背景介紹
近年來(lái)，隨著汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，道路承載容量 在許多城市已達(dá)到飽和，交通安全、出行效率、環(huán)境保護(hù)等 問(wèn)題日益突出。 在此大背景下，汽車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因其被期望 具有大幅度緩解交通擁堵、提高運(yùn)輸效率、提升現(xiàn)有道路 交通能力等功能，而成為當(dāng)前一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)和熱點(diǎn)。歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)較早進(jìn)行了智能交通和車輛信息服務(wù)的研究與應(yīng)用。
車聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)為主體， 兼容各項(xiàng)信息技術(shù)， 為社會(huì)不同領(lǐng)域提供可定制信息化服務(wù)的具有泛在化屬性的信息基礎(chǔ)平臺(tái)。 物聯(lián)網(wǎng)的概念和內(nèi)涵隨著信息技術(shù)的發(fā)展和不同階段人們信息化需求的不斷演進(jìn)， 因其接入對(duì)象的廣泛性、運(yùn)用技術(shù)的復(fù)雜性、服務(wù)內(nèi)容的不確定性以 及不同社會(huì)群體理解和追求上的差異性， 很難用已有概念和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)準(zhǔn)確完整地給出權(quán)威定義。 然而，車聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)，因其服務(wù)對(duì)象和應(yīng)用需求明確、運(yùn)用技術(shù)和領(lǐng)域相對(duì)集中、實(shí)施和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為統(tǒng)一、社會(huì)應(yīng)用和管理需求較為確 定，引起了業(yè)界的普遍關(guān)注，已被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)中最能夠率先 突破應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，并成為目前的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
源于物聯(lián)網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)，以車輛為基本信息單元，以提高交通運(yùn)輸效率、改善道路交通狀況、拓展信息交互方式, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能交通管理，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這一原本寬泛的概 念在現(xiàn)代交通環(huán)境中得以具體體現(xiàn)。 本文立足物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ) 理論和模型，以構(gòu)建以信息技術(shù)為主導(dǎo)的智能交通系統(tǒng)為背景，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、通信架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
車聯(lián)網(wǎng)基本概念和分類
車聯(lián)網(wǎng)概念是物聯(lián)網(wǎng)面向行業(yè)應(yīng)用的概念實(shí)現(xiàn)。 物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，利用射頻識(shí)別 ( Radio Frequency Identification，RFID) 、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技 術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn) 任何物體的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。物聯(lián)網(wǎng)不刻意強(qiáng)調(diào)物體的類型，更多的是強(qiáng)調(diào)物理世界信息的 獲取和交換，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)未觸及的物與物信息 交換領(lǐng)域。車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)概念的著陸點(diǎn)，將這個(gè)具體的物理世界限定到車、路、人和城市上。車聯(lián)網(wǎng)利 用裝載在車輛上電子標(biāo)簽 RFID 獲取車輛的行駛屬性 和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過(guò) GPS 等全球定位技術(shù)獲取車輛行駛位置等參數(shù)，通過(guò) 3G 等無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí) 現(xiàn)信息傳輸和共享，通過(guò)RFID 和傳感器獲取道路、橋 梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的使用狀況，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息平 臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行監(jiān)控以及提供各種交通綜合服務(wù)。
從技術(shù)角度區(qū)分，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有電子標(biāo)簽技術(shù)、位置定位技術(shù)、無(wú)線傳輸 技術(shù)、數(shù)字廣播技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)技術(shù)。
從系統(tǒng)交互角度，主要有車與車通信系統(tǒng)、車與 人通信系統(tǒng)、車與路通信系統(tǒng)、車與綜合信息平臺(tái)通 信系統(tǒng)、路與綜合信息平臺(tái)通信系統(tǒng)。車與車通信系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)物與物之間的端到端通信。這種端到端的通信 使得任何一個(gè)車輛既可以成為服務(wù)器，也可以作為通 信終端。車與路通信系統(tǒng)使得車輛能夠提前獲取道路 基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)狀況，如某條道路是否在維修，某個(gè) 橋洞是否積水過(guò)多等信息，以方便車輛的順暢通行。 車與綜合信息平臺(tái)通信系統(tǒng)是匯集車輛行駛狀態(tài)等信 息，提供路況、車輛監(jiān)控等綜合統(tǒng)計(jì)性信息以及出行 提醒、安全行駛等個(gè)性化信息的綜合性平臺(tái)。路與綜合信息平臺(tái)通信系統(tǒng)目的是維護(hù)道路基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng) 狀況，以及時(shí)更換老化和運(yùn)營(yíng)狀況不佳設(shè)備。
從應(yīng)用角度區(qū)分，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)、行車安全系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)路況信息系統(tǒng)、交通事件 保障系統(tǒng)等。監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)主要用于政府部門或者車輛管理部門的運(yùn)營(yíng)監(jiān)控和決策支持，主要分為兩類系 統(tǒng): 道路基礎(chǔ)設(shè)施安全情況監(jiān)控以及車輛行駛狀況監(jiān) 控。道路基礎(chǔ)設(shè)施安全情況的監(jiān)控主要是通過(guò)定時(shí)獲 取道路、橋梁上安裝的監(jiān)控設(shè)備傳回的檢測(cè)信息，查看基礎(chǔ)設(shè)施的破壞程度、應(yīng)用狀況等，為交通基礎(chǔ) 設(shè)施的維護(hù)提供重要參考。車輛行駛狀況監(jiān)控主要是 監(jiān)控車輛的行駛路線、行駛參數(shù)，如油耗，車況等信 息，為城市車流量分布提供可視化，為擁堵緩解提供 輔助決策。行車安全系統(tǒng)主要指 車輛行駛過(guò)程安全監(jiān) 測(cè)以及分析車輛行駛行為后的安全建議。在車輛行駛 過(guò)程中，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)信息的交互，可以獲取前方道路 狀況，規(guī)避安全交通事故等。如在霧天高速公路上前 方發(fā)生事故之后的主動(dòng)規(guī)避等。另外通過(guò)上傳和分析 車輛的油耗、行駛狀態(tài)等參數(shù)，在服務(wù)器端進(jìn)行車輛 信息挖掘，主動(dòng)提供一些車輛行駛安全建議，如是否 需要去保養(yǎng)，是否需要更換某零部件。動(dòng)態(tài)路況信息 系統(tǒng)主要利用行駛車輛的運(yùn)行速度和 GPS 定位技術(shù)， 獲取道路行駛狀況信息，實(shí)現(xiàn)路況動(dòng)態(tài)信息的發(fā)布。 交通事件保障系統(tǒng)主要利用車輛事故檢測(cè)和報(bào)告機(jī)制，為事故的檢測(cè)、規(guī)避、疏導(dǎo)等提供輔助支持。
總之，車聯(lián)網(wǎng)以車、路、道路基礎(chǔ)設(shè)施為基本節(jié) 點(diǎn)和信息源，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互，從而 實(shí)現(xiàn) “車-人-路-城市”的和諧統(tǒng)一。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以及智能交通和智慧城市的發(fā)展，應(yīng)用 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念車、系統(tǒng)原型已蓬勃開(kāi)展。
車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析
RFID 射頻識(shí)別技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)使用 RFID 技術(shù)結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、中間件技術(shù) 等，構(gòu)建一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的 RFID 終端組成比互聯(lián)網(wǎng) 更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)，因此 RFID 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的 基礎(chǔ)技術(shù)。我國(guó) RFID 缺乏關(guān)鍵核心技術(shù)，特別是在超高頻 RFID 方面。
RFID工作原理
2. 傳感技術(shù)。利用傳感器及汽車總線采集車 輛、道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)等傳感技術(shù)需 要根據(jù)不同物體的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行定制。如車需要油 耗、剎車、發(fā)動(dòng)機(jī)等運(yùn)行參數(shù)，而橋梁需要壓力、老 化程度等參數(shù)。傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的關(guān) 鍵技術(shù)。
3. 無(wú)線傳輸技術(shù)。無(wú)線傳輸技術(shù)將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器或其它終端，或者接收控 制指令完成物體遠(yuǎn)程控制。只有通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)， 才能實(shí)現(xiàn)信息的交換和共享。
4. 云計(jì)算技術(shù)。對(duì)采集獲取的物體數(shù)據(jù)進(jìn)行 綜合加工分析，并提供各類綜合服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通 過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得 云計(jì)算所提供的服務(wù)。
5. 車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)產(chǎn)業(yè)興起的 重要標(biāo)志。車聯(lián)網(wǎng)只有建立一套易用、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體 系，才能實(shí)現(xiàn)不同物體之間的相互通信，不同車聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng)的融合，才能帶動(dòng)汽車、交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
6. 車聯(lián)網(wǎng)安全體系。包括車聯(lián)網(wǎng)物體信息化 之后的安全度、傳輸器安全度、傳輸技術(shù)安全以及服務(wù)端安全。安全是保障車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠快速推廣的 前提。
7. 定位技術(shù)。通過(guò) GSP、無(wú)線定位技術(shù)等提高當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)中物體的位置精度。通過(guò)定位精度的提 高，將準(zhǔn)確獲取車輛行駛位置，提高實(shí)時(shí)路況精準(zhǔn) 度、交通事件定位精確度。
車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)
感知層，承擔(dān)車輛自身與道路交通信息的全面感知和采集，是 車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，也是車聯(lián)網(wǎng)“一枝獨(dú)秀”于物聯(lián)網(wǎng)的最 顯著部分。 通過(guò)傳感器、RFID、車輛定位等技術(shù)，實(shí)時(shí)感知 車況及控制系統(tǒng)、道路環(huán)境、車輛與車輛、車輛與人、車輛 與道路基礎(chǔ)設(shè)施、車輛當(dāng)前位置等信息，為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提 供全面、原始的終端信息服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)制定專用的能夠協(xié)同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信需要的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議模型，整合感知層的數(shù)據(jù);通過(guò)向應(yīng)用層屏蔽 通信網(wǎng)絡(luò)的類型， 為應(yīng)用程序提供透明的信息傳輸服務(wù); 通過(guò)對(duì)云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)的綜合應(yīng)用，充分利用現(xiàn)有 網(wǎng)絡(luò)資源，為上層應(yīng)用提供強(qiáng)大的應(yīng)用支撐。
應(yīng)用層，車聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)應(yīng)用必須在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系和協(xié)議的基礎(chǔ) 上，兼容未來(lái)可能的網(wǎng)絡(luò)拓展功能。 應(yīng)用需求是推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力，車聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控 制、交通事件預(yù)警等高端功能的同時(shí)，還應(yīng)為車聯(lián)網(wǎng)用戶 提供車輛信息查詢、信息訂閱、事件告知等各類服務(wù)功能。
安全能力，車聯(lián)網(wǎng)的通信特點(diǎn)制約著車聯(lián)網(wǎng)信息的安全性和通信能力。 安全能力為車聯(lián)網(wǎng)提供密鑰管理和身份鑒別能 力，確保入網(wǎng)車輛信息的真實(shí)性;提供信息的安全保護(hù)功 能，保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被破壞、篡改和丟棄;提供準(zhǔn) 確的位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的定位和路徑回溯;提供精確的時(shí)鐘信息， 保證車聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)尤其是安全應(yīng)用在時(shí)間上 的同步。
管理能力，作為車聯(lián)網(wǎng)的控制中心，管理能力提供對(duì)入網(wǎng)車輛信 息和路況信息的管理能力，實(shí)現(xiàn)車輛之間、車輛與道路基 礎(chǔ)設(shè)施之間以及不同網(wǎng)絡(luò)之間的自由、無(wú)縫切換;實(shí)現(xiàn)車 聯(lián)網(wǎng)通信的 QoS 管理，根據(jù)不同的入網(wǎng)車輛信息及業(yè)務(wù)類型，提供不同的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)服務(wù)。
車聯(lián)網(wǎng)需求和挑戰(zhàn)
車聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種應(yīng)用形式，物 聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)同樣也給車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施帶來(lái)挑戰(zhàn)。同時(shí)由于車聯(lián)網(wǎng)由于車輛數(shù)量的急劇膨脹，也面臨巨大的需 求。車聯(lián)網(wǎng)面臨的主要需求和挑戰(zhàn)有:
車聯(lián)網(wǎng)信息的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)物體 的互聯(lián)互通，首先要解決的問(wèn)題是統(tǒng)一編碼問(wèn)題。車 聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要有一個(gè)統(tǒng)一的物品編碼體系，尤其是 國(guó)家物品編碼標(biāo)準(zhǔn)體系。這個(gè)統(tǒng)一的物品編碼體系是 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通的關(guān)鍵。但目前由于車 聯(lián)網(wǎng)概念剛剛興起，相關(guān)的統(tǒng)一編碼規(guī)范還未出臺(tái)， 各個(gè)示范原型系統(tǒng)根據(jù)各自需求，建立起獨(dú)立的編碼 識(shí)別體系。這為后續(xù)行業(yè)內(nèi)不同系統(tǒng)乃至不同行業(yè)之 間的互聯(lián)互通帶來(lái)了障礙。
網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)的 IP 地址問(wèn)題。車聯(lián)網(wǎng)中的每 個(gè)物品都需要在網(wǎng)絡(luò)中被尋址，就需要一個(gè)地址。由 于 IPv4 資源即將耗盡，而過(guò)渡到 IPv6 又是一個(gè)漫長(zhǎng) 的過(guò)程。包括設(shè)備、軟件、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商等都存在兼 容問(wèn)題。
采集設(shè)備的信息化程度低。目前道路、橋 梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電子化管理，其智能程 度較低。傳統(tǒng)的設(shè)備通過(guò)傳感器、采集設(shè)備等信息化 處理才能具備聯(lián)網(wǎng)能力。這些交通基礎(chǔ)設(shè)施的信息化 改造覆蓋面廣，投資額大、建設(shè)周期長(zhǎng)，都是目前車 聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)終端信息化改造所面臨的問(wèn)題。
車聯(lián)網(wǎng)信息安全問(wèn)題。車聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題 主要來(lái)源于3 個(gè)方面: 傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題、物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的安全問(wèn)題以及車聯(lián)網(wǎng)本身的安全問(wèn)題。車聯(lián) 網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸和消息交換還未有特定的標(biāo)準(zhǔn)，因此 缺乏統(tǒng)一的安全保護(hù)體系。車聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大， 且以集群方式存在，因此會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳播時(shí)，由于大量機(jī)器的數(shù)據(jù)發(fā)送使網(wǎng)絡(luò)擁塞。車聯(lián)網(wǎng)中的感知節(jié) 點(diǎn)部署在行駛車輛等設(shè)施中，如果遭到攻擊者破壞， 很容易造成生命危險(xiǎn)、道路設(shè)施破壞等。因此，車聯(lián) 網(wǎng)中的信息安全是至關(guān)重要的，影響著車聯(lián)網(wǎng)的未來(lái) 發(fā)展和實(shí)施力度。
車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)軟件和服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度。目前 車聯(lián)網(wǎng)概念剛剛興起，還未出現(xiàn)較為成熟的軟件平臺(tái)和 服務(wù)應(yīng)用。而交通行業(yè)往往需要較高的安全要求，如保 證行車安全等。如果相關(guān)軟硬件平臺(tái)未經(jīng)過(guò)大規(guī)模應(yīng)用 測(cè)試，勢(shì)必對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前途大打折扣。
相關(guān)技術(shù)兼容度。車聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)相關(guān)技術(shù) 的集成體，包括傳感器技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、 軟件技術(shù)、納米技術(shù)、嵌入式智能技術(shù)等。任何一個(gè) 技術(shù)的不兼容或者基礎(chǔ)薄弱，都會(huì)造成整個(gè)車聯(lián)網(wǎng)系 統(tǒng)的推廣難度。
車聯(lián)網(wǎng)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用, 是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域中的應(yīng)用體現(xiàn),是新一代智能交通系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)分析我們可以看出車聯(lián)網(wǎng)是下一代智能交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，是我國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)的典型示范應(yīng)用。車聯(lián)網(wǎng)將帶動(dòng)汽車和交通產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。
另一方面，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)?？傮w來(lái)看該領(lǐng)域的研究還處在起步階段，對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 的研究都還不夠完善，已提出的一些原型系統(tǒng)離實(shí)用 還有很大差距，還需要研究者繼續(xù)不斷的努力。相信隨著研究的不斷深入，車聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn) “車-人-路-城市”之間的和諧統(tǒng)一發(fā)展。
