基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧交通系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉士珺，趙彥杰/Liu Shijun，Zhao Yanjie

（中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120）

1 引言

2015年的前8個月，國內(nèi)汽車銷售量近1 200萬輛，同比增長超過39%。中國汽車工業(yè)協(xié)會預(yù)計，2015年中國汽車銷售量將達1700萬輛，這意味著中國新車銷量將達到美國歷史上的最高水平。隨著汽車熱潮的不斷升溫，汽車行業(yè)將以更大步伐向著更智能、更安全和更環(huán)保的方向發(fā)展。

美國于1998年提出了 ITS（Intelligent Traffic System，智慧交通系統(tǒng)）的概念，主旨是預(yù)防交通事故，包括追尾警告、偏離車道警告、瞌睡提醒等[1]。近年又陸續(xù)通過車載傳感器、車路和車車通信，實現(xiàn)了駕駛的輔助控制。

為了推進智慧城市建設(shè)，加快實現(xiàn)“創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型發(fā)展”，依據(jù)《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》和《國民經(jīng)濟和社會信息化“十二五”規(guī)劃》，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展與改革委員會等八部委聯(lián)合起草了《關(guān)于促進我國智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》。《關(guān)于促進我國智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》在“夯實基礎(chǔ)、分步推進、突出重點、聚焦項目”等原則下，制定了未來3年我國信息化的詳細建設(shè)任務(wù)，其中，車聯(lián)網(wǎng)與云計算、物聯(lián)網(wǎng)等一起被明確列為“圍繞構(gòu)建創(chuàng)新活躍的新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系”的八大重點專項任務(wù)。

國家強制規(guī)定新能源汽車必須提供遠程監(jiān)控功能，因此，各車廠在新能源系列車型的開發(fā)中，對車輛聯(lián)網(wǎng)、遠程診斷及運營維護方面有強烈的需求。

運營商長期合作的汽車服務(wù)主要面向前裝汽車用戶，而在占有絕大部分市場份額（90%以上）、市場分散度高且需求個性化突出的后裝汽車市場中，運營商市場尚未推出相應(yīng)的汽車服務(wù)產(chǎn)品。在此現(xiàn)狀下，需要借助運營商強大的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)資源，形成一套基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧交通系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)滿足智慧城市規(guī)劃中關(guān)于交通智能化的需求。

2 智慧交通系統(tǒng)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參照交通運輸管理部門、政府其他管理部門的管理要求，以公眾、企業(yè)的交通出行和內(nèi)部管理需求為導(dǎo)向，參考相關(guān)服務(wù)企業(yè)的服務(wù)能力，借助移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、光網(wǎng)絡(luò)等通信和信息技術(shù)手段，對各項關(guān)鍵交通信息進行傳感、傳送、處理、發(fā)布，從而達到對公眾出行、交通安全、指揮調(diào)度、交通管理、緊急救援、應(yīng)急聯(lián)動的各種需求做出智能響應(yīng)與支撐的目的，構(gòu)建交通發(fā)展的智慧環(huán)境，形成人、車、路和諧發(fā)展的全新形態(tài)。

面對紛繁復(fù)雜的應(yīng)用和多變的用戶需求，車聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)基于云計算架構(gòu)理念設(shè)計，以滿足各類需求為出發(fā)點的功能性模塊進行拼裝，支持在基礎(chǔ)設(shè)施、平臺、軟件以及運營支撐等層面，以虛擬化的服務(wù)能力實現(xiàn)多租戶行業(yè)應(yīng)用，其體系架構(gòu)如圖1所示。

對于公共的服務(wù)能力，如運營支撐、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、外部接口等，在平臺層面運用共享數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用虛擬化概念，通過切割數(shù)據(jù)庫、存儲區(qū)、結(jié)構(gòu)描述或表格來隔離租戶的數(shù)據(jù)，讓租戶工作在不同的數(shù)據(jù)環(huán)境中。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為以下4個主要模塊。

（1）核心應(yīng)用模塊

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)核心應(yīng)用模塊包括安防服務(wù)、遠程監(jiān)控、遠程診斷、車輛調(diào)度以及車輛檔案功能。安防服務(wù)主要包括碰撞自動求助、緊急呼叫、遠程救援、遠程診斷等功能，并考慮安全氣囊爆開自動呼叫服務(wù)、被盜車輛定位等實現(xiàn)的可能性；遠程監(jiān)控主要包括車輛追蹤、遠程狀態(tài)查詢等功能；遠程診斷主要包括車輛遠程診斷、車輛運行參數(shù)監(jiān)控等功能；車輛調(diào)度通過多種方式選擇車輛，并向車輛下發(fā)調(diào)度信息；車輛檔案根據(jù)車輛運行狀況、維修保養(yǎng)情況等歷史信息，形成車輛健康檔案，并提供分析和預(yù)警。

（2）增值應(yīng)用模塊

對于接入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的車輛，應(yīng)具備遠端控制功能?？照{(diào)遠程開啟：用戶通過手機可執(zhí)行遠程空調(diào)開啟操作；車門遠程控制：用戶通過手機可執(zhí)行遠程車門開關(guān)操作；車窗遠程控制：用戶通過手機可執(zhí)行遠程車窗開關(guān)操作；車輛追蹤：后臺追蹤車輛位置、狀態(tài)，語音告知用戶或短信回復(fù)用戶；遠程狀態(tài)查詢：用戶通過手機、PC等終端遠程查詢車輛狀態(tài)、位置。

（3）信息娛樂模塊

互聯(lián)網(wǎng)信息搜索：用戶直接在車內(nèi)瀏覽互聯(lián)網(wǎng)信息；信息服務(wù)：用戶直接在車內(nèi)選擇需要的信息（天氣、股票、新聞等）；藍牙車載免提：允許用戶接入個人手機，實現(xiàn)個人通信功能；語音識別：通過直接識別自然語言，提高客戶在車內(nèi)的使用體驗。

圖1 智慧交通系統(tǒng)架構(gòu)

（4）呼叫中心模塊

車聯(lián)網(wǎng)用戶與車聯(lián)網(wǎng)支撐系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的統(tǒng)一窗口，通過呼叫中心系統(tǒng)提供的全天候能力，車聯(lián)網(wǎng)的每個用戶都能在最短時間內(nèi)尋求到幫助。

3 智慧交通系統(tǒng)虛擬化設(shè)計

智慧交通系統(tǒng)所接入的車載設(shè)備上報的數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計關(guān)聯(lián)性強。例如，油耗分析應(yīng)用就需要通過車載終端采集、上報大量數(shù)據(jù)。對于這些海量數(shù)據(jù)的存儲分析，使用分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)非常適合。在分布式數(shù)據(jù)處理方面需要滿足：大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲能力；高性能數(shù)據(jù)分布式處理；數(shù)據(jù)存儲的可靠性；擴展性好，支持大規(guī)模集群。系統(tǒng)利用不同層面的云技術(shù)，為不同租戶虛擬出各自定制化的虛擬應(yīng)用實例。對于應(yīng)用層面的公共服務(wù)能力要求，主要利用共享數(shù)據(jù)庫等技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)隔離，從而提供多租戶支持；對于租戶個性化的應(yīng)用需求，則通過計算、存儲設(shè)備的虛擬化技術(shù)，提供獨立的應(yīng)用服務(wù)實例；在網(wǎng)絡(luò)和接入層面，則利用接入、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)底層資源的多租戶分割能力。

由于智慧交通系統(tǒng)涉及車主、車廠、合作伙伴的隱私以及行車安全數(shù)據(jù)，因此對于車聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)安全需要進行特別關(guān)注。數(shù)據(jù)安全有對立的兩個方面的含義：一是數(shù)據(jù)本身的安全，主要是指采用現(xiàn)代密碼算法對數(shù)據(jù)進行主動保護，如數(shù)據(jù)完整性、雙向強身份認證等；二是數(shù)據(jù)防護的安全，主要是采用現(xiàn)代信息存儲手段對數(shù)據(jù)進行主動防護，如通過磁盤陣列、數(shù)據(jù)備份、異地容災(zāi)等，保證數(shù)據(jù)的安全。數(shù)據(jù)處理的安全是指如何有效地防止數(shù)據(jù)在錄入、處理、統(tǒng)計或打印中，由于硬件故障、斷電、死機、人為的誤操作、程序缺陷、病毒或黑客等造成的數(shù)據(jù)庫損壞或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，某些敏感或保密的數(shù)據(jù)可能被不具備資格的人員或操作員閱讀，而造成數(shù)據(jù)泄密等后果。對于多租戶模式下的車聯(lián)網(wǎng)用戶需求，通過不同層級的安全設(shè)備完成租戶間信息的安全分層，從虛擬化數(shù)據(jù)中心到虛擬化路由器均進行隔離，滿足智慧交通系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)安全需要。云計算的多租戶基礎(chǔ)架構(gòu)如圖2所示。

車聯(lián)網(wǎng)平臺是一個大規(guī)模、系統(tǒng)性的項目，需要接收、處理、存儲、查詢、分析信息，包括記錄型數(shù)據(jù)、圖片、音頻、視頻、文件等多種類型，考慮到處理的時效性、并發(fā)能力、規(guī)模容量、安全性、軟件成熟性、開發(fā)維護成本等方面的因素，針對不同的數(shù)據(jù)，采用不同的主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行適配，主要有以下3種方案。

圖2 智慧交通系統(tǒng)虛擬化架構(gòu)

（1）實時數(shù)據(jù)庫

由于安防服務(wù)中事件處理對時效性要求較高，選用基于內(nèi)存的實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)有助于解決這個問題，在選用具體數(shù)據(jù)庫時，需要考慮單位事件所需要處理事件的數(shù)量。對于實時性要求高的應(yīng)用，所承載的服務(wù)器一般需分配較大的內(nèi)存。

（2）持久化數(shù)據(jù)庫

對于系統(tǒng)中的車輛管理、車型管理、用戶管理、終端管理等數(shù)據(jù)，采用Oracle等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來維護這些數(shù)據(jù)實例。數(shù)據(jù)存儲于光纖通道的磁盤陣列，服務(wù)對文件進行操作時，把對文件的操作映射成對磁盤塊的操作，再把對磁盤塊的操作通過SAN執(zhí)行，最終附接到SAN的存儲設(shè)備，完成對存儲塊的操作[2]。

（3）文件級存儲

對于地圖等數(shù)據(jù)，采用NAS存儲。存儲設(shè)備通過并行電纜直接連接到NAS文件服務(wù)器，文件服務(wù)器負責(zé)管理存儲設(shè)備，給應(yīng)用服務(wù)器提供多個文件系統(tǒng)。應(yīng)用程序?qū)ξ募到y(tǒng)進行文件級操作，文件服務(wù)器把對文件的操作映射成對磁盤塊的操作。數(shù)據(jù)存儲選型比較見表1。

4 智慧交通系統(tǒng)流程設(shè)計

系統(tǒng)主要流程涉及故障救援服務(wù)、信息服務(wù)、車輛診斷服務(wù)、車輛控制服務(wù)、車輛保養(yǎng)預(yù)約。故障救援服務(wù)流程如圖3所示。

（1）故障救援服務(wù)

車輛發(fā)生故障，車主發(fā)起呼叫；車載終端發(fā)送車輛位置、車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)至車聯(lián)網(wǎng)平臺；車載終端與呼叫中心建立呼叫；呼叫中心請求用戶/車輛信息，并在呼叫中心坐席進行顯示；呼叫中心坐席與車主確認故障信息；若需要救援，呼叫中心坐席通過車聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送救援工單至車廠系統(tǒng)或外部救援機構(gòu)；呼叫中心坐席向車主詢問救援情況，獲取車廠系統(tǒng)或外部救援機構(gòu)的救援結(jié)果，并進行記錄。

表1 數(shù)據(jù)存儲選型比較

圖3 故障救援服務(wù)流程

（2）信息服務(wù)

車主發(fā)起呼叫；車載終端發(fā)送車輛位置等信息至車聯(lián)網(wǎng)平臺；車載終端與呼叫中心建立呼叫；呼叫中心請求用戶/車輛信息，并在呼叫中心坐席進行顯示；呼叫中心坐席與車主確認導(dǎo)航信息，并進行興趣點搜索或路徑規(guī)劃；呼叫中心坐席與車主斷開呼叫，并通過車聯(lián)網(wǎng)平臺向車載終端下發(fā)導(dǎo)航信息；車載終端進行導(dǎo)航。

（3）車輛診斷服務(wù)

車載終端上傳車輛診斷數(shù)據(jù)至車聯(lián)網(wǎng)平臺；車聯(lián)網(wǎng)平臺將車輛診斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至車廠診斷平臺或外部診斷平臺；車廠診斷平臺或外部診斷平臺進行數(shù)據(jù)分析，并返回診斷結(jié)果；車聯(lián)網(wǎng)平臺進行診斷結(jié)果存儲，并可通過呼叫中心坐席界面、手機客戶端、車主門戶進行展示。

（4）車輛控制服務(wù)

手機客戶端登錄車聯(lián)網(wǎng)平臺；用戶通過手機客戶端進行二次認證，并發(fā)起車輛控制請求至車聯(lián)網(wǎng)平臺；車聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)起車輛控制請求至車載終端；車載終端向車輛進行控制動作；車載終端向車聯(lián)網(wǎng)手機客戶端返回控制結(jié)果。

（5）車輛保養(yǎng)預(yù)約

手機客戶端登錄車聯(lián)網(wǎng)平臺；用戶通過手機客戶端進行二次認證，并發(fā)起車輛保養(yǎng)預(yù)約至車聯(lián)網(wǎng)平臺；車聯(lián)網(wǎng)平臺將車輛保養(yǎng)預(yù)約至售后管理系統(tǒng)；售后管理系統(tǒng)完成預(yù)約，并返回結(jié)果。

5 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為智慧交通的一個可選的實現(xiàn)方式，可提升城市的交通管理和服務(wù)水平，給車輛駕駛員和乘客帶來了良好的體驗。智慧交通系統(tǒng)根據(jù)“兩客一?！眹覙?biāo)準(zhǔn)，針對商用車輛運行安全監(jiān)管的需求及車輛特點，通過一系列有針對性的設(shè)計，為車輛的安全監(jiān)管提供了一個切實可行的方案?；谲嚶?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧交通系統(tǒng)，借助逐漸壯大的移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)出一套適用于城市快速部署的系統(tǒng)。同時，云計算架構(gòu)下的系統(tǒng)具有快速部署和低成本的優(yōu)勢。縱觀私家車市場，其車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還處于萌芽狀態(tài)，如何使車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)逐步推向個人市場是下階段研究的重要方向。

[1] 徐曉齊.車聯(lián)網(wǎng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[2] 張繼平.云存儲解析[M].北京：人民郵電出版社，2013.