管理乃至個人生活。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例

酒類信息系統(tǒng)：通過掃描酒類飲品的電子標(biāo)簽，利用手機或其他智能手持設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)上尋找并顯示這一酒類的詳細介紹和價格對比，方便用戶采購。

對象識別系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過攝像頭取景，可以辨識出所拍攝景物并給出相關(guān)詳細信息，可應(yīng)用于旅行和迷路情況下產(chǎn)品追溯系統(tǒng)：在醫(yī)藥、農(nóng)產(chǎn)品、食品、煙草等行業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品追溯體系發(fā)揮著貨物追蹤、識別、查詢、信息采集與管理等方面的巨大作用。

智能交通［2］：上海交通大學(xué)的TIG項目在2005年開始運作。通過收集上海四千輛出租車的實時信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)來計算實時路況。該系統(tǒng)還有計算最優(yōu)路徑，公交車到站時間等應(yīng)用。

醫(yī)療輔助系統(tǒng)：讓病人身穿帶有射頻識別和傳感器的衣物，可以得到病人的心跳電壓等健康信息并上傳網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生可以通過PDA等設(shè)備進行遠程即時診斷并安排護士幫助病人治療。

2 車聯(lián)網(wǎng)介紹

2.1 車聯(lián)網(wǎng)概念

是指綜合應(yīng)用射頻識別（RFID）、全球定位系統(tǒng)、車用信息采集、道路環(huán)境信息感知等信息傳感設(shè)備，對人／車／路的靜、動態(tài)信息進行采集、識別、傳輸、融合和利用，從而能夠?qū)⑷耍嚕放c互聯(lián)網(wǎng)連接起來，并根據(jù)不同的應(yīng)用需求，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種物聯(lián)網(wǎng)。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

2.2.1 Telematics概念

Telematics就是指應(yīng)用無線通信技術(shù)的車載電腦系統(tǒng)，通過Telematics提供的服務(wù)，用戶不僅可以了解交通信息、臨近停車場的車位狀況，確認當(dāng)前位置，還可以與家中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，及時了解家中的電器運轉(zhuǎn)情況、安全情況以及客人來訪情況。也就是說：綜合上述所有功能的車載計算機系統(tǒng)叫Telematics。

在車聯(lián)網(wǎng)提出之前，“Telematics”已經(jīng)在國外進行商業(yè)運作。Telematics由Telecommunications與Informatics組合而成，可以理解為利用無線通信技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、信息技術(shù)等為汽車用戶提供導(dǎo)航、監(jiān)控、娛樂、安全等各種服務(wù)的車載信息服務(wù)平臺。

2.2.2 Telematics在國內(nèi)外的應(yīng)用情況

美國是Telematics產(chǎn)業(yè)［3］的先行者，早在1997年，通用汽車公司就已經(jīng)開始推行Onstar（安吉星）服務(wù)，而福特汽車則推出了Wingcast車載互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，與之競爭。目前，各大汽車生產(chǎn)廠商都在Telematics方面推出了自己的系統(tǒng)，如通用安吉星OnStar系統(tǒng)、BMW 的ConnectedDrive系統(tǒng)、奧迪的MMI-nav-plus系統(tǒng)、福特的SYNC系統(tǒng)、豐田的G-book系統(tǒng)等。

中國的Telematics業(yè)務(wù)在近兩年集中爆發(fā)。豐田先將G-Book引入中國；緊接著，上海通用也開始向凱迪拉克車主提供安吉星服務(wù)，并迅速向下覆蓋至旗下多個品牌。本土廠商上汽推出了首個基于聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)的前裝Telematics服務(wù)——INKANET；吉利在2011年上海車展上推出新一代3G“智能汽車”。

2.2.3 車聯(lián)網(wǎng)的誕生

在Telematics方興未艾之時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，作為Telematics的擴展，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。2010年10月28日在無錫舉行的中國國際物聯(lián)網(wǎng)（傳感網(wǎng)）大會傳出消息，車聯(lián)網(wǎng)項目將被列為我國重大專項第三專項“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)重大專項”中的重要項目。財政部也于2011年4月制定了《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項資金管理暫行辦法》，而車聯(lián)網(wǎng)被認為是最容易形成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、最具備產(chǎn)業(yè)潛力的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2.3 車聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用

車車協(xié)同式安全保障：車路協(xié)同環(huán)境下，營運車輛在運行過程中實時與周圍他車進行信息交互，使司機及時了解前后左右車輛的拐彎、超車、并道的行為，避免追尾、刮蹭碰撞事故。

隧道內(nèi)危險環(huán)境感知：車路協(xié)同環(huán)境下，營運車輛在隧道內(nèi)運行過程中實時與周圍他車、道路基礎(chǔ)設(shè)施進行信息交互，實時感知行車環(huán)境，以免造成車載危險貨物的泄露、爆炸而引發(fā)二次事故。

交叉口行車安全輔助：交叉口行車環(huán)境復(fù)雜，通過車車、車路通信，車輛在行經(jīng)交叉口時實時與周圍他車、道路基礎(chǔ)設(shè)施進行信息交互，實時感知行車環(huán)境，避免事故發(fā)生。

車用自組織網(wǎng)絡(luò)：我國每年交通事故的損失巨大，以汽車安全為突破口，研究車輛網(wǎng)絡(luò)體系和關(guān)鍵技術(shù)，以提高車輛主動安全性，降低交通事故發(fā)生，具有重要的學(xué)術(shù)價值、應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

圖1 車車協(xié)同式安全保障系統(tǒng)架構(gòu)

3 車聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

與物聯(lián)網(wǎng)類似，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也涉及四個層次，分別是感知層、傳輸層、平臺支撐層和應(yīng)用層。主要涉及的技術(shù)有射頻技術(shù)和通信技術(shù)。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)主要層次架構(gòu)

3.1 射頻識別技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)中的射頻識別技術(shù)用于標(biāo)識物體和對客觀環(huán)境的物理屬性的傳感；現(xiàn)有的射頻識別標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一需要首選解決全局標(biāo)識問題，如RFID與WSN融合的問題。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括各種感知設(shè)備，這些設(shè)備要求低功耗、低成本、體積小、高集成度。而通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將標(biāo)識和傳感信息接入自組織網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng)，在整個車聯(lián)網(wǎng)中會涉及諸多問題如：網(wǎng)絡(luò)地址需求與分配（IPv6），頻譜分配與空間頻譜復(fù)用、自動組網(wǎng)和接入和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，傳輸控制與無線多媒體等。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)的硬件和軟件技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)硬件需求：車聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備一般使用嵌入式集成系統(tǒng)，要求低功耗、小型化、易安置、低成本。而服務(wù)器設(shè)備要求高性能集群同時具有先進計算功能。

車聯(lián)網(wǎng)的軟件需求，包括嵌入式操作系統(tǒng)和各類應(yīng)用軟件，需要解決的關(guān)鍵問題有統(tǒng)一的語義體系，中間件技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)，面向物聯(lián)網(wǎng)的搜索引擎等。

3.3 車聯(lián)網(wǎng)的安全隱私

車聯(lián)網(wǎng)處于一個開放的網(wǎng)絡(luò)中安全隱私問題是一個必須要考慮的問題，在互聯(lián)網(wǎng)上所面臨的安全問題在物聯(lián)網(wǎng)中同樣存在如：密碼分析、拒絕服務(wù)攻擊、掃描、病毒和蠕蟲、木馬等。同時由于無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性，安全問題更為突出。此外還涉及個人隱私保護（個人信息、行為模式）。

3.4 車車交互關(guān)鍵技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)包括：隨機車輛間信息交換技術(shù)、編隊車輛間信息交換技術(shù)、車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)、遠程車網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、車-路-中心關(guān)鍵技術(shù)。

隨機車輛間信息交換技術(shù)：為道路上快速移動的車輛之間建立一個支持多跳靈活組網(wǎng)、快速網(wǎng)絡(luò)切換、實時數(shù)據(jù)交換等特性的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車輛間位置、安全等信息的實時共享。

圖3 隨機車輛間信息交換系統(tǒng)架構(gòu)

編隊車輛間信息交換技術(shù)：研究大型車輛編隊中車輛間的無線通信、可靠組網(wǎng)、安全通信、決策支持等關(guān)鍵技術(shù)，為車隊在復(fù)雜路況和惡劣環(huán)境下的高效安全行進提供有效的通信和決策保障。

車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)：是將多種先進技術(shù)有機地運用于整個交通系統(tǒng)，通過車路信息交互和共享，實現(xiàn)車路智能協(xié)同與配合，保障交通運輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行和安全。通過車輛與道路（基礎(chǔ)設(shè)施）之間通訊聯(lián)系的建立，研究新一代交通信息采集和交通管理手段，在此基礎(chǔ)上發(fā)展新一代交通理論和應(yīng)用。

遠程車網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)：研究移動車輛快速接入路邊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)，解決車輛移動過程中的漫游切換、路由尋址、異構(gòu)信息實時交換等關(guān)鍵問題，為車輛與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中心信息共享提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件。

車-路-中心關(guān)鍵技術(shù)：通過車、路及交通數(shù)據(jù)管理中心之間的交互通信，進行車路協(xié)同一體化研究，最終仿真實現(xiàn)并展示其在交通安全、效率和排放等方面的影響。

4 物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的未來

4.1 CPS（信息-物理融合系統(tǒng)）

CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與信息世界相互作用，提供實時感知、動態(tài)控制和信息反饋等服務(wù)［4］。CPS在信息方面就像一面鏡子通過傳感技術(shù)與通信技術(shù)將現(xiàn)實世界與信息虛擬世界一一對應(yīng)起來。它的控制反饋功能又把鏡子兩側(cè)的世界互動了起來。信息世界可以控制物理世界的事物或環(huán)境，物理世界亦可以影響信息世界的事物或環(huán)境。

4.2 CPS應(yīng)用實例

MIT的分布式機器人花園：在小規(guī)?；▓@中，傳感器收集溫度、濕度、光照等信息。計算系統(tǒng)根據(jù)這些信息來自動控制撒種、松土、灌溉、施肥的時間和量，讓植物在無人照看的情況下順利的生長［5］。

任天堂的WII游戲機：2006年推出。通過玩家在傳感設(shè)備的輸入，來控制虛擬游戲，讓玩家在參與到游戲中時擁有更高的體驗感。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)和CPS的區(qū)別

物聯(lián)網(wǎng)和CPS常被混淆，因為兩者的關(guān)鍵技術(shù)相近，有共同的應(yīng)用領(lǐng)域，其中物聯(lián)網(wǎng)受到工業(yè)界的關(guān)注，而CPS更吸引學(xué)術(shù)界的目光。但是，二者是不同的，從概念上，物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)網(wǎng)絡(luò)連通作用，而CPS更強調(diào)循環(huán)反饋作用；從信息標(biāo)識上，物聯(lián)網(wǎng)以物體標(biāo)識和傳感信息為基礎(chǔ)，而CPS無需記錄所有標(biāo)識和傳感信息；物聯(lián)網(wǎng)是規(guī)?；男畔⒄?，需要人的參與，而CPS能自適應(yīng)調(diào)整。

4.4 物聯(lián)網(wǎng)的未來：CPI（信息-物理網(wǎng)）

物聯(lián)網(wǎng)有著自身的不足，僅僅物物相連是不夠的，物聯(lián)網(wǎng)需要向控制方向縱深發(fā)展，而CPS也需要向大規(guī)模方向擴散發(fā)展。兩者融合后的CPI是物聯(lián)網(wǎng)與CPS優(yōu)勢的結(jié)合，同時具有將現(xiàn)實世界中任意對象及其屬性聯(lián)接到網(wǎng)絡(luò)的特性和通過計算與網(wǎng)絡(luò)通信對物理世界作用的特性。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)與CPS

CPI是大勢所趨，物聯(lián)網(wǎng)與CPS有其各自優(yōu)勢和不足，單獨發(fā)展不足以完全支撐起下一次信息產(chǎn)業(yè)的浪潮。它們的融合，即CPI，才是未來發(fā)展的大勢所趨。通過CPI，現(xiàn)實與信息世界的鏈接和相互作用不再局限于一個小的時空范圍，而是擁有全球性的宏觀監(jiān)控，達到真正意義上的智慧地球。典型應(yīng)用如：平衡全世界的生態(tài)系統(tǒng)，統(tǒng)一合理調(diào)度國際航班的起降時間迅速應(yīng)對自然災(zāi)害、傳染病等突發(fā)狀況。

4 結(jié)論

車載產(chǎn)品的發(fā)展才剛剛起步，其政策、資金、技術(shù)及支撐的產(chǎn)業(yè)鏈條仍不完善成熟，因此政府要構(gòu)建一個博弈環(huán)境，引導(dǎo)汽車業(yè)、電子業(yè)、通訊業(yè)等企業(yè)協(xié)同，共同打造未來車聯(lián)網(wǎng)價值的增長點，才能吸引更多的人來參與和開發(fā)車聯(lián)網(wǎng)市場。

［1］鄒 力.物聯(lián)網(wǎng)與智能交通［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：152.

［2］須 超.車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與媒質(zhì)接入機制研究［J］.中興通訊技術(shù)，2011（3）：16.

［3］張秀玉.車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.微計算機信息，2011（4）：156.

［4］陳文聰.車聯(lián)網(wǎng)前端系統(tǒng)研制［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012：45.

［5］顧振飛.車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2012：10.