車載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

郭秀花

（武威職業(yè)學(xué)院 甘肅省武威市 733000）

1 車載物聯(lián)網(wǎng)概念、研究進(jìn)展

伴隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展、相互融合，相應(yīng)的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，已經(jīng)滲透到了人民群眾生活中的各個(gè)方面。基于此，國際電信聯(lián)盟于2005年提出了物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的概念，它是指人與物、物與物之間通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換，通過信息的交換實(shí)現(xiàn)多種服務(wù)與應(yīng)用。該技術(shù)已經(jīng)融入當(dāng)代社會(huì)中，在智能家居、醫(yī)療以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與日常生活密切關(guān)聯(lián)的交通工具得到了爆炸式的發(fā)展，車載通訊的服務(wù)需求日趨增長(zhǎng)，而通過IOT 技術(shù)則能夠通過將車輛鏈接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的方式滿足這些需求并大幅的提高未來的交通安全性。車載IOT 能夠在車輛與路邊基站上建立無線通信，同時(shí)還能夠在車輛之間建立聯(lián)系，通過車輛多次轉(zhuǎn)發(fā)的方式，這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)能夠讓信號(hào)外的車輛建立連接，對(duì)建立智能交通系統(tǒng)有著重要意義[1,2]。

因此，車載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)成為了當(dāng)今車輛通信技術(shù)、智能交通領(lǐng)域的熱點(diǎn)，收到了全世界研究人員的矚目。目前，眾多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)致力于將各自的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到車輛物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，部分研究已經(jīng)卓有成效。譬如，由電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定的車輛通信基本架構(gòu)協(xié)議802.11p；由美國密歇根大學(xué)的向衛(wèi)東與郭錦華教授開發(fā)的面向車輛間近距離通信的WAVE 系統(tǒng)；加利福尼亞大學(xué)的G.Pau 教授報(bào)道的車輛系統(tǒng)特殊路由協(xié)議（PVRP），并驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。在車載系統(tǒng)方面，Clarion 公司早在1998年就與微軟合作，以Windows 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)了世界第一部車載電腦“歌樂”，使得將信息、通信、音視頻三者相結(jié)合，構(gòu)建了車內(nèi)信息空間的雛形。而后于2000年，F(xiàn)ord 公司則與Qualcomm公司合作推出了型號(hào)為“24-7”概念車型，指的是車內(nèi)人員能夠無時(shí)無刻的和外接保持聯(lián)系。

相較于國外的車載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，我國的起步則較晚。但進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于我國信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種針對(duì)車載技術(shù)的相關(guān)研究也在日漸增多，該類研究涉及了基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。在理論研究層面，馮金生教授于2008年設(shè)計(jì)了一種基于城市節(jié)點(diǎn)位置和交通地圖的車載網(wǎng)絡(luò)的被動(dòng)位置路由算法，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；在不遠(yuǎn)的2010年，鐘婷等人則涉及了一種針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交通信息高效分發(fā)算法ETDA。而在實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)方面，城市智能交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、集裝箱追蹤技術(shù)、交通智能收費(fèi)系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高的技術(shù)也不斷被開發(fā)出來，投入到市場(chǎng)應(yīng)用當(dāng)中。

由此可見，車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，有著重要的商業(yè)和應(yīng)用價(jià)值，當(dāng)前的車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，仍然對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)有著比較大的依賴。譬如，部署在交通干道上的交通攝像頭、路面的嵌入式電磁感應(yīng)器以及高速公路上布置的射頻讀取裝置（RFID）等。通常來說，在信息的收發(fā)過程中，由嵌入路面的感應(yīng)器對(duì)車輛的速度進(jìn)行檢測(cè)；隨后上傳到交通指揮中心；在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后所獲得的報(bào)告在通過網(wǎng)絡(luò)（蜂窩網(wǎng)絡(luò)，wifi 等）傳輸?shù)绞謾C(jī)或者車載智能系統(tǒng)上。鑒于信息的接受者與傳播源之間的距離往往很短，這使得該種傳統(tǒng)傳遞信息的方式的缺點(diǎn)（效率低下、成本昂貴）被暴露出來。因此，車載網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向需要通過短距離通信的方式，更直接的將信息傳輸給消費(fèi)者，該方式不再需要大型、大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，經(jīng)濟(jì)上可行性高。從技術(shù)的角度上看，車載物聯(lián)網(wǎng)就類似一個(gè)大型的無線體系，而在其中每輛車都能夠作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，汽車上的各種裝備，如傳感器，攝像頭，GPS 定位儀，車載計(jì)算機(jī)等設(shè)備為實(shí)現(xiàn)車輛間的信息交換提供了可能。而在不遠(yuǎn)的未來，通過在車輛上裝在無線首發(fā)設(shè)備，就能夠徹底的實(shí)現(xiàn)車輛間及車輛基站車間的相互通信。

2 車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用

當(dāng)前，隨著對(duì)車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷研究，人們將該系統(tǒng)應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用成果[3]。主要體現(xiàn)為四個(gè)方面：

2.1 出行效率方面的應(yīng)用

車載物聯(lián)網(wǎng)對(duì)改善城市交通有著重要應(yīng)用。通過對(duì)現(xiàn)有道路交通堵塞情況監(jiān)測(cè)、合理規(guī)劃出行路徑、公路交通管理及收費(fèi)等方面的全面統(tǒng)計(jì)，能夠提升市民的外出效率，解決城市上下班高峰期的交通堵塞問題。

2.2 商業(yè)方面的應(yīng)用

由于車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息傳播無法避免的會(huì)與周邊的地理位置出現(xiàn)關(guān)聯(lián)，那么利用這種優(yōu)勢(shì)就能在為消費(fèi)者提供增值服務(wù)的同時(shí)，為商家?guī)砀鄼C(jī)會(huì)。商業(yè)應(yīng)用的種類較多，例如利用車載物聯(lián)網(wǎng)為乘客提供附近的商店、餐廳、景點(diǎn)、加油站、商場(chǎng)的促銷信息，這不但能給客戶帶來實(shí)惠，同時(shí)還能給商家創(chuàng)造利潤(rùn)。

2.3 安全方面的應(yīng)用

早期的電子狗等設(shè)備就是該應(yīng)用的雛形，通過分析現(xiàn)有路段的路況，為駕駛員提供實(shí)時(shí)信息。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)包括電子路牌、道路干濕程度、汽車碰撞預(yù)警以及紅綠燈提醒等多方面的應(yīng)用。由于車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸距離較短，這些安全信息往往能夠非常及時(shí)的傳輸給司機(jī)，極大的提升了駕駛安全。

此外，鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此可以通過使用傳感器延伸人類的管控范圍，加強(qiáng)人與物之間的交流，實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)安全方面的監(jiān)測(cè)。如通過車載大氣檢測(cè)傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在較低成本下的對(duì)大氣污染物、粉塵（PM2.5，PM10）等的檢測(cè)，使得這些污染物質(zhì)能夠被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而裝載相應(yīng)裝置的車輛越多，實(shí)際運(yùn)行的車輛越多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度也會(huì)愈加可靠，有利于國家及地方政府對(duì)大氣污染物質(zhì)的科學(xué)化、系統(tǒng)化管理。

2.4 娛樂方面的應(yīng)用

娛樂應(yīng)用主要體現(xiàn)在基于位置服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生的網(wǎng)絡(luò)社交、餐廳評(píng)價(jià)、打車、拼車以及音視聽等服務(wù)?，F(xiàn)如今，信息娛樂方面的服務(wù)已經(jīng)成為車輛銷售領(lǐng)域中的亮點(diǎn)領(lǐng)域，受到到了廣大消費(fèi)者的關(guān)注。而在這方面的應(yīng)用上，F(xiàn)ord 公司的sync 車載娛樂系統(tǒng)則是比較成功的案例，在當(dāng)?shù)氐匿N售行業(yè)中受到了廣泛的認(rèn)可。車載物聯(lián)網(wǎng)通過對(duì)娛樂應(yīng)用的開發(fā)，改變了生產(chǎn)商、零售商的產(chǎn)品促銷方式，這種促銷方式的改變勢(shì)必會(huì)增加各生產(chǎn)商在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)。但是，毫無疑問的是，這些生產(chǎn)商在競(jìng)爭(zhēng)過程中提供的價(jià)廉物美的商品、豐富的娛樂應(yīng)用會(huì)最終提升消費(fèi)者的生活品質(zhì)，使他們成為最終的受益者。

3 車載物聯(lián)網(wǎng)的需求和挑戰(zhàn)

3.1 車輛配置

針對(duì)未來的車載互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，車輛自身的配置勢(shì)必需要進(jìn)一步升級(jí)。從目前的一些設(shè)想上看，未來的車輛還需要增加以下配置：

預(yù)警發(fā)布模塊主要實(shí)現(xiàn)預(yù)警消息的發(fā)布及推送，由預(yù)警發(fā)布服務(wù)端、預(yù)警接收客戶端、配置文件以及日志文件所組成。

（1）車輛自身狀態(tài)感知系統(tǒng)。通過安裝檢測(cè)器，實(shí)時(shí)對(duì)車輛自身的車速、電控系統(tǒng)、胎壓等車輛狀態(tài)以及對(duì)司機(jī)是否疲勞、注意力能否集中等方面進(jìn)行檢測(cè)，能夠針對(duì)異常情況提出預(yù)警，排除潛在的危險(xiǎn)。

（2）外部環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。通過外部環(huán)境的檢測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)外部復(fù)雜的道路信息、交通信息、空氣環(huán)境等。

（3）輔助駕駛裝置。包括自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、行車輔助、剎車輔助、倒車輔助以及自動(dòng)停車系統(tǒng)等。目前各國內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)在針對(duì)該類技術(shù)做研發(fā)，相信不久之后就會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際的應(yīng)用中。

（4）智能規(guī)劃系統(tǒng)。通過車內(nèi)外監(jiān)測(cè)裝置的信息匯總，對(duì)汽車的車速、出行路線進(jìn)行規(guī)劃，提高人們的出行效率。緊急情況下，為駕駛員提供意見甚至直接作出決策。

（5）新型的通信裝置。通信手段的升級(jí)能夠?yàn)閭鬏敶罅繑?shù)據(jù)提供支持，因此在不遠(yuǎn)的將來，通過使用無線wifi、5G 網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星等方式構(gòu)建立體網(wǎng)絡(luò)，有網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效的信息傳輸。

（6）智能計(jì)算機(jī)設(shè)備。未來的車載物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除了針對(duì)監(jiān)測(cè)、通信裝置的改良外，還需要對(duì)車輛自身的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)大量數(shù)據(jù)的處理環(huán)境。通過運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、啟發(fā)式算法、遺傳算法以及模糊邏輯算法等先進(jìn)技術(shù)，將所監(jiān)測(cè)、收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、甄別，快速的得到所需的信息，為規(guī)劃系統(tǒng)提供依據(jù)。

（7）遠(yuǎn)程協(xié)助。得益于車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的高速信息傳遞，當(dāng)駕駛員身體不適或者車輛受損的情況下，可以及時(shí)的向相關(guān)部門發(fā)出求救信息，以便及時(shí)的得到援助。

3.2 車載物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

車載物聯(lián)網(wǎng)雖然會(huì)給人們的生活帶來便捷的體驗(yàn)，但也面臨著諸多的挑戰(zhàn)[4]。

3.2.1 鏈路層面的挑戰(zhàn)

未來的使用中，需要采用合適的鏈路層協(xié)議以適應(yīng)不同的車輛運(yùn)行環(huán)境，才能使其展現(xiàn)出最優(yōu)的性能。該層面主要涉及到了3 個(gè)目標(biāo)，即響應(yīng)能力、擴(kuò)展能力以及可靠性。首先，該層面的設(shè)計(jì)需要考慮到對(duì)高速行駛中汽車的移動(dòng)性和實(shí)際新到條件的高速響應(yīng)。除此以外，鏈路層的可靠性以及可拓展性也是至關(guān)重要的。當(dāng)前所使用的一些老舊的鏈路層協(xié)議，如地址解析協(xié)議，媒體訪問控制超時(shí)等問題已經(jīng)在現(xiàn)有的高速車載環(huán)境內(nèi)日趨凸顯，無法滿足人們的需求，導(dǎo)致了可靠性的下降。而可靠性的下降也恰恰說明了現(xiàn)有鏈路層協(xié)議的可拓展性不足，難以滿足當(dāng)今的需求。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)層面的需求

針對(duì)越來越快的信息傳遞需求，亟需開發(fā)構(gòu)建新的路由模式，以促進(jìn)、滿足信息傳播所需的要求。近年來，研究人員對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行了大量研究并提出了許多有競(jìng)爭(zhēng)力的路由協(xié)議，例如VADD 和MDDV 等協(xié)議。其中MDDV 協(xié)議就是一種通過數(shù)字地圖技術(shù)、GPS 定位等技術(shù)，在車輛行駛過程中將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)。究其本質(zhì)，都是以數(shù)據(jù)包為傳輸基本單位的傳輸方式，而這種傳輸方式是不能滿足未來的高速、大量的信息傳播的需求。這主要是由于以下兩個(gè)原因：首先：該協(xié)議所傳輸?shù)男畔⒌哪康牡睾彤a(chǎn)生節(jié)點(diǎn)不明確，造成可數(shù)據(jù)的不完整、不清晰。第二，信息傳輸過程中可能會(huì)發(fā)生失真的現(xiàn)象。譬如，在交通擁擠的情況下，車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所傳輸?shù)膿矶聢?bào)告極有可能互相融合，從而在傳遞的過程中被修改。雖然這些問題在改進(jìn)后能夠被部分解決，但是這種不徹底的解決方式無法滿足未來的需求，人們需要的是新的路由協(xié)議，徹底的解決現(xiàn)有的傳輸問題。

3.2.3 應(yīng)用層面的挑戰(zhàn)

車載物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用方面面臨的挑戰(zhàn)主要是如何及時(shí)的發(fā)現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)所檢測(cè)、傳輸?shù)挠行畔?，并將這些有用的信息記錄下來。而命名和尋址則是該方面的核心問題。研究者們一直在研究如何對(duì)信息建立索引，以便于信息的記錄和傳遞。尋址是車載物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)實(shí)信息的匯合之處，因此新的尋址和命名需求勢(shì)必對(duì)路由產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)。除此以外，由于車載物聯(lián)網(wǎng)是基于高速移動(dòng)汽車而開發(fā)的，這就需要將車輛的實(shí)時(shí)位置和移動(dòng)的情況準(zhǔn)確的映射到數(shù)字地址上。例如針對(duì)車輛的監(jiān)控就需要特定空間內(nèi)所有移動(dòng)和停滯車輛的位置信息，而該需求是物聯(lián)網(wǎng)體系的最基本需求之一。筆者認(rèn)為，在現(xiàn)階段可以考慮通過RARP 協(xié)議技術(shù)解決解決這類問題。

數(shù)據(jù)的分布式管理則是車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層面的另一個(gè)挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)管理需要解決數(shù)據(jù)在復(fù)制、刪除以及緩存等方面的問題。舊式的分布式數(shù)據(jù)管理是假定在不同地點(diǎn)的服務(wù)器連接在同一網(wǎng)絡(luò)上而建立的，而該方式在未來的車載網(wǎng)絡(luò)體系中則不復(fù)存在。在當(dāng)今的車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，每輛汽車都能夠作為大數(shù)據(jù)庫中的小子集，車輛間不定期的交換數(shù)據(jù)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)得到流通、更新。

4 車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的信息傳播

車載物聯(lián)網(wǎng)是以信息為中心構(gòu)建的一種分布式系統(tǒng)，信息在車輛的活動(dòng)中被生成、采集并發(fā)布。從信息傳遞的角度上看，這種信息傳遞的方式主要可以分為兩種，即宏觀傳播和圍觀傳播。宏觀傳播的目標(biāo)是在減少信息傳遞過程中的時(shí)間浪費(fèi)，減少信息傳遞的相關(guān)費(fèi)用的同時(shí)，提高信息查詢的成功率。目前，在宏觀信息傳播領(lǐng)域的研究方向主要有信息路由、數(shù)據(jù)緩存以及數(shù)據(jù)融合等方面。

微觀信息的傳播主要是指一跳或者幾跳的局部信息傳遞過程。由于現(xiàn)在處在車載物聯(lián)網(wǎng)的初級(jí)市場(chǎng)化階段，單一車輛與其他車輛或路邊設(shè)施的交互方式還較為單一，因此提高車輛相遇時(shí)的信息傳遞效率非常重要。目前來看，微觀信息傳播的挑戰(zhàn)在于如何將客觀存在的下層條件（如信道、車輛的移動(dòng)性）與上層實(shí)際應(yīng)用的需求聯(lián)系在一起。而近來的報(bào)道表明，雖然通過才用新的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議能夠在一定程度上解決單跳問題，但仍然無法很好的解決上下層之間的連接問題。

可見，信息傳播也是在車載物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中需要關(guān)注的領(lǐng)域之一。

5 結(jié)束語

車載物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)很有潛力的新型發(fā)展領(lǐng)域，能夠?qū)⑷藗兊娜粘Ｉ钆c信息通信技術(shù)相結(jié)合，在提高通勤效率，改善交通問題，增強(qiáng)出行安全，提供生活便捷等方面有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。也因此在近年來被政府部門、汽車產(chǎn)業(yè)以及科研人員所重視，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也在逐步制定和公布。但是在實(shí)際應(yīng)用方面，該技術(shù)還不能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的環(huán)境，還有很多的問題亟待解決。需要更多更深入的研究，車載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)才能夠走出實(shí)驗(yàn)室，投入實(shí)際應(yīng)用。