车联网系统架构及关键技术研究

唐红杰

（辽宁警官高等专科学校 辽宁 116036）

1 物联网与车联网

1.1 物联网

对于物联网(Internet of Things)这个概念，目前比较公认的说法是1999年由MIT Auto-ID中心首次提出。而实际上物联网的出现最早可追溯到PC 时代，在1998年就已提出[1]。

2005年国际电信联盟（ITU）发布了同名报告，其中给物联网的明确定义是：通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。

可见，物联网是以互联网为基础，将用户端延伸和扩展到任何物与物之间，进行信息交换和通信的一种网络概念[3]。即物联网主要解决物——物（thing to thing，T2T）相连、人——物（human to thing，H2T）相连、人——人（human to Human，H2H）相连的问题。尤其需要注意的是，其中人——物相连、人——人相连中的“人”这一端主要是借助通用装置进行网络连接，而并非是单纯借助个人计算机进行网络连接。也就是说通过物联网，可以构建无处不在的网络，实现任何时间、任何地点、任何物品的互连。

1.2 车联网

随着物联网如火如荼的发展，车联网作为其典型应用，也正在智能交通系统领域发挥着举足轻重的作用。

根据中国物联网校企联盟的说法，车联网指的是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。通过GPS、RFID、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器；通过计算机技术，这些大量车辆的信息可以被分析和处理，从而计算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况和安排信号灯周期[4]。

对比物联网与车联网的概念不难看出，车联网本质上是物联网技术在智能交通系统领域的延伸。如图1所示，在车联网中，车辆可以作为物联网的终端。车联网就是借助相应的信息技术实现车——车（包括车与路、车与车主、车主与车主、车主与第三方服务商）相联，以期达到交通智能化管理、车辆智能化行驶、信息智能化服务等目的，也可以说车联网就是交通物联网。

图1 车联网示意图

2 车联网的系统架构

根据车联网的定义及功能，进一步对车联网的系统架构进行剖析，可将其分为三层，即感知层、网络层、应用层，如图2所示。

图2 车联网的系统架构

2.1 感知层

感知层相当于车联网的感觉神经末梢，主要通过视频检测、传感器、RFID等终端设备完成车、路环境信息的感知和采集，这些信息大致包括车辆所处位置、车辆行驶速度、道路环境、道路基础设施等。

2.2 网络层

网络层相当于车联网的神经中枢，主要负责整合、处理、传输数据。具体而言，网络层的功能之一是建立相应的网络协议模型，该协议模型用于满足异构网络数据通信的需求，进而整合感知层的数据；网络层的功能之二是通过向应用层屏蔽通信网络的类型，充分利用有线及无线网络资源，为上层应用服务器和应用程序提供透明的信息传输服务。

2.3 应用层

应用层相当于车联网的大脑，主要通过应用服务器和车载计算机终端等设备进行数据加工，从而为车联网用户提供包括道路导航、通信服务、远程监控等在内的各种具体服务。

3 车联网的关键技术

国际电信联盟（ITU）2005年发布的同名报告中指出物联网的关键技术有：标签事物的RFID，感知事物的传感网络技术Sensor technologies，思考事物的智能技术Smart technologies，微缩事物的纳米技术Nanotechnology[2]。以上四项内容可以简要描述为RFID技术、传感技术、智能技术、纳米技术。而车联网作为物联网时代的先行者，其关键技术也可大致归结为前述几个方面。

3.1 RFID技术

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术是基于无线通信的一种技术，它可以利用无线信号非接接触识别出特定目标，并对相应数据进行读、写操作。目前，在许多行业中都已经运用了RFID技术，如物流管理行业、汽车生产行业等。RFID技术的飞速发展对于车联网领域的进步具有十分重要的意义。在车联网中，RFID技术主要用于实现节点间高效率、远距离的数据通信，而其中亟需解决的问题是标准兼容。现有的RFID标识、标准尚未统一，如果要将节点全部接入网络则需要有统一的标准；因为在车联网中单个标识或设备的工作是没有意义的，只有相互协同工作才能满足现实的需求[5]。许多欧美组织正在着手解决这个问题，并已经取得了一些成绩。标准兼容必将刺激RFID技术的长足发展及广泛应用。

3.2 传感技术

车联网感知层的实现需要大量的原始数据，例如车辆的速度、加速度、胎压、道路车流量、路面状况等。对于这些信息的采集，传统的做法是在道路沿线（特定路段或路口）安装传感器、埋设探测器，利用这些传感设备获取到的图像、声音、感应等数据，来追踪交通运动。而事实上，这些信息是远远不够的。现在比较新颖的做法是把道路上的车辆作为移动传感器来采集交通数据。而在这其中又涉及到两个问题：一是如何将原始数据转化成实用数据；二是如何进行车身网络建设。

3.3 通信与网络技术

通信与网络技术是车联网网络层的关键技术。为了将感知层RFID标识、传感数据等多种信息实时、有效地接入Ad Hoc网络或Internet网络，必须借助目前通用的短距离无线通讯网（包括十多种已存在的短距离无线通讯）、长距离无线通讯网（主要包括基于蜂窝技术的伪长距离通讯）、短距离有线通讯网（包括十多种现场总线标准）、长距离有线通讯网（包括广电、电信、互联网及三网融合），进而深入研究制定出符合车联网特殊需求的通信协议、通信标准。

3.4 数据处理技术

车联网（尤其是感知层与应用层）的实现需要大量数据的支持，而这些数据往往都是异构数据，如何利用数据处理技术完成这些数据的表达、传输、交换是又一关键性问题。

目前，建立数据控制中心是一种普遍认可的做法，其中有以下几个关键问题：其一是如何将多源异构数据即时接入并进行安全有效的管理，从而为行驶车辆、道路基础设施、数据控制中心之间频繁进行的数据交换提供保障；其二如何将采集到的数据进行深入分析，从而得到指定路段或指定区域的交通状况，同时根据已有数据进行近期交通态势预测；其三是如何宏观调控多节点交通信息，即如何高速、有效地完成综合指挥调度；其四是如何利用“云”计算手段完成大容量节点交通调控信息的分布计算；其五是如何实现大容量交通数据存储[6]。

3.5 信息安全技术

车联网具有节点众多、信息繁杂等特点，所以在其应用过程中必然存在一定的安全隐患。如何借助信息安全技术来抵御网络攻击、保证数据的真实性和完整性、保护个人隐私也是车联网面临的难题之一。可以说，车联网的普及和应用在很大程度上依赖于此。分层密钥管理和身份认证技术是现阶段车联网解决信息安全问题的突破口。

4 车联网的发展路线

随着车联网概念的提出及深化，其在智能交通系统领域的发展路线可划分为三个阶段：其一信息发布阶段，其二智能管理阶段，其三协同控制阶段[7]。

（1）信息发布阶段

信息发布阶段是车联网发展的初级阶段，目前的车联网就处于这一阶段。该阶段主要实现车载终端与Internet相联，进而提供基于呼叫中心的信息服务（如为驾驶员提供定位导航、娱乐资讯、安全防范等）。据了解，我国现已有约20万用户正在体验车载信息服务。

（2）智能管理阶段

随着信息发布功能的日臻完善，车载信息服务终端也由产品化走向智能化、由智能感知走向智能决策，从而推动车联网进入智能交通管理阶段。在该阶段，车联网主要实现诸如交通信号灯智能控制、车辆运行实时监控、车辆安全预警、车辆智能调度、交通事故处理、智能出行诱导等功能。车联网的智能化交通管理，将大幅提升交通事故的处理效率，同时减少警力、财力方面的支出。

（3）协同控制阶段

在经历信息发布阶段、智能管理阶段之后，伴随着RFID技术、传感技术、通信与网络技术、数据处理技术的发展与成熟，车联网将进入车辆感知、道路信息获取、车——车通信、车——路协同的综合协同控制阶段。在该阶段，车联网主要实现车辆智能防撞、车辆自动驾驶以及基于导航线路的自组网驾驶等功能。

[1]谭国真.物联网三个新观点的思考[J].新观点新学说学术沙龙文集47：物联网产业与区域经济发展.2010(10):39-43

[2] International Telecommunication Union UIT. ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things[R]. 2005

[3]周洪波.物联网:技术、应用、标准和商业模式[M].北京：电子工业出版社.2011,7

[4]王建强.车联网发展模式探析[J].计算机技术与发展.2011，21(12):235-238

[5]刘小洋.车联网_物联网在城市交通网络中的应用[J].计算机应用.2012，32(4) : 900－904

[6]常琳.车联网中的关键技术[J].中国公共安全（综合版）.2012（5）:108-111

[7]周建山.田大新.韩旭.王云鹏. 基于车路协同的单点信号交叉口自适应优化控制方法[A].第七届中国智能交通年会优秀论文集——智能交通技术[C].北京：电子工业出版社.2012（9）:48-51