文/常琳 鐘匯才 陳大鵬

車聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)

文/常琳 鐘匯才 陳大鵬

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展如火如荼的今天，車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，引起了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)將會(huì)給社會(huì)和生活帶來(lái)巨大的變化，然而實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)目前并沒(méi)有完全具備。本文從車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，逐步介紹了實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)需要突破的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以及各項(xiàng)技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)功能之間的關(guān)系。

引言

一直以來(lái)，汽車在行駛過(guò)程中被當(dāng)做一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，車輛與車輛之間、車輛與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)置之間沒(méi)有任何的交互。設(shè)想一下，如果車輛之間可以“通話”，前方車輛會(huì)告訴后方車輛前面的路況，道路是否擁堵，是否有交通作業(yè)，是否發(fā)生交通事故；在行駛過(guò)程中，車輛與車輛之間通過(guò)“通話”自動(dòng)保持適當(dāng)?shù)能嚲?；通過(guò)遠(yuǎn)程診斷，車輛會(huì)告訴駕駛?cè)四膫€(gè)部位存在安全隱患；根據(jù)綜合駕駛行為分析，車輛會(huì)自動(dòng)引導(dǎo)駕駛?cè)损B(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣，包括遵守交通規(guī)則和更經(jīng)濟(jì)節(jié)能等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)可以使以上設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。

車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要有機(jī)地結(jié)合傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)等。

世界車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

以構(gòu)建更安全的行車環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更高效的交通管理，達(dá)到更環(huán)保的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)部門和研究機(jī)構(gòu)的高度重視，下面就幾個(gè)成功案例做簡(jiǎn)單介紹。

美國(guó)

2010年，美國(guó)交通部研究和創(chuàng)新技術(shù)管理局發(fā)布的《ITS戰(zhàn)略研究計(jì)劃：2010-2014》中，將智慧駕駛（Intellidrive）作為核心。智慧駕駛安全應(yīng)用是通過(guò)車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信來(lái)加強(qiáng)人們對(duì)行車狀況的判斷和減少或避免碰撞，主要支持以下功能：駕駛建議，駕駛警示，車或設(shè)施控制。智慧駕駛移動(dòng)應(yīng)用提供一個(gè)互聯(lián)的，數(shù)據(jù)豐富的出行環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)從車載設(shè)備（汽車、卡車和公交車）和基礎(chǔ)設(shè)施采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送，由運(yùn)輸管理者來(lái)進(jìn)行大范圍的動(dòng)態(tài)、多模應(yīng)用以使交通系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。智慧駕駛環(huán)境應(yīng)用同時(shí)產(chǎn)生和采集環(huán)境相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生實(shí)用的信息來(lái)支持和方便“綠色”交通的選擇。他們同時(shí)幫助系統(tǒng)使用者和操作者進(jìn)行“綠色”交通的選擇和轉(zhuǎn)換，因此減少每次出行對(duì)環(huán)境的影響。

歐洲

目前，歐洲在智能交通領(lǐng)域有多個(gè)項(xiàng)目在同時(shí)執(zhí)行，如CVIS、GST、PReVENT、EASIS、ARPOSYS、AIDE和SAFESPOT等。其中車路協(xié)同協(xié)調(diào)（CVIS）最貼近車聯(lián)網(wǎng)的概念，CVIS是由歐洲委員會(huì)發(fā)起的一個(gè)項(xiàng)目，目的在于允許交通主體（車輛、設(shè)施）間進(jìn)行靈活、和諧、開(kāi)放地通信和合作，這些主體將完善已經(jīng)存在的道路服務(wù)和開(kāi)發(fā)新的服務(wù)。車路協(xié)同系統(tǒng)基于車輛與車輛和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，為駕駛?cè)颂峁┸囕v的實(shí)時(shí)環(huán)境、其他車輛和道路使用者等信息，由先進(jìn)的駕駛環(huán)境引導(dǎo)安全駕駛和高效移動(dòng)。車路協(xié)同系統(tǒng)能保證在交通系統(tǒng)的高效性和所有道路使用者的安全性方面都有極大的改進(jìn)。類似地，車路協(xié)同系統(tǒng)為道路操作者和基礎(chǔ)系統(tǒng)提供持續(xù)的車輛、位置和道路條件信息，允許優(yōu)化并更安全地使用已有道路網(wǎng)絡(luò)，更好地回避交通事故和傷害。

日本

日本的車輛信息與通信系統(tǒng)（VICS）被認(rèn)為是世界上最成功的道路交通信息提供系統(tǒng)，該系統(tǒng)從1996年4月開(kāi)始運(yùn)行，2003年起推廣至全國(guó)，截止2009年12月，在日本為將近2700萬(wàn)用戶提供交通信息服務(wù)。VICS系統(tǒng)可以提供交通擁堵、行車時(shí)間、交通事故或施工地點(diǎn)、限速或交通管制、停車場(chǎng)位置及空缺情況等信息，其在緩解交通堵塞，提高道路利用率，減少道路負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)道路安全性等方面取得了卓越的成果。VICS系統(tǒng)主要由信息采集、信息分析和處理、信息發(fā)送和信息使用四部分組成。警察部門和道路管理者負(fù)責(zé)把采集到的道路信息傳送給日本道路和交通信息中心，再由道路和交通信息中心把信息傳送給VICS中心，由VICS中心對(duì)信息進(jìn)行處理之后，通過(guò)FM廣播、無(wú)線電信標(biāo)和紅外信標(biāo)提供給車輛駕駛?cè)耍{駛?cè)塑囕v上安裝的車載設(shè)備可以接受信息。

中國(guó)

我國(guó)在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域起步較晚，上世紀(jì)80年代從治理城市交通管理開(kāi)始入手，運(yùn)用高科技來(lái)發(fā)展交通運(yùn)輸系統(tǒng)；90年代，一些高校和交通研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)的研究和嘗試，開(kāi)始跟蹤國(guó)際上智能運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，交通部也將智能運(yùn)輸系統(tǒng)的研究納入了公路、水運(yùn)科技發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010發(fā)展綱要。目前中國(guó)正在進(jìn)行和已經(jīng)完成的和車輛通信相關(guān)的項(xiàng)目及課題也有很多，例如：在“九五”、“十五”、“十一五”中國(guó)國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃關(guān)于智能交通項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)上，北京實(shí)施了“科技奧運(yùn)”智能交通應(yīng)用試點(diǎn)示范工程；上海為世博開(kāi)設(shè)了智能交通系統(tǒng)及服務(wù)；隨著車聯(lián)網(wǎng)概念的提出，越來(lái)越多的汽車廠商、通信企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)加入到車聯(lián)網(wǎng)的研究中。

車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)層次，分別為感知層、數(shù)據(jù)承載傳輸層和應(yīng)用控制層，筆者就這三個(gè)層次從下面六個(gè)技術(shù)角度進(jìn)行展開(kāi)介紹。

信息傳感技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要大量的信息來(lái)源。傳統(tǒng)的做法是在路面鋪設(shè)感應(yīng)線圈、架設(shè)超聲波傳感器、圖像傳感器等對(duì)交通流、車速進(jìn)行探測(cè)。目前，一種全新的信息采集方法可以把汽車作為移動(dòng)傳感器來(lái)采集交通數(shù)據(jù)，或者叫浮動(dòng)車信息采集。傳統(tǒng)的方法在這里不做過(guò)多討論，在浮動(dòng)車信息采集技術(shù)中，有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一是通過(guò)遍布于車身的各種傳感器，包括速度、加速度、陀螺、GPS、胎壓以及跟汽車安全和性能相關(guān)的其他傳感器等采集數(shù)據(jù)，運(yùn)用先進(jìn)的多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實(shí)用的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；二是車身網(wǎng)絡(luò)建設(shè)?，F(xiàn)在的汽車電子化集成程度非常高，如何管理整車數(shù)據(jù)，并且在不影響車輛安全和性能的情況下為車聯(lián)網(wǎng)提供各種原始數(shù)據(jù)也是未來(lái)要解決的一個(gè)難題。

無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，它直接決定了信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和有效性。根據(jù)目前通用的無(wú)線技術(shù)802.11、GSM、UMTS、3G、DSRC等，提出適合車聯(lián)網(wǎng)特殊環(huán)境應(yīng)用的通信技術(shù)和通信協(xié)議，需要研究在車載環(huán)境中，無(wú)線信道受環(huán)境的影響情況以及信道規(guī)律與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別；研究呼叫接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)、QoS支持等技術(shù)；研究路由轉(zhuǎn)換技術(shù)以及多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互聯(lián)技術(shù)等。此外，開(kāi)發(fā)具有多種網(wǎng)絡(luò)連接能力的多端口移動(dòng)網(wǎng)關(guān)也很重要，移動(dòng)網(wǎng)關(guān)不僅僅是連接和通信的通道，同時(shí)也是進(jìn)行數(shù)據(jù)和內(nèi)容處理的中間環(huán)節(jié)，在提升前端局部短距離網(wǎng)絡(luò)連接能力的同時(shí)，也要進(jìn)行局部信息融合處理。

移動(dòng)計(jì)算技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)車載計(jì)算平臺(tái)安裝在高速行駛的汽車上，因此需要研究移動(dòng)計(jì)算環(huán)境下數(shù)據(jù)挖掘與信息融合，使車載感知設(shè)備、各種路口信號(hào)設(shè)備可以無(wú)縫接入車車、車路、車到數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過(guò)車內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)建立實(shí)現(xiàn)車內(nèi)車外數(shù)據(jù)的傳輸和共享，通過(guò)對(duì)路口、路段汽車數(shù)量、車度等數(shù)據(jù)的分析，實(shí)施路口信號(hào)智能控制和路段擁堵的優(yōu)化調(diào)整。另外，還需要進(jìn)行移動(dòng)計(jì)算環(huán)境下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)廣播技術(shù)、數(shù)據(jù)同步機(jī)和位置預(yù)測(cè)等技術(shù)的研究。

中央信息處理技術(shù)

數(shù)據(jù)控制中心是車聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，所有交通相關(guān)信息和數(shù)據(jù)在控制中心匯集、進(jìn)行處理后并發(fā)布。中央信息處理技術(shù)的關(guān)鍵有以下幾部分：一是多源多路數(shù)據(jù)和服務(wù)的移動(dòng)接入和管理，為車輛、路邊固定基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)控制中心之間不斷進(jìn)行著的數(shù)據(jù)交換提供保障；二是廣域交通信息分析與交通態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)，采用特定方法，對(duì)從各個(gè)采集端得到的交通信息源進(jìn)行分析，得到某個(gè)路段或某個(gè)區(qū)域的交通狀況，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的交通態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；三是多節(jié)點(diǎn)交通信息宏觀調(diào)控技術(shù)研究，即如何高速、有效地完成指揮調(diào)度；四是適合大容量節(jié)點(diǎn)交通調(diào)控信息分布計(jì)算的研究，通過(guò)云計(jì)算的手段提升計(jì)算速度；五是大容量交通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)研究。

信息發(fā)布技術(shù)

通常情況下，數(shù)據(jù)控制中心將不斷產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)交通信息，所有信息需要以最便捷、有效的方式發(fā)送出去。目前常用的做法是將信息發(fā)布給所有人，這種方法不僅無(wú)故占用大量的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源，而且給不需要這條信息的人帶來(lái)困擾，因此需要研究一種獨(dú)特的針對(duì)個(gè)性化服務(wù)的信息發(fā)布技術(shù)，是某一條信息能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)布到需要它的人手中；同時(shí)，對(duì)所有信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，優(yōu)先發(fā)布緊急信息。

網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的難點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急以及網(wǎng)絡(luò)安全。包括研究整個(gè)車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，所有車聯(lián)網(wǎng)的功能都在該架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)，該架構(gòu)既要考慮目前車聯(lián)網(wǎng)功能的需求，還有考慮未來(lái)功能的擴(kuò)展；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急是指一旦有突發(fā)事件發(fā)生，車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)有自動(dòng)恢復(fù)的能力；網(wǎng)絡(luò)安全除了目前常指的信息安全等之外，尤其要考慮行車的安全性，車載終端中的車身網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)要做到物理隔離，嚴(yán)格禁止外界訪問(wèn)車站網(wǎng)絡(luò)，車載外界網(wǎng)絡(luò)也要經(jīng)過(guò)許可之后才能訪問(wèn)。

結(jié)束語(yǔ)

總之，車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)不僅使人們的生活發(fā)生變化，同時(shí)也將帶來(lái)巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。然而，在目前已有技術(shù)還不能完全滿足車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求，因此需要不斷探索新的技術(shù)，使車聯(lián)網(wǎng)的功能不斷加強(qiáng)和完善。我們期待車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的時(shí)刻，那時(shí)候道路將不再擁堵、交通事故鮮有發(fā)生、城市空氣質(zhì)量不斷提高……

作者單位：中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心