硬件技术的支持是所有传感设备、计算设备、通信设备和控制设备的基本。基于物联网的特点,在硬件方面要求终端设备为嵌入式集成系统,要求在低功耗、低延迟、小型化、易安置、低成本等方面继续开发;而在服务器方面则要求逐步向高性能的集群机、云计算过渡;控制设备需要满足高精度、易操作、无差错等方面的要求。
软件与算法基于硬件之上,涉及到嵌入式操作系统和各类应用软件、控制软件。统一的语义体系是达到大规模实际应用的首要任务。良好的用户体验则要求有更身临其境的虚拟现实技术、可分布式可集中式的运作方式、延迟小的实时系统、可靠性高自适应调整能力强的软件。物联网的应用带来大规模的数据,如果地球上所有的物体都被标识,它们的所有属性信息都转变为数据在因特网中流通,那将给现有的网络在数据的管理与处理上带来许多新的挑战。比如大规模数据中心必须建立,数据在市场上的运行模式需要数据运营商来运作,针对物联网的搜索引擎将被开发。
物联网还未普及应用的一大原因还在于安全隐私保障。可以看到因特网上病毒肆虐,如果在涉及面更广的物联网上,在涉及利益更高的cps上,安全保障就显得更加急迫了。另一道普及的屏障是个人隐私问题。谁也不愿意把自身行为完全暴露出去,而物联网的目的又是把所有事物及其属性连入网中。这两点存在明显的矛盾,需要找到一个平衡点才能让物联网可以实际普及开来。以上关键技术需要相关研究和管理部门统一标准化,才能推动物联网真正发展和实际应用。而未来的车联网要大规模部署,实现网连城市智能交通的目的,还需要以下两类关键技术的保证。
1dsrc和vps技术。
目前在汽车定位、通信及收费领域应用较多的是dsrc(dedicated short range communication以及vps (vehicle positioning system技术。dsrc是一种微波技术,主要应用在电子道路收费方面;而vps则是一种gps+gsm技术,在汽车导航、求助及语音通信方面有着较广泛的应用。以上两种技术已经使用,较为成熟。
2适合车联网应用的无线通信技术。
车联网的关键技术是如何实现车与路、车与车之间的信息交换与互动,而在其中扮演主要角色的是无线通信技术。需要研究现有的多种无线技术中哪一种符合实时互动,以及兼容传统与未来车联网应用的要求。
4构建车联网方案
如何构建车联网,对于这个问题,不同的人可能给出不同的答案。下面介绍it商业新闻网提出的一个过渡型方案,通过分析这一个方案展示车联网部署中可能要面临的问题。
实现车联网,可以分两步走。
1实现车辆与道路基础设施之间的信息交换。
这是一个过渡型方案,需要兼容传统车辆,现有的交通信号(行车线、红绿灯、指示牌、速度限制等都应该被保留,因为这是新旧交通系统兼容所需要的基础和保障。将无线数字
传输模块植入到当前的道路交通信号系统中去,数字模块可向路经的汽车发放数字化交通灯号信息、指示信息、路况信息,并接受联网汽车的信息查询及导航请求,然后可将有关信息反馈给相关的联网汽车。将无线数字传输模块植入到联网汽车中去,令联网汽车可接收来自交通信号系统的数字化信息,并将信息于联网汽车内显示,同时还将信息与车内的自动/半自动驾驶系统相连接,作为汽车自动驾驶的控制信号。联网汽车的显示终端同时作为城市道路交通导航系统来使用,在这个车联网系统中,卫星导航将不再需要,因为导航信息直接来自具有更快、更新、更全面导航功能的数字化交通系统;联网汽车的数字传输模块包含有联网汽车的身份代码(id信息,即“数字车牌”信息,这是车联网对汽车进行通信、监测、收费及管理的依据。
2令行驶中的车辆互联互动。
联结路面行驶中的汽车是实现车联网的第二步。为了使联网汽车与传统汽车兼容,现有的汽车灯号系统(刹车灯、转向灯、危险信号灯都会获得保留,这也是新旧系
统兼容的基础及保障。将无线数字传输模块植入到联网汽车中去,数字模块可以向周边联网汽车提供数字化灯号信息及状态信息,并且数字化信息与其传统灯号信息是同步发送的。联网汽车中的无线数字传输模块可同步接收来自其他联网汽车的数字化信息并在汽车内进行显示,同时将信息与车内的自动/半自动驾驶系统相连及互动,为联网汽车的安全行驶提供依据。根据接收到的由其他联网汽车发送的数字信息,联网汽车便会知道周边联网汽车的状况,包括位置、距离、相对速度及加速度等,并在紧急刹车情况下,可令随后的联网汽车同步减速,有效防止汽车追尾事故的发生。联网汽车还可随时通过数字化网络与周边任意联网汽车进行通话。在有需要时,还可向附近的联网汽车进行广播,告知有关紧急情况。
5学术研究
关于物联网的国际学术会议影响力正逐渐增强,各国研究基金的支持规模不断加大。然而处于探索的初期,现已发布的学术成果还不多,发表的论文比较多的还是指出研究方向的前瞻性研究。下面对现有的比较有影响力的学术成果进行简述和加以分类。
5.1物联网方面
物联网的研究普遍基于应用。我们从以下方面分别选择具有代表性的论文加以讨论。
1rfid与传感器研究。
rfid是物联网最基本的关键技术,得到了广泛研究。liu等主要研究了在物联网中如何同时读取多个被动rfid标签, 使得读取的标签之间冲突减少,从而实现加快辨识物品的目的。传感器节点已经广泛应用到人们平时的生活和工作之中。不同于传统的传感器组网方式,文献提出了一种基于周围情况而自发分簇组成动态传感网的方式。这样的组网形式在物流运输中,在bsn(body sensor network这些动态性较高的场景中将有比较好的应用前景。文中设计了名为tandem的算法,用于移动传感器节
点可以根据情景感知的内容自发的分簇的组成网络,并且tandem可以实现重新分簇组网的功能,如果情景感知内容不变,则保持网络的连通。
2模型研究。
物联网最直接的应用就是在供应链和物流上。 文献针对物联网中的供应链， 提出一个计 算其效能的数学模型。 通过这个数学模型， 可以估计在使用不同的供应链系统设计策略的情 况下所达到的效果和投入的成本， 从而为使用者提供选择策略的依据。 在建立数学模型的过 程中，作者将检测设备分为条形码、rfid、无线传感器，将供应链分成了供应商、运输商、 消费者，以这六项要素为基础建立了数学模型。 3）数据处理研究。 如前文所述，数据处理在物联网中的研究也是有其重要价值的。ons（object naming service）服务是一种集中式的查找服务，类似于因特网中的 dns 服务。通过 ons，人们可 以通过货品上的电子产品号来查找这件货品的制造商。 但是文献作者发现， 现在的 ons 服务 中有一个不足， 即由于 ons 服务的根节点不止一个， 每个国家都可以有自己的 ons 服务根节 点，这就使得在多个 ons 服务之间查找货品信息变得不方便。作为改进，论文提出了 mons
（multipolarity for the ons）服务，这是在 ons 服务的基础上通过增加基础设施，使得 人们可以通过一次在 ons 服务中的查询就能找到相应货品的信息，即使这条信息在其他的 ons 服务中。 4）信息安全研究。 文献研究了信息安全的问题。在供应链系统中，组织之间需要交换货品的信息，比如一 批货品从供应商手上交到运输商手上，供应商会将货品的 rfid 信息一起转交。epcis 协议 是用来规定这些信息的交换的。 作者提出 epcis 协议在访问权限控制上存在不足， 使得协议 无法限制哪些人可以访问哪些信息。 作者在 epcis 协议的基础上提出了一种新的基于规则的 协议，通过定义访问规则来限制用户访问，保证信息的安全。 5）标准化研究。 rellermeyer 等中针对物联网中多种多样的软件以及硬件设施， 提出要将软件模块化， 并且设定一种标准，来规范物联网系统中软硬件的接口。文中使用 osgi 模型作为软件接口 的标准，并且在这基础上建立了一个实验系统名为 bug。在 bug 系统中，物联网系统中的各 个模块实现了很好的融合。 5.2 车联网方面 车联网领域相关的论文一般是基于大规模的城市交通网络，利用已经收集的数据集和 城市电子
地图进行分析和建模的。针对以下方面分别介绍。 1）车辆轨迹 gps 数据处理。 在车辆上安装 gps 设备获得车辆的实时位置信息，车辆之间通过无线通信将搜集到的 数据汇报给数据中心。li 等研究如何实现 gps 数据与电子地图之间的精确匹配，文章中基 于距离和角度分别提出了两个地图匹配算法（nma 和 ema） ， 并且给出了真实场景中的测试 结果。 2）延迟容忍网络（delay tolerant network，dtn 协议设计与测试。 车联网是一类典型的 dtn 网络，通过搜集大规模车辆网络的 gps 数据，可以为 dtn 网
络的协议设计提供真实的测试环境。 这一方面所取得的研究成果相对来说较多。例如，文 献研究 suvnet（shanghai urban vehicular network）网络的移动模型、拓扑结构和联通 性，测试了已有路由协议在实时数据上的性能，并基于距离向量设计了 dear 路由协议以提 高数据包传输成功率。文献利用公共汽车在城市网络中的独特性，设计了 bler 路由协议。 3）dtn 网络中的资源分配策略。 lee 综合考虑了 dtn 网络中链路调度、路由协议与数据副本分发，抽象为多目标优化 问题。基于局部信息和瞬时信息，作者用贪心的思想设计了分布式的 dmc 算法，并且给出了 真实 gps 数据上的测试结果。 4）交通状况的智能感知。 文献利用车辆网络监控交通状况， 利用 suvnet 网络的 gps 数据对基于连接和基于车辆 的两种算法进行性能测试和分析； 文献基于统计方法设计了感知交通状况的预测模型， 该模 型利用单信道单频谱，基于历史信息迭代地估计路面上的实时交通状况。除此之外，ibm 公 司推出商业的交通预测模型， 已经在新加坡等地进行了部署和应用， 实测过程取得了较好的 估计、预测、感知精度。 5）车联网运动模型分析。 文献基于马尔可夫模型对车辆网络进行数据挖掘，找到车辆的移动模式，为车辆之间 的通信协议设计提供依据。文献考察和分析了城市内部任意两辆车之间相遇时间间隔的分 布，发现其很好地符合幂指数曲线。城市交通中存在聚簇现象，车辆的运动有围绕交通热点 的趋势， 作者认为这是造成车辆相遇间隔呈现指数分布的原因。 文献进一步研究了城区车辆 分布， 假设车辆装备处传感器用于感知邻居车辆， 作者利用聚簇算法挖掘城市交通中的热点 区域。 文献在很多类数据集上研究了人的、车的移动轨迹，通过深入分析和挖掘，发现其中 包含两大特性：时序稳定性和存在低级结构。由此，为移动网络设计了有效的定位算法。 6）智能导航系统。 出租车司
机如何最短时间内到达目的地？如何为道路上的乘客找到最近的出租车？出 租车选择什么样的行驶路线，能够在最短的距离内最有机会搭到乘客？ 这些问题分别由文 献给予了回答。 7）智能车场管理系统。 众多的商城、购物中心、工业园区和写字楼群等都建有相应的停车场，管理数量庞大 的车位是一个重要挑战。 停车场通过在每个车位安装传感器， 可以实现对车位使用情况的实 时监控，进行自动化管理。lin 等利用调和函数构造了车位信息场，司机通过势场梯度可以 方便地停车。 8）结语 依照通用汽车公司的预测，未来汽车会实现电气化、智能化与无人驾驶，车与道路、车 与车之间会具有交流互动，交通堵塞、空气污染、交通事故将成为历史。随着通用、荣威、 丰田等汽车厂商的智能网络系统的部署，车联网已经开始为汽车消费者们所了解。
我国的科研工作者已经在物联网和车联网方面累积了许多工作 973 项目 “无线传感网关键技 术研究”已开展了 5 年； 以无锡为中心的“感知中国”物联网产业研究院在 2010 年正式启 动；手机交通卡智能交通系统已经在多个城市普及；智能交通项目已经在上海、武汉等地开 展和部署。然而要大规模地应用车联网技术，其实现还有一段成熟期。正如文中所述，还有 概念和统一标准等问题存在， 安全和可靠等实际问题有待研究。 市场与应用模式必须结合实 际摸索，最终才能达到网连城市智能交通的目标。 车联网将彻底改变人类出行模式， 重新给出汽车的定义。 实现车联网的未来城市交通将 告别红绿灯、拥堵、交通事故和停车难等一系列问题，并实现驾驶自动化。