張進(jìn)，蔡之駿，楊波

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 廣東 511434）

前言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域加快應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成為行業(yè)研究熱點(diǎn)，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車路人互聯(lián)，可以顯著提高行車安全，優(yōu)化交通狀況，減少汽車能耗[1]。

車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有三階段，車載信息服務(wù)階段，主要是面向駕駛員提供車載信息服務(wù)娛樂(lè)等；輔助駕駛階段，由面向駕駛員轉(zhuǎn)變?yōu)槿撕蛙?，提供娛?lè)以外的輔助駕駛決策和控制功能；無(wú)人駕駛階段，決策主體將由人變?yōu)闄C(jī)器，通過(guò)感知、決策和控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。

當(dāng)前，正處于輔助駕駛階段，國(guó)家相關(guān)網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)在逐步建立中，國(guó)內(nèi)外芯片制造商也已在研究滿足車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的核心通訊及控制芯片。已經(jīng)有相應(yīng)的模組或產(chǎn)品推出，可用于前期技術(shù)研究和演示。

本文首先介紹了車聯(lián)網(wǎng)的背景和基本概念，然后分析了車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用，最后展望了車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 車聯(lián)網(wǎng)定義

車聯(lián)網(wǎng)[2]（Internet of Vehicles）概念引申自物聯(lián)網(wǎng)，是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車-X（X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）之間，進(jìn)行無(wú)線通訊和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化交通管理、智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

中國(guó)信息通信研究院在《車聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)2017》[3]中給出的車聯(lián)網(wǎng)定義是：借助新一代信息與通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車和車通信V2V（vehicle-to-vehicle）、車和路通信V2I（vehicle-toinfrastructure）、車和行人通信 V2P（vehicle-to-pedestrian）、車和網(wǎng)絡(luò)通信V2N（vehicle-to-network）的V2X（vehicle-toeverything）全方位網(wǎng)絡(luò)連接，提升汽車智能化水平和自動(dòng)駕能力，構(gòu)建汽車和交通服務(wù)新業(yè)態(tài)，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，為用戶提供智能、舒適、安全、節(jié)能、高效的綜合服務(wù)。V2X技術(shù)通過(guò)將“車-人-路-云”等交通要素有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能有效構(gòu)建智慧交通體系，并使車輛獲取比單車感知更多的信息。

2 車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過(guò) RFID（ Radio Frequency Identifica-tion）、GPS（Global Positioning System）、傳感器、攝像頭等裝置，采集車輛自身狀態(tài)和周圍環(huán)境信息[4-5]；將狀態(tài)環(huán)境信息發(fā)送至中央處理器；分析和處理后，可以計(jì)算得到各車輛的最佳線路、路況等。如圖1所示，車聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以分為三個(gè)層次：數(shù)據(jù)采集的感知層，數(shù)據(jù)交流的網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用層。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2.1 感知層

感知層通過(guò)各類傳感器和終端實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛及周圍環(huán)境信息的采集和預(yù)測(cè)，以及車輛行駛數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳輸給網(wǎng)絡(luò)層。需要用到各類傳感器和RFID標(biāo)簽等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)，收集、分析和傳輸數(shù)據(jù)至服務(wù)器中，在服務(wù)器中記錄和管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息交互，保證信息的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層分為應(yīng)用程序和人機(jī)交互兩部分，應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，人機(jī)交互是直接與用戶進(jìn)行交互的平臺(tái)，提供導(dǎo)航、通信、監(jiān)控及車輛控制的功能。

由于車輛安全性至關(guān)重要，且車輛行駛環(huán)境難以完全覆蓋，決定了車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)要求更高更嚴(yán)格，車聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)如下：

2.3.1 高動(dòng)態(tài)

車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以車輛為中心，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快、拓?fù)渥兓唷⒙窂綍r(shí)效更短。

2.3.2 環(huán)境干擾大

車輛節(jié)點(diǎn)間的通信受到周邊建筑、天氣、交通等諸多因素的影響，車輛通信環(huán)境變化大則需要車聯(lián)網(wǎng)魯棒性更高。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)安全性[6]和可靠性要求高

車輛行駛過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫浅掷m(xù)快速變化的，可能會(huì)出現(xiàn)連接中斷的情況，確保網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性勢(shì)在必行。

3 車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高精定位技術(shù)、傳感技術(shù)及信息整合、車載終端系統(tǒng)及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、通信及其應(yīng)用技術(shù)、云計(jì)算及云平臺(tái)技術(shù)、安全技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系。

3.1 高精定位技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)中，車輛及路邊設(shè)施等定位信息是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，定位的準(zhǔn)確與否直接決定了應(yīng)用場(chǎng)景的可靠性，因此高精定位技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中顯得至關(guān)重要。目前主流的高精定位技術(shù)主要采用RTK（Real-time kinematic）+慣導(dǎo)的形式。

圖2 RTK系統(tǒng)組成[7]

3.2 傳感技術(shù)及信息融合

傳感技術(shù)包括車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)，車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)用于提供車內(nèi)外環(huán)境狀況信息，環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)用于感知和傳遞道路狀況信息；信息融合需要車聯(lián)網(wǎng)控制器對(duì)接收到的車輛、行人和路側(cè)設(shè)備信息進(jìn)行融合處理，篩選出一定距離內(nèi)或時(shí)間范圍內(nèi)的潛在威脅。

3.3 車載終端系統(tǒng)及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)

現(xiàn)車載終端多為非開(kāi)放、非智能系統(tǒng)，并不適用于開(kāi)放的車聯(lián)網(wǎng)智能終端。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在車載終端系統(tǒng)人機(jī)交互上尤為重要，且非常適用于汽車日常駕駛中，將有力推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

3.4 通信及其應(yīng)用技術(shù)

通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)終端與云服務(wù)器間的信息交換，車聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)主要分為兩種：DSRC（Dedicated Short Range Communications），專用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，是一種歐美日采用的主流車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，但各國(guó)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，不能完全兼容。LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle）技術(shù)，是基于LTE和5G的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)成本低、能緊跟變革，遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)性更好，非視距傳輸可靠性更高，適應(yīng)于更復(fù)雜的安全應(yīng)用場(chǎng)景，是我國(guó)采用的技術(shù)路線。

3.5 云計(jì)算及云平臺(tái)技術(shù)

由于車載終端能力有限，車聯(lián)網(wǎng)的很多應(yīng)用都需采用云端計(jì)算技術(shù)，通過(guò)云計(jì)算能整合更多信息和資源提供及時(shí)的服務(wù)。云計(jì)算能夠極大地提高處理速度和效率，提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和服務(wù)，廣泛應(yīng)用于智能交通調(diào)度、大規(guī)模車輛路徑規(guī)劃、路況分析、車輛診斷等方面。通過(guò)云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的延伸功能，通過(guò)服務(wù)整合實(shí)現(xiàn)服務(wù)創(chuàng)新。

3.6 安全技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具有防御網(wǎng)絡(luò)攻擊、保護(hù)用戶隱私、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的功能。車聯(lián)網(wǎng)安全問(wèn)題主要集中在車聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)，如位置隱私、用戶數(shù)據(jù)隱私、身份隱私，通信安全如車載網(wǎng)絡(luò)通信安全、遠(yuǎn)程通信安全，硬件與軟件安全。安全可靠的系統(tǒng)，是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。

3.7 標(biāo)準(zhǔn)體系

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息和節(jié)點(diǎn)多樣，必須建立一套統(tǒng)一、安全的標(biāo)準(zhǔn)體系才能夠?qū)崿F(xiàn)不同終端的信息交互。當(dāng)前中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)和國(guó)際合作式智能交通系統(tǒng)已經(jīng)在制定 V2X應(yīng)用層和應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)。

4 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分為三大類：駕駛應(yīng)用、交通應(yīng)用、商業(yè)應(yīng)用。以下著重介紹車輛網(wǎng)在智能駕駛輔助及交通管理方面的應(yīng)用，并列舉了常用的算法模型。

4.1 駕駛應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)在駕駛方面的應(yīng)用有：智能駕駛輔助系統(tǒng)、車隊(duì)輔助駕駛、車輛定位導(dǎo)航、遠(yuǎn)程操控及其他。其中，在智能駕駛輔助系統(tǒng)中，目前智能駕駛系統(tǒng)感知部分主要采用各類傳感器，如攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、高精定位等。但傳感器精度及范圍有限，且易受環(huán)境影響。而車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)與周邊車輛及設(shè)施進(jìn)行通信，擴(kuò)大了對(duì)交通環(huán)境的感知范圍，能夠提前獲知周邊出車輛狀態(tài)信息和道路狀況，顯著增強(qiáng)車輛智能駕駛輔助功能，如：前向碰撞預(yù)警、交叉路口碰撞預(yù)警、左轉(zhuǎn)輔助、盲區(qū)預(yù)警/變道輔助、逆向超車預(yù)警、緊急制動(dòng)預(yù)警、異常車輛提醒、車輛失控提醒、道路危險(xiǎn)狀況提示、限速預(yù)警、闖紅燈預(yù)警、弱勢(shì)交通參與者碰撞預(yù)警。

其中，車輛碰撞預(yù)警是目前 V2X最主要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。以直道下的前碰撞預(yù)警場(chǎng)景為例，一般使用最小安全距離[8]和TTC（Time-to-Collision）模型判斷碰撞風(fēng)險(xiǎn)，原理如下：

最小安全距離模型是結(jié)合駕駛員反應(yīng)時(shí)間及計(jì)算主車主動(dòng)制動(dòng)后的安全距離，如圖3所示：

圖3 最小安全距離模型[8]

其中T為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，t1為制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，t2為減速增長(zhǎng)時(shí)間，d0為安全距離，as為主車制動(dòng)加速度，VH與VR分布為主車和遠(yuǎn)車的當(dāng)前速度，D為主車與遠(yuǎn)車的當(dāng)前距離，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型可得最小安全距離S公式為：

若D＞S，則說(shuō)明主車與遠(yuǎn)車目前沒(méi)有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，主車不會(huì)預(yù)警；反之則說(shuō)明主車和遠(yuǎn)車有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，主車會(huì)對(duì)駕駛員進(jìn)行碰撞預(yù)警的提醒。

TTC模型計(jì)算方法類似，引入相對(duì)速度Vrel=VH-VR與相對(duì)加速度arel=aH-aR，其中aH與aR分別為主車和遠(yuǎn)車的當(dāng)前加速度。通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型可得：

通過(guò)判斷 TTC時(shí)間與駕駛員反應(yīng)時(shí)間等判斷是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。注意如果計(jì)算出TTC＜0或者無(wú)解則說(shuō)明遠(yuǎn)車正在遠(yuǎn)離或兩車已經(jīng)碰撞。測(cè)試V2V場(chǎng)景準(zhǔn)確度時(shí)較常采用TTC模型。

4.2 交通應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)在交通方面的應(yīng)用有：交通管理、救援提示、車隊(duì)管理、停車提示等。車聯(lián)網(wǎng)可以提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的交通信息，管理中心可以據(jù)此更好地完成交通提示及調(diào)度，優(yōu)化城市交通狀況。其中，交通管理中可以有效使用V2I的功能優(yōu)化交通流。

以綠波車速引導(dǎo)為例，車輛可以獲取當(dāng)前路段紅綠燈的相位及剩余時(shí)間等信息，從而優(yōu)化交通流。以綠波車速加速引導(dǎo)為例，原理如下：

圖4 綠波車速加速引導(dǎo)[9]

如圖所示，T1，T2分別為單周期內(nèi)綠燈與紅燈持續(xù)時(shí)間[9]，ΔT為交叉口I1與I2的信號(hào)燈時(shí)間差，L12為交叉口I1與I2之間的距離；同一車道內(nèi)，在綠燈期間通過(guò)I1交叉口而沒(méi)有駛離主干道的第一臺(tái)車與綠燈剛亮起之間的時(shí)間差為t1；同理，在綠燈期間通過(guò)I1交叉口而沒(méi)有駛離主干道的第二臺(tái)車與第一臺(tái)車經(jīng)過(guò)I1交叉口的時(shí)間差為t2，tm+1為在綠燈期間通過(guò) I1而沒(méi)有駛離主干道的最后一臺(tái)車與在紅燈期間通過(guò)I1且進(jìn)入主干道的第一臺(tái)車的時(shí)間差，tn為上一臺(tái)車與在紅燈期間通過(guò) I1且進(jìn)入主干道的最后一臺(tái)車之間的時(shí)間差，B為同一車道上的前后兩車之間的安全距離。部分車輛經(jīng)過(guò)I1交叉口后進(jìn)行加速，以新車速通過(guò)I2交叉口。第一臺(tái)通過(guò)I1交叉口的車輛速度為：

第二臺(tái)通過(guò)I1交叉口的車輛速度為：

最后一臺(tái)在該綠燈期間通過(guò)I1交叉口的車輛速度為：

同理，第一臺(tái)在下一紅燈期間通過(guò)I1交叉口的車輛速度為：

最后一臺(tái)在下一紅燈期間通過(guò)I1交叉口的車輛速度為：

4.3 商業(yè)應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)在商業(yè)方面的應(yīng)用主要有：移動(dòng)支付、租車、保險(xiǎn)及廣告等。車聯(lián)網(wǎng)所提供的豐富海量信息會(huì)催生出新的商業(yè)模式及應(yīng)用，在未來(lái)有廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)論

未來(lái)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要在無(wú)人駕駛、移動(dòng)出行和延伸服務(wù)中。隨著汽車的智能網(wǎng)聯(lián)能力提升，無(wú)人駕駛僅靠車輛自身傳感器很難精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地感知周圍環(huán)境，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛有重要作用。同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車的普及，車聯(lián)網(wǎng)可以解決充電難的問(wèn)題。最后，由車聯(lián)網(wǎng)延伸出的其他服務(wù)也將逐漸成熟。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將更云端化和智能化，將有效促進(jìn)智能交通的發(fā)展，為構(gòu)建智慧城市提供有力的技術(shù)基礎(chǔ)和保障。