車聯網系統架構及關鍵技術研究

唐紅杰

（遼寧警官高等專科學校 遼寧 116036）

1 物聯網與車聯網

1.1 物聯網

對于物聯網(Internet of Things)這個概念，目前比較公認的說法是1999年由MIT Auto-ID中心首次提出。而實際上物聯網的出現最早可追溯到PC 時代，在1998年就已提出[1]。

2005年國際電信聯盟（ITU）發布了同名報告，其中給物聯網的明確定義是：通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[2]。

可見，物聯網是以互聯網為基礎，將用戶端延伸和擴展到任何物與物之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念[3]。即物聯網主要解決物——物（thing to thing，T2T）相連、人——物（human to thing，H2T）相連、人——人（human to Human，H2H）相連的問題。尤其需要注意的是，其中人——物相連、人——人相連中的“人”這一端主要是借助通用裝置進行網絡連接，而并非是單純借助個人計算機進行網絡連接。也就是說通過物聯網，可以構建無處不在的網絡，實現任何時間、任何地點、任何物品的互連。

1.2 車聯網

隨著物聯網如火如荼的發展，車聯網作為其典型應用，也正在智能交通系統領域發揮著舉足輕重的作用。

根據中國物聯網校企聯盟的說法，車聯網指的是由車輛位置、速度和路線等信息構成的巨大交互網絡。通過GPS、RFID、傳感器、攝像頭圖像處理等裝置，車輛可以完成自身環境和狀態信息的采集；通過互聯網技術，所有的車輛可以將自身的各種信息傳輸匯聚到中央處理器；通過計算機技術，這些大量車輛的信息可以被分析和處理，從而計算出不同車輛的最佳路線、及時匯報路況和安排信號燈周期[4]。

對比物聯網與車聯網的概念不難看出，車聯網本質上是物聯網技術在智能交通系統領域的延伸。如圖1所示，在車聯網中，車輛可以作為物聯網的終端。車聯網就是借助相應的信息技術實現車——車（包括車與路、車與車主、車主與車主、車主與第三方服務商）相聯，以期達到交通智能化管理、車輛智能化行駛、信息智能化服務等目的，也可以說車聯網就是交通物聯網。

圖1 車聯網示意圖

2 車聯網的系統架構

根據車聯網的定義及功能，進一步對車聯網的系統架構進行剖析，可將其分為三層，即感知層、網絡層、應用層，如圖2所示。

圖2 車聯網的系統架構

2.1 感知層

感知層相當于車聯網的感覺神經末梢，主要通過視頻檢測、傳感器、RFID等終端設備完成車、路環境信息的感知和采集，這些信息大致包括車輛所處位置、車輛行駛速度、道路環境、道路基礎設施等。

2.2 網絡層

網絡層相當于車聯網的神經中樞，主要負責整合、處理、傳輸數據。具體而言，網絡層的功能之一是建立相應的網絡協議模型，該協議模型用于滿足異構網絡數據通信的需求，進而整合感知層的數據；網絡層的功能之二是通過向應用層屏蔽通信網絡的類型，充分利用有線及無線網絡資源，為上層應用服務器和應用程序提供透明的信息傳輸服務。

2.3 應用層

應用層相當于車聯網的大腦，主要通過應用服務器和車載計算機終端等設備進行數據加工，從而為車聯網用戶提供包括道路導航、通信服務、遠程監控等在內的各種具體服務。

3 車聯網的關鍵技術

國際電信聯盟（ITU）2005年發布的同名報告中指出物聯網的關鍵技術有：標簽事物的RFID，感知事物的傳感網絡技術Sensor technologies，思考事物的智能技術Smart technologies，微縮事物的納米技術Nanotechnology[2]。以上四項內容可以簡要描述為RFID技術、傳感技術、智能技術、納米技術。而車聯網作為物聯網時代的先行者，其關鍵技術也可大致歸結為前述幾個方面。

3.1 RFID技術

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）技術是基于無線通信的一種技術，它可以利用無線信號非接接觸識別出特定目標，并對相應數據進行讀、寫操作。目前，在許多行業中都已經運用了RFID技術，如物流管理行業、汽車生產行業等。RFID技術的飛速發展對于車聯網領域的進步具有十分重要的意義。在車聯網中，RFID技術主要用于實現節點間高效率、遠距離的數據通信，而其中亟需解決的問題是標準兼容。現有的RFID標識、標準尚未統一，如果要將節點全部接入網絡則需要有統一的標準；因為在車聯網中單個標識或設備的工作是沒有意義的，只有相互協同工作才能滿足現實的需求[5]。許多歐美組織正在著手解決這個問題，并已經取得了一些成績。標準兼容必將刺激RFID技術的長足發展及廣泛應用。

3.2 傳感技術

車聯網感知層的實現需要大量的原始數據，例如車輛的速度、加速度、胎壓、道路車流量、路面狀況等。對于這些信息的采集，傳統的做法是在道路沿線（特定路段或路口）安裝傳感器、埋設探測器，利用這些傳感設備獲取到的圖像、聲音、感應等數據，來追蹤交通運動。而事實上，這些信息是遠遠不夠的。現在比較新穎的做法是把道路上的車輛作為移動傳感器來采集交通數據。而在這其中又涉及到兩個問題：一是如何將原始數據轉化成實用數據；二是如何進行車身網絡建設。

3.3 通信與網絡技術

通信與網絡技術是車聯網網絡層的關鍵技術。為了將感知層RFID標識、傳感數據等多種信息實時、有效地接入Ad Hoc網絡或Internet網絡，必須借助目前通用的短距離無線通訊網（包括十多種已存在的短距離無線通訊）、長距離無線通訊網（主要包括基于蜂窩技術的偽長距離通訊）、短距離有線通訊網（包括十多種現場總線標準）、長距離有線通訊網（包括廣電、電信、互聯網及三網融合），進而深入研究制定出符合車聯網特殊需求的通信協議、通信標準。

3.4 數據處理技術

車聯網（尤其是感知層與應用層）的實現需要大量數據的支持，而這些數據往往都是異構數據，如何利用數據處理技術完成這些數據的表達、傳輸、交換是又一關鍵性問題。

目前，建立數據控制中心是一種普遍認可的做法，其中有以下幾個關鍵問題：其一是如何將多源異構數據即時接入并進行安全有效的管理，從而為行駛車輛、道路基礎設施、數據控制中心之間頻繁進行的數據交換提供保障；其二如何將采集到的數據進行深入分析，從而得到指定路段或指定區域的交通狀況，同時根據已有數據進行近期交通態勢預測；其三是如何宏觀調控多節點交通信息，即如何高速、有效地完成綜合指揮調度；其四是如何利用“云”計算手段完成大容量節點交通調控信息的分布計算；其五是如何實現大容量交通數據存儲[6]。

3.5 信息安全技術

車聯網具有節點眾多、信息繁雜等特點，所以在其應用過程中必然存在一定的安全隱患。如何借助信息安全技術來抵御網絡攻擊、保證數據的真實性和完整性、保護個人隱私也是車聯網面臨的難題之一。可以說，車聯網的普及和應用在很大程度上依賴于此。分層密鑰管理和身份認證技術是現階段車聯網解決信息安全問題的突破口。

4 車聯網的發展路線

隨著車聯網概念的提出及深化，其在智能交通系統領域的發展路線可劃分為三個階段：其一信息發布階段，其二智能管理階段，其三協同控制階段[7]。

（1）信息發布階段

信息發布階段是車聯網發展的初級階段，目前的車聯網就處于這一階段。該階段主要實現車載終端與Internet相聯，進而提供基于呼叫中心的信息服務（如為駕駛員提供定位導航、娛樂資訊、安全防范等）。據了解，我國現已有約20萬用戶正在體驗車載信息服務。

（2）智能管理階段

隨著信息發布功能的日臻完善，車載信息服務終端也由產品化走向智能化、由智能感知走向智能決策，從而推動車聯網進入智能交通管理階段。在該階段，車聯網主要實現諸如交通信號燈智能控制、車輛運行實時監控、車輛安全預警、車輛智能調度、交通事故處理、智能出行誘導等功能。車聯網的智能化交通管理，將大幅提升交通事故的處理效率，同時減少警力、財力方面的支出。

（3）協同控制階段

在經歷信息發布階段、智能管理階段之后，伴隨著RFID技術、傳感技術、通信與網絡技術、數據處理技術的發展與成熟，車聯網將進入車輛感知、道路信息獲取、車——車通信、車——路協同的綜合協同控制階段。在該階段，車聯網主要實現車輛智能防撞、車輛自動駕駛以及基于導航線路的自組網駕駛等功能。

[1]譚國真.物聯網三個新觀點的思考[J].新觀點新學說學術沙龍文集47：物聯網產業與區域經濟發展.2010(10):39-43

[2] International Telecommunication Union UIT. ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things[R]. 2005

[3]周洪波.物聯網:技術、應用、標準和商業模式[M].北京：電子工業出版社.2011,7

[4]王建強.車聯網發展模式探析[J].計算機技術與發展.2011，21(12):235-238

[5]劉小洋.車聯網_物聯網在城市交通網絡中的應用[J].計算機應用.2012，32(4) : 900－904

[6]常琳.車聯網中的關鍵技術[J].中國公共安全（綜合版）.2012（5）:108-111

[7]周建山.田大新.韓旭.王云鵬. 基于車路協同的單點信號交叉口自適應優化控制方法[A].第七屆中國智能交通年會優秀論文集——智能交通技術[C].北京：電子工業出版社.2012（9）:48-51