物聯(lián)網和下一代ITS中的關鍵技術——車載通信系統(tǒng)
作者:RFID世界網 收編
來源:物聯(lián)網產業(yè)
日期:2011-04-18 10:33:38
摘要:智能交通以交通需求為導向,以信息技術為手段,通過全面提升交通安全、效率和服務品質為目的,充分利用交通的、空間的、時間的和移動的資源,形成人車路協(xié)同發(fā)展的新交通系統(tǒng)。
智能交通以交通需求為導向,以信息技術為手段,通過全面提升交通安全、效率和服務品質為目的,充分利用交通的、空間的、時間的和移動的資源,形成人車路協(xié)同發(fā)展的新交通系統(tǒng)。
在“九五”、“十五”、“十一五”國家科技攻關計劃關于智能交通項目實施基礎上,在城市道路交通方面,北京實施了‘科技奧運’智能交通應用試點示范工程,廣州、中山、深圳、上海、天津、重慶、濟南、青島、杭州等作為智能交通系統(tǒng)示范城市也各自進行了有益的嘗試;在高速公路方面,我國內地大多數(shù)省區(qū)實現(xiàn)了省區(qū)內不同范圍的收費系統(tǒng)聯(lián)網。同時,一批涉及城市和城間道路交通管理的智能交通關鍵技術及共性技術研究以及車載信息裝置、交通信息采集設備、車輛安全輔助駕駛、專用短程通訊設備以及RFID技術等都進行了不同程度的開發(fā)和應用。
盡管我國的ITS研發(fā)和應用取得了很大的進展,但是目前仍有不少改進的空間。例如,大部分系統(tǒng)都是單一的系統(tǒng),在實際運行中總是各自為政,彼此缺乏溝通意識和協(xié)作機制,造成了大量功能和數(shù)據(jù)被閑置,導致了ITS的智能化程度無法進一步深入。另外,交通系統(tǒng)作為一個由人、車、路三者共同組成的大系統(tǒng),三者之間的溝通發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著信息技術尤其是無線通信技術的發(fā)展,如何利用信息技術和ITS的研究成果,形成以人為本、車路互通的交通傳感網絡,進一步改善城市交通的管理和服務水平是目前一個迫切需要研究的問題。
在如何進一步發(fā)展ITS應用的問題上,世界各國不約而同的將注意力集中在車載通信系統(tǒng)上。所謂車載通信系統(tǒng),是在智能交通系統(tǒng)、傳感器網絡技術發(fā)展基礎上,在車輛上應用先進的無線通信技術,實現(xiàn)交通高度信息化、智能化的手段。通過發(fā)展車載通信系統(tǒng),可以有效的填補交通系統(tǒng)中車輛缺乏溝通能力的空白,從而實現(xiàn)車輛對道路環(huán)境的感知,以及行人和控制中心對車輛運行狀態(tài)的感知,這個發(fā)展方向與目前炙手可熱的物聯(lián)網概念不謀而合,正是物聯(lián)網與道路交通結合的具體表現(xiàn)。開展車載通信系統(tǒng)的研究和開發(fā),是當前ITS領域研究的前沿熱點,將促進下一代ITS的發(fā)展,對改善交通和提高行車安全、實現(xiàn)節(jié)能減排、帶動產業(yè)發(fā)展都有著重大的推動作用。2.國內外研究現(xiàn)狀
近幾年來,歐美、日本等發(fā)達國家陸續(xù)將大量人力物力投入到車載通信和下一代ITS的相關研發(fā)中。
歐盟和歐洲各國政府極為重視汽車安全和智能交通,資助了多項關于道路駕駛安全的研究項目。這些項目大部分都建立在車載通信的基礎上,包括為駕駛者提供安全輔助信息的SAFESPOT[1],研究道路監(jiān)測設備網絡信息提供的COOPERS[2],以解決無線自組網信息安全問題為主的SeVeCom[3],和專注于駕駛安全技術集成的PREvent[4]等等;類似的項目還有GST[5]、FleetNet[6]、NetworkonWeels[7]、CarTalk2000[8]等。歐盟以及汽車制造業(yè)代表還成立了相應的組織,以解決車載通信的研發(fā)和部署中所遇到的相關問題。
美國由政府交通部發(fā)起,多個州的交通部門和汽車及通信產業(yè)機構共同參與的IntelliDrive[9]研究計劃,其前身為VehicleInfrastructureIntegration(即車路一體化)項目,研究內容主要涵蓋了車載通信及其安全應用等方面,為美國實施下一代ITS的重要戰(zhàn)略目標打下了基礎。除了此外,也開展了其他相關課題的研究,例如馬里蘭大學的基于車輛自組網的交通監(jiān)控設備TrafficView[10],利用移動自組網絡和車輛間通信技術,將車載通信平臺作為交通信息的采集手段和發(fā)布媒介;在此基礎上,又構建了StreetSmart的交通堵塞發(fā)現(xiàn)與信息發(fā)布系統(tǒng)[11]。
日本在98年左右,就建成了基于UMTS系統(tǒng)的VICS(車輛信息通信系統(tǒng))服務,這項服務由政府免費提供,市民只需要支付導航器的費用,就可以享受到無償?shù)慕煌ㄐ畔⒎?。目前,日本政府以及相關產業(yè)正著手研發(fā)下一代的智能交通系統(tǒng)SMARTWAY[12],計劃用5年的時間在重要道路上覆蓋路況認知傳感器,構建智能汽車系統(tǒng)、智能道路系統(tǒng)、車路間協(xié)調系統(tǒng),并通過光纖網絡與互聯(lián)網連通,實現(xiàn)交通信息的實時發(fā)布。
我國現(xiàn)在已有一部分高校和研究機構開展了相關的研究,例如,國家科技攻關專題“智能公路技術跟蹤”,國家863課題“智能道路系統(tǒng)信息結構及環(huán)境感知與重構技術研究”、“基于車路協(xié)調的道路智能標識與感知技術研究”等,在車載通信方面也已有一些研究[13]。然而,與國外相比,我國目前的研究仍處于較初級的階段,大部分研究都較為零散而交叉,所需要完成的工作還比較多;啟動相關的科研攻關計劃,并配以一定的政策引導,對該ITS領域的發(fā)展有著重要的意義。3.主要研究內容及關鍵技術
作為一項涉及到多門學科的技術,車載通信具有相當豐富的研究內容,既需要信息通訊技術的背景知識,也要求研究者對城市交通尤其是微觀交通特性有充分的了解。在構建基于智能數(shù)據(jù)處理和車載通信的車路協(xié)同技術框架基礎上,目前,車載通信研究的熱點以及所需解決的問題主要集中在以下幾個方面:
車用傳感技術汽車傳感器是交通物聯(lián)化的基礎,是車輛感知自身運行狀態(tài)的重要信息源,包括駕駛操控狀態(tài)、運行環(huán)境和異常狀況等信息都需要通過它們來采集。車用傳感技術目前正處于高速發(fā)展階段,磁敏、氣敏、力敏、熱敏、光電、激光等各種傳感器層出不窮,一輛新出廠的家用轎車將安裝接近上百個傳感器。這些傳感技術都源于國外,要發(fā)展我國自主的車用傳感器研發(fā)和制造事業(yè),還需要大量科研和生產經驗的積累。
車輛自組網VANET車與車通信是車載通信系統(tǒng)中的一項重要技術,通過交換運行狀態(tài)信息,可以構建包括駕駛安全信息等多方面的應用服務。目前車車通信的難點集中在無線網絡的實現(xiàn)上,研究人員在參考了通信領域中移動自組網(MANET)的基礎上,提出了車輛自組網VANET的概念。但是,作為具有高速移動性的對象,車輛給VANET的設計帶來了許多挑戰(zhàn),結合現(xiàn)實中車輛運行的軌跡,分析各種設計思想對組網的影響,是目前該領域的研究趨勢。
車路通信除車車通信外,車路通信也是車載通信系統(tǒng)的重要研究內容。車路通信是交通環(huán)境中人車路三個系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要環(huán)節(jié):車輛將運行數(shù)據(jù)提交到道路監(jiān)測網絡,進而作為動態(tài)交通信息上傳到指揮中心,又通過指揮中心和附近車輛發(fā)布的信息,獲得駕駛安全、道路和停車場使用狀況的實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)車與路的一體化;另外,指揮中心可以將有用的車輛信息公布到互聯(lián)網上,以便行人通過手持設備進行查詢。以車車通信與車路通信為代表的互聯(lián)化將給現(xiàn)有的城市交通運行帶來嶄新的面貌。
智能數(shù)據(jù)處理車載通信系統(tǒng)通過交通的物聯(lián)化和互聯(lián)化,構建智能交通處理平臺,對路網交通均衡與個體車輛路徑進行分配,并對行車安全進行快速預警,為居民出行帶來巨大的便利,但是道路上不斷更新的信息和決策也給交通處理平臺處理能力提出了新的挑戰(zhàn)。如何迅速的處理海量交通數(shù)據(jù)并實時的提供智能控制和決策支持,是亟待解決的一個問題,而采取先進的計算手段,包括云計算、數(shù)據(jù)挖掘和模式識別等等,是目前解決這一問題的必然趨勢。結合智能化計算方法分析車載通信系統(tǒng)中的信息處理問題,也是相關研究的重點。4.政策確立和實施戰(zhàn)略
車載通信系統(tǒng)對物聯(lián)網和下一代ITS的部署有著重要的戰(zhàn)略意義,它涉及多種技術的應用和集成,需漸進的研發(fā)和產業(yè)化過程;也涉及多個國家業(yè)務部門的管理業(yè)務。因此,國家應從技術研發(fā)、系統(tǒng)的應用、產業(yè)化以及工程建設等方面對車載通信技術給予資金的持續(xù)支持,與此同時,國家層面需要出臺相關支持車載通信技術應用和產業(yè)化的政策。除此以外,為了加速和規(guī)范化車載通信未來十年的發(fā)展,可以針對兩個方面制定相應的發(fā)展戰(zhàn)略:
1)示范工程
車載通信系統(tǒng)的部署是一個漸進式的過程,有智能交通信息系統(tǒng)和道路配套設施以及城市居民的認同都必不可少,因此示范工程的開展是十分必要的,可以在“十五”攻關的智能交通系統(tǒng)示范城市中選擇作為示范工程城市。除此之外,示范路的試驗作用也對研發(fā)階段的車載通信項目有著重要的意義,例如,美國的IntelliDrive在舊金山和底特律,歐盟的SAFESPOT項目在歐洲多個國家都開展了相應的示范工程。要順利的部署車載通信系統(tǒng),并與現(xiàn)有的ITS無縫結合,可以在我國已具備ITS應用基礎的城市中選擇示范路或者示范車型作為工程應用的示例,并總結在試運行階段的經驗和問題,使同類系統(tǒng)得到改進和更大規(guī)模的普及。
2)與無線城市項目的結合
無線城市是近些年新出現(xiàn)的一個概念,以覆蓋整個城市的無線網絡為居民提供接入服務,我國已有包括北京、上海、廣州和深圳等城市已經明確了無線城市的建設計劃。將車載通信網絡的部署與無線城市的建設結合起來,實現(xiàn)無線接入點的功能復用,一方面能夠大大減少兩項建設的資金投入,另一方面也能大大豐富無線城市的服務內涵,從而建立一套以城市公共服務為主要應用的信息調度平臺。
在“九五”、“十五”、“十一五”國家科技攻關計劃關于智能交通項目實施基礎上,在城市道路交通方面,北京實施了‘科技奧運’智能交通應用試點示范工程,廣州、中山、深圳、上海、天津、重慶、濟南、青島、杭州等作為智能交通系統(tǒng)示范城市也各自進行了有益的嘗試;在高速公路方面,我國內地大多數(shù)省區(qū)實現(xiàn)了省區(qū)內不同范圍的收費系統(tǒng)聯(lián)網。同時,一批涉及城市和城間道路交通管理的智能交通關鍵技術及共性技術研究以及車載信息裝置、交通信息采集設備、車輛安全輔助駕駛、專用短程通訊設備以及RFID技術等都進行了不同程度的開發(fā)和應用。
盡管我國的ITS研發(fā)和應用取得了很大的進展,但是目前仍有不少改進的空間。例如,大部分系統(tǒng)都是單一的系統(tǒng),在實際運行中總是各自為政,彼此缺乏溝通意識和協(xié)作機制,造成了大量功能和數(shù)據(jù)被閑置,導致了ITS的智能化程度無法進一步深入。另外,交通系統(tǒng)作為一個由人、車、路三者共同組成的大系統(tǒng),三者之間的溝通發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著信息技術尤其是無線通信技術的發(fā)展,如何利用信息技術和ITS的研究成果,形成以人為本、車路互通的交通傳感網絡,進一步改善城市交通的管理和服務水平是目前一個迫切需要研究的問題。
在如何進一步發(fā)展ITS應用的問題上,世界各國不約而同的將注意力集中在車載通信系統(tǒng)上。所謂車載通信系統(tǒng),是在智能交通系統(tǒng)、傳感器網絡技術發(fā)展基礎上,在車輛上應用先進的無線通信技術,實現(xiàn)交通高度信息化、智能化的手段。通過發(fā)展車載通信系統(tǒng),可以有效的填補交通系統(tǒng)中車輛缺乏溝通能力的空白,從而實現(xiàn)車輛對道路環(huán)境的感知,以及行人和控制中心對車輛運行狀態(tài)的感知,這個發(fā)展方向與目前炙手可熱的物聯(lián)網概念不謀而合,正是物聯(lián)網與道路交通結合的具體表現(xiàn)。開展車載通信系統(tǒng)的研究和開發(fā),是當前ITS領域研究的前沿熱點,將促進下一代ITS的發(fā)展,對改善交通和提高行車安全、實現(xiàn)節(jié)能減排、帶動產業(yè)發(fā)展都有著重大的推動作用。2.國內外研究現(xiàn)狀
近幾年來,歐美、日本等發(fā)達國家陸續(xù)將大量人力物力投入到車載通信和下一代ITS的相關研發(fā)中。
歐盟和歐洲各國政府極為重視汽車安全和智能交通,資助了多項關于道路駕駛安全的研究項目。這些項目大部分都建立在車載通信的基礎上,包括為駕駛者提供安全輔助信息的SAFESPOT[1],研究道路監(jiān)測設備網絡信息提供的COOPERS[2],以解決無線自組網信息安全問題為主的SeVeCom[3],和專注于駕駛安全技術集成的PREvent[4]等等;類似的項目還有GST[5]、FleetNet[6]、NetworkonWeels[7]、CarTalk2000[8]等。歐盟以及汽車制造業(yè)代表還成立了相應的組織,以解決車載通信的研發(fā)和部署中所遇到的相關問題。
美國由政府交通部發(fā)起,多個州的交通部門和汽車及通信產業(yè)機構共同參與的IntelliDrive[9]研究計劃,其前身為VehicleInfrastructureIntegration(即車路一體化)項目,研究內容主要涵蓋了車載通信及其安全應用等方面,為美國實施下一代ITS的重要戰(zhàn)略目標打下了基礎。除了此外,也開展了其他相關課題的研究,例如馬里蘭大學的基于車輛自組網的交通監(jiān)控設備TrafficView[10],利用移動自組網絡和車輛間通信技術,將車載通信平臺作為交通信息的采集手段和發(fā)布媒介;在此基礎上,又構建了StreetSmart的交通堵塞發(fā)現(xiàn)與信息發(fā)布系統(tǒng)[11]。
日本在98年左右,就建成了基于UMTS系統(tǒng)的VICS(車輛信息通信系統(tǒng))服務,這項服務由政府免費提供,市民只需要支付導航器的費用,就可以享受到無償?shù)慕煌ㄐ畔⒎?。目前,日本政府以及相關產業(yè)正著手研發(fā)下一代的智能交通系統(tǒng)SMARTWAY[12],計劃用5年的時間在重要道路上覆蓋路況認知傳感器,構建智能汽車系統(tǒng)、智能道路系統(tǒng)、車路間協(xié)調系統(tǒng),并通過光纖網絡與互聯(lián)網連通,實現(xiàn)交通信息的實時發(fā)布。
我國現(xiàn)在已有一部分高校和研究機構開展了相關的研究,例如,國家科技攻關專題“智能公路技術跟蹤”,國家863課題“智能道路系統(tǒng)信息結構及環(huán)境感知與重構技術研究”、“基于車路協(xié)調的道路智能標識與感知技術研究”等,在車載通信方面也已有一些研究[13]。然而,與國外相比,我國目前的研究仍處于較初級的階段,大部分研究都較為零散而交叉,所需要完成的工作還比較多;啟動相關的科研攻關計劃,并配以一定的政策引導,對該ITS領域的發(fā)展有著重要的意義。3.主要研究內容及關鍵技術
作為一項涉及到多門學科的技術,車載通信具有相當豐富的研究內容,既需要信息通訊技術的背景知識,也要求研究者對城市交通尤其是微觀交通特性有充分的了解。在構建基于智能數(shù)據(jù)處理和車載通信的車路協(xié)同技術框架基礎上,目前,車載通信研究的熱點以及所需解決的問題主要集中在以下幾個方面:
車用傳感技術汽車傳感器是交通物聯(lián)化的基礎,是車輛感知自身運行狀態(tài)的重要信息源,包括駕駛操控狀態(tài)、運行環(huán)境和異常狀況等信息都需要通過它們來采集。車用傳感技術目前正處于高速發(fā)展階段,磁敏、氣敏、力敏、熱敏、光電、激光等各種傳感器層出不窮,一輛新出廠的家用轎車將安裝接近上百個傳感器。這些傳感技術都源于國外,要發(fā)展我國自主的車用傳感器研發(fā)和制造事業(yè),還需要大量科研和生產經驗的積累。
車輛自組網VANET車與車通信是車載通信系統(tǒng)中的一項重要技術,通過交換運行狀態(tài)信息,可以構建包括駕駛安全信息等多方面的應用服務。目前車車通信的難點集中在無線網絡的實現(xiàn)上,研究人員在參考了通信領域中移動自組網(MANET)的基礎上,提出了車輛自組網VANET的概念。但是,作為具有高速移動性的對象,車輛給VANET的設計帶來了許多挑戰(zhàn),結合現(xiàn)實中車輛運行的軌跡,分析各種設計思想對組網的影響,是目前該領域的研究趨勢。
車路通信除車車通信外,車路通信也是車載通信系統(tǒng)的重要研究內容。車路通信是交通環(huán)境中人車路三個系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要環(huán)節(jié):車輛將運行數(shù)據(jù)提交到道路監(jiān)測網絡,進而作為動態(tài)交通信息上傳到指揮中心,又通過指揮中心和附近車輛發(fā)布的信息,獲得駕駛安全、道路和停車場使用狀況的實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)車與路的一體化;另外,指揮中心可以將有用的車輛信息公布到互聯(lián)網上,以便行人通過手持設備進行查詢。以車車通信與車路通信為代表的互聯(lián)化將給現(xiàn)有的城市交通運行帶來嶄新的面貌。
智能數(shù)據(jù)處理車載通信系統(tǒng)通過交通的物聯(lián)化和互聯(lián)化,構建智能交通處理平臺,對路網交通均衡與個體車輛路徑進行分配,并對行車安全進行快速預警,為居民出行帶來巨大的便利,但是道路上不斷更新的信息和決策也給交通處理平臺處理能力提出了新的挑戰(zhàn)。如何迅速的處理海量交通數(shù)據(jù)并實時的提供智能控制和決策支持,是亟待解決的一個問題,而采取先進的計算手段,包括云計算、數(shù)據(jù)挖掘和模式識別等等,是目前解決這一問題的必然趨勢。結合智能化計算方法分析車載通信系統(tǒng)中的信息處理問題,也是相關研究的重點。4.政策確立和實施戰(zhàn)略
車載通信系統(tǒng)對物聯(lián)網和下一代ITS的部署有著重要的戰(zhàn)略意義,它涉及多種技術的應用和集成,需漸進的研發(fā)和產業(yè)化過程;也涉及多個國家業(yè)務部門的管理業(yè)務。因此,國家應從技術研發(fā)、系統(tǒng)的應用、產業(yè)化以及工程建設等方面對車載通信技術給予資金的持續(xù)支持,與此同時,國家層面需要出臺相關支持車載通信技術應用和產業(yè)化的政策。除此以外,為了加速和規(guī)范化車載通信未來十年的發(fā)展,可以針對兩個方面制定相應的發(fā)展戰(zhàn)略:
1)示范工程
車載通信系統(tǒng)的部署是一個漸進式的過程,有智能交通信息系統(tǒng)和道路配套設施以及城市居民的認同都必不可少,因此示范工程的開展是十分必要的,可以在“十五”攻關的智能交通系統(tǒng)示范城市中選擇作為示范工程城市。除此之外,示范路的試驗作用也對研發(fā)階段的車載通信項目有著重要的意義,例如,美國的IntelliDrive在舊金山和底特律,歐盟的SAFESPOT項目在歐洲多個國家都開展了相應的示范工程。要順利的部署車載通信系統(tǒng),并與現(xiàn)有的ITS無縫結合,可以在我國已具備ITS應用基礎的城市中選擇示范路或者示范車型作為工程應用的示例,并總結在試運行階段的經驗和問題,使同類系統(tǒng)得到改進和更大規(guī)模的普及。
2)與無線城市項目的結合
無線城市是近些年新出現(xiàn)的一個概念,以覆蓋整個城市的無線網絡為居民提供接入服務,我國已有包括北京、上海、廣州和深圳等城市已經明確了無線城市的建設計劃。將車載通信網絡的部署與無線城市的建設結合起來,實現(xiàn)無線接入點的功能復用,一方面能夠大大減少兩項建設的資金投入,另一方面也能大大豐富無線城市的服務內涵,從而建立一套以城市公共服務為主要應用的信息調度平臺。