基于车联网技术的智慧交通系统设计与实现

刘士珺，赵彦杰/Liu Shijun，Zhao Yanjie

（中国电信股份有限公司上海分公司 上海200120）

1 引言

2015年的前8个月，国内汽车销售量近1 200万辆，同比增长超过39%。中国汽车工业协会预计，2015年中国汽车销售量将达1700万辆，这意味着中国新车销量将达到美国历史上的最高水平。随着汽车热潮的不断升温，汽车行业将以更大步伐向着更智能、更安全和更环保的方向发展。

美国于1998年提出了 ITS（Intelligent Traffic System，智慧交通系统）的概念，主旨是预防交通事故，包括追尾警告、偏离车道警告、瞌睡提醒等[1]。近年又陆续通过车载传感器、车路和车车通信，实现了驾驶的辅助控制。

为了推进智慧城市建设，加快实现“创新驱动、转型发展”，依据《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《国民经济和社会信息化“十二五”规划》，工业和信息化部、国家发展与改革委员会等八部委联合起草了《关于促进我国智慧城市健康发展的指导意见》。《关于促进我国智慧城市健康发展的指导意见》在“夯实基础、分步推进、突出重点、聚焦项目”等原则下，制定了未来3年我国信息化的详细建设任务，其中，车联网与云计算、物联网等一起被明确列为“围绕构建创新活跃的新一代信息技术产业体系”的八大重点专项任务。

国家强制规定新能源汽车必须提供远程监控功能，因此，各车厂在新能源系列车型的开发中，对车辆联网、远程诊断及运营维护方面有强烈的需求。

运营商长期合作的汽车服务主要面向前装汽车用户，而在占有绝大部分市场份额（90%以上）、市场分散度高且需求个性化突出的后装汽车市场中，运营商市场尚未推出相应的汽车服务产品。在此现状下，需要借助运营商强大的网络和数据资源，形成一套基于车联网技术的智慧交通系统，通过该系统满足智慧城市规划中关于交通智能化的需求。

2 智慧交通系统架构

车联网系统参照交通运输管理部门、政府其他管理部门的管理要求，以公众、企业的交通出行和内部管理需求为导向，参考相关服务企业的服务能力，借助移动互联网、云计算、物联网、光网络等通信和信息技术手段，对各项关键交通信息进行传感、传送、处理、发布，从而达到对公众出行、交通安全、指挥调度、交通管理、紧急救援、应急联动的各种需求做出智能响应与支撑的目的，构建交通发展的智慧环境，形成人、车、路和谐发展的全新形态。

面对纷繁复杂的应用和多变的用户需求，车联网平台体系架构基于云计算架构理念设计，以满足各类需求为出发点的功能性模块进行拼装，支持在基础设施、平台、软件以及运营支撑等层面，以虚拟化的服务能力实现多租户行业应用，其体系架构如图1所示。

对于公共的服务能力，如运营支撑、服务网关、外部接口等，在平台层面运用共享数据库等应用虚拟化概念，通过切割数据库、存储区、结构描述或表格来隔离租户的数据，让租户工作在不同的数据环境中。车联网系统分为以下4个主要模块。

（1）核心应用模块

车联网系统核心应用模块包括安防服务、远程监控、远程诊断、车辆调度以及车辆档案功能。安防服务主要包括碰撞自动求助、紧急呼叫、远程救援、远程诊断等功能，并考虑安全气囊爆开自动呼叫服务、被盗车辆定位等实现的可能性；远程监控主要包括车辆追踪、远程状态查询等功能；远程诊断主要包括车辆远程诊断、车辆运行参数监控等功能；车辆调度通过多种方式选择车辆，并向车辆下发调度信息；车辆档案根据车辆运行状况、维修保养情况等历史信息，形成车辆健康档案，并提供分析和预警。

（2）增值应用模块

对于接入车联网系统的车辆，应具备远端控制功能。空调远程开启：用户通过手机可执行远程空调开启操作；车门远程控制：用户通过手机可执行远程车门开关操作；车窗远程控制：用户通过手机可执行远程车窗开关操作；车辆追踪：后台追踪车辆位置、状态，语音告知用户或短信回复用户；远程状态查询：用户通过手机、PC等终端远程查询车辆状态、位置。

（3）信息娱乐模块

互联网信息搜索：用户直接在车内浏览互联网信息；信息服务：用户直接在车内选择需要的信息（天气、股票、新闻等）；蓝牙车载免提：允许用户接入个人手机，实现个人通信功能；语音识别：通过直接识别自然语言，提高客户在车内的使用体验。

图1 智慧交通系统架构

（4）呼叫中心模块

车联网用户与车联网支撑系统联络的统一窗口，通过呼叫中心系统提供的全天候能力，车联网的每个用户都能在最短时间内寻求到帮助。

3 智慧交通系统虚拟化设计

智慧交通系统所接入的车载设备上报的数据量大，统计关联性强。例如，油耗分析应用就需要通过车载终端采集、上报大量数据。对于这些海量数据的存储分析，使用分布式数据处理技术非常适合。在分布式数据处理方面需要满足：大规模数据存储能力；高性能数据分布式处理；数据存储的可靠性；扩展性好，支持大规模集群。系统利用不同层面的云技术，为不同租户虚拟出各自定制化的虚拟应用实例。对于应用层面的公共服务能力要求，主要利用共享数据库等技术实现服务隔离，从而提供多租户支持；对于租户个性化的应用需求，则通过计算、存储设备的虚拟化技术，提供独立的应用服务实例；在网络和接入层面，则利用接入、网络虚拟化技术，实现底层资源的多租户分割能力。

由于智慧交通系统涉及车主、车厂、合作伙伴的隐私以及行车安全数据，因此对于车联网平台的数据安全需要进行特别关注。数据安全有对立的两个方面的含义：一是数据本身的安全，主要是指采用现代密码算法对数据进行主动保护，如数据完整性、双向强身份认证等；二是数据防护的安全，主要是采用现代信息存储手段对数据进行主动防护，如通过磁盘阵列、数据备份、异地容灾等，保证数据的安全。数据处理的安全是指如何有效地防止数据在录入、处理、统计或打印中，由于硬件故障、断电、死机、人为的误操作、程序缺陷、病毒或黑客等造成的数据库损坏或数据丢失现象，某些敏感或保密的数据可能被不具备资格的人员或操作员阅读，而造成数据泄密等后果。对于多租户模式下的车联网用户需求，通过不同层级的安全设备完成租户间信息的安全分层，从虚拟化数据中心到虚拟化路由器均进行隔离，满足智慧交通系统的整体数据安全需要。云计算的多租户基础架构如图2所示。

车联网平台是一个大规模、系统性的项目，需要接收、处理、存储、查询、分析信息，包括记录型数据、图片、音频、视频、文件等多种类型，考虑到处理的时效性、并发能力、规模容量、安全性、软件成熟性、开发维护成本等方面的因素，针对不同的数据，采用不同的主流数据库系统进行适配，主要有以下3种方案。

图2 智慧交通系统虚拟化架构

（1）实时数据库

由于安防服务中事件处理对时效性要求较高，选用基于内存的实时数据库技术有助于解决这个问题，在选用具体数据库时，需要考虑单位事件所需要处理事件的数量。对于实时性要求高的应用，所承载的服务器一般需分配较大的内存。

（2）持久化数据库

对于系统中的车辆管理、车型管理、用户管理、终端管理等数据，采用Oracle等关系型数据库来维护这些数据实例。数据存储于光纤通道的磁盘阵列，服务对文件进行操作时，把对文件的操作映射成对磁盘块的操作，再把对磁盘块的操作通过SAN执行，最终附接到SAN的存储设备，完成对存储块的操作[2]。

（3）文件级存储

对于地图等数据，采用NAS存储。存储设备通过并行电缆直接连接到NAS文件服务器，文件服务器负责管理存储设备，给应用服务器提供多个文件系统。应用程序对文件系统进行文件级操作，文件服务器把对文件的操作映射成对磁盘块的操作。数据存储选型比较见表1。

4 智慧交通系统流程设计

系统主要流程涉及故障救援服务、信息服务、车辆诊断服务、车辆控制服务、车辆保养预约。故障救援服务流程如图3所示。

（1）故障救援服务

车辆发生故障，车主发起呼叫；车载终端发送车辆位置、车辆内部数据至车联网平台；车载终端与呼叫中心建立呼叫；呼叫中心请求用户/车辆信息，并在呼叫中心坐席进行显示；呼叫中心坐席与车主确认故障信息；若需要救援，呼叫中心坐席通过车联网平台发送救援工单至车厂系统或外部救援机构；呼叫中心坐席向车主询问救援情况，获取车厂系统或外部救援机构的救援结果，并进行记录。

表1 数据存储选型比较

图3 故障救援服务流程

（2）信息服务

车主发起呼叫；车载终端发送车辆位置等信息至车联网平台；车载终端与呼叫中心建立呼叫；呼叫中心请求用户/车辆信息，并在呼叫中心坐席进行显示；呼叫中心坐席与车主确认导航信息，并进行兴趣点搜索或路径规划；呼叫中心坐席与车主断开呼叫，并通过车联网平台向车载终端下发导航信息；车载终端进行导航。

（3）车辆诊断服务

车载终端上传车辆诊断数据至车联网平台；车联网平台将车辆诊断数据转发至车厂诊断平台或外部诊断平台；车厂诊断平台或外部诊断平台进行数据分析，并返回诊断结果；车联网平台进行诊断结果存储，并可通过呼叫中心坐席界面、手机客户端、车主门户进行展示。

（4）车辆控制服务

手机客户端登录车联网平台；用户通过手机客户端进行二次认证，并发起车辆控制请求至车联网平台；车联网平台发起车辆控制请求至车载终端；车载终端向车辆进行控制动作；车载终端向车联网手机客户端返回控制结果。

（5）车辆保养预约

手机客户端登录车联网平台；用户通过手机客户端进行二次认证，并发起车辆保养预约至车联网平台；车联网平台将车辆保养预约至售后管理系统；售后管理系统完成预约，并返回结果。

5 结束语

车联网技术作为智慧交通的一个可选的实现方式，可提升城市的交通管理和服务水平，给车辆驾驶员和乘客带来了良好的体验。智慧交通系统根据“两客一危”国家标准，针对商用车辆运行安全监管的需求及车辆特点，通过一系列有针对性的设计，为车辆的安全监管提供了一个切实可行的方案。基于车联网技术的智慧交通系统，借助逐渐壮大的移动数据通信网络，建设出一套适用于城市快速部署的系统。同时，云计算架构下的系统具有快速部署和低成本的优势。纵观私家车市场，其车联网应用还处于萌芽状态，如何使车联网系统逐步推向个人市场是下阶段研究的重要方向。

[1] 徐晓齐.车联网[M].北京：化学工业出版社，2015.

[2] 张继平.云存储解析[M].北京：人民邮电出版社，2013.