車聯網的關鍵技術及應用研究*

孫小紅

（天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

0 引言

2005年11 月的信息社會世界峰會(WSIS,World Summit on the Information Scoiety)上，國際電信聯盟(ITU，International Telecommunication Union)在《ITU物聯網報告2005：物聯網》報告中首次引用了“物聯網”概念，使得物聯網被人們所熟悉，但是ITU發布的報告卻對于物聯網沒有一個明確的定語。此后至2009年9月的物聯網與企業環境中歐研討會上，歐盟對物聯網給出如下的定義：物聯網是一個動態的全球網絡基礎設施，它具有基于標準和互操作通信協議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網絡無縫整合。物聯網將與媒體互聯網、服務互聯網和企業互聯網一道，構成未來互聯網。

在中國，物聯網已被正式列為國家五大新興戰略性產業之一。2009年8月，溫家寶總理在無錫視察期間，提出在無錫建立中國的傳感信息中心，由此標志中國物聯網產業的正式啟動[1]。從概念上來說，中國的物聯網和ITU或歐盟提到的范圍又有不同。中國的物聯網(Internet of Things)指的是將無處不在（Ubiquitous）的末端設備（Devices）和設施（Facilities），包括具備“內在智能”的如傳感器、移動終端、工業系統、樓控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等、和“外在使能”(Enabled)的如貼上RFID的各種資產（Assets）、攜帶無線終端的個人與車輛等等“智能化物件或動物”或“智能塵埃”（Mote），通過各種無線/或有線的、長距離/或短距離通訊網絡實現互聯互通（M2M)、應用大集成（Grand Integration)、以及基于云計算的SaaS營運等模式，在內網（Intranet）、專網（Extranet）、互聯網（Internet）環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持、領導桌面（集中展示的 Cockpit Dashboard）等管理和服務功能，實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化[2]。

1 車聯網架構體系

隨著物聯網技術發展和人們對于物聯網認識的深入，物聯網的架構也漸漸明晰。只要能夠通過特定設備，遵循約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，實現信息的交換與通信，都可以稱為物聯網。一種基于應用的物聯網分層架構如圖1所示，自底向上分別為感知層、接入層、網絡層、支撐層和應用層。感知層通過各種類型的傳感器以及傳感器網絡收集物體的屬性以及物體相關的信息；接入層作為感知層和網絡層的中間層，為感知層提供統一的網絡接口，兼容不同網絡技術；網絡層負責信息的傳輸，提供路由機制、差錯控制機制、保證數據傳遞的可靠性和完整性；支撐層處理不同數據，為上層應用提供一種智能的信息處理方式；應用層則完全面向用戶需求，根據不同應用為用戶提供相應的服務。

圖1 面向應用的物聯網架構示意

2010年上海世博會期間“車聯網”概念作為物聯網的一個實際應用被提出，上汽通用汽車館展主題電影《2030，行！》形象的展示了未來城市交通的藍圖：汽車能夠自主地在道路上行駛，沒有交通堵塞，沒有交通事故，地面交通能夠達到極限通行能力。

2 車聯網的概念

車聯網作為物聯網的衍生品，不同的人從不同的角度給它賦予了不同的涵義。從信息感知技術考慮，在中國射頻識別技術與應用發展藍皮書中有如下定義：車聯網指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術，實現在信息網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜態、動態信息進行提取和有效利用，并根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管和提供綜合服務；從智能交通技術考慮，車聯網是將先進的數據通訊傳輸技術、感知技術、電子控制技術及數據處理技術等有效的集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統；從車輛組網和通信角度考慮，車聯網是無線通信技術和自動控制產業高度發展融合后的新興概念，主要由安裝有無線接口的移動車輛組成，車輛可以接入同構或異構的網絡，車聯網不僅能滿足車與車的通信，也能實現車輛與固定路邊設施間的通信[3]。

雖然上述定義各不相同，但從中看出共同點：首先，車聯網利用先進的信息技術，包括傳感器技術、網絡技術、計算技術、控制技術、智能技術，將車輛、道路、行人和路邊設施集成一個有機的整體，以提供車輛安全、交通控制、信息服務和Internet接入等應用，最終提高交通效率、降低交通事故、提升道路的通行能力[4]。車聯網中的要素可描述成3個集合的并集，即被服務終端、基礎設施以及交通管理和控制實體。其中被服務終端包括汽車、飛機、列車以及路上行人等需要通過車聯網得到各項服務的實體；基礎設施包括熱點接入點、基站、衛星、交通設施等可為被服務終端提供通信、接入或服務的實體；交通管理和控制實體包括交通控制中心、貨運客運控制系統等全局或區域交通控制實體。這3種實體通過各種通信方式的融合最終連接到Internet上，以實現多元信息的融合，各種交通信息、服務信息及多媒體信息可以在各個實體間無阻礙地交互。在此基礎上，車聯網的各種實體通過互相協同，為被服務終端提供各種服務，如智能導航，輔助駕駛、安全告警和碰撞避免，用戶高速接入、語音/視頻服務、道路及車輛監控、交通擁塞控制等。

3 車聯網與其他車輛控制系統的比較

車聯網的架構同物聯網一樣，主要包括3個層次：感知層、傳輸層和應用層，因此具有其它車輛控制系統無法比擬的優勢。車聯網與目前在道路運輸領域廣泛使用的智能交通系統相比，可以實現更全面的感知、各種各樣的互聯以及智能化的信息處理和應用集成，因此車聯網的出現是智能交通系統發展的必然結果，是提供道路極限出行能力的必然選擇。

由于是針對交通提供相應的服務，車聯網不能完全脫離于智能交通系統，從國內外開展的一批高水平的研究及試驗項目可以看出，車聯網的發展與智能交通系統有著緊密的聯系。智能交通系統發展的歷史較早，主要對交通安全和效率問題進行大量研究并提出解決方案。隨著技術的不斷演進，目前智能交通系統正在大力發展智能車路協同系統，具有代表性的如e-safety、Coopers、CVIS、PReVENT、SmartWay、VII、IntelliDrive等。其中，美國、歐洲和日本在實現城市車路協同智能交通方面處于領先地位。美國的IntelliDrive，作為VII（汽車與道路基礎設施的集成系統）的后續項目，旨在通過車載傳感器與車路或車車通信為主要信息獲取手段，為美國道路交通提供了較好的安全和效率，它通過開發和集成各種車載和路側設備以及通信技術，使得駕駛者在駕駛中能夠做出更好和更安全的決策。車路協助系統(CVIS，Cooperative Vehicle-Infrastructure System)研發計劃是歐盟所支持的大型ITS研究與發展項目，該項目的主要目的是設計、開發和測試為了實現車輛之間通信以及車輛與附近的路邊基礎設施之間通信所需的技術，旨在建立集硬件和軟件于一體的綜合交流平臺，從而提高旅客和貨物的移動性以及道路交通運輸系統的效率。日本于2006年啟動的下一代道路服務系統，包括車載信息系統和路側集成系統的開發與試驗，該項目名稱為“智能道路計劃(Smartway)”。Smartway發展重點是整合日本各項ITS的功能，包括先進的VICS(Vehicle Information and Communication System)、ETC、DSRC、AHS（Automated Highway System，自動公路系統），并建立車載單元的共同平臺。從上述項目的描述中可以看出，智能交通系統向車聯網發展的趨勢越來越明顯，正在試圖通過引進先進的信息技術，建立人、車、路高度一體化的協作系統，從而在廣域范圍、整個時段為所有車輛實現綜合的交通控制。

車載信息服務（Telematics，Telecommunication+Informatics）即安裝在車上的資訊平臺，該平臺通過通訊網絡提供多樣化的信息服務，其功能是給用戶提供導航、路況、天氣、聯網資訊以及多媒體娛樂為主，主要考慮在用戶體驗角度基于現有無線網絡和車載應用為汽車提供信息服務。廣義上講，車聯網包含車載信息服務，Telematics作為車聯網的一種應用為用戶提供車載信息服務，但是沒有提供實時性更強的安全服務，以避免交通事故發生。而車聯網由智能感知，智能信息傳遞，智能信息處理構成，能夠實時感知車輛以及車輛周圍的信息，為安全駕駛提供幫助，與此同時，車輛之間的互聯能夠構成車輛與車輛，車輛與路邊單元的協同系統。在此基礎上為用戶提供安全和非安全的應用。總的來說，車聯網作為車輛間的物聯網，而車載信息服務屬于車聯網的一種應用形式。

車輛自組織網絡（VANET）是近幾年研究地非常熱的一個領域，很多研究者希望借助車輛自組織網絡提高行駛安全。不同于車聯網，車輛自組織網絡指裝有射頻單元的車輛通過自主方式組建的一種網絡，它只是車聯網中的一個有機組成部分，描述了車輛之間、車輛和路邊單元之間的組網方式，以及相應的信道分配和轉發方式。車聯網除了車輛與車輛、車輛與路邊單元之間的連接之外，還包括路邊單元和交通控制中心之間的連接、車載單元與車內設備的連接，以及車、路與Internet的連接。因此，從協議來看車聯網的通信方式既包括802.11p、WiFi、Zigbee，也包括3G、LTE，還包括WSN（無線傳感網）。從層次來看車聯網的通信方式既包括車內通信、也包括車車、車路、路路通信，還包括車、路與后備網絡的通信。從組網方式來看車聯網既包括像車輛自組織網絡這樣的分布式組網，也包括將交通信息中心作為服務器的集中式組網。因此，車聯網包括了不同組網方式、不同形態的異構網絡，最終通過Internet將所有的網絡匯集在一起。

4 車聯網的關鍵技術

車聯網的發展歷程中，有一些關鍵的技術需要解決，包括異構無線網絡的融合、全面的感知、智能化信息處理、與電動汽車的整合。

（1）異構無線網絡的融合

車聯網將有多種不同的無線通信技術并存，包括 WLAN(如 IEEE802.11a/b/g/n/p協議)、WIMAX(IEEE802.16a/e)、超寬帶通信 UWB(IEEE802.15.3a)、2G/3G蜂窩通信、LTE以及衛星通信等網絡。不同的網絡有不同的通信方式和特點，適用于不同的場景。為了達到信息共享的目的，車載網中的很多信息需要在不同的網絡中傳遞。另外，車輛作為一個移動單元，在移動過程中將發生水平切換和垂直切換，也需要進行移動性管理。因此，需要在車聯網環境下考慮異構無線網絡的融合，實現無縫的信息交換和無縫的切換需求[5]。

（2）全面的感知

車聯網想要為地面交通提供極限通行能力，首先必須依賴于全面的感知，包括對整個道路的感知和對車輛的感知，從而分別結合道路和車輛獲取相應的狀態信息。如今，各種不同類型的感知節點已經大量應用于地面交通，如何將這些多元的感知節點進行有效的利用是一個非常關鍵的問題。它涉及到感知節點的選擇、功能定位（如匯聚節點）、布局、特征提取與分析、以及多元信息的融合。車內感知和車外感知考慮的重點不一樣，而道路的感知與車輛狀態的感知關注的重點也不一樣。比如，道路感知對路面是否結冰很關心，但車輛感知可能更關心車輛的行駛速度和當前的位置。

（3）智能化信息處理

車聯網不僅涉及到眾多的節點，而且可能存在各種各樣的業務在并發運行，因此車聯網需要考慮云計算或并行處理提高運算能力。車聯網所收集到的交通信息量將非常巨大，如果不對這些數據進行有效處理和利用，就會迅速被信息所湮沒。因此需要采用數據挖掘、人工智能等方式提取有效信息，同時過濾掉無用信息。考慮到車輛行駛過程中需要依賴的信息具有很大的時間和空間關聯性，因此有些信息的處理需要非常及時。另外，很多車聯網的應用與車輛行駛的速度和當前的位置有密切的關系，因此如何基于速度和位置做移動預測，并建立業務自適應的觸發機制顯得非常必要。

（4）與電動汽車的整合

電動汽車和未來的交通基礎設施之間存在密切的互動關系，也是車聯網中的一個重要組成部分。盡管電動汽車在環保方面比傳統汽車做得更好，但在可預見的時間內，續駛里程、充電時間和電量可持續性等都是其軟肋。今天的電動汽車的行駛距離還很有限，因此車聯網必須規劃好充電路徑，并通過與智能電網的融合（V2G）進行智能充放電，以滿足長時間行駛的要求。此外，電動汽車將擁有比傳統的內燃機汽車更先進的遠程信息處理和導航技術。這樣可以更好地對交通流量進行控制，減少交通擁堵，并從整體上提高交通安全。不同服務提供商之間通過數據交換也可以允許增值服務的跨地區共享，以信息通信技術為基礎的導航系統可以將電動汽車更好地集成到交通基礎設施中。

5 車聯網未來應用案例

智能終端（如 iPhone）未來一個主要應用將可以作為車載信息平臺，如圖 2所示。首先它可以充當汽車無線鑰匙，通過 3G/WiFi無線網絡監控車內狀態，打開或關閉車門，可以遠程為車載電池充電或打開空調；其次在行駛途中，一方面通過衛星通信為車輛動態導航，另一方面與傳感器的有效結合多方位感知車內和車外的狀態，并通過智能處理顯示預警信息；而且，還可以作為語音播報終端，一方面通過藍牙設備進行免提通話，另一方面通過與交通監控中心的交互及時播報路況信息；最后還可以作為娛樂終端，一方面通過3G/LTE進行網上沖浪，另一方面通過802.11系列與車友共享網絡游戲。

圖2 基于車載智能終端的應用案例

6 結語

總之，車聯網是下一代智能交通系統的發展方向，是我國下一代互聯網的典型示范應用。雖然目前車聯網技術的研究還處于起步階段，各項關鍵技術還有待完善，但是可以預見隨著互聯網技術、傳感技術、信號處理技術、汽車技術等技術的發展，車聯網的框架體系將更加完善，其應用與服務將越來越廣泛[2]。車聯網具有良好的發展前景，車聯網的春天已經到來。:

[1] 趙靜,喻曉紅,黃波,等.物聯網的結構體系與發展[J].通信技術,2010,43(09):106-108.

[2] 郭莉,嚴波,沈延.物聯網安全系統架構研究[J].信息安全與通信保密,2010(10):73-75.

[3] 諸彤宇,王家川,陳智宏.車聯網技術初探[J].交通工程,2011,77(05):266-268.

[4] 羅春彬,彭龑,易彬.RFID 技術發展與應用綜述[J].通信技術,2009,42(12):112-114.

[5] 劉富強,單連海.車載移動異構無線網絡架構及關鍵技術研究[J].中興通訊技術,2010(03):47-51.