基于物聯(lián)網(wǎng)技術的汽車安全行車系統(tǒng)設計

鄧祖清 舒穎 肖亞

摘要：隨著社會的進步和經(jīng)濟高速增長，人均工資增加，購買力提高，人們的生活水平得到提高。汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和汽車價格的親民化，使得汽車成為家庭旅游的重要交通工具。隨著汽車進入數(shù)千戶家庭，成為生活空間的重要一部分，國內汽車銷售總額的不斷增加。許多城市的道路通行能力已經(jīng)達到飽和，交通安全，出行效率，環(huán)境保護等問題也日益突出。在這種背景下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術有望大大緩解交通擁堵，提高交通運輸效率，解決道路交通環(huán)境中的安全問題。本文主要對車聯(lián)網(wǎng)的安全機制及其關鍵技術進行研究。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);車聯(lián)網(wǎng);行車安全;車間通訊

Abstract：With social progress and rapid economic growth， per capita wages have increased， purchasing power has increased， and people's living standards have improved. The rapid development of the automobile industry and the closeness of automobile prices have made automobiles an important means of transportation for family travel. As cars enter thousands of households and become an important part of living space， the total domestic car sales continue to increase. The road capacity of many cities has reached saturation， and issues such as traffic safety， travel efficiency， and environmental protection have become increasingly prominent. Under this background， the technology based on the Internet of Things is expected to greatly ease traffic congestion， improve transportation efficiency， and solve safety problems in the road traffic environment. This paper mainly studies the safety mechanism and key technologies of the Internet of Vehicles.

Keyword： Internate of Things， Internet of Vehicle， Security-Driving System，Vehicle-To-Vehicle Communication

1引言

道路安全問題己經(jīng)上升為全球公共道路交通安全問題。依據(jù)我國公安部交通管理局統(tǒng)計信息，我國私人汽車擁有量從 2013 年的 10501.68萬輛，至 2017 年增長到 18515.11萬輛，增長率達 76.3% ;交通事故發(fā)生總數(shù)從 2013 年的 198394 起，至2017年增加到203049 起，增長率達到2.3% 。方便人們的安全出行同時，又要從出行效率、環(huán)保以及資訊娛樂等方面考慮，這就需要車輛與車輛之間，車輛與人、車輛與基礎設施之間能夠實時通信，以滿足人們不同的出行需求。最近幾年內國家道路基礎建設穩(wěn)步推進、法律法規(guī)日趨完善，司機和行人的交通安全意識有所増強，道路交通安全事故傷亡人數(shù)略有下降，但同日本、美國和德國等發(fā)達國家相比，依然存在巨大的差距。汽車安全行車系統(tǒng)在國外發(fā)展迅速并且形成歐、美和日三大模式_[1][2]。90年代開始，國內學者在汽車安全行車技術的研究上取得了令人矚目的成就。美國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一直處于世界前列，體現(xiàn)在基礎設施，技術水平和工業(yè)發(fā)展水平上_[3]。 例如，美國的“智能地球”戰(zhàn)略促進了物聯(lián)網(wǎng)應用領域的發(fā)展。歐盟在智能基礎設施的發(fā)展方面也處于世界領先地位_[4]。2010年初，我國工業(yè)和信息化部（工信部）牽頭成立了國家協(xié)調小組，以促進物聯(lián)網(wǎng)的建設，使物聯(lián)網(wǎng)應用示范項目的建設成為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術的一個分支，主要應用于智能交通領域。車聯(lián)網(wǎng)安全方面的應用在相關研究中已經(jīng)得到證實，當車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)0.5秒預碰撞警報則避免了60%的交通意外，如果提前1秒預警可以避免90%的交通事故_[5][6]。車聯(lián)網(wǎng)在行車安全方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，駕駛員能夠從車輛節(jié)點和路側節(jié)點獲取所屬路段的道路環(huán)境信息和氣象信息，獲取建議的車速，同時也能接收超視距或盲區(qū)內車輛的動態(tài)信息，如行車速度，航向角和GPS定位信息等。當車輛預測到潛在安全隱患時，發(fā)出聲音和圖像報警信息，警示駕駛員，保證有充足的應急時間來做出正確緊急避險決策，能夠避免道路安全事故引發(fā)的傷亡和財產(chǎn)損失。

為了增強路網(wǎng)的智能、安全以及道路利用率和節(jié)能經(jīng)濟等能力，更加為了建立健全的超時代汽車安全行車系統(tǒng)體系，車聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術突破創(chuàng)新和基礎設施建設已經(jīng)勢在必行。本課題的設計主要從汽車道路行駛過程中因為車輛之間信息不同步，或者對行駛規(guī)則運用不規(guī)范，導致交通事故為出發(fā)點，應用互聯(lián)技術，一定范圍內，汽車自帶的無線網(wǎng)絡自動互聯(lián)，變道超車，給車內駕乘人員給予提示，做到有潛在安全隱患提前預警，早做應急準備，減少意外事故發(fā)生。

1.1物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）的定義是：利用各種信息傳感設備，如全球定位系統(tǒng)，射頻識別設備，激光掃描儀，紅外傳感器等設備，與互聯(lián)網(wǎng)相結合形成了龐大的網(wǎng)絡，進行全面感知，可靠傳遞和智能處理?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)架構主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成。

1.2車聯(lián)網(wǎng)

從大范圍講，車聯(lián)網(wǎng)內含車內網(wǎng)、車際網(wǎng)化及車載移動互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)預先制定的無線通信準則、通信傳輸標準及信息傳輸協(xié)定，在車與車、車與路和車與互聯(lián)網(wǎng)中，進行交通安全和信息服務為目的的無線通信，實現(xiàn)交通管控、車輛管控和車輛信息娛樂一體化智能化的大型綜合網(wǎng)絡，創(chuàng)建更健全更先進的智能交通系統(tǒng)_[7]本章主要介紹車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，為了滿足智能交通在道路交通安全性的要求，需要提供的交通信息的主要內容，介紹車聯(lián)網(wǎng)的典型系統(tǒng)架構，介紹車輛精確定位技術、在移動環(huán)境下實時可靠的通信技術、車輛行駛狀態(tài)感知技術、海量車輛數(shù)據(jù)處理技術等關鍵技術。

2車聯(lián)網(wǎng)安全體系

車輛互聯(lián)網(wǎng)是一種特殊的移動網(wǎng)絡，但與傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡不同，車輛互聯(lián)網(wǎng)具有網(wǎng)絡拓撲快速變化，頻繁的網(wǎng)絡分段和有限的網(wǎng)絡冗余的特點，限制了互聯(lián)網(wǎng)的通信能力。技術和應用實踐證明，基于通信體系結構研究車輛互聯(lián)網(wǎng)安全性的最有效，最可行的方法之一。因此，本節(jié)對主要內容進行了分析和討論。

2.1 車聯(lián)網(wǎng)安全體系結構

車聯(lián)網(wǎng)安全體系研究的是車域網(wǎng)，車載自組織網(wǎng)絡為主要對象，通過對安全通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸安全技術的研究，在車輛和車輛（V2V）中 ，車輛和道路基礎設施（V2I）以及與汽車之間具有外部網(wǎng)絡（Vehicle to External-network，V2E）的無線通信方式的信息交換和傳輸信息安全，并用于實現(xiàn)智能交通管理和智能信息服務、智能交通控制，為汽車聯(lián)網(wǎng)應用提供安全保障。

2.2車聯(lián)網(wǎng)車間通訊

車間距離是判斷車輛間安全的依據(jù)，車輛如何在動態(tài)交通環(huán)境中實時感知彼此的存在以及相對位置是實現(xiàn)安全的前提。通過前文的分析，定位和感知技術都是通過無線測距方式來實現(xiàn)，涉及到信號在空間的傳播特征。為此，結合車聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)特點，本節(jié)設計了可附著在車輛的無線接收裝置，利用車輛發(fā)出的關于速度、轉向等指令信息感知周圍車輛，通過車與車間的無線通訊，駕駛員可以共享路況信息，提前預測前方道路的實時路況，有效解決因駕駛員未能及時獲取路況信息而造成的交通擁堵，甚至可以有效避免交通事故 。

2.2.1車聯(lián)網(wǎng)車間通訊方法

本節(jié)中所提出的車間通信主要分為以下兩種類型：車輛和車輛（V2V）通信和車輛和道路基礎設施（V2I）通信。

車車間通信實現(xiàn)的是車輛之間的直接信號傳輸，主要用于車輛之間相對位置的感知。例如，高速行駛過程中，后方車輛未按行車規(guī)矩，打燈，并道超車，沒有安裝這個系統(tǒng)的車輛，會有發(fā)生交通事故的風險，安裝這個系統(tǒng)的車輛能在車載行車系統(tǒng)中知曉后車打燈加速等信息，提前預警，作出減速避讓的措施，降低或者避免行車安全風險。

車路間通信是一種特殊的車車間通信方式，但與單純的車車間通訊不同的是，它需要借助RSU來間接地將其信號覆蓋范圍內的車輛關聯(lián)起來，并間接地判斷路況。例如，在道路十字路口，受周圍環(huán)境的影響，車輛之間可能無法直接判斷出不同方向的車輛位置，若此時前方路段發(fā)生堵車，交通事故后方車輛，能夠通過安全支持系統(tǒng)，在行車系統(tǒng)電腦顯示器上，通過無線通訊的接入，感知到前方車輛行駛信息，如果速度完全靜止，則有預警信息發(fā)出，這樣同向車輛能及時做出制動和其他措施，避免交通事故，提高行車安全。

2.2.2車聯(lián)網(wǎng)車間通訊系統(tǒng)設計

一、利用電磁場理論和統(tǒng)計理論分析無線電波在移動環(huán)境中的傳播特性進行理論分析，并用數(shù)學模型描述無線信道。二、不同傳輸環(huán)境中無線電波的現(xiàn)場測量，做無線電場實驗，并驗證和校正理論分析結果;三、計算機仿真，利用計算機仿真軟件，靈活快速地模擬各種移動環(huán)境。本實驗在原有的計算機仿真的基礎上進行必要分析，提出優(yōu)化方案。

微帶天線具有體積小、成本低等特點，在移動通信以及衛(wèi)星通信中應用廣泛，但是微帶天線因其損耗較大、增益低，所以會限制其應用范圍。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)應用需求，本實驗將電磁超介質應用在矩形貼片微帶天線中，利用電磁超介質的特殊物理性質提高微帶天線增益等性能。

微帶天線大致可以分為三類：貼片微帶天線、行波微帶天線及縫隙微帶天線。貼片微帶天線主要由介電基片，介電基片上方的金屬貼片和基片下方的連接層組成。行波微帶天線主要由介質基片，鏈狀周期結構或傳輸線結構組成。 間隙微帶天線主要由連接底板上的間隙和微帶饋線組成，貼片微帶天線中的貼片可以是矩形，圓形，三角形等。

由于原有的仿真分析微帶天線的增益比較低，應用效果不太理想。為了增強設計方案的性能，在原有設計的基礎上，通過負磁導率介質在微帶無線中的應用，形成加載負磁導率結構的微帶天線，利用負磁導率的結構的帶阻特性抵制微帶天線中表面波的傳播，從而提高天線的輻射效率，進而提高天線的增益性能。

利用負磁導率結構的帶阻特性來抑制微帶天線中表面波的傳播特性，可以將所構造的負磁導率結構加載到前文設計的微帶天線的基板上，用以抑制表面波傳播，進而提高微帶天線的增益。微帶天線具有體積小、靈敏度高、安裝方便等特點，可附著在車頂?shù)任恢茫糜谲嚶?lián)網(wǎng)的車間通信，實現(xiàn)測距、預警等功能。

3結論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和在各個領域應用的不斷推進，車聯(lián)網(wǎng)技術被提出且成物聯(lián)網(wǎng)中一個重要的分支。車聯(lián)網(wǎng)概念一經(jīng)出現(xiàn)，便引起了社會各界的普遍關注，并成為研究重點和熱點。尤其是近些年來，伴隨著智能交通理念不斷深入人心以及車聯(lián)網(wǎng)在一些關鍵技術和應用方面取得的突破性進展或給人們展現(xiàn)的美好期望，車聯(lián)網(wǎng)為一項被普遍認為能夠進一步推動智能交通發(fā)展的技術很快實現(xiàn)了兩者之間的深度融合。為此，車聯(lián)網(wǎng)同時繼承了物聯(lián)網(wǎng)和智能交通的基因，而且在融合發(fā)展過程中不斷得到優(yōu)化。目前，車聯(lián)網(wǎng)在全球的研究和應用還處于起步階段，不但對車聯(lián)網(wǎng)概念的描述還不完整和準確，同時，在車輛網(wǎng)絡安全性研究中還缺乏相關的標準和規(guī)范，因此，在車輛互聯(lián)網(wǎng)的研究中仍然有很多未知的領域需要探索，而這一探索目前處于階段。 主要是對現(xiàn)有研究成果和應用成果在汽車互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的創(chuàng)新。

本文系統(tǒng)分析物聯(lián)網(wǎng)技術框架和智能交通應用的基礎，提出了車聯(lián)網(wǎng)的體系結構，將車聯(lián)網(wǎng)從下到上分為感知層、轉送層和應用層。其中，感知層是車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，通過車輛狀態(tài)感知、車路感知、車輛定位、車輛感知等方式實現(xiàn)車輛自身以及車輛與道路交通信息的全面感知、收集和處理;傳送層通過整合現(xiàn)有和演進中的各類網(wǎng)絡，利用云計算、大數(shù)據(jù)等熱點技術，為上層應用提供高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務;應用層負責為車聯(lián)網(wǎng)提供智能交通管理、車輛安全控制等服務功能?；谠摷軜?，本文提出了一種用于車輛互聯(lián)網(wǎng)的安全框架，并詳細分析了車輛網(wǎng)絡的安全性和車輛自組織網(wǎng)絡的安全性，為構建可信、可控、可管的安全車聯(lián)網(wǎng)提供了技術支持和研究依據(jù)。同時，根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的應用特點，設計了加載負磁導率結構的微帶天線作為信號源來實現(xiàn)車間通信，符合車聯(lián)網(wǎng)的應用需求。

本文雖然在一定程度上為車聯(lián)網(wǎng)技術的應用和發(fā)展提供了有價值的參考。但作為一項綜合了各方面技術的創(chuàng)新型應用，隨著車聯(lián)網(wǎng)技術應用的不斷推進，還有己知和未知的大量技術難題需要解決，與各類技術相伴而生的安全問題更需要認真面對。

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基金項目：2019年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（g201911731018）