徐侃春

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著社會(huì)的快速進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為了日常消費(fèi)品走入了千家萬戶，汽車在人們的工作和生活中扮演著重要的角色。2014年以來，我國汽車銷售總量一舉超越美國躍居世界第一。人們?cè)隈{駛汽車的同時(shí)，亦希望它也能像其它移動(dòng)終端一樣具有強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)功能，從而進(jìn)一步提高駕乘體驗(yàn)[1]。

伴隨著車輛的增多，基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它是一種先進(jìn)的應(yīng)用模式，是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域的一種重要應(yīng)用形態(tài)，其設(shè)計(jì)初衷是通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對(duì)車輛和交通的狀況進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提前行動(dòng)來避免事故、緩解擁堵，為用戶提供安全可靠的駕乘環(huán)境[2]。

隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)顯示出了廣闊的應(yīng)用前景，擁有改善民生的重大戰(zhàn)略意義，車聯(lián)網(wǎng)已被列為國家“十三五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。因此，本文提出基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)研究。

1 智能交通體系概論

智能交通系統(tǒng)應(yīng)用多種多樣，其中，包括車輛導(dǎo)航、交通信號(hào)控制、可變道路標(biāo)志、自動(dòng)車牌識(shí)別、高速攝像頭監(jiān)控、集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、停車引導(dǎo)和信息系統(tǒng)、天氣信息、道路結(jié)冰積水、以及其它更高級(jí)應(yīng)用等[3]。為實(shí)現(xiàn)典型智能交通系統(tǒng)，需要大幅建立車聯(lián)網(wǎng)體系，它存在以下固有特性[4]。

1.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大

車聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，可能包括數(shù)百萬的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中，包括車輛及道邊設(shè)備等。即使在單個(gè)道邊設(shè)備的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，也可能包含幾十甚至上百個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)。

1.2 拓?fù)渥兓?/h3>

安裝在車輛節(jié)點(diǎn)上的車載通信單元會(huì)隨著車輛的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，其平均移動(dòng)速度會(huì)遠(yuǎn)大于絕大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)應(yīng)用場景中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑿诺拉h(huán)境、通信傳輸參數(shù)等都會(huì)隨時(shí)間而快速變化。

1.3 移動(dòng)軌跡可預(yù)見

由于車輛移動(dòng)要依附于道路，運(yùn)行速度有一定的范圍，并且車流有一定的規(guī)律性，可以根據(jù)車輛歷史數(shù)據(jù)預(yù)測移動(dòng)軌跡。

針對(duì)上述特性，如何將先進(jìn)的人工智能技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息與通信技術(shù)及電子傳感器技術(shù)等有效地集成，從而應(yīng)用于完整的地面交通管理系統(tǒng)，建立在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)，是未來道路交通的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)問題。

2 基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)架構(gòu)

迄今為止，典型的車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)的架構(gòu)，如圖1所示，具體包括基礎(chǔ)交通的感知層次，針對(duì)節(jié)點(diǎn)信息共享的網(wǎng)絡(luò)傳輸層次，以及面向?qū)嶋H系統(tǒng)的應(yīng)用層。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)交通感知層：通過傳感技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、車輛定位、信號(hào)處理技術(shù)等，對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)、道路狀態(tài)、道路設(shè)施等進(jìn)行實(shí)時(shí)的全方位監(jiān)控，并采集相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供全面、原始的終端信息服務(wù)。

（2）信息共享網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過制定適應(yīng)于動(dòng)態(tài)異構(gòu)的車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將感知層數(shù)據(jù)匯集、上傳，通過云計(jì)算、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等各種分析與機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)信息進(jìn)行分析和處理，提升對(duì)現(xiàn)實(shí)交通狀態(tài)的感知能力，實(shí)現(xiàn)決策和控制。與此同時(shí)，充分利用現(xiàn)有資源，為系統(tǒng)應(yīng)用層提供有力的應(yīng)用支撐。

（3）實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用層：應(yīng)用層主要面向車輛拓展網(wǎng)絡(luò)功能，推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控制、交通事件預(yù)警等運(yùn)營效率與安全應(yīng)用，同時(shí)還為各種用戶提供互聯(lián)網(wǎng)信息查詢與訂閱、車輛基礎(chǔ)信息提醒、車載娛樂信息共享等多樣化服務(wù)。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

云計(jì)算是指運(yùn)用虛擬化技術(shù)將分散的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源，通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)集中起來，形成邏輯統(tǒng)一的資源池，可實(shí)時(shí)監(jiān)控云計(jì)算平臺(tái)和動(dòng)態(tài)調(diào)配云資源，并以彈性的、按需的、可擴(kuò)展的方式向用戶提供服務(wù)[5]。

霧計(jì)算的概念是在用戶和云服務(wù)層之間增加一個(gè)霧層，利用距離用戶較近的霧層中的設(shè)備提供有彈性的計(jì)算資源霧計(jì)算靠近終端用戶、擁有稠密的地理分布[6]。

面向上述系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)前研究主要把車聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建成“云-霧-節(jié)點(diǎn)”的多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示[7]。

圖2 面向車聯(lián)網(wǎng)的“云-霧-節(jié)點(diǎn)”多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車載云平臺(tái)整合了車輛通信、存儲(chǔ)和計(jì)算資源，提高其利用率，并為用戶提供基于軟件、平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施的低能耗實(shí)時(shí)服務(wù)。具體來說，它分為3個(gè)層次。

（1）車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測駕駛?cè)说慕】?、情緒等參數(shù)，以及車內(nèi)溫度、氣壓等環(huán)境因素；

（2）數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)，包含車車通信與車地通信，用于將車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍?/p>

（3）云服務(wù)器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算并提供各類服務(wù)。

但是，單純基于云的車聯(lián)網(wǎng)，由于數(shù)據(jù)在終端而服務(wù)能力在云端，導(dǎo)致數(shù)據(jù)與云端之間信息的傳遞會(huì)占用大量的通信資源。同時(shí)，車載云計(jì)算不提供對(duì)車輛資源可用性的保證，因此所提供的服務(wù)不穩(wěn)定。

為了提升車聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量，并最終實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)，研究人員致力于霧計(jì)算，即在云服務(wù)器與終端設(shè)備之間引入霧層，并將之前在云端完成的數(shù)據(jù)計(jì)算與分析拓展至霧層，使得車輛用戶能夠在本地分析和管理數(shù)據(jù)，減輕通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力與計(jì)算負(fù)荷，同時(shí)降低了傳輸開銷與時(shí)延。

總而言之，面向智能交通系統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)是把人、車、路、環(huán)境等4方面基本元素的數(shù)據(jù)、特征進(jìn)行分析與融合，通過數(shù)據(jù)資源共享與應(yīng)用拓展，使得單一的車輛安全輔助逐步過渡到綜合集成的智能一體化駕乘，提升車輛用戶在行駛過程的中的安全性、高效性、便捷性與舒適性[8]。

3 基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵問題

3.1 面向霧計(jì)算的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

基于霧計(jì)算的車聯(lián)網(wǎng)是其未來能夠?qū)嵤┑目深A(yù)期模式，也是當(dāng)前的一個(gè)嶄新的研究熱點(diǎn)問題，該問題目前缺乏相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。將車輛節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間搭載霧平臺(tái)，選擇合理的霧節(jié)點(diǎn)，使其能夠在有限的服務(wù)范圍與網(wǎng)絡(luò)之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。但實(shí)際中的車輛快速移動(dòng)，其位置不斷變化，使得通信鏈路不穩(wěn)定，因此不適合作為霧節(jié)點(diǎn)。如何識(shí)別霧節(jié)點(diǎn)、依據(jù)車載節(jié)點(diǎn)與道邊單元的服務(wù)能力、設(shè)計(jì)并構(gòu)建霧節(jié)點(diǎn)規(guī)則、從而滿足系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量要求、同時(shí)滿足良好的通用性、以達(dá)到適應(yīng)不同的場景需求是架構(gòu)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的關(guān)鍵問題。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)路由與資源共享

車聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)需要通過動(dòng)態(tài)路由實(shí)現(xiàn)共享，相應(yīng)的路由協(xié)議研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問題。然而由于車聯(lián)網(wǎng)的一些特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)、應(yīng)用需求和制約因素，使得車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的綜合保障優(yōu)化問題極具挑戰(zhàn)性。

（1）基于分簇的動(dòng)態(tài)的路由問題，即合理構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中的車輛節(jié)點(diǎn)的直接交付通信簇，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高信息傳輸?shù)男?，增?qiáng)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

（2）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，在克服車聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迅速改變產(chǎn)生大量網(wǎng)絡(luò)碎片的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)相對(duì)穩(wěn)定的傳輸通信鏈路。

（3）多路由決策問題，即從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑是有差異的，最快發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)的路徑并不能保證是最優(yōu)的，因此如何快速發(fā)現(xiàn)眾多路徑中的最優(yōu)路由，也是其中的重點(diǎn)問題。

3.3 車聯(lián)網(wǎng)安全與隱私保護(hù)

車聯(lián)網(wǎng)安全與隱私保護(hù)研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問題。目前，研究主要集中在車-車通信環(huán)境，雖然這些現(xiàn)有的解決方案已經(jīng)能夠部分滿足用戶的安全和隱私保護(hù)需求，但它們并沒有充分考慮車聯(lián)網(wǎng)的一些特殊結(jié)構(gòu)、安全需求和制約因素，車聯(lián)網(wǎng)中存在大量的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與道邊設(shè)備，這些節(jié)點(diǎn)具有較大的差異性，從而使其安全和隱私保護(hù)問題極具有挑戰(zhàn)性。針對(duì)具體的車輛節(jié)點(diǎn)與道邊設(shè)備共存的車路協(xié)同環(huán)境，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有安全和隱私保護(hù)領(lǐng)域研究的不足，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)最終走向?qū)嶋H應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。

4 結(jié)束語

本文概要介紹了智能交通體系，詳細(xì)分析了車聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)的架構(gòu)，其包含基礎(chǔ)交通感知層、信息共享網(wǎng)絡(luò)傳輸層、實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用層。在此基礎(chǔ)上，探討了基于“云-霧-節(jié)點(diǎn)”模式的車聯(lián)網(wǎng)信息交互模型，并給出該模型的相應(yīng)依據(jù)。除此之外，本文從架構(gòu)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)路由與資源共享、安全與隱私保護(hù)等3方面，進(jìn)一步分析了基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵問題。