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车联网技术初探

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交 通工 程 车联网技术初探 诸彤宇1 ,王家川2 ,陈智宏2 ( 1. 北京航空航天大学计算机学院,北京 100191; 2 . 北京市交通信息中心,北京 100055) 摘 要: 车联网 是现代化城市减少交通拥堵和绿色出行的重要手段.随着物联网技术在 中国的蓬 勃发展,作为 物联网 的具体 应用,车联网获取车辆运行参数和道路等交通基础设施使用状况,感知实时道 路交通路况, 提供丰富的 智能交 通综合 服务.本文的目的是对现有的车联网技术进行一个总结,以期为进一步研究指明 方向.本文 首先分析了 车联网 相关概 念以及系统分类情况,介绍了车联网目前面临的诸多挑战,总结了车联网的各项 关键技术 的研究现状 ,最后对 现有的车联网原型系统进行总结. 关键词: 物联网; 车联网; 射频识别; 全球定位技术 中图分类号: TP2 73 文献标识码: B 1 前言 关 注, 不过 该领 域研 究尚处 于起 步阶 段, 很 多问 题 都 没 有得 到解 决, 尤其 是如 何适应 车辆 行驶 参数 的 安全 2 010 年中国汽车销售总量超 越美国,成 为全球 采集,大规模车辆通信参与的场景.本文试图对目前 第一,中国汽车电子市场也随之进入快速发展期.但 车联网技术的研究现状做一个较为全面的总结,包括该 汽车保有量增长速度大大高于道路等交通基础设施建 领域的相关概念和分类,面临的挑战,关键技术,已有 设速度,给道路交通带来了极大压力.交通堵塞,交 的原型系统等方面,从而为进一步研究提供参考. 通事故 ,环 境污 染正 在困 扰着 北京 ,上 海这 样的 超 大 规模城 市. 如何 通过 信息 技术 ,使 得汽 车具 备电 子 智 2 车联网相关概念和分类 能能力 ,对 车辆 和交 通状 况进 行有 效的 监控 ,以 缓 解 车 联网 概念 是 物联 网 面 向 行 业 应用 的 概 念 实 现 . 交通拥堵,为用户提供安全,舒适的驾驶环境,已成 物联 网是 在互 联网 基 础上,利用 射频 识 别 ( Radio � 为交通行业研究的热点. Freq uenc Identification,RFID) �无线 数据 通信等 技 物联网 ( The Internet ofThings,IoT) 概念 的提 术,构造一个覆盖世界上万事万物的网络体系,实现 出,加快 了 社 会的 信 息化 和 网 络 化进 程.车 联 网 任何物体的自动识别和信息的互联与共享.物联网不 ( Internet ofV ehicles) 作为物联网的典型应用,利用 刻意强调物体的类型,更多的是强调物理世界信息的 车载电子传感装置,通过网络完成信息交换,使车与 获取和交换,以实现当前互联网未触及的物与物信息 路,车与车,车与人之间的信息互联互通,对车辆和 交换领域.车联网是物联网概念的着陆点,将这个具 交通状况进行有效的智能监控.车联网明确了车,路, 体的物理世界限定到车,路,人和城市上.车联网利 城市与人的互联互通,促进了汽车,交通和信息技术产 用装载在车辆上电子标签 RFID 获取车辆的行驶属性 业向更加现代化,网络化和智能化的方向发展. 和系统运行状态 信息,通过 GPS 等全球定位技 术获 区别于传统的智能交通系统 ( Intelligent Transp ort 取车辆行驶位置等参数,通过 3G 等无线传输技术实 S stem ,ITS) ,车联网更注重车与车,车与人之间的 现信息传输和共享,通过 RFID 和传感器获取道路,桥 交互通信,通过提取更多车辆行驶参数和系统数据来 梁等交通基础设施的使用状况,最后通过互联网信息平 保障车辆行驶安全,规避道路拥 塞,提高出行 舒适 台,实现对车辆运行监控以及提供各种交通综合服务. 度.可以说车联 网的出现重新定 义车辆交通运 行方 从 技术 角度 区分 ,车 辆网技 术主 要有 电 子标 签 技 式.应用车联网技术,城市交通将得到极大改善,为 术 ( RFID 等) �位置定位技术 ( GPS等) �无线传输 用户 提供更 加智 能, 安全 的驾 驶环 境. 技术 ( 3G 等无线通信技术) �数字广播技术 ( CM M B 车联网技术可以弥补传统交通技术和智能交通系 等) �网络服务平台技术 ( 如 W eb 服务,数据融合处 统的很多不足,正吸引着越来越多研究者和工业界的 理技术,地图匹配技术等) � 基金项目: 北京市交通行业科技项目 �北京市交通行业信息技术应用评价研究� 资助.课题编号: K Y - 2 009 - 12 . 作者简介: 诸彤宇 ( 196 9 - ) ,男,博士,副教授,主要从事计算机信息及智能交通研究. 266 2 011 年 5 期( 总第 77 期) 从系统 交互 角度 ,主 要有 车与 车通 信系 统, 车 与 人通信 系统 ,车 与路 通信 系统 ,车 与综 合信 息平 台 通 信系统 ,路 与综 合信 息平 台通 信系 统. 车与 车通 信 系 统强调 物与 物之 间的 端到 端通 信. 这种 端到 端的 通 信 使得任 何一 个车 辆既 可以 成为 服务 器, 也可 以作 为 通 信终端 .车 与路 通信 系统 使得 车辆 能够 提前 获取 道 路 基础设 施的 运营 状况 ,如 某条 道路 是否 在维 修, 某 个 桥洞 是否积 水 过 多 等 信息 , 以 方便 车 辆 的 顺 畅 通 行. 车与综 合信 息平 台通 信系 统是 汇集 车辆 行驶 状态 等 信 息,提 供路 况, 车辆 监控 等综 合统 计性 信息 以及 出 行 提醒, 安全 行驶 等个 性化 信息 的综 合性 平台 .路 与 综 合信息 平台 通信 系统 目的 是维 护道 路基 础设 施的 运 营 状况 ,以 及时更 换老 化和 运营 状况 不佳 设备 . 从应用 角度 区分 ,车 联网 技术 可以 分为 监控 应 用 系统, 行车 安全 系统 ,动 态路 况信 息系 统, 交通 事 件 保障系 统等 .监 控应 用系 统主 要用 于政 府部 门或 者 车 辆管理 部门 的运 营监 控和 决策 支持 ,主 要分 为两 类 系 统: 道路基础设施安全情况监控以及车辆行驶状况监 控.道 路基 础设 施安 全情 况的 监控 主要 是通 过定 时 获 取道路 ,桥 梁上 安装 的监 控设 备传 回的 检测 信 息, 查 看该基 础设 施的 破坏 程度 ,应 用状 况等 ,为 交通 基 础 设施的 维护 提供 重要 参考 .车 辆行 驶状 况监 控主 要 是 监控车 辆的 行驶 路线 ,行 驶参 数, 如油 耗, 车况 等 信 息,为 城市 车流 量分 布提 供可 视化 ,为 拥堵 缓解 提 供 辅助决 策. 行车 安全 系统 主要 指车 辆行 驶过 程安 全 监 测以及 分析 车辆 行驶 行为 后的 安全 建议 .在 车辆 行 驶 过程中 ,通 过车 联网 信息 的交 互, 可以 获取 前方 道 路 状况, 规避 安全 交通 事故 等. 如在 雾天 高速 公路 上 前 方发生 事故 之后 的主 动规 避等 .另 外通 过上 传和 分 析 车辆的 油耗 ,行 驶状 态等 参数 ,在 服务 器端 进行 车 辆 信息挖 掘, 主动 提供 一些 车辆 行驶 安全 建议 ,如 是 否 需要去 保养 ,是 否需 要更 换某 零部 件. 动态 路况 信 息 系统主要利用行驶车辆的运行速度和 GPS定位技术, 获取 道路行 驶 状 况 信 息, 实 现 路况 动 态 信 息 的 发 布. 交通事件保障系统主要利用车辆 事故检测和报 告机 制, 为事故 的检 测, 规避 ,疏 导等 提供 辅助 支持 . 总之, 车联 网以 车, 路, 道路 基础 设施 为基 本 节 点和信 息源 ,通 过无 线通 信技 术实 现信 息交 互, 从 而 实现 "车 - 人 - 路 - 城市" 的和谐统一.伴随着物 联网 技术的 发 展 ,以 及 智 能 交 通和 智 慧 城 市 的 发 展, 应用车联网技术的概念车 ( 通用 E N - V 电动联网概 念车) �系统原型已蓬勃开展. 3 车联网的需求和挑战 车联网 本质 上是 物联 网技 术的 一种 应用 形 式, 物 联网的 挑战 同样 也给 车联 网的 实施 带来 挑战 .同 时 由 于 车联 网由 于车 辆数 量的急 剧膨 胀, 也面 临 巨大 的 需 求 .车 联网 面临 的主 要需求 和挑 战有 : ( 1) 车联网信息的统 一标识问题.为实现物 体 的 互联 互通 ,首 先要 解决 的问题 是统 一编 码 问题 . 车 联 网的 发展 需要 有一 个统一 的物 品编 码体 系 ,尤 其 是 国 家物 品编 码标 准体 系. 这个统 一的 物品 编 码体 系 是 车 联网 系统 实现 信息 互联互 通的 关键 .但 目 前由 于 车 联 网概 念刚 刚 兴 起, 相 关的 统 一 编 码 规 范 还未 出 台 , 各 个示 范原 型系 统根 据各自 需求 ,建 立起 独 立的 编 码 识 别体 系. 这为 后续 行业内 不同 系统 乃至 不同 行 业之 间 的互 联互 通带 来了 障碍 . ( 2 ) 网络接入时的 IP 地址问题.车联网中的每 个 物品 都需 要在 网络 中被寻 址 ,就需 要一 个 地址 . 由 于 IPv 4 资源即将耗尽,而过渡到 IPv 6 又是一个漫长 的 过程 .包 括设 备, 软件 ,网 络,运 营商 等 都存 在 兼 容 问题 . ( 3) 采集设 备的信息化程 度低.目 前道路,桥 梁 等交 通基 础设 施并 没有实 现电 子化 管理 , 其智 能 程 度 较低 .传 统的 设备 通过传 感器 ,采 集设 备 等信 息 化 处 理才 能具 备联 网能 力. 这些交 通基 础设 施 的信 息 化 改 造覆 盖面 广, 投资 额大 ,建 设周期 长, 都 是目 前 车 联 网实 现终 端信 息化 改造所 面临 的问 题. ( 4) 车联网信息安全 问题.车联网的安全问 题 主要来源于 3 个方面: 传统互联网的安全问题,物联 网 带来 的安 全问 题以 及车联 网本 身的 安全 问 题. 车 联 网 中的 数据 传输 和消 息交换 还未 有特 定的 标 准, 因 此 缺 乏统 一的 安 全 保护 体 系 .车 联 网 中 节 点 数量 庞 大 , 且 以集 群方 式存 在, 因此 会导致 在数 据传 播 时, 由 于 大 量机 器的 数据 发送 使网络 拥塞 .车 联网 中 的感 知 节 点 部署 在行 驶 车 辆等 设 施 中 ,如 果 遭 到 攻 击者 破 坏 , 很 容易 造成 生命 危险 ,道 路设施 破坏 等. 因 此, 车 联 网 中的 信息 安全 是至 关重要 的 ,影响 着车 联 网的 未 来 发 展和 实施 力度 . ( 5) 车联网相关软件和服务产业链的成熟度.目前 车联网概念刚刚兴起,还未出现 较为成熟的软 件平台和 服务应用.而交通行业往往需 要较高的安全 要求,如保 证行车安全等.如果 相关软硬件 平台未经过大 规模应用 测试,势必对车联网的应用前途大打折扣. ( 6 ) 相关技术兼容度.车联网是一个相关技术 的 集成 体, 包 括传 感 器 技 术, 识 别 技 术 ,计 算 技 术 , 软 件技 术, 纳米 技术 ,嵌 入式智 能技 术等 . 任何 一 个 技 术的 不兼 容或 者基 础薄弱 , 都会造 成整 个 车联 网 系 统 的推 广难 度. 4 车联网关键技术分析 车 联网 技术 发 展的 动 力 来 源 于 广泛 的 应 用 需 求 , 2 011 年 5 期( 总第 77 期) 267 交 通工 程 如有效缓解交通拥堵,车辆智能管理,环境污染改善 能对实时交通信息进行分析,自动选择路况最佳的行 等.针对车联网的需求和挑战,构建一个高效实用的 驶路线从而大大缓解交通堵塞.通过使用车载传感器 车联网应用体系和环境,需要解决许多基础先行的技 和摄像系统,E N - V 可以感知周围环境,在遇 到障 术问 题. 主要的 关键 技术 有: 碍 物或 者行 驶条 件 发 生 变 化时 能 够 做 出 迅 速的 调 整 , ( 1) RFID 射 频识别技术.车联网使用 RFID 技 以减少交通事故的发生.利用无线通信技术,E N - V 术结合已有的网络 技术,数据库 技术,中间件 技术 可以使驾驶者在途中放开双手,上网和朋友进行实时 等,构建一个由大量联网的 RFID 终端组成比互联网 地沟通,形成一个在路途中的社交无线网络. 更为庞大的物联网,因此 RFID 技术是实现车联网的 ( 2 ) 动态交通信息系 统.其本质是一个车联 网 基础技术.我国 RFID 缺乏关键核心技术,特别是在 系统,通过利用完善信息网络基础以及装备大量的传 超高频 RFID 方面. 感 器和 传输 设备 ,获 得各 类实时 道路 交通 信息 并 进行 ( 2 ) 传 感技术.利用传感器及汽车总 线采集车 综合处理,及时向社会提供全面,准确,实时的动态 辆,道路等交通基础设施的运行参数等.传感技术需 交通信息.交通出 行者可根据这些 信息确定出行路 要根据不同物体的 运行参数进行定 制.如车需 要油 线,行车驾驶者还可通过自动定位和导航系统动态选 耗,刹车,发动机等运行参数,而桥梁需要压力,老 择行驶路线. 化程度 等参 数. 传感 技术 是实 现车 联网 数据 采集 的 关 键技 术. 6 结语 ( 3) 无 线传输技术.无线传输技术将 传感器采 对 交通 基础 设施 运行状 态的 监控 和提 供车 辆 综合 集得到的数据发送至服务器或其它终端,或者接收控 服务是车联网的研究目标.本文对目前基于物联网的 制指令完成物体远程控制.只有通过无线传输技术, 车联网的研究现状进行了较为全面的总结,包括车辆 才能 实现信 息的 交换 和共 享. 网 的相 关概 念, 车联 网存 在的挑 战问 题, 车 联网 的 关 ( 4) 云 计算技术.对采集获取的物体 数据进行 键技术以及车联网的系统原型等.通过总结,我们可 综合加工分析,并提供各类综合服务.车联网系统通 以看出车联网是下一代智能交通系统的发展方向,是 过网络以按需,易扩展的方式 获得云计算所提 供的 我国下一代互联网的典型示范应用.车联网将带动汽 服务 � 车 和交 通产 业的 高速 发展 . ( 5) 车 联网标准体系.标准是一个产 业兴起的 另 一方 面, 车联 网技 术也面 临着 诸多 挑 战. 总 体 重要标志.车联网只有建立一套易用,统一的标准体 来看该领域的研究还处在起步阶段,对各项关键技术 系,才能实现不同物体之间的相互通信,不同车联网 的研究都还不够完善,已提出的一些原型系统离实用 系统的融合,才能带动汽车,交通产业的快速发展. 还有很大差距,还需要研究者继续不断的努力.相信 ( 6 ) 车 联网安全体系.包括车联网物 体信息化 随着研究的不断深入,车联网 将实现 "车 - 人 - 路 之后的安全度,传输器安全度,传输技术安全以及服 - 城市"之间的和谐统一发展. 务端安全.安全 是保障车联网系 统能够快速推 广的 前提 � 参考文献: ( 7) 定位技术.通过 GSP,无线 定位技术 等提 [1] Gershenfeld N ,K rikorian R,Cohen D. The Internet of things. 高当前 车联 网中 物体 的位 置精 度. 通过 定位 精度 的 提 Scientific A m erican. 2 004 ,2 91( 4 ) : 76 - 8 1. [2] W elb ourne E ,B attle L ,Cole G and et al. B uilding the Internet of 高,将准确获取车 辆行驶位置,提� 高实时� 路况 精准 Things U sing RFID: The RFID E cos stem E p erience. Internet 度, 交通事 件定 位精 确度 . Com p uting. 2 009,13( 3) : 48 - 55. � � � � [3] Chris C. Tom orrows technolog starts with toda s sp ectrum p lanning. 5 车联网原型系统 Telecom m unications Journal ofA ustralia. 2 008 ,58 ( 2 - 3 ) . 在对各 项关 键技 术进 行研 究的 基础 上, 一些 工 业 界和研 究者 设计 了车 联网 原型 .本 节将 针对 其中 两 个 [4] M arkus M ,Thom as M B . The Internet of V ehicles or the Second Generation ofTelem atic Serv ices. E RCIM N ews. 2 009,77 : 43 - 45. [5] Step han H ,Stam atis K and Christop h S. The Internet ofThings in an 典型的车联网系统进� 行介绍. E nterp rise Conte t[C]. //Future Internet – FIS 2 008 . L ecture ( 1) 上海通用汽车 E N - V 电动联网概念车.该 概念车 融合 了电 气化 和车 联网 技术 ,目 的是 提供 更 简 便,更智能且更环保的出行方式.E N - V 通过整合 GPS 导 航技术 ,车 对车 交互 技术 ,无 线通 信 及远 程 感 应技术实现车联网概念.在自动驾驶模式下,E N - V N otes in Com p uter Science,V olum e 546 8 /2 009. [6] 甘文维."车联网 "���未 来城市 个人交 通的美 好愿景. 信 息化 建设,2 010( 6 ) : 2 6 . [7] 高弋坤. 车联网开启城市交通新时代. 通信世界,2 010,2 4. [8] 许翠苹. 迈入车联网时代. 通信世界,2 010( 7) : 42 - 43. [9] 高美嘉. 通用 E N - V 电动联网概念车. 汽车工程,2 010( 9) : 36 . 268 2 011 年 5 期( 总第 77 期)

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