車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情景詳解及發(fā)展趨勢探討

伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能交通技術(shù)逐漸進(jìn)入到大眾視野，成為各界研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。智能交通技術(shù)已經(jīng)在系統(tǒng)平臺(tái)、視頻識(shí)別算法、交通信號(hào)控制、網(wǎng)絡(luò)配套等相關(guān)技術(shù)和設(shè)施上已經(jīng)達(dá)了一個(gè)較高水平。

一、技術(shù)背景

伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能交通技術(shù)逐漸進(jìn)入到大眾視野，成為各界研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。智能交通技術(shù)已經(jīng)在系統(tǒng)平臺(tái)、視頻識(shí)別算法、交通信號(hào)控制、網(wǎng)絡(luò)配套等相關(guān)技術(shù)和設(shè)施上已經(jīng)達(dá)了一個(gè)較高水平。但車輛本身作為最基本信息源，并未有效的實(shí)現(xiàn)車與車、車與人之間的通信，所以智能交通想要進(jìn)一步發(fā)展，車輛間的聯(lián)網(wǎng)是其未來發(fā)展的必然要求。

IEEE802.11p，即車載環(huán)境無線接入(WirelessAccessintheVehicularEnvironment，WAVE)標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)由IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充的通信協(xié)議，主要用于車載電子無線通信，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)車輛間無線通信，完成實(shí)時(shí)準(zhǔn)確可靠的圖像、語音和數(shù)據(jù)雙向傳輸，并且能保證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，可成為構(gòu)建先進(jìn)的車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)和車輛服務(wù)平臺(tái)的核心，是下一代ITS通信技術(shù)的發(fā)展方向，被應(yīng)用到未來的智能公路等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。目前，基于WAVE的應(yīng)用可達(dá)到百余種，其類型主要有安全相關(guān)、公共服務(wù)相關(guān)、商業(yè)服務(wù)性質(zhì)的應(yīng)用。

車輛自組網(wǎng)絡(luò)(VehicleAd-HocNetwork，VANET)是一種新型的多跳移動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，由安裝了車載單元(OnBoardUnit，OBU)的車輛、路邊單元(RoadsideUnit，RSU)和后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。通過無線通信鏈路(WAVE)傳輸數(shù)據(jù)，車路通信技術(shù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛間通信(VehicletoVehicle，V2V)和車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施通信(VehicletoInfrastructure，V2I)。

在道路沿線安裝有路邊基礎(chǔ)設(shè)施如無線訪問點(diǎn)(WirelessAccessPoint，AP)和蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)基站，擁有車路通信技術(shù)系統(tǒng)終端的車輛通過這些設(shè)施時(shí)，可以利用自身的無線通信模塊與路邊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行單跳的數(shù)據(jù)通信(V2I)，該方式主要用于行車信息的上傳、交通和商業(yè)信息推送等應(yīng)用。

在沒有安裝路邊基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域內(nèi)，或者車與車之間需要協(xié)作的時(shí)候，車與車之間可以在無路邊基礎(chǔ)設(shè)施中轉(zhuǎn)的情況下建立無中心、完全自組織的多跳通信網(wǎng)絡(luò)(Adhocnetwork)，實(shí)現(xiàn)車輛之間的信息傳輸和共享(V2V)。V2V方式具有組網(wǎng)方便靈活、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性較好的優(yōu)勢，車輛之間可以相互協(xié)作(多跳)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，也可以僅僅在兩輛車之間傳輸(單跳)數(shù)據(jù)。

駕駛員可以利用V2V及時(shí)獲得周圍車輛的運(yùn)行狀態(tài)和路況信息，從而有足夠的時(shí)間來判斷和應(yīng)對(duì)交通意外情況的發(fā)生，同時(shí)還可以超視距地判斷交通狀況從而自主地選擇道路進(jìn)而緩解交通擁堵現(xiàn)象、減少交通事故的發(fā)生概率。當(dāng)意外事故發(fā)生時(shí)，處于事發(fā)區(qū)域的車輛可以通過V2I方式及時(shí)地將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給交通管理部門、醫(yī)療單位和商業(yè)保險(xiǎn)（放心保）公司等，同時(shí)也可通過V2V向附近的車輛發(fā)送求助信息、危險(xiǎn)警告信息等，從而提高了整個(gè)交通系統(tǒng)應(yīng)急處理能力。

我國科技部“863計(jì)劃”分別于2011年和2012年先后啟動(dòng)了“智能車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究”和“車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究”，旨在推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。部分省市也啟動(dòng)了基于車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用示范項(xiàng)目，如重慶市2011年啟動(dòng)的《基于物聯(lián)網(wǎng)的公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與效率提升技術(shù)》重大科技專項(xiàng)就包含有車路信息發(fā)布應(yīng)用。

二、典型的應(yīng)用場景

1、車車協(xié)同應(yīng)用

WAVE為基于安全的應(yīng)用預(yù)留了專用信道，車輛安全信息是VANET網(wǎng)絡(luò)中最基本、最核心且優(yōu)先級(jí)最高的一種信息。幾乎所有的車車協(xié)同應(yīng)用場景前提都是安全信息可擴(kuò)散。所謂的安全信息擴(kuò)散即所有行駛車輛周期性不間斷的向外廣播攜帶了自身GPS及車輛信息的特殊報(bào)文，這些信息一般包括實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、速度、方位角、時(shí)間、加速度、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)，車輛ID等信息。借助于接收和處理道路上其他相鄰車輛發(fā)送的安全信息，在VANET網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)車輛可以“感知”其周圍存在的其他車輛，并能在車載智能終端實(shí)時(shí)顯示出來，供車輛駕駛員做出及時(shí)、準(zhǔn)確的判斷和操作。

典型的應(yīng)用場景包括：

(1)近距離危險(xiǎn)警告

通過車輛間交換的GPS信息，很容易計(jì)算出附近車輛間的相對(duì)位置。在高速移動(dòng)環(huán)境下依據(jù)行駛速度自動(dòng)設(shè)定一個(gè)安全值，如50m或80m，當(dāng)車輛存在追尾或碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，由車載智能終端發(fā)出危險(xiǎn)警告，提醒駕駛?cè)藛T保持必要的車速及安全行駛距離，必要時(shí)甚至可越過人類控制權(quán)限，使汽車自動(dòng)采取制動(dòng)或減速措施。在大霧、大雨、交叉路口、夜晚行駛等視距受限的場景，這種應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)將更加明顯，可有效避免絕大部分追尾及碰撞事故。

(2)轉(zhuǎn)向燈輔助應(yīng)用

轉(zhuǎn)向燈通常在超車及變道行駛時(shí)開啟，用于警示提醒作用。在車車協(xié)同應(yīng)用場景中，轉(zhuǎn)向燈被賦予了更豐富的功能。如圖2所示，在某些雙向單行道路中，當(dāng)體積較大的貨運(yùn)車輛遮擋了駕駛員的前方視距時(shí)，若駕駛員直接變道行駛，則可能存在與迎面而來的車輛發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。在VANET應(yīng)用中，通過安全信息的擴(kuò)散，可輕松解該問題。當(dāng)車輛駕駛員準(zhǔn)備變道超車并開啟轉(zhuǎn)向等時(shí)，轉(zhuǎn)向超車信息被包含在安全信息中擴(kuò)散到前方迎面相向的車輛中，前方車輛收到該信息后立刻返回碰撞危險(xiǎn)警告，使駕駛員停止變道行為。這種場景同樣也適用于彎道超車預(yù)警。通過簡單的開啟轉(zhuǎn)向燈，即可預(yù)知潛在危險(xiǎn)，從而起到了輔助駕駛的作用，為駕駛?cè)藛T提供了更加安全便捷的駕馭驗(yàn)。

(3)交叉路口預(yù)警

當(dāng)車輛行駛到交叉路口時(shí)，往往由于視距的遮擋導(dǎo)致駕駛員不能準(zhǔn)確的判斷周圍環(huán)境狀況。同時(shí)，建筑物的遮擋也影響了車輛間安全信息的交換。如圖3所示，車車協(xié)同技術(shù)可通過路測設(shè)備RSU或中間車輛OBU的轉(zhuǎn)發(fā)功能完成該場景下的車輛間安全信息交換，使相互不可視的車輛之間變得“可視”，在車載終端的UI上，車輛節(jié)點(diǎn)之間就像沒有遮擋一樣。

(4)緊急車輛讓行

旨在模擬110、119、120等特殊車輛在行駛時(shí)需要獲得高優(yōu)先級(jí)別的行駛權(quán)限。這些車輛在參與爭分奪秒的緊急救援任務(wù)時(shí)，通過啟動(dòng)警笛向周圍車輛告知其緊急程度。這種方式的缺點(diǎn)是周圍車輛的駕駛?cè)藛T并不能準(zhǔn)確確定緊急車輛的位置，也就無法做出統(tǒng)一的讓行行為，導(dǎo)致許多車輛不自覺的影響了緊急車輛的前行，耽誤了寶貴的救援時(shí)間。

車聯(lián)網(wǎng)推廣后，上述情形可避免發(fā)生。在車車協(xié)同應(yīng)用場景下，當(dāng)緊急車輛在出勤時(shí)，只要啟動(dòng)“緊急救援”標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)被寫入到車輛擴(kuò)散的安全信息中，當(dāng)周圍的車輛接收到這類安全信息時(shí)，緊急救援信息將被呈現(xiàn)到車載智能終端中，使普通車輛的駕駛?cè)藛T主動(dòng)做出統(tǒng)一的讓行行為，為緊急車輛開辟先行綠色通道。

(5)車輛自動(dòng)跟車應(yīng)用

車輛自動(dòng)跟隨主要應(yīng)用于車流行駛速度低于50公里/小時(shí)的情況下，使車輛自動(dòng)跟隨前方車輛行進(jìn)，是一種基本無需駕駛員干預(yù)的車輛自動(dòng)控制轉(zhuǎn)向、加速和(或)制動(dòng)為特點(diǎn)的半自動(dòng)駕駛技術(shù)。通過分析處理與前后車輛之間交換的安全信息，汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)自動(dòng)保持與前車之間的適當(dāng)距離，同時(shí)保持對(duì)轉(zhuǎn)向的控制，從而令駕駛變得更加安全、舒適。

2、車路協(xié)同應(yīng)用

安裝于路邊的RSU通過廣播方式，向路過車輛推送區(qū)域性的交通服務(wù)信息。主要包括：天氣狀況、實(shí)時(shí)路況、突發(fā)事件、管制信息、服務(wù)設(shè)施等。這些交通服務(wù)信息最終結(jié)合車載智能終端向駕乘人員呈現(xiàn)，結(jié)合模擬真實(shí)的3D曲面地圖應(yīng)用，車輛將作出準(zhǔn)確智能化的路徑規(guī)劃，提高人類出行效率。

(1)智能停車管理

在大型商業(yè)圈、寫字樓等區(qū)域停車位眾多，由于停車管理卻存在著效率低下的問題，車主往往很難及時(shí)找到車位。這是因?yàn)橐话愕耐＼噲鲋皇翘崾救杂卸嗌倏哲囄唬]有辦法向駕駛?cè)藛T提供更多的引導(dǎo)信息。車路協(xié)同技術(shù)通過路測RSU向車載終端推送具體到車位的停車引導(dǎo)信息，以圖片或動(dòng)畫的呈現(xiàn)方式，完成停車誘導(dǎo)。在車輛離開時(shí)，以同樣的方式向車主推送停車電子賬單，并完成收費(fèi)功能。這種停車管理方式可有效提高區(qū)域泊車位利用率，節(jié)約人工成本，并減少環(huán)境污染。

(2)ETC應(yīng)用

當(dāng)前國內(nèi)ETC應(yīng)用存在功能單一、兼容性差、用戶參與度低等問題。主要的問題在與OBU功能過于單一且未能與車載智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。車聯(lián)網(wǎng)ETC模式下OBU將扮演“車內(nèi)路由器”的角色，其將不僅可完成高速收費(fèi)、停車場收費(fèi)、路邊停車收費(fèi)等收費(fèi)應(yīng)用，而且可提供有線、無線接入的功能。通過無線與車載終端、個(gè)人終端完成數(shù)據(jù)共享。終端上只需要安裝一個(gè)應(yīng)用程序即可完成充值、查詢、繳費(fèi)、接收賬單等有用戶體驗(yàn)的功能。

(3)電子車牌

當(dāng)前電子車牌(ElectronicVehicleIdentification，EVI)用于自動(dòng)化交通管理，功能單一，未來趨勢將是OBU包含EVI功能，實(shí)現(xiàn)車輛的快速通關(guān)、貨物監(jiān)控以及超載限制監(jiān)控等自動(dòng)化交通管理。

三、結(jié)語

本文探討的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于WAVE的VANET無線短程通信技術(shù)，與基于公網(wǎng)GPRS(或3G/4G)的汽車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)有著本質(zhì)的區(qū)別。受篇幅的限制，僅分析探討了車車協(xié)同及車路協(xié)同幾個(gè)典型的應(yīng)用場景。車聯(lián)網(wǎng)的核心成員由車內(nèi)的OBU及路邊的RSU構(gòu)成，安全應(yīng)用是其核心業(yè)務(wù)，信息服務(wù)作為輔助業(yè)務(wù)。OBU作為“車內(nèi)路由器”，向外可連接其他OBU及RSU，完成車車協(xié)同、車路協(xié)同等應(yīng)用;向內(nèi)連接汽車CAN總線，完成傳感器與控制信息的數(shù)據(jù)采集，為自動(dòng)駕駛技術(shù)提供基礎(chǔ)，同時(shí)與車載終端及個(gè)人終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，完成用戶體驗(yàn)。未來行車記錄、電子車牌、電子收費(fèi)、停車管理等功能都將整合到OBU中。RSU扮演路邊AP角色，可同時(shí)為多個(gè)OBU提供服務(wù)，同時(shí)可通過無線或者有線方式連接Internet。

當(dāng)前國內(nèi)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的研究仍處于萌芽階段，存在著車聯(lián)網(wǎng)概念混淆、標(biāo)準(zhǔn)缺失、商業(yè)模式不清晰等諸多問題。同時(shí)，車聯(lián)網(wǎng)又具有巨大的市場應(yīng)用前景，對(duì)于國內(nèi)相關(guān)企業(yè)來說，面臨著一個(gè)巨大的發(fā)展機(jī)遇。比如，車車協(xié)同模式下高精度、高頻率的車輛定位方案;車路協(xié)同結(jié)合云計(jì)算實(shí)現(xiàn)停車收費(fèi)、交通服務(wù)及監(jiān)控管理的實(shí)施方案;具備車聯(lián)網(wǎng)管理、軟件服務(wù)的新型智能車載終端;國內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定及商業(yè)模式的創(chuàng)新等。

總之，車聯(lián)網(wǎng)使車輛由單一的運(yùn)輸工具拓展為一個(gè)高效的、移動(dòng)的信息共享和發(fā)現(xiàn)平臺(tái)，使車輛更加智能化和自動(dòng)化，在提高了行車安全的同時(shí)也為各種豐富的擴(kuò)展應(yīng)用提供了平臺(tái)支撐。