車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)剖析

2014-04-04 14:21:54王冬張菲菲

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2014年3期

王冬+張菲菲

摘要：車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的延伸及應(yīng)用，是中國“十二五”規(guī)劃的重點應(yīng)用領(lǐng)域之一。文章首先介紹了車聯(lián)網(wǎng)的基本概念，接著對車聯(lián)網(wǎng)中的RFID、傳感器、無線傳輸、信息安全、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)融合、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、大數(shù)據(jù)處理、云計算、移動計算等關(guān)鍵技術(shù)進行了剖析。與此同時，也對部分關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；RFID；傳感技術(shù)；大數(shù)據(jù)；移動計算

中圖分類號：TN915.03 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0000-03

0 引言

2009年，中國成為世界最大的汽車銷售市場和汽車生產(chǎn)國，交通擁阻情況日漸加劇，交通事故達每年幾十萬起，死亡人數(shù)連年增加，汽車保有量的增加也加速了環(huán)境污染及燃料浪費。在此背景下，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到我國政府的大力支持，并被確立為“十二五”規(guī)劃的重點應(yīng)用領(lǐng)域之一，目前已有超過300多家科研機構(gòu)和公司企業(yè)參與該技術(shù)的研究及開發(fā)，部分成果已得到初步推廣。本文主要剖析了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要大力研發(fā)和推廣的技術(shù)，如：RFID、傳感器、無線傳輸、信息安全、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)融合、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、大數(shù)據(jù)處理、云計算、移動計算等關(guān)鍵技術(shù)。

車聯(lián)網(wǎng)（Connected Vehicles）是由車輛行駛速度、行駛路線及所處位置等構(gòu)成的信息交互網(wǎng)絡(luò)，是一種向安全、節(jié)能、環(huán)保、信息通信等方向發(fā)展的車—網(wǎng)聯(lián)合技術(shù)[1]。通過RFID、GPS、高清攝像頭、傳感器及圖像處理等電子設(shè)備，實現(xiàn)對車輛、交通環(huán)境、道路等信息的采集；按照一定的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，在車—人—路—環(huán)境—網(wǎng)—基礎(chǔ)設(shè)施之間進行無線通信或信息交換；云計算中心采用計算機技術(shù)處理車輛數(shù)據(jù)信息，從而及時匯報路況，計算出不同車輛的最佳路線并安排信號燈周期，實現(xiàn)對車、人、路進行智能調(diào)度、監(jiān)控和管理。車聯(lián)網(wǎng)是人類社會進入信息時代和汽車時代的必然結(jié)果，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的延伸及應(yīng)用[1-5]。

1 RFID技術(shù)

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）。又稱無線射頻識別，是一種可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)而無需接觸的通信技術(shù)。RFID讀寫器可分固定式和移動式，其典型應(yīng)用有圖書借閱、門禁系統(tǒng)等。RFID由讀寫器、應(yīng)答器兩部分組成。讀寫器由耦合元件、天線及芯片組成，主要用來讀取/寫入標(biāo)簽信息，分為固定式和移動式兩種。應(yīng)答器也是由耦合元件、天線以及芯片組成，應(yīng)答器常見為標(biāo)簽，每個標(biāo)簽都有自身的唯一的序列號，附著在物體上用以唯一標(biāo)識目標(biāo)對象。

RFID主要優(yōu)點：它是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，容易實現(xiàn)在聯(lián)網(wǎng)結(jié)點間數(shù)據(jù)的高效率、遠距離傳輸，識別工作無須人工干預(yù)，能穿透塵垢、霧、冰、雪、涂料和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽。RFID在性能方面，具有體積小、抗污染、可重復(fù)使用、數(shù)據(jù)存儲量大、安全、可穿透性等特點。

當(dāng)標(biāo)簽靠近到讀寫器和天線組成的感應(yīng)范圍時，標(biāo)簽會憑借感應(yīng)電流將存儲在芯片里的數(shù)據(jù)（如產(chǎn)品信息）發(fā)送給讀寫器或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號，讀寫器讀取信息并解碼后會將數(shù)據(jù)上傳至中央信息系統(tǒng)進行相關(guān)處理。

RFID技術(shù)作為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，市場潛力十分巨大；另外，不斷完善的超高頻技術(shù)和統(tǒng)一的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是未來車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

2 傳感技術(shù)

傳感技術(shù)與計算機技術(shù)、通信技術(shù)并稱信息技術(shù)三大支柱。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)依靠各類傳感器獲取信息，如車輛胎壓、車速、加速度以及有關(guān)車輛當(dāng)前的狀態(tài)、性能、安全等相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過處理將其轉(zhuǎn)為有用數(shù)據(jù)。一般來說，傳感器由敏感元件和變換元件（有時又稱為變換器）兩部分組成：敏感元件指能夠靈敏地直接感受被測變量并做出響應(yīng)的元件；變換器能將感受到的非電量變換為電量。

傳感器的功能與品質(zhì)高低決定了傳感系統(tǒng)獲取的信息量和信息質(zhì)量。傳感器呈現(xiàn)出微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展趨勢。

3 無線傳輸技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要對大量的圖像數(shù)據(jù)進行傳輸與處理，其工作原理如圖1所示。

圖1 無線傳輸技術(shù)工作原理

無線傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有兩點：一是ZigBee技術(shù)為無線智能家居提供了技術(shù)支持，促進了行業(yè)的普及式發(fā)展；其二則是4G技術(shù)，該技術(shù)正在向著保密性高、省電、傳輸距離遠等方向發(fā)展。

4 云計算技術(shù)

云計算（cloud computing）是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)、應(yīng)用、存儲等）可以按需求提供給計算機和其他設(shè)備。其工作原理如圖2所示。

圖2 云計算技術(shù)工作原理

云計算的發(fā)展趨勢有：

（1）元計算產(chǎn)業(yè)鏈將會越發(fā)完善；

（2）對云計算的服務(wù)需求快速增長；

（3）云計算服務(wù)潛在的安全性、穩(wěn)定性問題會嚴(yán)重制約云計算的發(fā)展，因而需要找出解決方案以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

5 移動計算

移動計算（Mobile Computing），顧名思義是一種即使被移動也能使用的計算設(shè)備，涉及移動通信、移動硬件和手機軟件。移動計算使終端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)的連接實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸及其資源共享，是計算技術(shù)研究中的熱點領(lǐng)域，是當(dāng)前計算機技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域。其工作原理如圖3所示。

圖3 移動計算技術(shù)工作原理

6 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是一個嶄新的概念，指的是盡可能將各種類型的網(wǎng)絡(luò)融合起來，在一個通用的網(wǎng)絡(luò)平臺上提供多種業(yè)務(wù)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合必須充分利用不同網(wǎng)絡(luò)間的互補特性，解決多種不同類型網(wǎng)絡(luò)的有機融合問題。具體來講，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合就是采用通用的、開放的技術(shù)實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)元的互聯(lián)、互通和集成，涉及到接入網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合、終端融合、業(yè)務(wù)融合和運營管理融合等方面。其發(fā)展趨勢為：朝著無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的安全路由協(xié)議、接入認證技術(shù)、入侵檢測技術(shù)、加解密技術(shù)、節(jié)點間協(xié)作通信等安全技術(shù)方向進行研究，以提高無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全保障能力。是未來移動網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展趨勢[6]。

7 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)

“大數(shù)據(jù)”指數(shù)據(jù)容量特別大，數(shù)據(jù)類別特別多的數(shù)據(jù)集，并且這樣的數(shù)據(jù)集無法用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫工具對其內(nèi)容進行抓取、管理和處理。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能處理各種類型的海量數(shù)據(jù)，無論是微博、文章、電子郵件、文檔、音頻、視頻，還是其它形態(tài)的數(shù)據(jù)。它正在改變傳統(tǒng)的計算機運行模式，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，我們可以從各種類型的數(shù)據(jù)中，快速獲得有價值信息，如：Google搜索引擎。

在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展趨勢中，存在以下幾個問題值得關(guān)注[7]：

（1）如何在容錯的同時進行高效數(shù)據(jù)傳輸；

（2）如何在處理金融、醫(yī)療等數(shù)據(jù)時確保數(shù)據(jù)的安全；

（3）如何降低大數(shù)據(jù)處理的成本以及靈活性；

（4）如何使分布式數(shù)據(jù)處理平臺更好地支持復(fù)雜算法。

8 信息安全技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)融合技術(shù)

信息安全技術(shù)是指保證己方正常獲取、傳遞、處理和利用信息，而不被無權(quán)享用的他方獲取和利用己方信息的一系列技術(shù)的統(tǒng)稱，主要由信息保密技術(shù)，信息確認技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制作用3部分組成。構(gòu)建安全、可靠的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點及難點技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)的開放性、匿名性帶來了一些不可避免的安全問題，如網(wǎng)絡(luò)攻擊。如何借助信息安全技術(shù)來抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊、保證數(shù)據(jù)的真實性與完整性、保護個人的隱私將決定著車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和普及程度。分層密鑰管理和身份認證技術(shù)是現(xiàn)階段車聯(lián)網(wǎng)解決信息安全的重要突破口之一。

標(biāo)準(zhǔn)化（Standardization）是制定和實施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的過程。標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)、技術(shù)和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，一般是一份文件。標(biāo)準(zhǔn)化有助于商品化的獨立性、兼容性、互操作性、安全性、可重復(fù)性及質(zhì)量保證。目前，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)起步比較早的一些國家已都有自己的一套標(biāo)準(zhǔn)。其發(fā)展趨勢為：標(biāo)準(zhǔn)運行過程規(guī)范，更加重視程序管理，標(biāo)準(zhǔn)制修訂程序更加公開、公正、公平、透明[8]。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)，又稱多傳感器融合技術(shù)，是信息科學(xué)領(lǐng)域的一項重要分支，是新一代智能信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)。它是研究多種信息的獲取、分析和處理的基本方法或技術(shù)以及信息的表示和內(nèi)在聯(lián)系的一門技術(shù)。數(shù)據(jù)融合技術(shù)有容錯性、互補性、經(jīng)濟性、實時性、可靠性等特點。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣，特別是在一些高端領(lǐng)域中應(yīng)用很廣，但在技術(shù)尚不成熟，尚未形成基本理論框架。

9 結(jié) 語

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在保障安全行車、環(huán)境保護、快捷出行等方面已取得了巨大的進步。本文針對新興的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，剖析其關(guān)鍵技術(shù)，如：RFID、傳感器、無線傳輸、信息安全、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)融合、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、大數(shù)據(jù)處理、云計算、移動計算等，并對部分技術(shù)的發(fā)展趨勢進行總結(jié)及展望。未來，V2R（車與路）、V2P（車與人）、V2V（車與車）和V2I（車與基礎(chǔ)設(shè)施）的信息交互必將不斷完善，人們將逐步告別紅綠燈、交通事故及環(huán)境污染。

參考文獻

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[9] ETC portal site. Easy learning ETC[EB/OL]. [2013-11-03]. http：//www.go-etc.jp/english.

Analysis on Key Technologies of Internet of vehicles

WANG Dong， ZHANG Fei-fei

（School of Electronic Information Engineering， Qiongzhou University， Sanya 572022， China）

Abstract： Internet of vehicles is the application and extension of IOT in the field of traffic， which is one of the key applications in the “12th Five-Year Plan”. The basic concept of internet of vehicles is introduced， and then the key technologies are analyzed， such as RFID， sensor， wireless transmission， information security， standardization， data integration， heterogeneous network convergence， big data processing， cloud computing， and mobile computing technologies. Meanwhile， the development trend of the key technologies is summarized and prospected.

Keywords： internet of vehicles； RFID； sensor technology ； big data ； mobile computing