车联网系统结构核心技术与新能源汽车

陈天殷

（美国亚派克机电（杭州）有限公司，浙江杭州　310013）

车联网系统结构核心技术与新能源汽车

陈天殷

（美国亚派克机电（杭州）有限公司，浙江杭州310013）

叙述车联网系统结构与通信模式；详细阐述车联网的服务类型、核心技术；展望车联网应用未来及产业链；最后介绍车联网在新能源汽车行业中的应用。

智能交通体系；物联网；车联网

发动机欲发挥高的效能和低的燃料消耗，汽车须在车速60km／h以上运行。交通不畅，车速不能提高，导致汽车行驶缓慢甚至频繁停滞堵塞，行驶同样里程，不仅多消耗燃料，还排放更多的废气！也就更难推卸其加剧雾霾灾害的责任。车联网的目标是超低排放、超低油耗、超低堵塞、超低事故，交通顺畅安全可靠，让驾乘充满乐趣与时尚。实现交通现代化，并改善中国当前雾霾的困扰，出路不是限行，而应是建立智能交通系统（Intelligent transport system，ITS）的车联网，来彻底解决交通堵塞和交通事故等的难题。中国也希望2030年前后能由车联网来实现美好的愿景。

十三五计划中，物联网是国家重点发展的新兴战略产业之一，物联网技术推动国家经济转型和经济增长方式的转变。而车联网正是肇始于物联网在交通领域智能化的应用，是物联网络中核心和特定的环节，其互联的对象是道路的基础设施和车辆。图1展示了车联网系统的基础：车辆因无线射频和射频识别（Radio frequency indemnification，RFID）技术与系统链接，将车辆电子标签动态静态的属性信息进行提取、综合和利用，实现移动式交通信息采集；依据各异的需求，对车辆的运行状态进行有效的动态监管和综合服务的提供［1］。

图1　车联网系统的基础

国际电信联盟（ITU）定义的“物流”是，物联网针对物品到物品（thing to thing，T2T），人到物品（human to thing，H2T），人到人（human to human，H2H）间的互联。本文特别强调，H2T与H2H之中的H（human）是通过通用装置，而并非个人计算机实现互联的人。物联网可建构无处不在的网络，可在任何时间任何地点将任何物品互联起来。物联网已在物流仓储、智能楼宇、公共场所照明管理及摄象头监控等领域得以应用。车联网实现车与车之间、车与基础设施之间、车与周围建筑物或动态障碍物之间信息的交换，并可实现车辆与行人，与非机动车之间信息的应答。如同互联网连接了各地的孤立的计算机。车联网把独立的车辆、车辆沿途的基础设施障碍物联结起来，随时随地获取道路交通状况，选择最佳行车路线，确保交通安全、环境保护和道路容量有效发挥。由车载智能终端组成的移动无线自组织网络构筑车辆间的通信网络，使其能通过移动IP技术接入互联网，使车辆中的驾乘人员共享互联网信息［2］。

车联网的网络结点以车辆为主，汽车节点移动速度快，具有高动态特性。网络拓扑结构变化频繁，路径寿命相对较短；车联网中的车辆节点间的通信受到天气状况、周围建筑物、意外障碍物及道路交通状况等因素的干扰；网络连通性的稳定与否会关联车联网有效实施；网络安全性可靠性更是深刻影响车联网应用过程，事关生命财产损失与灾难；车辆能装备较高性能的车载计算机以及辅助外设（如GPS、GIS等）［3］。

1　车联网系统结构与通信模式

车联网运用信息技术、通信技术、传感器技术、控制技术、计算机技术、系统集成技术和云计算虚拟化等多个先进学科和网络资源，使交通运输系统有序化，综合管控能力最大限度提高。车联网的运行需要依托有源的CPS结点作为车辆的主要设备，采用互联网CPS结点作为固定设施中的主要设备。CPS是指利用计算机技术监测及控制物理设备行为的嵌入式系统，称为网络化物理系统，是英文Cyber-Physical Systems的缩写。有源CPS结点具备主动感知能力，支持移动性较好；其联网能力、计算能力和存储能力等功能较强。而互联网CPS则具有更高的可靠性和安全性［3］。车联网通信系统结构见图2，车联网客户需解决的5大问题见图3，系统拓扑结构见图4。

图2　车联网通信系统结构

图3　车联网客户需解决的5大问题

图4　车联网系统拓扑结构示意图

1.1车联网的信息感知采集层

车辆自身及道路交通信息的全面感知和采集，基于传感器（温度、速度及车辆工况）、读写器、摄像头、RFID标签、车辆定位等技术，实时感知获取车况及控制系统、车辆实时位置、道路环境、车辆与车辆、车辆与基础设施、车辆与人等信息，提供全面而基础的终端信息，将有源CPS节点网数据进行数据网处理。

感知采集层数据传输通过RFID技术实现，在自组织网络范围内（有源CPS结点之间）传输是保证车联网能把各自独立的车连在一起的前提。

1.2车联网的网络传输通信层

实现Internet接入，完成数据分析处理和远程宽阔范围的传输；制定专用的网络架构和协议模型，协同异构网络间相互通信，整合感知层的数据；向应用管控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；利用对虚拟化、云计算等技术的综合应用，让网络资源为上层应用提供强大而充分的应用支持。

传输通信层使用的主要设备是互联网的CPS结点，其功能相当于传统网络里的路由器，但由于协议的转换，使之对车联网内的结点传输信息兼有强大的远程监控和管理功能［4］。

1.3车联网的应用管控层

应用管控层基于符合现行相关网络体系标准和协议的基础，兼容未来可预见的网络拓展功能。车联网除了实现智能交通管理、车辆安全控制和交通事件风险预警外，还为车联网用户提供信息订阅、查询及事件告知等各类服务。

应用管控层的设备是提供网络服务的服务器和用户的车载计算机。应用程序进行数据处理对各项具体服务进行定义和实施。由人机交互界面定义与用户交互的方式和内容，采用中间件技术是实现车联网各类服务较好的选择。

车联网的管控能力既强大又安全可靠。其管控中心提供对入网车辆信息和路况信息严密管控，实现车辆间、车辆与道路基础设施间及不同网络之间自由、无缝链接和切换；实现车联网通信QoS管理，依据不同车辆入网信息与业务类型，提供相应的优先级网络服务。车联网通信能力与安全性紧密相连，提供密钥管理和身份鉴别，确保入网车辆信息的真实性；提供准确的位置信息，能实现对车辆位置和路径的可追溯性；充分的信息安全保护功能，保证信息数据在传输过程中不受篡改、丢失或破坏；提供精确的时钟信息，确保车联网实时业务，安全环节在时间上同步［5］。

2　车联网的服务类型、核心技术与展望

2.1车联网的服务类型

车联网的服务类型是规划设计其系统结构的主要依据，由网络服务的视野分类，它能提供的服务有4类［6］。

1）联网类：①车辆标识；②固定基础设施标识；③结点间通信；④网络接入等。

2）信息类：①基础信息（位置、速度、方向及交通状况等）；②信息的采集、存储与查询。

3）操作类：①远程遥控；②无人驾驶；③紧急制动。

4）安全与管理类：①访问控制；②紧急事件预警；③入侵控制；④攻击防御；⑤故障诊断与排除；⑥计费管理。

5）第三方的信息管理服务：当前，基于车辆相关信息的应用服务，如企事业单位和住宅区车辆出入口门禁管理系统，皆是将车辆的进出授权信息写入RFID识别芯片粘贴于车内，达到自动识别放行与车辆出入的信息管理。到车联网时代，因每一车辆都有地址码全球唯一的无线网卡，车联网终端上集成的短距离无线通信模块如WiFi，在车辆出入口的无线局域网获得进出许可授权即可。

2.2车联网的核心技术

车联网的基础架构已经十分清晰，各先进国家正奋力发展创新若干核心技术，是一项系统性工程。它涉及车联网系统结构的每一层。

1）射频识别（RFID）（图1）。这种非接触，通过无线的射频信号对对象进行识别，并采集相关信息数据，该自动识别过程无须人工干预。当前，中国高速公路收费站已有不停车电子收费系统（ETC），便是很成功的实例。物流供应链管理也有很好的作为。RFID不仅能识别高速运动中的多个物体，还易于结点间数据传输，成为车联网有效运行的基础。有源RFID提供远距离的读写功能，实现远程通信，主动感知，还具有数据存储量宏大、轻便小巧、防水防磁、使用寿命长、可靠性高、安全性好等特点。RFID纳入汽车电控和总线技术：ECU、CAN／K等作用于系统。

2）中间件技术（Middleware）。为了提高开发效率，降低应用开发的难度，需要加大研发RFID中间件的力度。中间件是实现RFID硬件设备和应用系统之间数据传输、过滤，数据格式转换的一类中间程序。根据车联网中不同的应用，将RFID读写器读取的各种数据信息，由中间件来采集提取、解码过滤、格式转换，导入车联网相关的应用程序，由应用系统反映到用户界面，以供用户使用。对应的各类应用，需开发各有针对性的RFID中间件，车联网终端软件中间件，如交通信号控制中间件、车辆路径导航中间件、紧急事故应对中间件、车辆辅助驾驶中间件等。各类中间件开发皆需依据相关标准、协议，按车联网应用服务的要求来实施。

3）智能化技术（Intelligent）。智能化的新型网络，使系统能感知、获取并思维记忆外部交通状况环境信息的变化，进行智能地管控。智能化的系统具有学习能力和自适应能力；能够利用已有的知识对信息进行识别、分析、计算、比较、融合、联想和判断；可对外界的变化、刺激做出应激反应，传达相应信号，具有行为的决策能力。交通智能导航和无人驾驶皆以智能技术的运用为基石。

4）云计算、云搜索（Cloud computing，Cloud search）。是路径规划建议、智能交通调度远程分析诊断等的工具。

5）安全性（Security）。车联网的开放性、匿名性、包容性和复杂多变的应用环境等特性必然会带来安全的隐患，故车联网必须在确保信息数据安全准确传输、保护个人隐私和防备抵御网络攻击有全方位强大的能力。实现车联网上信息的保密性、完整性、真实性、可用性和可控性的相关要求。

6）可靠性（Reliability）。从物理层面看，网络也是一种产品。依据国家标准GB6583定义，产品的可靠性是指设备在规定的条件下，在规定的时间内完成规定的功能的能力。对于车联网系统的可靠性，除了耐久性——平均无故障连续运行的寿命（MTBF）外，还有容错性（MTTR，系统平均恢复时间）和可维护性等严格要求。可靠性是设计出来的，须分别对车联网的接入层、汇聚层和核心层进行可靠性设计，利用IRF虚拟化技术提高网络可靠性，综合可靠性组网模型，制订解决方案，进行实践验证，确保系统持久正常运转。作者曾有相关撰文论述［7］，此处不再赘述。

7）相关网络协议的研发（Agreement）。网络中进行信息数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议。车联网的相关协议可参考传统成熟的TCP／IP协议模型和OSI（开放式互联）网络分层的理念。协议栈（Protocol Stack）是指网络中各层协议的总和，OSI是根据物理层、数据链路层、网络层传输层和应用层等的规则进行综合。车联网协议定义与其它系统通信的方式，它描述信号的时序和通信数据的结构。

8）传感器（Sensor）。是整个系统感知层里最基础的元器件，传感器和传感信息网络也是应用管控效果信息反馈的依据，传感技术影响OBD车载检测与诊断，保证系统运行管控的实时、准确和高效。车联网的多媒体传感技术包括车载传感网和道路传感网［3］。

2.3车联网对车辆设计的优化

图5　车联网车辆优化设计

2.4车联网的应用前景

作为智能化车辆道路系统（Intelligent vehicle highway system）的车联网，不仅在道路车辆的管理有广阔的应用前景，而且极具商业价值。现分述如下。

1）交通管控：①智能交通路径导航及诱导系统；②交通信号灯的智能控制管理；③相关关卡的不停车电子收费系统；④停车场的智能收费系统。

2）公共交通管理服务：①公交车辆智能调度系统；②公交车辆实时调度；③公交车辆实时监控电池预警系统；④公交卡的监控与计费服务；⑤高效运行，节省燃油。

3）安全方面：①营运管理及监控，禁止疲劳驾驶与酒后驾驶；②超速警告，逆行警告，紧急制动；③交叉路口预警，事故现场预警；④紧急救援，等。

4）车联网是一种以汽车为载体的信息服务，解决人、道路和车辆的有效协同（图6）。Internet接入，可提供在线视频、电子地图、社交聊天、数据下载、信息咨询、网络游戏娱乐、广告植入等商业增值服务。

图6　以车辆为终端的车联网

2.5车联网现状与展望

2009年以前，人们还没有将“人”、“车”、“路”用车载移动互联服务网络维系在一起的车联网概念，汽车电子与导航功能各自独立，依靠人工感知判断来驾驶。当前中国车联网研发与全球发展基本相近，处于起步阶段。只是中国由于基础的传感器技术落后于美欧日，需要进口一些元器件。只要把握好国家的政策，建立自主知识产权的车联网系统，中国整体发展的形势预计能与先进国家同步——在15～20年内进入智能车联时代［8］。

1）当前是导入开发期，T（Telematics）服务（无线通信技术的车载计算机服务）的建立与发展，让汽车传感网络内容丰满，移动网络加快建设，车与路逐步整合。特点是：平台开放性、接口标准统一化，整合多方资源使平台接口标准统一，支持多平台无缝接入，互联互通，开展多屏合一的用户体验；海量数据云存储和个性化定制服务。这一阶段提供定位导航、动态交通信息、车辆防盗、紧急救援、娱乐咨询、电子支付和一些“碎片化”、“分布式”的汽车电子与信息服务。中国国产车系如上汽荣威Inkanet、一汽启明D-Partner、金龙海格G-Bos都有出色的表现，开始有车身控制模块的集中式系统结构。

2.2 学龄前儿童缺铁性贫血影响因素的单因素分析 单因素分析结果显示，年龄、出生体质量、喂养方式、消化功能、辅食添加时间、妊娠期贫血情况、父母亲的文化程度、家庭饮食习惯、铁制剂服用情况、家庭收入为学龄前儿童缺铁性贫血的影响因素(P<0.05)。见表1。

2）预计2022年前后可进入推广期，车辆普遍实现物联；车联网服务全面推广，人车路信息全面互联协同；车辆自组网、车际无线局域网和车载移动互联网三网开始逐步实现信息互联融合，汽车成为智能电子终端，形成网络化的系统结构，经过一年期试运行，车联网进入全面运营。

本阶段将能实现出行诱导、节能驾驶、车辆运行监控、远程故障诊断和安全行驶预警等智能服务。

3）基于车联网的智能立体交通网络建成，充分实现车车通信和车路通信的安全协同控制，并成熟深化，车辆实现无人智能驾驶。由于建立了完善的车内网、车车、车路、车与控制中心网络信息交互和共享的协调系统，车辆和基础设施之间智能协同配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全和缓解交通拥堵的目标。一般预测认为深化成熟须在2030年左右。

2.6车联网的产业链

车联网是拥有一系列车载终端设备硬件和众多系统软件的庞大系统工程。仅就T服务而言，TSP（Telematics Service Provider）内容服务提供者——支撑内容提供商主要为服务提供商生产文本、图像、音频、视频或多媒体信息服务。TSP在Telematics产业链居于核心地位，它上接汽车、车载设备制造商、网络运营商（包括大量维护工作量），下接内容提供商。谁掌控了TSP，谁就能掌握Telematics产业的控制权，因此，TSP也成为汽车制造商、电信运营商力争的角色。移动运营商、卫星运行商和广电运行商是网络服务的提供者，是产业链的基础。Telematics产业链的主要参与者是设备提供商、内容提供商、网络运营商、TSP提供商和整车厂，以及用户。提供商依据整车厂需求（零部件厂商或电信运营商）主导的TSP提供Telematics系统和解决方案。

产业1：海量实时车辆数据、实时安全处理、专用汽车数据、海量车辆用户数据、大容量实时存储并发是新一代云计算的应用平台。需完成云搜索、路径规划建议、智能交通调度和远程分析诊断等。

产业2：包括车联网汽车计算平台，智能汽车通信、感知终端等。

产业3：APP客户端包括各种涉车应用，企业、行业、互联网、公众和专用等［6］。

3　车联网与新能源车辆

新能源车辆发展风生水起，正与车联网研发同步进展，中国智能交通规划中提到：“在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有的车辆的运行状态进行有效的监管和提供服务。”正是特别关注新能源车辆的研发。2011年车联网已列入十三五我国重点的发展专项，望获百亿资金支持。

3.1新能源车辆

国家对新能源汽车“必须具备远程监控能力”的要求，也让车联网横跨两大战略性新兴产业。随着人们对互联网依赖性的日益提高，人们希望随时随地接入Internet，即使在行驶中的汽车里，虽然通过3G或4G网络可以达到此目标，但是通过路边接入点AP（Access Point）接入互联网，具有高带宽低延迟的特点。针对AP通信范围有限的问题，提出了一套适应于高速公路场景下，通过AP接入点以及其它车辆进行协助下载的方法DSRelay。移动用户在一个AP区内不能完成下载任务时，下一个AP点计算用户和注册车辆在AP间盲区（Dark Area，DA）中的相遇时间和通信时长，选择一组协助车辆来携带用户所需数据，每辆协助车在DA中不同时间段内将数据传给用户，从而达到利用DA延伸移动用户的下载区域的目的。通过对车速变化带来的影响进行分析，并提出相应解决方案。有学者对该方法进行了仿真试验，试验结果表明该方法显著提高了下载的吞吐量，减少了间歇性连接带来的影响。未来的汽车是自身监测与管控、信息交换与共享、统一指挥与调度、电子信息、软件主导的新能源智慧车辆［5］。

值得一提的是苹果公司2014年发布“Car Play”车载操作系统，美国市场研究公司（ABIResearch）预测，到2018年“Car Play”将占据市场50%份额。该系统即是兼容电动汽车的新能源车辆。

3.2车联网在电动车辆和混合动力车辆中的应用

电动汽车属于新能源汽车，包括纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）3种类型。它集光、机、电、化多学科领域最新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车与传统汽车在外形上并无异致，其主要区别在于动力驱动系统。车联网对新能源车辆的应用与传统汽车并无根本差异。即需要以车内网、车际网与车载移动互联网以及按统一的网络通信协议和数据交互标准为基础，在车与车、车辆与网络之间进行信息交换和无线通信，以实现车辆智能化控制、智能交通管理控制和动态的智能信息服务的一体化网络。应该说，车联网是物联网技术在智能交通领域的覆盖和延伸。

相对传统汽车，新能源车辆的电动汽车应更易实现车联网。电池的安全和监控是一个新课题；多种新能源车辆会有与传统汽车不一样的电磁干扰源，需要注意的是，在实现车载终端一体化的同时，应采取充分的EMC电磁兼容性措施，以确保数据传输的实时性、完备性和安全性，并且不影响车联网衍生的诸多增值服务。

3.3车联网“叫好不叫座”无需顾虑

在数字化、信息化和云计算云存储的年代，传统的汽车、汽车运输业必然会进行传统产业提升，开创新局面，进入物流网车联网时代。车联网是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求，对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。汽车数字化标准信源技术是基于RFID开发的涉车信息资源的应用技术，该项目是由国家公安部组织研发，经国家科技部认证后列为2007年“国家科技支撑计划”重点专项中进行的应用示范工程（项目编号为2008BAF31B00）。汽车数字化标准信源技术的开发，将推进“车联网”和RFID产业化进程。与先进发达国家一起各自同步规划，逐步实施，定会实现这一目标。这是科技发展进步的必然阶段，大势所趋，势在必行。无需畏难或杞人忧天，任何“叫好不叫座”的顾虑是误解，更是不必要的。随着优化资源配置，突破与完善核心技术，建立起创新的车联网机制，一切将迎刃而解。

4　结语

车联网是信息产业与传统产业融合的产物之一，为了提升传统产业、开创新局面，各先进发达国家都投入巨大的热情。眼下正是新能源动力技术变革的初期，在统一的标准制定前，各种新能源动力技术呈现出百花齐放的态势。本文以IEEE 802.11p标准和IEEE1609协议栈为参照，对物理层、介质访问控制层和网络通信层的核心技术、主要协议和通信标准做了扼要综述。

车联网通信协议和车联网的系统开发，主要是车辆内部和车际网络的信息处理与交换涉及问题，包括通信模型、协议体系、数据包格式等，还包括车载网络通信实现的系统组成和功能设计，目标是为车联网技术的开发和广泛应用建立一个普适的协议架构和相关的协议数据格式标准，课题开发研究的实用系统，则可用于车辆的运行监控和安全行驶、车辆远程调度管理以及车辆动态信息的交换和管理。

［1］Tom Denton．Automobile Electrical&Electronic Systems［M］．Elsevies Butterworth Heinemann，2009．

［2］Guy Pujolle．An Autonomic-oriented architect-ture for the internet of Things［C］．IEEE John Vincent Alanasoff 2006 International Symposium on Modern Computing，2006：163-168．

［3］刘强，崔莉，陈海明．物联网关键技术与应用［J］．计算机科学，2010，37（6）：1-4．

［4］许勇．车联网通信协议研究和系统开发［J］．桂林电子科技大学学报，2010（30）：5-8．

［5］刘建航，孙江明，毕经平，等．基于动态时槽的车联网协助下载方法研究［J］．计算机学报，2011，34（8）：30-38．

［6］何霞．电信运营商在车联网业务发展中的定位与空间［J］．移动通信，2011（15）：13-16．

［7］陈天殷．小功率电机可靠性研究［J］．机电工程，2008（8）：16-21．

［8］陈天殷．汽车电子技术的现状与展望［J］．汽车电器，2012（12）：1-4．

（编辑心翔）

Internet of Vehicle&Green Car

Chen Tian-yin
（Apeks Motors（Hangzhou）Co.，Ltd.，Hangzhou 310013，China）

This paper introduces the system structure of internet of vehicle（IOV）and its communication principals；elaborates IOV service type and core technology predicts future development of IOV and its supply chain，then demonstrates the practical application of IOV in new-energy vehicle industry at the end.

intelligent transport system；internet of thing；internet of vehicle

U463.6

A

1003-8639（2016）07-0001-06

2016-01-19；

2016-03-22

陈天殷，男，教授级高级工程师，研究方向为汽车电机电器及电子，曾在学术会议及多家技术刊物发表多篇专业文章。