基于車聯網架構的功能研究

李夢茹 劉煜

摘要：針對國內車聯網功能研究較少和車聯網關鍵技術及架構研究較為模塊化的問題，文章基于車聯網架構三大系統層的協同工作機制，對車聯網的功能進行用戶體驗和監控管理兩個層面的研究，指出各功能工作時三大系統層所發揮的作用，并總結和探討車聯網各功能實現需解決的關鍵技術，體現了車聯網架構、功能、關鍵技術間的內在關聯性。

關鍵詞：車聯網;架構;功能;關鍵技術

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A DOI： 10. 13282/j cnki. wccst.2019. 12. 041

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0153 - 05

0引言

交通是人類社會生產、生活以及經濟發展的必要環節[1]。目前，城市人口的急劇增加、機動車保有量的快速增長使得交通需求遠大于交通供給，城市交通擁堵問題日趨嚴重。20世紀80年代以來，歐、美、日等發達國家放棄了以擴大道路網規模來解決日益增長的交通需求的思路，轉而采用了以高新技術為手段，改造現有道路運輸體系和管理方式[2]，智能交通系統（Intelligent Transportation System，簡稱ITS）由此誕生。隨著國內外學者對ITS的深入研究，認為車聯網（Internet of Vehicles，簡稱IOV）是ITS的發展趨勢[3-9]。目前，國內學者對車聯網的關鍵技術、車聯網架構及其工作機制做了較多研究，但關于車聯網功能的研究較少，且對于架構與關鍵技術研究較為模塊化，忽略了兩者之間的內在關聯。基于此，本研究提出車聯網架構、功能和關鍵技術三者之間具有關聯性。基于車聯網架構三大系統層的協同工作機制，對車聯網功能做出用戶體驗層和監控管理層兩個層面的研究，并以功能為媒介，總結了車聯網實現各功能需解決的技術難題。

1 車聯網的概念

車聯網是利用高新技術對交通參與者、交通基礎設施和交通運輸工具進行統籌管控的系統，是物聯網在城市交通領域中的具體應用[10]。車聯網利用先進的傳感器技術、交通信息采集技術、通信技術、計算機技術、云計算技術以及信息安全技術，將交通參與者（行人、駕駛員等）、交通基礎設施（道路、交通信號燈、停車場、加油站等）和交通運輸工具（私家車、公共交通工具等）集成一個整體統籌管理與控制，以提供出行方式選擇建議、動態路徑誘導、交通智能管控、為交通規劃提供數據支持等服務，實現人、車、交通基礎設施的協同運作，達到出行效率最大化、出行成本最小化、節能減排最大化和事故概率最小化的目的。車聯網工作示意如圖1所示。

2 車聯網的架構體系

車聯網的架構及其協同工作機制決定車聯網能夠實現的功能。目前研究現狀將車聯網的架構體系分為感知層、網絡層和應用層[3][5][7][11]。其中，感知層和應用層又分為上、下兩個子層。交通數據由感知層采集，經網絡層傳遞至應用層，從而實現一系列的功能。車聯網架構體系如圖2所示。

感知層分為下子層和上子層。感知層下子層的作用是通過傳感器技術（車內傳感器、車外環境傳感器）和交通信息采集技術（RFID、視頻采集器、GPS、北斗等）對車輛運行狀況（車輛狀況、速度、位置等）和周邊行駛環境（行人位置、天氣、溫度、路況、道路擁堵情況等）進行交通數據的采集。感知層上子層的作用是為感知層下子層提供統一的網絡接口，用于兼容各類車輛不同的網絡傳輸標準，以保證所有交通數據傳輸的統一性和完整性。同時感知層上子層能夠完成車輛間近距離、小規模的數據傳遞。

網絡層的作用是完成車輛與交通控制中心之間交通數據大規模、遠距離的傳輸。同時網絡層可以實現車輛的網絡接入，為車上的出行者提供社交、影音、娛樂等網絡服務。

應用層分為下子層和上子層。應用層下子層通過大數據處理技術和云計算對感知層采集到的交通數據進行實時的處理并及時通過網絡層進行數據傳輸，為車輛提供動態路徑誘導、停車誘導等相關服務。應用層上子層是人機交互界面，通過電子顯示屏、車載系統和應用軟件為出行車輛提供經應用層下子層采集和處理的交通信息，車聯網的所有功能和服務均通過這一子層定義和實現。

車聯網的三大系統層數據逐層傳遞，協同實現車聯網的一系列功能。圖3展示了車聯網三大系統層的協同工作機制。

3 基于車聯網架構的功能研究

車聯網的用戶使用量決定車聯網數據的準確性和有效性，為用戶提供安全、便捷的車聯網服務是車聯網普及和推廣的前提。基于車聯網三大系統層的協同工作機制，車聯網可實現用戶體驗層和監控管理層兩個層面的功能。用戶體驗層是用戶享受到的車聯網服務，也是車聯網系統推廣和普及的重要籌碼。用戶體驗層功能如圖4所示。監控管理層是對出行者的監控和管理，不僅為出行者提供更加舒適、安全的出行環境，也是規劃部門綜合規劃城市道路網絡和管理部門行政處罰的依據。監控管理層功能如圖5所示。

3.1 用戶體驗層

用戶體驗層為出行者提供7項服務：

（1）出行方式選擇建議：車聯網系統會在應用層上子層存儲出行者的居住、工作位置，當出行者出行時，車聯網自動提取感知層下子層的路況數據和公交數據，經網絡層傳輸至應用層下子層，應用層下子層會計算得出選擇各種出行方式的旅行時間并根據天氣、溫度、步行距離等因素通過應用層上子層為出行者提供最優的出行方式。

（2）車況分析：車聯網感知層下子層會感知并儲存車輛運行狀況，若車輛在運行中出現異常會通過應用層上子層向車主反映。車主也可通過車聯網完成車輛保養和維修的預約。

（3）動態路徑誘導：當出行者通過應用層上子層選擇目的地后，應用層下子層會從感知層提取到達目的地所有路徑的路況信息，經云計算為出行者提供最優的路徑。

（4）事故的處理和報備：發生交通事故后，車聯網感知層下子層的傳感器會感知和判斷事故的嚴重程度，并將事故數據通過網絡層傳遞至應用層下子層，應用層下子層會根據事故嚴重程度向交警部門、保險公司及醫院報備，同時通知周邊車輛注意避讓。若有人員受傷，應用層下子層會通過網絡層要求事故發生地周邊車輛繞行，在醫院和事故發生地之間開辟出緊急救援車道，完成傷員的及時救治。

（5）車隊數據共享：車聯網應用層上子層應有社交功能，利用車聯網社交功能可添加好友，親友組成車隊自駕出游時，車聯網可通過應用層上子層為車上人員提供車隊位置、通信、娛樂等服務。

（6）停車誘導：車聯網可采集各停車場的停車信息，并根據周邊停車場的停車情況通過應用層上子層引導車輛至空車位，自動在線上完成停車費的支付。

（7）一站式加油：感知層下子層會感知車輛剩余油量，在車輛需要加油時，車聯網應用層下子層會根據周邊加油站的排隊情況通過應用層上子層將車輛引導至最便捷的加油站。

3.2 監控管理層

監控管理層是對聯網車輛的統一監控和管理，主要有以下4點功能：

（1）駕駛行為監控：應用層下子層會提取感知層下子層采集的車輛駕駛行為數據并提交至管理部門，若駕駛員采取超速駕駛、違章變道、強行加塞等危險駕駛行為，管理部門會給予駕駛員警告、罰款和扣分等處罰。

（2）犯罪車輛鎖定：罪犯駕車逃逸，車聯網會通過應用層對車輛進行鎖定和控制，若罪犯手持武器，應用層下子層會通過網絡層要求罪犯周邊車輛避讓。

（3）二手車交易服務：應用層下子層會儲存感知層下子層采集的二手車輛維修、保養和出險數據并將該數據公布至二手車交易市場，為用戶提供公開、透明的二手車交易環境。

（4）路網優化建議：交通規劃部門可從車聯網提取OD、流量等交通數據，是城市道路網絡優化的依據。

4 車聯網的關鍵技術

車聯網上述服務和功能的實現需要解決很多技術難題，總體上，車聯網的技術難題包含以下6種：射頻識別技術、傳感器技術、異構網絡的融合、中間件技術、信息安全技術和云計算。這些技術難題涉及車聯網三大系統層的每一層：感知層需解決的技術難題為射頻識別技術和傳感器技術;網絡層需解決異構網絡融合的問題;應用層需解決中間件技術、信息安全技術和云計算的技術難題。同時，不同功能的實現所面臨的技術難題也不同。車聯網各功能實現時各系統層需解決的技術難題如下頁表1所示。

4.1 射頻識別技術

射頻識別技術（ RFID）是一種非接觸式的自動識別技術[12]，在不停車收費[13-15]、門禁管理[18- 19]、公交站臺管理一[20-21]等交通領域具有廣泛應用。RFID是車聯網感知層下子層和上子層的關鍵組成部分之一。車輛可通過RFID與路側單元完成短距離、高頻率的通信，實現車輛信息識別、高精度定位[22]和車一車通信。同時路側單元也可通過RFID采集路段交通量、車速等交通信息。但是，路側單元的建設體量大、投入高，是制約車聯網推廣的經濟性難題。

4.2 傳感器技術

車聯網感知層下子層利用各種傳感器對車內和車外環境進行感知。其中，車內傳感器可感知車輛運行狀態及控制系統狀態，前者主要包括車速、油耗、車內溫度、胎壓、機油和汽油剩余量、發動機狀態、制動狀態等信息，是車輛安全行駛的前提;后者通過定位系統與電子地圖的匹配，可監測超速、違章左右轉、緊急變道、強行加塞等危險駕駛行為，與行政管理手段相結合，為居民提供安全的出行環境。車外環境感知主要包括對天氣、路況、能見度、周圍障礙物和行人的感知等。車聯網應用層下子層結合車外環境數據對行駛中的車輛進行管控，以保證惡劣環境下駕駛員和行人的安全。

目前各汽車生產經營廠商運用的傳感器種類繁多，輸出的數據良莠不齊，且某一品牌汽車很難與其他品牌共享數據，打造統一的數據標準是實現車聯網功能的統一性的難題。

4.3 異構網絡的融合

車聯網的網絡層由多種不同的通信技術組成，包括WLAN、2G/3G蜂窩通信、LTE等網絡，不同的網絡制式具有不同的網絡接入標準。為適應不同的通信場景，不同車輛接入網絡的制式不盡相同，且車輛在移動過程中也有可能在不同的網絡制式間不斷切換，所以車輛應具備可接入多種網絡的接口。異構網絡的融合技術是保證聯網車輛在不同通信場景之間無縫切換的關鍵技術。為了完成車輛在移動過程中網絡制式不斷切換的情況下感知層與應用層之間數據高效上傳和下載的任務，完善的異構網絡融合方案至關重要。

4.4 中間件技術

在車聯網中，中間件是介于車聯網硬件和車載系統間的通用服務。中間件技術能夠將車聯網感知層下子層采集的交通數據進行提取和格式轉換，向車聯網應用層下子層傳輸相對統一的交通數據，解決不同車輛向應用層下子層數據傳輸的駁雜性，從而提高應用層下子層的運算效率。同時，中間件技術能夠降低軟件設計難度，提高軟件開發效率，是打造車聯網多元化應用生態，為車聯網應用層輸送更多應用和功能的關鍵技術。

4.5 信息安全技術

車聯網數據包含個人和車輛的重要隱私信息，而車聯網數據的開放性和真實性使信息安全技術顯得尤為重要[23]。如何保證隱私信息不泄露是車聯網面臨的技術性難題，它滲透于車聯網三大系統層中的各個數據傳輸節點。同時，車聯網數據的真實性和完整性是車聯網相關功能實現的基礎，保證車聯網數據不被侵害需要信息安全技術的支持。

4.6 云計算

云計算是車聯網應用層下子層運用的關鍵技術。將車聯網采集到的交通大數據進行實時的處理及下放是車聯網實現動態路徑誘導、停車誘導、緊急事故救援等主要服務的依據。云計算是對交通大數據進行實時處理的技術，而交通大數據具有“6V”特性24]：Volume（體量巨大）;Velocity（處理快速）;Variety（模態多樣）;Veracity（真假共存）;Value（價值豐富）;Visualization（可視化）。如何將車輛的位置、車速及道路占有率、路況等多元化的交通大數據進行快速提取、無用數據的過濾和深度數據挖掘，并考慮車輛在行駛過程中時間和空間的關聯性，對交通大數據進行快速的計算和傳輸是云計算在交通領域需著重研究的問題。

5 結語

智能交通系統的發展趨勢是車聯網，而車聯網是實現交通智能化的重要手段。車聯網對交通數據的有效采集、處理和下放，能夠實現動態路徑誘導、交通大數據的處理與存儲、駕駛行為管理等應用。動態路徑誘導能夠充分利用現有道路，提高運行效率，減少交通污染。經云計算處理后的交通大數據是規劃城市道路網絡的依據，應合理地規劃城市布局和改善道路網絡，使城市交通需求和交通供給維持動態平衡。通過車聯網對駕駛行為進行管控，為出行者提供安全的出行環境。

車聯網的全面普及初期需要大規模的基礎設施建設、汽車數據的開源化及制定統一的網絡傳輸和數據形式的標準，即車聯網各項功能的實現需解決經濟性、開放性和統一性的問題。經濟性是指初期投入的經濟問題，車聯網路側單元、通信網絡和構建管理平臺等基礎設施的建設都需要大量的資金投入。開放性是指數據的開放，目前不同的車載平臺之間還無法實現數據的交換和共享。統一性是指標準的統一，但目前各汽車生產經營廠商運用的感知技術和數據儲存形式以及數據傳輸和網絡接入標準沒有統一的標準。同時，車聯網的推廣還需要考慮居民對車聯網相關服務功能的需求度以及為車聯網提供隱私信息的意愿度。當前國內外針對車聯網功能居民意愿和需求分析的研究較少，這是以后的研究方向。

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作者簡介：李夢茹（1995-），碩士，研究方向：交通基礎設施資產管理;

劉煜（1992-），碩士，研究方向：長壽命周期路面。

基金項目：國家自然科學基金一地區科學基金“復雜交通基礎設施系統進化理論與級聯管理方法研究”（ E080703）