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        一文看懂“車聯(lián)網(wǎng)”的前世今生

        2018-12-20 22:47:42王一鳴
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:智能系統(tǒng)

        王一鳴

        1 紅綠燈起步的交通管理

        從汽車誕生的那一天起,對于城市交通而言,安全和便捷始終是最重要的課題。面對城市道路中日益增長的車輛,以及與日劇增的事故風(fēng)險和通行壓力,城市管理者和交通領(lǐng)域的科研人員利用交通信號設(shè)施來實(shí)現(xiàn)交通控制,并不斷推陳出新。

        19世紀(jì)60年代,英國倫敦議會大廈前的十字路口安裝了世界上第一盞交通信號燈(壁板式燃?xì)饨煌ㄐ盘枱簦?。它由一位警察牽動皮帶進(jìn)行燈色切換:紅燈停,綠燈行。雖然緩解了路口的交通壓力,但這第一盞交通信號燈在工作了23天后就爆炸自滅了。

        1914年,美國俄亥俄州克利夫蘭市(Cleveland,Ohio)開始部署電氣交通信號燈用于地面交通控制和協(xié)調(diào),這被認(rèn)為是最早的交通信號控制系統(tǒng)。

        1918年,紐約市五號街的一座高塔上出現(xiàn)了三色(紅、黃、綠三種標(biāo)志)交通信號燈,這種經(jīng)典的“配色”一直延續(xù)到現(xiàn)在。

        1926年,英國的沃爾佛漢普頓首次使用自動化控制器來控制信號燈:按照一個固定的周期切換信號燈的顏色。

        20世紀(jì)60年代,美國丹佛市通過模擬計算機(jī)對交通信號實(shí)現(xiàn)集中化的實(shí)時控制,可以同時對道路網(wǎng)中各交叉路口的交通信號進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。而后,加拿大的多倫多在全市范圍內(nèi)建成了第一個全市交通信號集中控制與協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

        至今,交通信號燈的樣子幾乎沒有什么改變,但交通控制的理論方法和運(yùn)行系統(tǒng)卻一直在進(jìn)步。

        從人工操作或固定周期式的單點(diǎn)控制,到協(xié)同相鄰道口周期、保證道路沿線的綠燈具有連續(xù)性的干線控制,再到持續(xù)優(yōu)化整個區(qū)域交通資源(主要是信號燈的配時)的面控制。如今的交通控制技術(shù)雖然演進(jìn)出很強(qiáng)的自動化、智能化特性,但同時也達(dá)到了性能瓶頸。

        采用單一的“紅綠信號燈”模式進(jìn)行交通控制已無法更有效地管理交通資源(實(shí)時性不足):紅綠燈只在路口起效,其效用無法覆蓋整條道路;駕駛員可能因?yàn)樘鞖庠蚧蛟诮煌〒矶虑闆r下看不清交通信號燈;司機(jī)容易陷入“黃燈進(jìn)退兩難的境地”(Yellow Interval Dilemma),即在黃燈閃爍時難以抉擇是“進(jìn)”還是“?!保浑m然在交通網(wǎng)絡(luò)中引進(jìn)了誘導(dǎo)系統(tǒng)(提示路況信息),司機(jī)也可以使用實(shí)時反饋路況的導(dǎo)航系統(tǒng),但對道路利用的整體提升效果并不明顯……

        城市道路要容納更多的車輛、滿足更多的出行需求,就需要突破原有的技術(shù)領(lǐng)域,朝著更深度的信息化和智能化方向發(fā)展。

        2 智能交通(ITS)

        “智能交通”的想法早在20世紀(jì)初就已經(jīng)出現(xiàn),它的誕生與城市化發(fā)展休戚相關(guān):城市管理者希望它能夠解決城市道路日益擁堵的狀況,以及所造成的經(jīng)濟(jì)損失。在20世紀(jì)90年代,智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,ITS)的概念逐漸成型。

        目前,ITS已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國家獲得了廣泛應(yīng)用,其研究推進(jìn)工作呈現(xiàn)“三足鼎立(領(lǐng)先)”的局面:美國、歐洲、日本(美國智能運(yùn)輸協(xié)會-ITS America、歐洲道路運(yùn)輸通信技術(shù)實(shí)用化促進(jìn)組織-ERTICO、日本道路交通車輛智能化推進(jìn)協(xié)會 -VERTIS)。

        人們建設(shè)ITS的初衷是希望通過在交通控制系統(tǒng)中融入更多的信息技術(shù),以解決交通的資源利用率和安全性的問題。不過如今,它還被賦予了其他功能:增加旅途的舒適性、輔助或自動駕駛、運(yùn)輸效能提升(包括提高能源利用率、提供最短路徑)、增值服務(wù)等。

        智能交通是一門交叉學(xué)科,它涉及各種交通要素,包括道路、車輛、駕駛者和乘客、收費(fèi)站和車站、信息技術(shù)、行人、法規(guī)等;包含各類交通管理系統(tǒng)和服務(wù),如交通信息服務(wù)、車輛管理、電子收費(fèi)、緊急救援、誘導(dǎo)信息服務(wù)等。(注釋:《解讀物聯(lián)網(wǎng)》-機(jī)械工業(yè)出版社)

        智能交通的應(yīng)用主要包括車輛行駛安全、電子收費(fèi)、公路及車輛管理、導(dǎo)航定位、商業(yè)車隊管理等領(lǐng)域。

        智能交通的構(gòu)建是信息技術(shù)領(lǐng)域和交通運(yùn)輸領(lǐng)域的深度融合。通信網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、軟件工業(yè)是實(shí)現(xiàn)ITS的關(guān)鍵。

        世界道路協(xié)會的《智能交通系統(tǒng)手冊》對ITS定義:在交通運(yùn)輸領(lǐng)域集成應(yīng)用“自動數(shù)據(jù)感知與采集”“網(wǎng)絡(luò)通信”“信息處理”與“智能控制”,使得交通運(yùn)輸業(yè)變得更加安全、高效、環(huán)保和舒適的各種信信息系統(tǒng)的統(tǒng)稱。

        從ITS定義中能夠看到,智能交通系統(tǒng)發(fā)展的本質(zhì)就是“信息技術(shù)”與“交通技術(shù)”的組合進(jìn)化。

        3 ITS的發(fā)展歷程

        3.1 70年代起步

        1970年,美國提出了電子道路導(dǎo)航系統(tǒng)(Electronic Route-Guidance System,ERGS),通過路邊設(shè)備提供車輛導(dǎo)航服務(wù)。

        1973年,日本的汽車交通控制綜合系統(tǒng)(Comprehensive Automobile Traffic Control System,CACS)項目上線,這是日本第一個ITS項目。通過路邊設(shè)備引導(dǎo)車輛行駛,減少擁堵,避免安全事故發(fā)生,同時還可提供應(yīng)急服務(wù)。

        3.2 80年代三強(qiáng)局勢

        在1986年歐盟啟動了“最高效及安全歐洲交通項目(Program for European Traffic with Highest Efficiency and Unprecedented Safety,PROMETHEUS)”。意在研究車-車通信(PRO-NET)、車-路通信(PRO-ROAD)、輔助駕駛(PROCAR)等先進(jìn)的交通信息技術(shù)。此外,歐盟同期開始研究的還有“保障車輛安全的歐洲道路基礎(chǔ)設(shè)施計劃(DRIVE)”。

        2000年歐盟發(fā)布的KAREN項目包含了ITS體系框架。2009年,開始委托多家機(jī)構(gòu)制定統(tǒng)一的ITS標(biāo)準(zhǔn)。2011年,歐盟啟動了Drive C2X車聯(lián)網(wǎng)項目,意在打造一個安全、高效、環(huán)保的行車環(huán)境,該項目于2014年宣布試驗(yàn)成功。

        1992年,美國制訂了智能車輛道路系統(tǒng)(IVHS)的研究計劃,并在1995年由運(yùn)輸部正式公布了“國家ITS項目規(guī)劃”。2009年,美國交通部發(fā)布了《智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略研究計劃:2010-2014》,明確了車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想。

        2014年美國計劃強(qiáng)制推廣車際通信(美國國家高速公路安全管理局發(fā)布《法規(guī)制定預(yù)告通知》《V2V技術(shù)應(yīng)用已準(zhǔn)備就緒》),并在2015年由美國交通運(yùn)輸部啟動互聯(lián)汽車項目。

        在前期研究成果的基礎(chǔ)上(車間通信系統(tǒng)-RACS、交通信息通信系統(tǒng)-TICS),1995年日本道路交通情報中心建成了道路交通情報通信系統(tǒng)(VICS,Vehicle Information and Communication System Center)。司機(jī)可以通過裝載VICS系統(tǒng)的車載導(dǎo)航器享受無償交通信息服務(wù)。

        2000年開始,ETC電子收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic Toll Collection)在日本大力發(fā)展。

        2002年,VICS中心開始向手機(jī)、掌上電腦、個人電腦等終端提供交通信息。

        2003年,高級公路輔助導(dǎo)航系統(tǒng)(Advanced Cruiseassist Highway Systems,AHS)的項目正式開始實(shí)施,該系統(tǒng)通過路-車的通信協(xié)同(采用DSRC,專用短程通信),為駕駛?cè)藛T提供安全行車服務(wù)。

        4 車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)的發(fā)展

        車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)是ITS的重要組成部分。在智能交通中,相對于其他領(lǐng)域的研究(例如城市公共交通管理、交通誘導(dǎo)與服務(wù)等),對車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)的研究起步最晚,有些領(lǐng)域還處于最初級的階段。

        在全球范圍內(nèi),最主要的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有兩種,即DSRC(IEEE)和LTE-V(3GPP),支持車輛連接到的所有相關(guān)事物,包括道路設(shè)施、其他車輛、人等。

        4.1 DSRC

        在智能交通的發(fā)展中,專用短程通信(DeDICated Short Range CommunICation,DSRC)技術(shù)是ITS的基礎(chǔ)之一,隨著智能交通的發(fā)展而不斷發(fā)展,相關(guān)技術(shù)在90年代取得了突破性進(jìn)展。

        1992年,ASTM美國材料試驗(yàn)學(xué)會(American Society for Testing Materials,ASTM)主要針對ETC業(yè)務(wù)的開發(fā)而最先提出DSRC技術(shù)的概念,該通信技術(shù)采用915 MHz頻段開展標(biāo)準(zhǔn)化工作。

        1999年10月,美國聯(lián)邦通信委員會在5.9 GHz頻段中為V2V和V2I兩種類型的短距離連接(Dedicated Short-Range Communication,DSRC)劃分了專用頻道。

        2001年,ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)委員會選定IEEE802.11a作為DSRC底層無線通信協(xié)議。

        在2004年,IEEE修訂了IEEE802.11p協(xié)議規(guī)范,并成立工作組啟動了車輛無線接入(Wireless Access in the Vehicles Environment,WAVE)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作,為進(jìn)一步開展車路協(xié)同的技術(shù)研究,啟動VII/IntelliDrive項目。同年的美國費(fèi)城,國際計算機(jī)組織(Association Computing Machinery,ACM)第一屆VANET學(xué)術(shù)會議召開,“VANET”這個縮寫單詞首次被正式使用。

        2010年,WAVE工作組正式發(fā)布了IEEE 802.11p車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)作為車載電子無線通信規(guī)范,應(yīng)用于智能交通(ITS)系統(tǒng),成為了DSRC標(biāo)準(zhǔn)下的底層協(xié)議(MAC層/PHY層,即OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層)。

        歐洲早在1994年就由CEN(歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會)開始了DSRC標(biāo)準(zhǔn)的起草。1995年,歐洲D(zhuǎn)SRC標(biāo)準(zhǔn)草案完成,并于1997年通過(ENV12253“5.8GHz-DSRC-物理層” 和ENV12795“DSRC-數(shù)據(jù)鏈路層”)。

        2001年6家歐洲汽車廠商(寶馬、大眾、戴姆勒-克萊斯勒等)聯(lián)合供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)成立了“車輛間通信聯(lián)盟(Car 2 Car Communication Consortium,C2C-CC)”,聯(lián)盟旨在利用無線LAN技術(shù)開發(fā)車間通信功能,并制定歐洲的車輛與基礎(chǔ)設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)。

        為解決車間通信問題,2004年寶馬和大眾加入了FleetNet項目(2000年)的后續(xù)工程——NOW(Network on Wheels),主要針對車間通信和保證數(shù)據(jù)安全性進(jìn)行研究。

        在2008年,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ETSI在5.9 GHz頻段為車載網(wǎng)劃分了專用頻道。在歐盟的第六框架計劃中諸多智能交通項目(同時也是“eSafety項目”)都在推動車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,如COOPERS(智能交通安全協(xié)助系統(tǒng)-Austria tech公司),CVIS(車路協(xié)同系統(tǒng)-歐洲智能交通協(xié)會),SAFESPOT(SAFESPOT項目-菲亞特研究中心)等。

        1994年日本聯(lián)合多家企業(yè)進(jìn)行了ETC收費(fèi)系統(tǒng)的野外試驗(yàn),并對DSRC頻率進(jìn)行選頻。1997 年,日本TC204委員會制定了日本的DSRC標(biāo)準(zhǔn)。2001年ETC系統(tǒng)正式開始服務(wù)。

        1999年日本(23家企業(yè))啟動了Smart Way(智能道路系統(tǒng)),主要是在交通場景中提供各種信息交換的基礎(chǔ)設(shè)施,各類設(shè)施的通信方式主要采用DSRC。(注釋:日本的VICS,ETC,AHS目前都屬于Smart Way項目)2007年,日本初步完成了Smart Way項目部分路段的試驗(yàn)計劃。

        日本的DSRC由ISO/TC204制定,并支持最終的IEEE 802.11p版本(美國)。

        4.2 LTE-V

        2006年,多家通信和汽車領(lǐng)域企業(yè)(愛立信、沃達(dá)豐、MAN Trucks、大眾)攜手推進(jìn)智能汽車協(xié)作通信項目(Cocar,CoperativeCars),志在研究利用蜂窩通信技術(shù)(采用3G網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn)行車預(yù)警信息的相互傳遞(車輛之間、車與道路管理系統(tǒng)之間)。

        隨后,寶馬和福特公司加入了CoCarX項目,在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋下,車間的協(xié)作通信取得了較好的性能測試結(jié)果。

        2012年,歐盟資助LTEBE-IT項目,開展LTE演進(jìn)協(xié)議在ITS中的應(yīng)用研究。

        2015年,3GPP國際組織分別設(shè)立了專題“LTE對V2X服務(wù)支持的研究”和“基于LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的V2X可行性服務(wù)研究”,正式啟動LTE V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的研究。行業(yè)內(nèi),將“LTE-V2X”(LTE: Long Term Evolution,即4G通信技術(shù);V2X:Vehicle to Everything)簡寫為“LTE-V”,它是基于無線蜂窩通信的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù),在業(yè)內(nèi)也稱為“C-V2X(Cellular-Vehicle to Everything)”。國內(nèi)多家通信企業(yè)(華為、大唐、中興等)參與了LTE-V的研發(fā)。

        2016年9月3GPP完成了“基于LTE PC5接口的V2V”標(biāo)準(zhǔn)制定,其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范引入了LTE-D2D的SideLink鏈路技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高速度、高密度行車場景下的車與車直接通信。這種允許車間直連通信的方式,和以往的蜂窩通信技術(shù)有較大差異,也稱為“分布式(LTE-V-Direct)”工作方式。與“分布式(LTE-V-Direct)”相對的傳統(tǒng)蜂窩通信工作方式是“集中式(LTE-V-Cell)”,以基站為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信

        2017年3月,3GPP 在“基于LTE的V2X業(yè)務(wù)”項目中,完成了車聯(lián)網(wǎng)中各類型通信(車與車的蜂窩網(wǎng)通信、車與道路設(shè)施通信、車與人通信等)的標(biāo)準(zhǔn)化制定。

        在3GPP的5G通信標(biāo)準(zhǔn)中,LTE-V將逐步演進(jìn)為NRV2X。

        4.3 車聯(lián)網(wǎng)和智能交通

        從DSRC和LTE-V的發(fā)展歷史來看,DSRC起步較早,并且已經(jīng)在許多ITS的研究項目中嶄露頭角,實(shí)現(xiàn)了一部分相對成熟的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,例如日本Smart Way中的各類子項目,歐 洲 的 COOPERS,CVIS,SAFESPOT,PreVENT等 項 目、美國的ETC應(yīng)用、VII/IntelliDrive等項目。

        在LTE-V標(biāo)準(zhǔn)之前,車輛使用3/4G的蜂窩無線技術(shù)連接到網(wǎng)絡(luò),稱之為Telematics(Telecommunications和Informatica的合成詞,意為遠(yuǎn)距離通信技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò))。

        Telematics是車聯(lián)網(wǎng)的一種常見形式,但由于只實(shí)現(xiàn)了車與云端的聯(lián)接,所以也被理解為“狹義車聯(lián)網(wǎng)”。LTE-V的出現(xiàn),是試圖打破原本蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)只能作為DSRC技術(shù)補(bǔ)充的境地,將短距、直連、非IP化的通信技術(shù)(PC5接口)和蜂窩通信技術(shù)進(jìn)行融合,從而在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域形成一套完整的通信技術(shù)體系。

        5 結(jié) 語

        從各國對車聯(lián)網(wǎng)的研究模式來看,由于ITS應(yīng)用場景復(fù)雜、需求多樣、終端種類繁多,所以車聯(lián)網(wǎng)的研究需要和ITS應(yīng)用的開發(fā)同步推進(jìn),以滿足行車過程中對各類技術(shù)細(xì)節(jié)的要求。

        為了實(shí)現(xiàn)更高層次的安全、高效、環(huán)保等生產(chǎn)(行車)目標(biāo),車輛(以及交通配套設(shè)備和系統(tǒng))需要具備更多更強(qiáng)的感知能力、通信能力、計算能力(智能),通過增加交通系統(tǒng)整體的信息化能力以實(shí)現(xiàn)整個交通領(lǐng)域的升級。即車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是和傳感、計算(例如自動駕駛)、軟件開發(fā)等信息化技術(shù)同步發(fā)展的,未來的“智能交通”是交通(道路)網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的深度交融。

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