基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)研究

徐侃春

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著社會的快速進步和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為了日常消費品走入了千家萬戶，汽車在人們的工作和生活中扮演著重要的角色。2014年以來，我國汽車銷售總量一舉超越美國躍居世界第一。人們在駕駛汽車的同時，亦希望它也能像其它移動終端一樣具有強大的互聯(lián)網(wǎng)功能，從而進一步提高駕乘體驗[1]。

伴隨著車輛的增多，基于車聯(lián)網(wǎng)技術的智能交通系統(tǒng)應運而生。它是一種先進的應用模式，是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領域的一種重要應用形態(tài)，其設計初衷是通過網(wǎng)絡技術來對車輛和交通的狀況進行有效的實時監(jiān)控，從而提前行動來避免事故、緩解擁堵，為用戶提供安全可靠的駕乘環(huán)境[2]。

隨著傳感器技術、無線通信技術和自組織網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)顯示出了廣闊的應用前景，擁有改善民生的重大戰(zhàn)略意義，車聯(lián)網(wǎng)已被列為國家“十三五”重點建設項目。因此，本文提出基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)研究。

1 智能交通體系概論

智能交通系統(tǒng)應用多種多樣，其中，包括車輛導航、交通信號控制、可變道路標志、自動車牌識別、高速攝像頭監(jiān)控、集成實時數(shù)據(jù)、停車引導和信息系統(tǒng)、天氣信息、道路結冰積水、以及其它更高級應用等[3]。為實現(xiàn)典型智能交通系統(tǒng)，需要大幅建立車聯(lián)網(wǎng)體系，它存在以下固有特性[4]。

1.1 網(wǎng)絡規(guī)模大

車聯(lián)網(wǎng)是一個巨大的網(wǎng)絡，可能包括數(shù)百萬的網(wǎng)絡節(jié)點，其中，包括車輛及道邊設備等。即使在單個道邊設備的信號覆蓋范圍內，也可能包含幾十甚至上百個車輛節(jié)點。

1.2 拓撲變化快

安裝在車輛節(jié)點上的車載通信單元會隨著車輛的運動而移動，其平均移動速度會遠大于絕大多數(shù)無線網(wǎng)絡移動應用場景中的節(jié)點移動速度，網(wǎng)絡拓撲、信道環(huán)境、通信傳輸參數(shù)等都會隨時間而快速變化。

1.3 移動軌跡可預見

由于車輛移動要依附于道路，運行速度有一定的范圍，并且車流有一定的規(guī)律性，可以根據(jù)車輛歷史數(shù)據(jù)預測移動軌跡。

針對上述特性，如何將先進的人工智能技術、自動控制技術、計算機技術、信息與通信技術及電子傳感器技術等有效地集成，從而應用于完整的地面交通管理系統(tǒng)，建立在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)，是未來道路交通的研究熱點與重點問題。

2 基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)架構

2.1 車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)架構

迄今為止，典型的車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)的架構，如圖1所示，具體包括基礎交通的感知層次，針對節(jié)點信息共享的網(wǎng)絡傳輸層次，以及面向實際系統(tǒng)的應用層。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)架構

（1）基礎交通感知層：通過傳感技術、射頻識別技術、車輛定位、信號處理技術等，對車輛節(jié)點、道路狀態(tài)、道路設施等進行實時的全方位監(jiān)控，并采集相應的基礎數(shù)據(jù)，從而為車聯(lián)網(wǎng)應用提供全面、原始的終端信息服務。

（2）信息共享網(wǎng)絡傳輸層：通過制定適應于動態(tài)異構的車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，網(wǎng)絡通信技術將感知層數(shù)據(jù)匯集、上傳，通過云計算、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機等各種分析與機器學習方法對信息進行分析和處理，提升對現(xiàn)實交通狀態(tài)的感知能力，實現(xiàn)決策和控制。與此同時，充分利用現(xiàn)有資源，為系統(tǒng)應用層提供有力的應用支撐。

（3）實際系統(tǒng)應用層：應用層主要面向車輛拓展網(wǎng)絡功能，推動車聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展，實現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控制、交通事件預警等運營效率與安全應用，同時還為各種用戶提供互聯(lián)網(wǎng)信息查詢與訂閱、車輛基礎信息提醒、車載娛樂信息共享等多樣化服務。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)多層網(wǎng)絡架構

云計算是指運用虛擬化技術將分散的計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源，通過現(xiàn)有網(wǎng)絡集中起來，形成邏輯統(tǒng)一的資源池，可實時監(jiān)控云計算平臺和動態(tài)調配云資源，并以彈性的、按需的、可擴展的方式向用戶提供服務[5]。

霧計算的概念是在用戶和云服務層之間增加一個霧層，利用距離用戶較近的霧層中的設備提供有彈性的計算資源霧計算靠近終端用戶、擁有稠密的地理分布[6]。

面向上述系統(tǒng)架構，當前研究主要把車聯(lián)網(wǎng)構建成“云-霧-節(jié)點”的多層網(wǎng)絡架構，如圖2所示[7]。

圖2 面向車聯(lián)網(wǎng)的“云-霧-節(jié)點”多層網(wǎng)絡架構

車載云平臺整合了車輛通信、存儲和計算資源，提高其利用率，并為用戶提供基于軟件、平臺和基礎設施的低能耗實時服務。具體來說，它分為3個層次。

（1）車內網(wǎng)絡，主要負責監(jiān)測駕駛人的健康、情緒等參數(shù)，以及車內溫度、氣壓等環(huán)境因素；

（2）數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡，包含車車通信與車地通信，用于將車內網(wǎng)絡收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍?/p>

（3）云服務器，用于存儲數(shù)據(jù)、計算并提供各類服務。

但是，單純基于云的車聯(lián)網(wǎng)，由于數(shù)據(jù)在終端而服務能力在云端，導致數(shù)據(jù)與云端之間信息的傳遞會占用大量的通信資源。同時，車載云計算不提供對車輛資源可用性的保證，因此所提供的服務不穩(wěn)定。

為了提升車聯(lián)網(wǎng)的服務質量，并最終實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)，研究人員致力于霧計算，即在云服務器與終端設備之間引入霧層，并將之前在云端完成的數(shù)據(jù)計算與分析拓展至霧層，使得車輛用戶能夠在本地分析和管理數(shù)據(jù)，減輕通信網(wǎng)絡的傳輸壓力與計算負荷，同時降低了傳輸開銷與時延。

總而言之，面向智能交通系統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)是把人、車、路、環(huán)境等4方面基本元素的數(shù)據(jù)、特征進行分析與融合，通過數(shù)據(jù)資源共享與應用拓展，使得單一的車輛安全輔助逐步過渡到綜合集成的智能一體化駕乘，提升車輛用戶在行駛過程的中的安全性、高效性、便捷性與舒適性[8]。

3 基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)關鍵問題

3.1 面向霧計算的車聯(lián)網(wǎng)架構設計與網(wǎng)絡優(yōu)化

基于霧計算的車聯(lián)網(wǎng)是其未來能夠實施的可預期模式，也是當前的一個嶄新的研究熱點問題，該問題目前缺乏相應的架構設計與分析。將車輛節(jié)點與云服務器之間搭載霧平臺，選擇合理的霧節(jié)點，使其能夠在有限的服務范圍與網(wǎng)絡之間達到動態(tài)平衡。但實際中的車輛快速移動，其位置不斷變化，使得通信鏈路不穩(wěn)定，因此不適合作為霧節(jié)點。如何識別霧節(jié)點、依據(jù)車載節(jié)點與道邊單元的服務能力、設計并構建霧節(jié)點規(guī)則、從而滿足系統(tǒng)服務質量要求、同時滿足良好的通用性、以達到適應不同的場景需求是架構設計與網(wǎng)絡優(yōu)化的關鍵問題。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)路由與資源共享

車聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，其數(shù)據(jù)需要通過動態(tài)路由實現(xiàn)共享，相應的路由協(xié)議研究是當前的熱點研究問題。然而由于車聯(lián)網(wǎng)的一些特殊復雜結構、應用需求和制約因素，使得車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸服務的綜合保障優(yōu)化問題極具挑戰(zhàn)性。

（1）基于分簇的動態(tài)的路由問題，即合理構建網(wǎng)絡中的車輛節(jié)點的直接交付通信簇，降低網(wǎng)絡擁塞，提高信息傳輸?shù)男剩鰪娷囕d自組織網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

（2）實現(xiàn)動態(tài)的路由發(fā)現(xiàn)機制，在克服車聯(lián)網(wǎng)拓撲結構迅速改變產(chǎn)生大量網(wǎng)絡碎片的嚴峻挑戰(zhàn)，設計相對穩(wěn)定的傳輸通信鏈路。

（3）多路由決策問題，即從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑是有差異的，最快發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點的路徑并不能保證是最優(yōu)的，因此如何快速發(fā)現(xiàn)眾多路徑中的最優(yōu)路由，也是其中的重點問題。

3.3 車聯(lián)網(wǎng)安全與隱私保護

車聯(lián)網(wǎng)安全與隱私保護研究是當前的熱點研究問題。目前，研究主要集中在車-車通信環(huán)境，雖然這些現(xiàn)有的解決方案已經(jīng)能夠部分滿足用戶的安全和隱私保護需求，但它們并沒有充分考慮車聯(lián)網(wǎng)的一些特殊結構、安全需求和制約因素，車聯(lián)網(wǎng)中存在大量的移動節(jié)點與道邊設備，這些節(jié)點具有較大的差異性，從而使其安全和隱私保護問題極具有挑戰(zhàn)性。針對具體的車輛節(jié)點與道邊設備共存的車路協(xié)同環(huán)境，能夠彌補現(xiàn)有安全和隱私保護領域研究的不足，對車聯(lián)網(wǎng)最終走向實際應用起到積極的促進作用。

4 結束語

本文概要介紹了智能交通體系，詳細分析了車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)的架構，其包含基礎交通感知層、信息共享網(wǎng)絡傳輸層、實際系統(tǒng)應用層。在此基礎上，探討了基于“云-霧-節(jié)點”模式的車聯(lián)網(wǎng)信息交互模型，并給出該模型的相應依據(jù)。除此之外，本文從架構設計與網(wǎng)絡優(yōu)化、動態(tài)路由與資源共享、安全與隱私保護等3方面，進一步分析了基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)關鍵問題。