李夢茹 劉煜

摘要：針對國內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)功能研究較少和車聯(lián)網(wǎng)關鍵技術及架構(gòu)研究較為模塊化的問題，文章基于車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)三大系統(tǒng)層的協(xié)同工作機制，對車聯(lián)網(wǎng)的功能進行用戶體驗和監(jiān)控管理兩個層面的研究，指出各功能工作時三大系統(tǒng)層所發(fā)揮的作用，并總結(jié)和探討車聯(lián)網(wǎng)各功能實現(xiàn)需解決的關鍵技術，體現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、功能、關鍵技術間的內(nèi)在關聯(lián)性。

關鍵詞：車聯(lián)網(wǎng);架構(gòu);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(chǎn)、生活以及經(jīng)濟發(fā)展的必要環(huán)節(jié)[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(fā)達國家放棄了以擴大道路網(wǎng)規(guī)模來解決日益增長的交通需求的思路，轉(zhuǎn)而采用了以高新技術為手段，改造現(xiàn)有道路運輸體系和管理方式[2]，智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，簡稱ITS）由此誕生。隨著國內(nèi)外學者對ITS的深入研究，認為車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，簡稱IOV）是ITS的發(fā)展趨勢[3-9]。目前，國內(nèi)學者對車聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術、車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及其工作機制做了較多研究，但關于車聯(lián)網(wǎng)功能的研究較少，且對于架構(gòu)與關鍵技術研究較為模塊化，忽略了兩者之間的內(nèi)在關聯(lián)。基于此，本研究提出車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、功能和關鍵技術三者之間具有關聯(lián)性?；谲嚶?lián)網(wǎng)架構(gòu)三大系統(tǒng)層的協(xié)同工作機制，對車聯(lián)網(wǎng)功能做出用戶體驗層和監(jiān)控管理層兩個層面的研究，并以功能為媒介，總結(jié)了車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各功能需解決的技術難題。

1 車聯(lián)網(wǎng)的概念

車聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)籌管控的系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)在城市交通領域中的具體應用[10]。車聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)籌管理與控制，以提供出行方式選擇建議、動態(tài)路徑誘導、交通智能管控、為交通規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持等服務，實現(xiàn)人、車、交通基礎設施的協(xié)同運作，達到出行效率最大化、出行成本最小化、節(jié)能減排最大化和事故概率最小化的目的。車聯(lián)網(wǎng)工作示意如圖1所示。

2 車聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系

車聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)及其協(xié)同工作機制決定車聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。目前研究現(xiàn)狀將車聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系分為感知層、網(wǎng)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(shù)據(jù)由感知層采集，經(jīng)網(wǎng)絡層傳遞至應用層，從而實現(xiàn)一系列的功能。車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)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(nèi)傳感器、車外環(huán)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(huán)境（行人位置、天氣、溫度、路況、道路擁堵情況等）進行交通數(shù)據(jù)的采集。感知層上子層的作用是為感知層下子層提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡接口，用于兼容各類車輛不同的網(wǎng)絡傳輸標準，以保證所有交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)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(guī)模的數(shù)據(jù)傳遞。

網(wǎng)絡層的作用是完成車輛與交通控制中心之間交通數(shù)據(jù)大規(guī)模、遠距離的傳輸。同時網(wǎng)絡層可以實現(xiàn)車輛的網(wǎng)絡接入，為車上的出行者提供社交、影音、娛樂等網(wǎng)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(shù)據(jù)處理技術和云計算對感知層采集到的交通數(shù)據(jù)進行實時的處理并及時通過網(wǎng)絡層進行數(shù)據(jù)傳輸，為車輛提供動態(tài)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(tǒng)和應用軟件為出行車輛提供經(jīng)應用層下子層采集和處理的交通信息，車聯(lián)網(wǎng)的所有功能和服務均通過這一子層定義和實現(xiàn)。

車聯(lián)網(wǎng)的三大系統(tǒng)層數(shù)據(jù)逐層傳遞，協(xié)同實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的一系列功能。圖3展示了車聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)層的協(xié)同工作機制。

3 基于車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的功能研究

車聯(lián)網(wǎng)的用戶使用量決定車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的準確性和有效性，為用戶提供安全、便捷的車聯(lián)網(wǎng)服務是車聯(lián)網(wǎng)普及和推廣的前提?；谲嚶?lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)層的協(xié)同工作機制，車聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)用戶體驗層和監(jiān)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(lián)網(wǎng)服務，也是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)推廣和普及的重要籌碼。用戶體驗層功能如圖4所示。監(jiān)控管理層是對出行者的監(jiān)控和管理，不僅為出行者提供更加舒適、安全的出行環(huán)境，也是規(guī)劃部門綜合規(guī)劃城市道路網(wǎng)絡和管理部門行政處罰的依據(jù)。監(jiān)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)自動提取感知層下子層的路況數(shù)據(jù)和公交數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)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(jù)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(yōu)的出行方式。

（2）車況分析：車聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)異常會通過應用層上子層向車主反映。車主也可通過車聯(lián)網(wǎng)完成車輛保養(yǎng)和維修的預約。

（3）動態(tài)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(jīng)云計算為出行者提供最優(yōu)的路徑。

（4）事故的處理和報備：發(fā)生交通事故后，車聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡層傳遞至應用層下子層，應用層下子層會根據(jù)事故嚴重程度向交警部門、保險公司及醫(yī)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(wǎng)絡層要求事故發(fā)生地周邊車輛繞行，在醫(yī)院和事故發(fā)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(shù)據(jù)共享：車聯(lián)網(wǎng)應用層上子層應有社交功能，利用車聯(lián)網(wǎng)社交功能可添加好友，親友組成車隊自駕出游時，車聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)可采集各停車場的停車信息，并根據(jù)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(lián)網(wǎng)應用層下子層會根據(jù)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(jiān)控管理層

監(jiān)控管理層是對聯(lián)網(wǎng)車輛的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，主要有以下4點功能：

（1）駕駛行為監(jiān)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(yǎng)和出險數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)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(huán)境。

（4）路網(wǎng)優(yōu)化建議：交通規(guī)劃部門可從車聯(lián)網(wǎng)提取OD、流量等交通數(shù)據(jù)，是城市道路網(wǎng)絡優(yōu)化的依據(jù)。

4 車聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

車聯(lián)網(wǎng)上述服務和功能的實現(xiàn)需要解決很多技術難題，總體上，車聯(lián)網(wǎng)的技術難題包含以下6種：射頻識別技術、傳感器技術、異構(gòu)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)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(wǎng)絡層需解決異構(gòu)網(wǎng)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(xiàn)所面臨的技術難題也不同。車聯(lián)網(wǎng)各功能實現(xiàn)時各系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)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(cè)單元完成短距離、高頻率的通信，實現(xiàn)車輛信息識別、高精度定位[22]和車一車通信。同時路側(cè)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(cè)單元的建設體量大、投入高，是制約車聯(lián)網(wǎng)推廣的經(jīng)濟性難題。

4.2 傳感器技術

車聯(lián)網(wǎng)感知層下子層利用各種傳感器對車內(nèi)和車外環(huán)境進行感知。其中，車內(nèi)傳感器可感知車輛運行狀態(tài)及控制系統(tǒng)狀態(tài)，前者主要包括車速、油耗、車內(nèi)溫度、胎壓、機油和汽油剩余量、發(fā)動機狀態(tài)、制動狀態(tài)等信息，是車輛安全行駛的前提;后者通過定位系統(tǒng)與電子地圖的匹配，可監(jiān)測超速、違章左右轉(zhuǎn)、緊急變道、強行加塞等危險駕駛行為，與行政管理手段相結(jié)合，為居民提供安全的出行環(huán)境。車外環(huán)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(lián)網(wǎng)應用層下子層結(jié)合車外環(huán)境數(shù)據(jù)對行駛中的車輛進行管控，以保證惡劣環(huán)境下駕駛員和行人的安全。

目前各汽車生產(chǎn)經(jīng)營廠商運用的傳感器種類繁多，輸出的數(shù)據(jù)良莠不齊，且某一品牌汽車很難與其他品牌共享數(shù)據(jù)，打造統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)功能的統(tǒng)一性的難題。

4.3 異構(gòu)網(wǎng)絡的融合

車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)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(wǎng)絡，不同的網(wǎng)絡制式具有不同的網(wǎng)絡接入標準。為適應不同的通信場景，不同車輛接入網(wǎng)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(wǎng)絡制式間不斷切換，所以車輛應具備可接入多種網(wǎng)絡的接口。異構(gòu)網(wǎng)絡的融合技術是保證聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡制式不斷切換的情況下感知層與應用層之間數(shù)據(jù)高效上傳和下載的任務，完善的異構(gòu)網(wǎng)絡融合方案至關重要。

4.4 中間件技術

在車聯(lián)網(wǎng)中，中間件是介于車聯(lián)網(wǎng)硬件和車載系統(tǒng)間的通用服務。中間件技術能夠?qū)④嚶?lián)網(wǎng)感知層下子層采集的交通數(shù)據(jù)進行提取和格式轉(zhuǎn)換，向車聯(lián)網(wǎng)應用層下子層傳輸相對統(tǒng)一的交通數(shù)據(jù)，解決不同車輛向應用層下子層數(shù)據(jù)傳輸?shù)鸟g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(fā)效率，是打造車聯(lián)網(wǎng)多元化應用生態(tài)，為車聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包含個人和車輛的重要隱私信息，而車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)面臨的技術性難題，它滲透于車聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)層中的各個數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。同時，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的真實性和完整性是車聯(lián)網(wǎng)相關功能實現(xiàn)的基礎，保證車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)應用層下子層運用的關鍵技術。將車聯(lián)網(wǎng)采集到的交通大數(shù)據(jù)進行實時的處理及下放是車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)動態(tài)路徑誘導、停車誘導、緊急事故救援等主要服務的依據(jù)。云計算是對交通大數(shù)據(jù)進行實時處理的技術，而交通大數(shù)據(jù)具有“6V”特性24]：Volume（體量巨大）;Velocity（處理快速）;Variety（模態(tài)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(shù)據(jù)進行快速提取、無用數(shù)據(jù)的過濾和深度數(shù)據(jù)挖掘，并考慮車輛在行駛過程中時間和空間的關聯(lián)性，對交通大數(shù)據(jù)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(jié)語

智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是車聯(lián)網(wǎng)，而車聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)交通智能化的重要手段。車聯(lián)網(wǎng)對交通數(shù)據(jù)的有效采集、處理和下放，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)路徑誘導、交通大數(shù)據(jù)的處理與存儲、駕駛行為管理等應用。動態(tài)路徑誘導能夠充分利用現(xiàn)有道路，提高運行效率，減少交通污染。經(jīng)云計算處理后的交通大數(shù)據(jù)是規(guī)劃城市道路網(wǎng)絡的依據(jù)，應合理地規(guī)劃城市布局和改善道路網(wǎng)絡，使城市交通需求和交通供給維持動態(tài)平衡。通過車聯(lián)網(wǎng)對駕駛行為進行管控，為出行者提供安全的出行環(huán)境。

車聯(lián)網(wǎng)的全面普及初期需要大規(guī)模的基礎設施建設、汽車數(shù)據(jù)的開源化及制定統(tǒng)一的網(wǎng)絡傳輸和數(shù)據(jù)形式的標準，即車聯(lián)網(wǎng)各項功能的實現(xiàn)需解決經(jīng)濟性、開放性和統(tǒng)一性的問題。經(jīng)濟性是指初期投入的經(jīng)濟問題，車聯(lián)網(wǎng)路側(cè)單元、通信網(wǎng)絡和構(gòu)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(shù)據(jù)的開放，目前不同的車載平臺之間還無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享。統(tǒng)一性是指標準的統(tǒng)一，但目前各汽車生產(chǎn)經(jīng)營廠商運用的感知技術和數(shù)據(jù)儲存形式以及數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡接入標準沒有統(tǒng)一的標準。同時，車聯(lián)網(wǎng)的推廣還需要考慮居民對車聯(lián)網(wǎng)相關服務功能的需求度以及為車聯(lián)網(wǎng)提供隱私信息的意愿度。當前國內(nèi)外針對車聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)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(qū)科學基金“復雜交通基礎設施系統(tǒng)進化理論與級聯(lián)管理方法研究”（ E080703）