基于车联网架构的功能研究

李梦茹 刘煜

摘要：针对国内车联网功能研究较少和车联网关键技术及架构研究较为模块化的问题，文章基于车联网架构三大系统层的协同工作机制，对车联网的功能进行用户体验和监控管理两个层面的研究，指出各功能工作时三大系统层所发挥的作用，并总结和探讨车联网各功能实现需解决的关键技术，体现了车联网架构、功能、关键技术间的内在关联性。

关键词：车联网;架构;功能;关键技术

中图分类号：U491 文献标识码：A DOI： 10. 13282/j cnki. wccst.2019. 12. 041

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0153 - 05

0引言

交通是人类社会生产、生活以及经济发展的必要环节[1]。目前，城市人口的急剧增加、机动车保有量的快速增长使得交通需求远大于交通供给，城市交通拥堵问题日趋严重。20世纪80年代以来，欧、美、日等发达国家放弃了以扩大道路网规模来解决日益增长的交通需求的思路，转而采用了以高新技术为手段，改造现有道路运输体系和管理方式[2]，智能交通系统（Intelligent Transportation System，简称ITS）由此诞生。随着国内外学者对ITS的深入研究，认为车联网（Internet of Vehicles，简称IOV）是ITS的发展趋势[3-9]。目前，国内学者对车联网的关键技术、车联网架构及其工作机制做了较多研究，但关于车联网功能的研究较少，且对于架构与关键技术研究较为模块化，忽略了两者之间的内在关联。基于此，本研究提出车联网架构、功能和关键技术三者之间具有关联性。基于车联网架构三大系统层的协同工作机制，对车联网功能做出用户体验层和监控管理层两个层面的研究，并以功能为媒介，总结了车联网实现各功能需解决的技术难题。

1 车联网的概念

车联网是利用高新技术对交通参与者、交通基础设施和交通运输工具进行统筹管控的系统，是物联网在城市交通领域中的具体应用[10]。车联网利用先进的传感器技术、交通信息采集技术、通信技术、计算机技术、云计算技术以及信息安全技术，将交通参与者（行人、驾驶员等）、交通基础设施（道路、交通信号灯、停车场、加油站等）和交通运输工具（私家车、公共交通工具等）集成一个整体统筹管理与控制，以提供出行方式选择建议、动态路径诱导、交通智能管控、为交通规划提供数据支持等服务，实现人、车、交通基础设施的协同运作，达到出行效率最大化、出行成本最小化、节能减排最大化和事故概率最小化的目的。车联网工作示意如图1所示。

2 车联网的架构体系

车联网的架构及其协同工作机制决定车联网能够实现的功能。目前研究现状将车联网的架构体系分为感知层、网络层和应用层[3][5][7][11]。其中，感知层和应用层又分为上、下两个子层。交通数据由感知层采集，经网络层传递至应用层，从而实现一系列的功能。车联网架构体系如图2所示。

感知层分为下子层和上子层。感知层下子层的作用是通过传感器技术（车内传感器、车外环境传感器）和交通信息采集技术（RFID、视频采集器、GPS、北斗等）对车辆运行状况（车辆状况、速度、位置等）和周边行驶环境（行人位置、天气、温度、路况、道路拥堵情况等）进行交通数据的采集。感知层上子层的作用是为感知层下子层提供统一的网络接口，用于兼容各类车辆不同的网络传输标准，以保证所有交通数据传输的统一性和完整性。同时感知层上子层能够完成车辆间近距离、小规模的数据传递。

网络层的作用是完成车辆与交通控制中心之间交通数据大规模、远距离的传输。同时网络层可以实现车辆的网络接入，为车上的出行者提供社交、影音、娱乐等网络服务。

应用层分为下子层和上子层。应用层下子层通过大数据处理技术和云计算对感知层采集到的交通数据进行实时的处理并及时通过网络层进行数据传输，为车辆提供动态路径诱导、停车诱导等相关服务。应用层上子层是人机交互界面，通过电子显示屏、车载系统和应用软件为出行车辆提供经应用层下子层采集和处理的交通信息，车联网的所有功能和服务均通过这一子层定义和实现。

车联网的三大系统层数据逐层传递，协同实现车联网的一系列功能。图3展示了车联网三大系统层的协同工作机制。

3 基于车联网架构的功能研究

车联网的用户使用量决定车联网数据的准确性和有效性，为用户提供安全、便捷的车联网服务是车联网普及和推广的前提。基于车联网三大系统层的协同工作机制，车联网可实现用户体验层和监控管理层两个层面的功能。用户体验层是用户享受到的车联网服务，也是车联网系统推广和普及的重要筹码。用户体验层功能如图4所示。监控管理层是对出行者的监控和管理，不仅为出行者提供更加舒适、安全的出行环境，也是规划部门综合规划城市道路网络和管理部门行政处罚的依据。监控管理层功能如图5所示。

3.1 用户体验层

用户体验层为出行者提供7项服务：

（1）出行方式选择建议：车联网系统会在应用层上子层存储出行者的居住、工作位置，当出行者出行时，车联网自动提取感知层下子层的路况数据和公交数据，经网络层传输至应用层下子层，应用层下子层会计算得出选择各种出行方式的旅行时间并根据天气、温度、步行距离等因素通过应用层上子层为出行者提供最优的出行方式。

（2）车况分析：车联网感知层下子层会感知并储存车辆运行状况，若车辆在运行中出现异常会通过应用层上子层向车主反映。车主也可通过车联网完成车辆保养和维修的预约。

（3）动态路径诱导：当出行者通过应用层上子层选择目的地后，应用层下子层会从感知层提取到达目的地所有路径的路况信息，经云计算为出行者提供最优的路径。

（4）事故的处理和报备：发生交通事故后，车联网感知层下子层的传感器会感知和判断事故的严重程度，并将事故數据通过网络层传递至应用层下子层，应用层下子层会根据事故严重程度向交警部门、保险公司及医院报备，同时通知周边车辆注意避让。若有人员受伤，应用层下子层会通过网络层要求事故发生地周边车辆绕行，在医院和事故发生地之间开辟出紧急救援车道，完成伤员的及时救治。

（5）车队数据共享：车联网应用层上子层应有社交功能，利用车联网社交功能可添加好友，亲友组成车队自驾出游时，车联网可通过应用层上子层为车上人员提供车队位置、通信、娱乐等服务。

（6）停车诱导：车联网可采集各停车场的停车信息，并根据周边停车场的停车情况通过应用层上子层引导车辆至空车位，自动在线上完成停车费的支付。

（7）一站式加油：感知层下子层会感知车辆剩余油量，在车辆需要加油时，车联网应用层下子层会根据周边加油站的排队情况通过应用层上子层将车辆引导至最便捷的加油站。

3.2 监控管理层

监控管理层是对联网车辆的统一监控和管理，主要有以下4点功能：

（1）驾驶行为监控：应用层下子层会提取感知层下子层采集的车辆驾驶行为数据并提交至管理部门，若驾驶员采取超速驾驶、违章变道、强行加塞等危险驾驶行为，管理部门会给予驾驶员警告、罚款和扣分等处罚。

（2）犯罪车辆锁定：罪犯驾车逃逸，车联网会通过应用层对车辆进行锁定和控制，若罪犯手持武器，应用层下子层会通过网络层要求罪犯周边车辆避让。

（3）二手车交易服务：应用层下子层会储存感知层下子层采集的二手车辆维修、保养和出险数据并将该数据公布至二手车交易市场，为用户提供公开、透明的二手车交易环境。

（4）路网优化建议：交通规划部门可从车联网提取OD、流量等交通数据，是城市道路网络优化的依据。

4 车联网的关键技术

车联网上述服务和功能的实现需要解决很多技术难题，总体上，车联网的技术难题包含以下6种：射频识别技术、传感器技术、异构网络的融合、中间件技术、信息安全技术和云计算。这些技术难题涉及车联网三大系统层的每一层：感知层需解决的技术难題为射频识别技术和传感器技术;网络层需解决异构网络融合的问题;应用层需解决中间件技术、信息安全技术和云计算的技术难题。同时，不同功能的实现所面临的技术难题也不同。车联网各功能实现时各系统层需解决的技术难题如下页表1所示。

4.1 射频识别技术

射频识别技术（ RFID）是一种非接触式的自动识别技术[12]，在不停车收费[13-15]、门禁管理[18- 19]、公交站台管理一[20-21]等交通领域具有广泛应用。RFID是车联网感知层下子层和上子层的关键组成部分之一。车辆可通过RFID与路侧单元完成短距离、高频率的通信，实现车辆信息识别、高精度定位[22]和车一车通信。同时路侧单元也可通过RFID采集路段交通量、车速等交通信息。但是，路侧单元的建设体量大、投入高，是制约车联网推广的经济性难题。

4.2 传感器技术

车联网感知层下子层利用各种传感器对车内和车外环境进行感知。其中，车内传感器可感知车辆运行状态及控制系统状态，前者主要包括车速、油耗、车内温度、胎压、机油和汽油剩余量、发动机状态、制动状态等信息，是车辆安全行驶的前提;后者通过定位系统与电子地图的匹配，可监测超速、违章左右转、紧急变道、强行加塞等危险驾驶行为，与行政管理手段相结合，为居民提供安全的出行环境。车外环境感知主要包括对天气、路况、能见度、周围障碍物和行人的感知等。车联网应用层下子层结合车外环境数据对行驶中的车辆进行管控，以保证恶劣环境下驾驶员和行人的安全。

目前各汽车生产经营厂商运用的传感器种类繁多，输出的数据良莠不齐，且某一品牌汽车很难与其他品牌共享数据，打造统一的数据标准是实现车联网功能的统一性的难题。

4.3 异构网络的融合

车联网的网络层由多种不同的通信技术组成，包括WLAN、2G/3G蜂窝通信、LTE等网络，不同的网络制式具有不同的网络接入标准。为适应不同的通信场景，不同车辆接入网络的制式不尽相同，且车辆在移动过程中也有可能在不同的网络制式间不断切换，所以车辆应具备可接入多种网络的接口。异构网络的融合技术是保证联网车辆在不同通信场景之间无缝切换的关键技术。为了完成车辆在移动过程中网络制式不断切换的情况下感知层与应用层之间数据高效上传和下载的任务，完善的异构网络融合方案至关重要。

4.4 中间件技术

在车联网中，中间件是介于车联网硬件和车载系统间的通用服务。中间件技术能够将车联网感知层下子层采集的交通数据进行提取和格式转换，向车联网应用层下子层传输相对统一的交通数据，解决不同车辆向应用层下子层数据传输的驳杂性，从而提高应用层下子层的运算效率。同时，中间件技术能够降低软件设计难度，提高软件开发效率，是打造车联网多元化应用生态，为车联网应用层输送更多应用和功能的关键技术。

4.5 信息安全技术

车联网数据包含个人和车辆的重要隐私信息，而车联网数据的开放性和真实性使信息安全技术显得尤为重要[23]。如何保证隐私信息不泄露是车联网面临的技术性难题，它渗透于车联网三大系统层中的各个数据传输节点。同时，车联网数据的真实性和完整性是车联网相关功能实现的基础，保证车联网数据不被侵害需要信息安全技术的支持。

4.6 云计算

云计算是车联网应用层下子层运用的关键技术。将车联网采集到的交通大数据进行实时的处理及下放是车联网实现动态路径诱导、停车诱导、紧急事故救援等主要服务的依据。云计算是对交通大数据进行实时处理的技术，而交通大数据具有“6V”特性24]：Volume（体量巨大）;Velocity（处理快速）;Variety（模态多样）;Veracity（真假共存）;Value（价值丰富）;Visualization（可视化）。如何将车辆的位置、车速及道路占有率、路况等多元化的交通大数据进行快速提取、无用数据的过滤和深度数据挖掘，并考虑车辆在行驶过程中时间和空间的关联性，对交通大数据进行快速的计算和传输是云计算在交通领域需着重研究的问题。

5 结语

智能交通系统的发展趋势是车联网，而车联网是实现交通智能化的重要手段。车联网对交通数据的有效采集、处理和下放，能够实现动态路径诱导、交通大数据的处理与存储、驾驶行为管理等应用。动态路径诱导能够充分利用现有道路，提高运行效率，减少交通污染。经云计算处理后的交通大数据是规划城市道路网络的依据，应合理地规划城市布局和改善道路网络，使城市交通需求和交通供给维持动态平衡。通过车联网对驾驶行为进行管控，为出行者提供安全的出行环境。

车联网的全面普及初期需要大规模的基础设施建设、汽车数据的开源化及制定统一的网络传输和数据形式的标准，即车联网各项功能的实现需解决经济性、开放性和统一性的问题。经济性是指初期投入的经济问题，车联网路侧单元、通信网络和构建管理平台等基础设施的建设都需要大量的资金投入。开放性是指数据的开放，目前不同的车载平台之间还无法实现数据的交换和共享。统一性是指标准的统一，但目前各汽车生产经营厂商运用的感知技术和数据储存形式以及数据传输和网络接入标准没有统一的标准。同时，车联网的推广还需要考虑居民对车联网相关服务功能的需求度以及为车联网提供隐私信息的意愿度。当前国内外针对车联网功能居民意愿和需求分析的研究较少，这是以后的研究方向。

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作者简介：李梦茹（1995-），硕士，研究方向：交通基础设施资产管理;

刘煜（1992-），硕士，研究方向：长寿命周期路面。

基金项目：国家自然科学基金一地区科学基金“复杂交通基础设施系统进化理论与级联管理方法研究”（ E080703）