車聯網架構分析及感知技術研究

楊博　王杉

摘 要：車聯網技術旨在解決道路擁堵、事故多發、能源浪費、空氣污染等日益突出的交通問題，還可向用戶提供豐富的網絡應用，近年來在國內外得到迅速發展。文中闡述了車聯網的概念和架構；重新定義了車聯網信息感知模型；介紹了識別技術、智能傳感、導航定位及通信4類關鍵技術；總結了感知技術發展的方向和存在的問題。多技術融合是車聯網感知技術的發展方向；加強政策引導、推進配套標準建設是車聯網產業健康發展的迫切需求。

關鍵詞：物聯網；體系架構；感知技術；多技術融合

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-03

0 引 言

車聯網（Internet of Vehicles，IoV）是物聯網與智能交通的深度融合，用以解決交通問題，能有效預防碰撞等事故發生，使系統運營商和用戶對出行方式做出最佳選擇，可減少能耗、降低污染、增進安全性能[1]。車聯網不僅能實現智能交通的功能，還面向用戶提供輔助駕駛、在線娛樂等多樣化的用戶應用與安全應用[2]，是未來智慧地球的重要環節，具有極大的發展和應用潛力。而信息感知是車聯網的神經末梢及功能實現的前提，對相關感知技術的研究具有重要意義。

1 車聯網架構分析

根據“車聯網產業技術創新戰略聯盟”的定義：車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準，在車—X（X：車、路、互聯網等）之間進行無線通訊和信息交換的大系統網絡，是能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡，是物聯網技術在交通系統領域的典型應用。基于上述概念，可將車聯網系統概括為全面感知、多位交互、綜合應用3個方面，也對應了車聯網的三層架構[3，4]。車聯網體系架構如圖1所示。

1.1 感知執行層

采集物理世界對象屬性及相關信息，同時讓汽車具備尋址和網絡標識等能力，并根據自身或依據上層指令做出動作。

1.2 網絡傳控層

為感知層提供統一接口，兼容不同網絡技術，為信息傳輸提供路由及差錯控制，保證數據完整可靠地傳遞。

1.3 集成應用層

車聯網的應用層圍繞車輛的數據匯聚、計算、調度、監控、管理與應用，因此需要安全認證、實時交互、海量存儲、云計算等功能。可細分為四個子層：

（1）數據層：遵照一定模式對感知或交互信息形成聚類，進行整理、存儲等操作，構成系統的數據基礎；

（2）支持層：處理不同數據，為上層應用提供智能的信息處理方式，面向不同對象提供數據服務；

（3）應用層：面向用戶需求，根據不同應用提供相應的服務；

（4）顯示層：綜合呈現不同類型的信息。

現代汽車正朝著智能化方向發展，車輛本身已成為完整的信息系統，擁有獨立的傳感網絡、靈活多樣的車內網及多應用集成的車載終端。車輛接入互聯網成為全新的車載社交網絡，用戶從中可獲取海量、豐富的信息，并自由交互，滿足多樣化與個性化需求。從系統架構上可以看出，車聯網技術同物聯網技術均以信息感知為前提，以通信網絡技術為基礎，以應用創新為核心。信息感知同系統應用之間不僅是源與流的關系，還存在交互過程，兩者相輔相成。

2 信息感知模型

車聯網作為一種網絡信息系統，其核心是對數據的綜合管理和運用，而數據是車聯網感知信息的整合與提煉，數據的獲取須通過感知得到。基于文獻[5]的研究，本文將車聯網信息感知與交互重新定義為“兩層七維”模型，如圖2所示。

2.1 內層感知

內層感知（Vehicle to Self，V2S）即對車輛自身狀態的感知，是車聯網信息感知的基礎和首要環節。

2.1.1 機械本體感知

感知車輛各部件靜、動態信息，如發動機轉速、車速、油耗、燃油量、冷卻液溫度、胎壓等信息，有利于駕駛者及時掌握車輛狀態，進行合理操控、決策等。

2.1.2 電控系統感知

感知各類車載電器、執行機構等的故障信息，這是輔助車輛維修的重要手段。

2.1.3 位置與姿態感知

對車輛的經度、緯度、海拔高度的絕對位置感知及在地下工程等場所的相對位置感知是進行車輛監控、在線調度和輔助駕駛的基礎。

2.2 外層感知

2.2.1 車—人感知

車—人感知（Vehicle to Person，V2P）對實現車聯網人機交互具有重要作用。

2.2.1.1 車內人員感知

感知駕乘人員的圖像、身份等信息可實現車輛的安全防范；感知音視頻信息可作為實時通訊的基礎；感知駕駛員面部圖像結合方向盤轉動等信息可用于判斷駕駛員是否疲勞駕駛。

2.2.1.2 車外人員感知

感知人的身份、距離等信息并與報警聯動，是汽車安全防范、防撞、安全行駛和智能駕駛的前提條件。

2.2.2 車—車感知

行駛中車輛互聯互動是車—車感知（Vehicle to Vehicle，V2V）的關鍵環節。

2.2.2.1 任意車間感知

通過感知身份等信息可具備一定的社交功能，通過組建無線網絡實現信息的交互和資源共享，通過感知距離、速度等信息用于車燈控制、防撞預警。

2.2.2.2 車隊內部感知

統一管理的車隊易于組建穩定、高效的局域網，可實現車隊成員間的信息交互；進行音視頻通信與廣播便于指揮調度；實時共享車距、位置、路況及車況等信息，可大大提高車隊的信息化、精細化和安全管理水平。

2.2.3 車—路感知

在車—路感知（Vehicle to Road，V2R）部分，道路環境感知是車輛與外部進行感知的主要內容，為車輛與智能交通融合提供信息支撐。

2.2.3.1 路面感知

感知路面平整狀況、周邊情況，便于駕駛者進行合理的操控；感知自身所處車道位置，可確保行駛或超車的安全，也是實現無人駕駛的重要部分。

2.2.3.2 交通狀況感知

感知行車速度、交通擁堵狀況等信息是車聯網進行智能調度等的信息基礎。

2.2.3.3 交通信號感知

主動感知并識別各種交通信號，或被動接收數字化交通設施發送的信號，提前獲取紅綠燈狀態等信息，可使駕駛員做出預判，合理選擇路線，對實現智能駕駛具有重要作用。

2.2.4 車—物感知

車—物感知（Vehicle to Things，V2T）是物聯網技術的具體應用，實現車物相息是車聯網信息感知的重要部分。

2.2.4.1 車內物品感知

感知車內物品、特殊載荷的信息與狀況，把這些信息借助車聯網系統傳輸到物聯網系統，可以對車聯網系統中的物品進行實時聯網監控、可視管理、在線調度，從而實現智慧物流的運作。

2.2.4.2 車外物品感知

對車外建筑、物品及前后車輛的感知是保證行車安全、實現智能駕駛的信息基礎。

2.2.5 車—網感知

車—網感知（Vehicle to Internet，V2I）融合了智能交通信息和互聯網資源，是車聯網綜合應用的體現。

2.2.5.1 智能交通感知

智能交通感知是車聯網與智能交通的融合與集成。車輛信息與智能交通的感知可實現不停車收費（ETC）、停車場管理、緊急救援等車聯網應用。

2.2.5.2 互聯網感知

將車輛接入互聯網，使車輛成為物聯網的有機節點，車輛與網絡同行，使用戶暢享豐富、無限的互聯網資源。

2.2.6 車—環境感知

車—環境感知（Vehicle to Environment，V2E）包括感知溫度、有害氣體濃度等，直接關系到駕駛員的舒適度與健康。

3 信息感知關鍵技術研究

車聯網對各類信息的感知主要依賴以下關鍵技術，具體應用分布如表1所列。

3.1 識別技術

識別技術主要包括條形碼與射頻識別技術（Radio Frequency dentification， RFID）。條形碼技術在倉儲、物流、商貿等領域已有廣泛應用；RFID是一種非接觸式的自動識別技術，在物聯網、車聯網領域應用潛力巨大，能識別高速物體，識別過程無須人工干預，可同時識別多個標簽，操作快捷，環境適應性強。

3.2 傳感技術

主要通過各類傳感器感知車輛自身狀態及內外環境。車載傳感器達數十種，分為測量溫度、壓力、速度等。常見的有進氣壓力傳感器、空氣流量計、節氣門位置等。

狀態和故障信息可從自帶的OBDII中提取，OBDII對故障信息的獲取也基于車載傳感器完成，并朝著OBD車聯網方向發展。車輛對道路、人員、物品、其它車輛等的感知也離不開傳感技術。在無人駕駛汽車領域，通過激光雷達或毫米波雷達測距傳感器獲取車輛周圍障礙信息，利用車載視覺傳感器來完成障礙物、結構與非結構化道路、交通標志等的感知[6]。

3.3 導航定位

位置感知通常采用衛星定位技術，如GPS。中國北斗衛星系統也發展迅速，民用定位精度已提升至米級，將廣泛應用于公安、物流等領域。基站定位是衛星定位的補充，但在地下車工程、山區峽谷等無線信號盲區，兩者無法正常使用。基于無線局域網或微慣導的定位方法可有效確定目標的相對位置，彌補前者的不足。

3.4 通信技術

車聯網數據的傳輸與交互依靠各種不同的通信技術[7]。目前，研究和應用較多的是車載自組織網絡（Vehicular Ad Hoc Networks，VANET）技術，可實現V2V的自組網通信及V2I的集中式通信，為用戶提供豐富多樣的應用[8]。蜂窩網技術最為普及和重要，常與GPS綜合用于車輛定位、遠程監控等；3G/LTE正在飛速發展，5G時代也即將來臨，作為車輛接入網的主要手段，將向用戶提供更好的服務質量[2]。

3.5 多技術融合

各種感知技術在實際應用中并非孤立：RFID與傳感技術融合形成傳感器標簽[9]；傳感技術與通信技術的融合形成傳感網絡，無線定位與RFID融合進行室內定位；通信技術與定位技術結合產生基于地理信息的路由技術[10]。多技術融合示意圖如圖3所示。多種感知技術的相互融合已成為不可阻擋的發展趨勢，將共同構建全面的“智能感知網絡”。

4 結 語

本文分析了車聯網架構，重新定義了信息感知模型，介紹了信息感知所需的關鍵技術。隨著國內車聯網的發展，相關企業已制定一些標準，但仍缺乏車聯網信息感知、傳輸安全等配套規范，不同汽車或終端制造商生產的設備在實現對信息感知的內容和程度上仍存有較大差異，這勢必造成資源浪費。還需政府注重頂層設計，加強政策引導，完善相關配套，以促進產業健康發展[11]。

參考文獻

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