车联网技术及其在交通管理中的应用

2014-03-10张建华邹常丰

交通科技与经济 2014年6期

张建华，邹常丰

（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨150040）

车联网的概念引申自物联网，根据行业背景不同，对车联网的定义也不尽相同。传统的车联网定义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监管并提供综合服务的系统。

随着车联网技术与产业的发展，车联网包含的内容更为广泛。根据车联网产业技术创新战略的联盟定义，车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在以车为中心系统之间，进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络。基于目前各大城市交通拥堵现象十分严重及交通安全和环境污染问题的日益突出，发展车联网技术是必然趋势，同时，也是解决上述问题的最有效方式。这里主要从车联网的基本原理及其未来发展趋势两个方面进行论述。

1 车联网技术的基本原理

车联网作为物联网的一个延伸，其整体结构（见图1）分为三个层次，即硬件平台，系统软件和应用软件。车联网硬件平台:由多种传感器及信号处理电路构成，包括电源转换、信号处理、数据处理与储存等，硬件平台是车联网的基础，也是信息的来源，通过传感器将车辆外的环境信息、车内的信息转换为能够被控制中心处理识别的信号。车联网系统软件层:由系统管理、通信系统、无线通信及语音等构成，系统软件层在车联网中为中枢部分，能够将硬件平台得到的信息进行传递和处理，目前，已经制定了车载环境下无线接入的相关协议。车联网应用软件层:主要是结合不同用户的需求提供不同的应用，利用车联网对车辆进行控制、安全驾驶，在智能交通系统中应用并提供相应的信息服务等。

图1 车联网系统整体结构

图2 车联网的网络结构

车联网的网络结构如图2所示，车联网的网络通信主要由车与车之间的通信和车路间的通信组成。车辆所配备的车载单元能够完成与车辆及路侧设施之间的通信功能。车载单元主要由几个功能模块构成，有通信模块、采集模块、定位模块等。路侧单元的功能是将测得车辆的相关信息发送到控制中心，同时，也将控制中心的指令传给车辆。管理控制中心把其所负责区域内的车辆信息进行分析处理，对道路上的交通状况进行控制管理。管理的控制中心包含有一些功能模块，有动态交通模块、管理模块、停车诱导模块。车上的乘客和驾驶员如果需要查询交通信息，可以通过智能手机与车载单元及路侧的设施单元进行通信连接，获得帮助及交通信息。

2 车联网关键技术体系

图3 车联网技术框架

车联网系统从系统的架构特点方面考虑，可将其分为以车辆为中心的智能车载系统和以道路基础设施为研究重点的智能路侧系统。其中智能车载系统的主要功能是车载信息采集、车载信息传输和车辆安全预警等；智能路侧系统主要完成道路行车信息的获取、道路环境之间的交通信息交流与发布、提高交通效益的交通控制等子系统。车联网系统的性能取决于通信模块，并将车载系统和路测系统联系起来，车联网的技术框架如图3所示。

2.1 车与路及车与车间的通信技术

车联网信息通信的主要特点是通信节点的高频变化和位置的变化拓扑结构，这种结构对通信网络的设计方面提出了较大挑战。车联网的通信包括车与车间的通信以及车与路侧设施间的通信，一般采用无线局域网通信和蜂窝通信的形式。车载通信技术主要采用3G、CDMA网络进行，由于这种形式通信成本高，通信速率和质量受到限制。随着无线技术和数字技术的普及，局域网技术开始覆盖城市的每个角落，由于使用 WLAN进行通信，一方面可以使通信成本降低，另一方面能够提高带宽，改善通信质量，满足车载系统的通信实时交互性要求。在国际上车联网的通信协议采用目前国际上的IEEE 802.11p标准协议，该协议的特点是较适合在智能交通领域中进行应用。

2.2 智能车载系统技术

智能车载系统是将各类车载传感器采集到的车辆交通信息、路测信息以及车辆自身状况的行驶信息等，传送到车载控制单元进行数据处理分析，并将所得的结果形成服务信息提供给驾驶员。在车联网环境下，智能车载系统还能通过与路侧系统之间的通信，接受中央控制中心发送的相关指令信息。智能车载系统技术总体上可以分为以下几个层次。

1）高精度车辆定位技术。车联网系统在工作的过程中，车辆位置信息的确定是信息联系的基础。由于在研究车联网相关技术的功能模块时必须获得车辆所处的位置信息，便于进行辅助驾驶、路径优化及车辆行驶状态的监控等。定位技术的好坏直接决定了车联网系统的性能，目前，在比较复杂的城市环境下，对车辆的位置进行较精确的确定，还是个技术难点。定位技术一般可分为绝对定位和相对定位两种，采用卫星定位获得被测车辆的经纬度位置信息的方式通常是绝对定位技术。在交通管理和控制中基础数据的采集都来源于车辆的位置信息，例如道路交通流量的统计、车辆行驶过程中的动态诱导系统、智能交通中的安全预警系统等。在我国采用的是北斗系统，随着技术的发展及系统的进一步完善，北斗定位将成为我国定位技术的发展趋势。同时，可以通过车与车间的通信及车路通信技术的进一步提高，完善车辆定位精度，估算车辆与车辆间的相对位置，目前，一般采用多信息融合技术来提高定位精度。

2）车辆安全预警技术。车辆在道路行驶过程中安全预警技术是控制车辆行驶及交通安全的前提。车辆行驶过程中的安全指标参数包括车辆的行驶速度、行驶系各种介质的温度、车辆转向系和驱动系的工作是否正常等，车辆传感器能够随时提供这些指标参数。车辆行驶的路测信息主要有非机动车和行人的信息、交通状况信息、道路通行条件信息等，该信息可以通过车辆与路侧设施的通信获得，也可以通过视频采集的方式获得。将地理信息系统适当放大比例可以查询道路线形信息，由于目前该领域的技术正处于加速建设阶段，地理信息系统的更新速度总是滞后于道路线形的变化速度，因此，电子地图还不能提供全部的地理信息，需要采用车载单元及传感器的手段，获取道路的线形信息，但该种方法不能够实现较好的实时性。目前，比较有效的解决方式是通过车辆与车辆间的通信，将前车采集到的数据信息传输给后车。针对我国的交通特点，由于人车混行的现象很普遍，所以，对于行人和非机动车信息的采集及处理，在交通安全及车辆的无人驾驶技术实现方面具有重要作用。综上所述，采用单一手段获取交通信息已不能够满足需要，多传感器的信息融合技术将是该领域的发展趋势。

3）车载系统一体化集成技术。在车联网环境下，车载系统能够实现车内、车间及车路间的信息通信，随着电子技术及大规模集成技术的快速发展，车载系统的一体化集成已成为必然，该技术具有便于节约车内有限空间、方便驾驶员操作等特点。在实际应用中，宝马及沃尔沃厂家以车辆自身探测采集到的交通信息为基础数据进行车道偏离、行人探测和自动自适应巡航系统等，构建车辆的主动安全系统，在一体化集成系统中，多源信息的融合才能从根本上提高系统的整体性能。集成化主要包括行车安全预警控制模块和智能信息服务模块两部分。能够完成对行驶过程中出现的危险进行预警的任务，并根据所采集的信息进行分析，提供不同级别的预警信息，同时，对车辆的控制进行调整，尽可能地减少对乘客的影响。动态和静态交通诱导系统是智能信息服务模块的主要功能，在提高交通效益和安全方面具有重要作用。

图4 车载系统一体化示意图

3 车联网技术应用及趋势

3.1 在交通管理中的应用

目前，交通的三大问题，安全、效率、能源和污染排放问题日益严重，各种各样的智能交通发展得到了推广，在某种程度上缓解了一些问题。车联网及信息互联是智能交通发展的大趋势，车联网的主要核心技术是车载服务信息系统，各国都在应用其管理交通，美国是以安防为主，欧洲以导航为主，日本以动态交通信息为主，该技术的发展趋势为远程监控和多元信息的采集决策等。我国目前车联网技术的应用主要体现在以下几个方面:

1）动态及静态交通管理方面:智能收费系统，自动路径导航系统，智能停车场管理，智能车辆调度，智能交通信号灯管理，车辆监控；

2）公共安全方面:智能超速超载报警系统，智能预警系统，疲劳驾驶检测系统；

3）公交服务:智能交通查询系统，智能收费系统；

4）物流运输领域:智能车辆管理系统，货物实时监测系统，物流检测系统。

3.2 车联网技术的发展趋势

车联网技术的发展最终还应依托于通信平台，该通信方式应该为一种多模式通信，并与互联网互通。我国目前在这方面的研究还处于探索阶段，并没有得到实际应用和需求推广，瑞典一些国家已经开始在车辆通信方面制定相关的协同标准。车载信息的交互应该是海量数据的处理，通信技术如何与交通相结合，还是今后的研究重点，车联网技术现在主要还是3G技术，在今后的发展中也会不断地以实际需求为导向，融合借鉴新技术也是当前需要解决的问题，车联网技术发展的最终目标是人、车、路的协同一体化。