汽车车联网技术

汽车车联网系统
内容提要：近几年，汽车保有量突飞猛进，智能交通已经成为交通运输行业迫在眉睫需要解决的课题。

智能交通的突出特点是通过对信息的收集、处理、发布、交换、分析和利用，根据交通参与者的需求提供各种所需的服务。

基于智能交通的车联网是智能交通的核心。

关键字：汽车智能车联网
一．结构
车联网系统采用了无线通信技术、GPS 全球卫星定位技术、GIS 地理信息技术、计算机网络技术和数据库技术等，建立了一个GPS监控中心和可以通过各种设备使用互联网接入的综合的道路卫星车辆卫星定位系统平台。

本系统由五部分组成：GPS监控中心、无线通信平台、全球卫星定位系统、车载定位设备和道路卫星车辆卫星定位系统平台。

本系统的总体架构分为六层，分别为：应用展示、应用服务、基础服务、数据存储、数据处理和数据接收。

数据接收层负责接收从终端发来的各种数据，并下达指令和数据到终端上，提供双向通讯服务。

数据接收层提供几种方式的数据接入，比如终端直连、短信指令下发等。

终端接收到数据后，把数据插入系统的消息队列。

同时，数据接收层还需要处理由系统下发给终端的各种指令以及数据。

如果直连失败，可以通过短信进行指令的派发。

数据处理层负责从消息队列中读取从终端接收的数据，进行协议的解析、数据处理，存入数据库。

数据存储层含两个数据库，一个是关系型数据库，一个是非结构化数据库。

关系型数据库用于存储关系型基础数据、业务数据和地理空间数据。

非结构化数据库用于存储非结构化数据：视频、图片和轨迹等。

基础服务层负责向应用服务层提供公共的构件和服务，比如报表打印服务、角色权限管理、多媒体服务、电子地图服务和系统管理服务。

基础服务层独立开发与升级，保证接口的延续性与扩展性。

应用服务层负责系统的业务管理，并给外部系统提供共享数据的接口，还提供统一的身份认证。

应用服务层的系统管理功能，可以管理下属各级分公司的车辆，系统提供各种类型的监控、查询查看和统计分析等功能。

应用展示层提供浏览器、桌面客户端、WAP 浏览器等多种用户界面，满足各类用户使用不同的设备进行管理和查看。

二．原理
（1）无线接入车载环境技术是车联网系统的通信基础和核心，无线接入车载环境技术能够实现车-车，车-路，车-人之间利用宽带无线通信，完成图像、语音、数据的双向传输。

无线接入车载环境技术现在已经能够提供高速的数据传输，并保证可靠和稳定。

（2）GPS是 Global Positioning System 的简称，意即全球定位系统。

GPS 起始于1958年，是美国军方的一个项目，1964 年投入使用。

在上世纪 70 年代，美国耗资超过 300亿美元了推出了新一代的卫星定位系统用于导航、情报收集和应急通讯等目的。

1994年美国发射升空的24颗GPS卫星全球覆盖率高达98%。

GPS 导航系统是以24颗人造卫星为基础，向全球各地提供三维位置、三维速度等信息。

它由三部分构成，地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站组成。

空间部分，由24颗卫星分布在6个轨道平面。

用户装置部分，由GPS接收机和接收机卫星天线组成。

定位精度不超过10米。

地理信息系统GIS是综合性学科，是基于计算机技术对空间信息进行分析和处理的工具。

GIS技术把地图这种独特的数据和常规数据库操作相结合。

GPS全球卫星定位技术和GIS地理信息技术结合网络技术和数据库技术在本系统中的应用。

本系统需要达到车辆定位、车辆跟踪和车辆路径规划功能。

现有导航系统是达不到本系统的要求的，现有导航系统缺乏实时响应能力，路径选择也不是其主要功能，实时信息获取、动态交通信息服务能力基本上都是没有的，也实现不了可视化监控管理。

车联网系统采用了无线通信技术、GPS 全球卫星定位技术、GIS 地理信息技术、计算机网络技术和数据库技术等，建立了一个GPS监控中心和可以通过各种设备使用互联网接入的综合的道路卫星车辆卫星定位系统平台。

（3）面向服务的软件技术，面向服务的体系结构是一个组件模型，它将应用程序的不同功能,单元（服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。

完全独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。

这使得构建在各种各样的系统中的服务可以使用一种统一和通用的方式进行交互。

也就是说，无论使用什么样的设备都可以同系统交互通讯。

这种面向服务的架构，它可以根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署和使用。

三．应用
1、车联网系统的应用前景非常广阔，目前非常热的无人驾驶就离不开车联网。

2、车车协同应用
WAVE为基于安全的应用预留了专用信道，车辆安全信息是VANET网络中最基本、最核心且优先级最高的一种信息。

几乎所有的车车协同应用场景前提都是安全信息可扩散。

所谓的安全信息扩散即所有行驶车辆周期性不间断的向外广播携带了自身GPS及车辆信息的特殊报文，这些信息一般包括实时经纬度、速度、方位角、时间、加速度、转向、制动，车辆ID 等信息。

借助于接收和处理道路上其他相邻车辆发送的安全信息，在VANET网络中的每个车辆可以“感知”其周围存在的其他车辆，并能在车载智能终端实时显示出来，供车辆驾驶员做出及时、准确的判断和操作。

典型的应用场景包括：
(1)近距离危险警告
通过车辆间交换的GPS信息，很容易计算出附近车辆间的相对位置。

在高速移动环境下依据行驶速度自动设定一个安全值，如50m或80m，当车辆存在追尾或碰撞风险时，由车载智能终端发出危险警告，提醒驾驶人员保持必要的车速及安全行驶距离，必要时甚至可越过人类控制权限，使汽车自动采取制动或减速措施。

在大雾、大雨、交叉路口、夜晚行驶等视距受限的场景，这种应用的优点将更加明显，可有效避免绝大部分追尾及碰撞事故。

(2)转向灯辅助应用
转向灯通常在超车及变道行驶时开启，用于警示提醒作用。

在车车协同应用场景中，转向灯被赋予了更丰富的功能。

如图2所示，在某些双向单行道路中，当体积较大的货运车辆遮挡了驾驶员的前方视距时，若驾驶员直接变道行驶，则可能存在与迎面而来的车辆发生碰撞的危险。

在VANET应用中，通过安全信息的扩散，可轻松解该问题。

当车辆驾驶员准备变道超车并开启转向等时，转向超车信息被包含在安全信息中扩散到前方迎面相向的车辆中，前方车辆收到该信息后立刻返回碰撞危险警告，使驾驶员停止变道行为。

这种场景同样也适用于弯道超车预警。

通过简单的开启转向灯，即可预知潜在危险，从而起到了辅助驾驶的作用，为驾驶人员提供了更加安全便捷的驾驭验。

(3)交叉路口预警
当车辆行驶到交叉路口时，往往由于视距的遮挡导致驾驶员不能准确的判断周围环境状况。

同时，建筑物的遮挡也影响了车辆间安全信息的交换。

如图3所示，车车协同技术可通过路
测设备RSU或中间车辆OBU的转发功能完成该场景下的车辆间安全信息交换，使相互不可视的车辆之间变得“可视”，在车载终端的UI上，车辆节点之间就像没有遮挡一样。

(4)紧急车辆让行
旨在模拟110、119、120等特殊车辆在行驶时需要获得高优先级别的行驶权限。

这些车辆在参与争分夺秒的紧急救援任务时，通过启动警笛向周围车辆告知其紧急程度。

这种方式的缺点是周围车辆的驾驶人员并不能准确确定紧急车辆的位置，也就无法做出统一的让行行为，导致许多车辆不自觉的影响了紧急车辆的前行，耽误了宝贵的救援时间。

车联网推广后，上述情形可避免发生。

在车车协同应用场景下，当紧急车辆在出勤时，只要启动“紧急救援”标识，该标识被写入到车辆扩散的安全信息中，当周围的车辆接收到这类安全信息时，紧急救援信息将被呈现到车载智能终端中，使普通车辆的驾驶人员主动做出统一的让行行为，为紧急车辆开辟先行绿色通道。

(5)车辆自动跟车应用
车辆自动跟随主要应用于车流行驶速度低于50公里/小时的情况下，使车辆自动跟随前方车辆行进，是一种基本无需驾驶员干预的车辆自动控制转向、加速和(或)制动为特点的半自动驾驶技术。

通过分析处理与前后车辆之间交换的安全信息，汽车自适应巡航控制系统自动保持与前车之间的适当距离，同时保持对转向的控制，从而令驾驶变得更加安全、舒适。

2、车路协同应用
安装于路边的RSU通过广播方式，向路过车辆推送区域性的交通服务信息。

主要包括：天气状况、实时路况、突发事件、管制信息、服务设施等。

这些交通服务信息最终结合车载智能终端向驾乘人员呈现，结合模拟真实的3D曲面地图应用，车辆将作出准确智能化的路径规划，提高人类出行效率。

(2)智能停车管理
在大型商业圈、写字楼等区域停车位众多，由于停车管理却存在着效率低下的问题，车主往往很难及时找到车位。

这是因为一般的停车场只是提示仍有多少空车位，并没有办法向驾驶人员提供更多的引导信息。

车路协同技术通过路测RSU向车载终端推送具体到车位的停车引导信息，以图片或动画的呈现方式，完成停车诱导。

在车辆离开时，以同样的方式向车主推送停车电子账单，并完成收费功能。

这种停车管理方式可有效提高区域泊车位利用率，节约人工成本，并减少环境污染。

(3)ETC应用
当前国内ETC应用存在功能单一、兼容性差、用户参与度低等问题。

主要的问题在与OBU 功能过于单一且未能与车载智能终端实现数据共享。

车联网ETC模式下OBU将扮演“车内路由器”的角色，其将不仅可完成高速收费、停车场收费、路边停车收费等收费应用，而且可提供有线、无线接入的功能。

通过无线与车载终端、个人终端完成数据共享。

终端上只需要安装一个应用程序即可完成充值、查询、缴费、接收账单等有用户体验的功能。

(4)电子车牌
当前电子车牌(ElectronicVehicleIdentification，EVI)用于自动化交通管理，功能单一，未来趋势将是OBU包含EVI功能，实现车辆的快速通关、货物监控以及超载限制监控等自动化交通管理。

四．发展前景
2012 年我国智能交通高速发展，先后在智能公交、电子警察、交通信号，视频监控、物流信息化、GPS警用系统、交通信息采集与发布和交通指挥平台上做了很多投入，完成的项目数量高达4527项，市场规模达159.9亿元，同比增21.7%。

目前国内从事智能交通的企业已经有2000多家，多集中在道路监控、3S(GPS、GIS、RS)
和系统集成方面。

但是，相比于国外，中国智能交通还是很落后。

智能交通在美欧日等发达国家已经得到广泛应用。

美国的应用率更是达到80%以上，2010年的市场规模已经达到5000亿美元，几乎是我国的50倍。

而日本，市场规模累计也达5000亿美元以上。

欧洲的智能交通在2010年也产生了1000亿欧元以上的经济效益。

2012 年7月，中国第三届智能交通大会在北京开幕，交通运输部科技司的相关负责人对外解析了自2012至2020智能交通的发展战略。

具体到应用，上海汽车2010年率先发布搭载了车联网系统inka Net的荣威350，到2012年底，至少已经有7家企业发布搭载了自主研发的车联网系统的车型产品。

苏州金龙在车辆出厂前就安装了车载终端设备，该设备和监控中心合在一起称作G-BOS系统，该系统主要用于采集车辆运行状况的数据和司机驾驶行为数据，该系统如今已经装载 60000多台，取得了良好的使用效果。

除了以上介绍的一些系统以外，还有一些系统也取得了良好的使用效果，如瑞典的 SCANIA 的黑匣子系统在欧洲地区应用广泛；杭州鸿泉的车辆移动互联网系统在江浙一带的物流企业中得到了很好的推广；台湾和欣客运的远程管理系统是台湾地区推出最早的车联网系统。

车联网是智能城市的一个重要标志。

相比较传统的移动通信服务，车联网的应用领域更广，业务种类更多，价值更大，需求也更专业化。

从技术上来说，车联网技术更为复杂，需要多种学科的交叉，如射频识别、红外感应、GPS 定位等技术用于获取信息，计算机软件用于信息分析、目标跟踪定位监控以及管理等。

近几年，国内基于RFID 电子标签技术的传感网的发展也很快，汽车电子的发展更是日新月异。

世界各国都对汽车电子的研究开发非常重视。

汽车电子越发达，汽车的自动化程度越高，反过来对传感器的依赖也越大。

所以，国内外都将汽车电子技术列为重点发展的高新技术。

除了传感器外，还有各种车载电子装备也越来越重要，例如导航系统等。

日期：
2016.5.10。