车联网体系结构与解决方案

　　背景介绍

　　近年来，随着汽车保有量的持续增长，道路承载容量 在许多城市已达到饱和，交通安全、出行效率、环境保护等 问题日益突出。 在此大背景下，汽车联网技术因其被期望具有大幅度缓解交通拥堵、提高运输效率、提升现有道路交通能力等功能，而成为当前一个关注重点和热点。欧洲、美国、日本等国家和地区较早进行了智能交通和车辆信息服务的研究与应用。

　　车联网与物联网

　　物联网是一个以互联网为主体， 兼容各项信息技术， 为社会不同领域提供可定制信息化服务的具有泛在化属性的信息基础平台。 物联网的概念和内涵随着信息技术的发展和不同阶段人们信息化需求的不断演进， 因其接入对象的广泛性、运用技术的复杂性、服务内容的不确定性以及不同社会群体理解和追求上的差异性， 很难用已有概念和标准来准确完整地给出权威定义。 然而，车联网概念的出现，因其服务对象和应用需求明确、运用技术和领域相对集中、实施和评价标准较为统一、社会应用和管理需求较为确 定，引起了业界的普遍关注，已被认为是物联网中最能够率先突破应用领域的重要分支，并成为目前的研究重点和热点。

　　源于物联网的车联网，以车辆为基本信息单元，以提高交通运输效率、改善道路交通状况、拓展信息交互方式, 进而实现智能交通管理，使物联网技术这一原本宽泛的概 念在现代交通环境中得以具体体现。 本文立足物联网基础 理论和模型，以构建以信息技术为主导的智能交通系统为背景，对车联网的基本概念、体系结构、通信架构及其关键技术进行研究。

　　车联网基本概念和分类

　　车联网概念是物联网面向行业应用的概念实现。 物联网是在互联网基础上，利用射频识别 ( Radio Frequency Identification，RFID) 、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络体系，实现任何物体的自动识别和信息的互联与共享。物联网不刻意强调物体的类型，更多的是强调物理世界信息的获取和交换，以实现当前互联网未触及的物与物信息交换领域。车联网是物联网概念的着陆点，将这个具 体的物理世界限定到车、路、人和城市上。车联网利用装载在车辆上电子标签 RFID 获取车辆的行驶属性和系统运行状态信息，通过 GPS 等全球定位技术获取车辆行驶位置等参数，通过 3G 等无线传输技术实 现信息传输和共享，通过RFID 和传感器获取道路、桥 梁等交通基础设施的使用状况，最后通过互联网信息平 台，实现对车辆运行监控以及提供各种交通综合服务。

　　从技术角度区分，车联网技术主要有电子标签技术、位置定位技术、无线传输 技术、数字广播技术、网络服务平台技术。

　　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、系统原型已蓬勃开展。

　　车联网关键技术分析

　　1.RFID 射频识别技术。车联网使用 RFID 技术结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术 等，构建一个由大量联网的 RFID终端组成比互联网更为庞大的物联网，因此 RFID 技术是实现车联网的 基础技术。我国 RFID 缺乏关键核心技术，特别是在超高频 RFID 方面。

　　2. 传感技术。利用传感器及汽车总线采集车 辆、道路等交通基础设施的运行参数等传感技术需要根据不同物体的运行参数进行定制。如车需要油 耗、刹车、发动机等运行参数，而桥梁需要压力、老 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。

　　3. 无线传输技术。无线传输技术将传感器采集得到的数据发送至服务器或其它终端，或者接收控制指令完成物体远程控制。只有通过无线传输技术， 才能实现信息的交换和共享。

　　4. 云计算技术。对采集获取的物体数据进行 综合加工分析，并提供各类综合服务。车联网系统通过网络以按需、易扩展的方式获得云计算所提供的服务。

　　5. 车联网标准体系。标准是一个产业兴起的 重要标志。车联网只有建立一套易用、统一的标准体系，才能实现不同物体之间的相互通信，不同车联网系统的融合，才能带动汽车、交通产业的快速发展。

　　6. 车联网安全体系。包括车联网物体信息化之后的安全度、传输器安全度、传输技术安全以及服务端安全。安全是保障车联网系统能够快速推广的前提。

　　7. 定位技术。通过 GSP、无线定位技术等提高当前车联网中物体的位置精度。通过定位精度的提高，将准确获取车辆行驶位置，提高实时路况精准 度、交通事件定位精确度。

　　车联网体系结构

　　感知层，承担车辆自身与道路交通信息的全面感知和采集，是车联网的神经末梢，也是车联网“一枝独秀”于物联网的最显著部分。 通过传感器、RFID、车辆定位等技术，实时感知车况及控制系统、道路环境、车辆与车辆、车辆与人、车辆 与道路基础设施、车辆当前位置等信息，为车联网应用提供全面、原始的终端信息服务。

　　网络层，通过制定专用的能够协同异构网络通信需要的网络架构和协议模型，整合感知层的数据;通过向应用层屏蔽通信网络的类型， 为应用程序提供透明的信息传输服务; 通过对云计算、虚拟化等技术的综合应用，充分利用现有 网络资源，为上层应用提供强大的应用支撑。

　　应用层，车联网的各项应用必须在现有网络体系和协议的基础 上，兼容未来可能的网络拓展功能。 应用需求是推动车联网技术发展的源动力，车联网在实现智能交通管理、车辆安全控 制、交通事件预警等高端功能的同时，还应为车联网用户提供车辆信息查询、信息订阅、事件告知等各类服务功能。

　　安全能力，车联网的通信特点制约着车联网信息的安全性和通信能力。 安全能力为车联网提供密钥管理和身份鉴别能力，确保入网车辆信息的真实性;提供信息的安全保护功 能，保证数据在传输过程中不被破坏、篡改和丢弃;提供准 确的位置信息，实现对车辆的定位和路径回溯;提供精确的时钟信息， 保证车联网实时业务尤其是安全应用在时间上的同步。

　　管理能力，作为车联网的控制中心，管理能力提供对入网车辆信 息和路况信息的管理能力，实现车辆之间、车辆与道路基 础设施之间以及不同网络之间的自由、无缝切换;实现车联网通信的 QoS 管理，根据不同的入网车辆信息及业务类型，提供不同的网络优先级服务。

　　车联网需求和挑战

　　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 IPv4 资源即将耗尽，而过渡到 IPv6 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。

　　7.车联网是一种全新的网络应用, 是物联网技术在智能交通领域中的应用体现,是新一代智能交通系统的核心基础。经过分析我们可以看出车联网是下一代智能交通系统的发展方向，是我国下一代互联网的典型示范应用。车联网将带动汽车和交通产业的高速发展。

　　另一方面，车联网技术也面临着诸多挑战。总体来看该领域的研究还处在起步阶段，对各项关键技术的研究都还不够完善，已提出的一些原型系统离实用 还有很大差距，还需要研究者继续不断的努力。相信随着研究的不断深入，车联网将实现 “车-人-路-城市”之间的和谐统一发展。

　　参考文献：

　　1、《车联网架构与关键技术研究》 兰州交通大学 王建强，吴辰文，李晓军;

　　2、《车联网技术初探》北京航空航天大学计算机学院，北京市交通信息中心;

　　3、《车联网体系结构及感知层关键技术研究》王 群，钱焕延。