基于物联网技术的汽车安全行车系统设计

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  摘要:随着社会的进步和经济高速增长,人均工资增加,购买力提高,人们的生活水平得到提高。汽车产业的快速发展和汽车价格的亲民化,使得汽车成为家庭旅游的重要交通工具。随着汽车进入数千户家庭,成为生活空间的重要一部分,国内汽车销售总额的不断增加。许多城市的道路通行能力已经达到饱和,交通安全,出行效率,环境保护等问题也日益突出。在这种背景下,基于物联网技术有望大大缓解交通拥堵,提高交通运输效率,解决道路交通环境中的安全问题。本文主要对车联网的安全机制及其关键技术进行研究。
  关键词:物联网;车联网;行车安全;车间通讯
  Abstract:With social progress and rapid economic growth, per capita wages have increased, purchasing power has increased, and people's living standards have improved. The rapid development of the automobile industry and the closeness of automobile prices have made automobiles an important means of transportation for family travel. As cars enter thousands of households and become an important part of living space, the total domestic car sales continue to increase. The road capacity of many cities has reached saturation, and issues such as traffic safety, travel efficiency, and environmental protection have become increasingly prominent. Under this background, the technology based on the Internet of Things is expected to greatly ease traffic congestion, improve transportation efficiency, and solve safety problems in the road traffic environment. This paper mainly studies the safety mechanism and key technologies of the Internet of Vehicles.
  Keyword: Internate of Things, Internet of Vehicle, Security-Driving System,Vehicle-To-Vehicle Communication
  1引言
  道路安全問题己经上升为全球公共道路交通安全问题。依据我国公安部交通管理局统计信息,我国私人汽车拥有量从 2013 年的 10501.68万辆,至 2017 年增长到 18515.11万辆,增长率达 76.3% ;交通事故发生总数从 2013 年的 198394 起,至2017年增加到203049 起,增长率达到2.3% 。方便人们的安全出行同时,又要从出行效率、环保以及资讯娱乐等方面考虑,这就需要车辆与车辆之间,车辆与人、车辆与基础设施之间能够实时通信,以满足人们不同的出行需求。最近几年内国家道路基础建设稳步推进、法律法规日趋完善,司机和行人的交通安全意识有所増强,道路交通安全事故伤亡人数略有下降,但同日本、美国和德国等发达国家相比,依然存在巨大的差距。汽车安全行车系统在国外发展迅速并且形成欧、美和日三大模式[1][2]。90年代开始,国内学者在汽车安全行车技术的研究上取得了令人瞩目的成就。美国物联网的发展一直处于世界前列,体现在基础设施,技术水平和工业发展水平上[3]。 例如,美国的“智能地球”战略促进了物联网应用领域的发展。欧盟在智能基础设施的发展方面也处于世界领先地位[4]。2010年初,我国工业和信息化部(工信部)牵头成立了国家协调小组,以促进物联网的建设,使物联网应用示范项目的建设成为战略性产业。
  车联网是物联网技术的一个分支,主要应用于智能交通领域。车联网安全方面的应用在相关研究中已经得到证实,当车联网实现0.5秒预碰撞警报则避免了60%的交通意外,如果提前1秒预警可以避免90%的交通事故[5][6]。车联网在行车安全方面有着得天独厚的优势,驾驶员能够从车辆节点和路侧节点获取所属路段的道路环境信息和气象信息,获取建议的车速,同时也能接收超视距或盲区内车辆的动态信息,如行车速度,航向角和GPS定位信息等。当车辆预测到潜在安全隐患时,发出声音和图像报警信息,警示驾驶员,保证有充足的应急时间来做出正确紧急避险决策,能够避免道路安全事故引发的伤亡和财产损失。
  为了增强路网的智能、安全以及道路利用率和节能经济等能力,更加为了建立健全的超时代汽车安全行车系统体系,车联网的关键技术突破创新和基础设施建设已经势在必行。本课题的设计主要从汽车道路行驶过程中因为车辆之间信息不同步,或者对行驶规则运用不规范,导致交通事故为出发点,应用互联技术,一定范围内,汽车自带的无线网络自动互联,变道超车,给车内驾乘人员给予提示,做到有潜在安全隐患提前预警,早做应急准备,减少意外事故发生。
  1.1物联网概述
  物联网(Internet of Things,IOT)的定义是:利用各种信息传感设备,如全球定位系统,射频识别设备,激光扫描仪,红外传感器等设备,与互联网相结合形成了庞大的网络,进行全面感知,可靠传递和智能处理。基于物联网的智能交通系统架构主要由感知层、网络层和应用层组成。   1.2车联网
  从大范围讲,车联网内含车内网、车际网化及车载移动互联网,根据预先制定的无线通信准则、通信传输标准及信息传输协定,在车与车、车与路和车与互联网中,进行交通安全和信息服务为目的的无线通信,实现交通管控、车辆管控和车辆信息娱乐一体化智能化的大型综合网络,创建更健全更先进的智能交通系统[7]本章主要介绍车联网环境下,为了满足智能交通在道路交通安全性的要求,需要提供的交通信息的主要内容,介绍车联网的典型系统架构,介绍车辆精确定位技术、在移动环境下实时可靠的通信技术、车辆行驶状态感知技术、海量车辆数据处理技术等关键技术。
  2车联网安全体系
  车辆互联网是一种特殊的移动网络,但与传统的移动网络不同,车辆互联网具有网络拓扑快速变化,频繁的网络分段和有限的网络冗余的特点,限制了互联网的通信能力。技术和应用实践证明,基于通信体系结构研究车辆互联网安全性的最有效,最可行的方法之一。因此,本节对主要内容进行了分析和讨论。
  2.1 车联网安全体系结构
  车联网安全体系研究的是车域网,车载自组织网络为主要对象,通过对安全通信协议和数据传输安全技术的研究,在车辆和车辆(V2V)中 ,车辆和道路基础设施(V2I)以及与汽车之间具有外部网络(Vehicle to External-network,V2E)的无线通信方式的信息交换和传输信息安全,并用于实现智能交通管理和智能信息服务、智能交通控制,为汽车联网应用提供安全保障。
  2.2车联网车间通讯
  车间距离是判断车辆间安全的依据,车辆如何在动态交通环境中实时感知彼此的存在以及相对位置是实现安全的前提。通过前文的分析,定位和感知技术都是通过无线测距方式来实现,涉及到信号在空间的传播特征。为此,结合车联网的组网特点,本节设计了可附着在车辆的无线接收装置,利用车辆发出的关于速度、转向等指令信息感知周围车辆,通过车与车间的无线通讯,驾驶员可以共享路况信息,提前预测前方道路的实时路况,有效解决因驾驶员未能及时获取路况信息而造成的交通拥堵,甚至可以有效避免交通事故 。
  2.2.1车联网车间通讯方法
  本节中所提出的车间通信主要分为以下两种类型:车辆和车辆(V2V)通信和车辆和道路基础设施(V2I)通信。
  車车间通信实现的是车辆之间的直接信号传输,主要用于车辆之间相对位置的感知。例如,高速行驶过程中,后方车辆未按行车规矩,打灯,并道超车,没有安装这个系统的车辆,会有发生交通事故的风险,安装这个系统的车辆能在车载行车系统中知晓后车打灯加速等信息,提前预警,作出减速避让的措施,降低或者避免行车安全风险。
  车路间通信是一种特殊的车车间通信方式,但与单纯的车车间通讯不同的是,它需要借助RSU来间接地将其信号覆盖范围内的车辆关联起来,并间接地判断路况。例如,在道路十字路口,受周围环境的影响,车辆之间可能无法直接判断出不同方向的车辆位置,若此时前方路段发生堵车,交通事故后方车辆,能够通过安全支持系统,在行车系统电脑显示器上,通过无线通讯的接入,感知到前方车辆行驶信息,如果速度完全静止,则有预警信息发出,这样同向车辆能及时做出制动和其他措施,避免交通事故,提高行车安全。
  2.2.2车联网车间通讯系统设计
  一、利用电磁场理论和统计理论分析无线电波在移动环境中的传播特性进行理论分析,并用数学模型描述无线信道。二、不同传输环境中无线电波的现场测量,做无线电场实验,并验证和校正理论分析结果;三、计算机仿真,利用计算机仿真软件,灵活快速地模拟各种移动环境。本实验在原有的计算机仿真的基础上进行必要分析,提出优化方案。
  微带天线具有体积小、成本低等特点,在移动通信以及卫星通信中应用广泛,但是微带天线因其损耗较大、增益低,所以会限制其应用范围。根据车联网应用需求,本实验将电磁超介质应用在矩形贴片微带天线中,利用电磁超介质的特殊物理性质提高微带天线增益等性能。
  微带天线大致可以分为三类:贴片微带天线、行波微带天线及缝隙微带天线。贴片微带天线主要由介电基片,介电基片上方的金属贴片和基片下方的连接层组成。行波微带天线主要由介质基片,链状周期结构或传输线结构组成。 间隙微带天线主要由连接底板上的间隙和微带馈线组成,贴片微带天线中的贴片可以是矩形,圆形,三角形等。
  由于原有的仿真分析微带天线的增益比较低,应用效果不太理想。为了增强设计方案的性能,在原有设计的基础上,通过负磁导率介质在微带无线中的应用,形成加载负磁导率结构的微带天线,利用负磁导率的结构的带阻特性抵制微带天线中表面波的传播,从而提高天线的辐射效率,进而提高天线的增益性能。
  利用负磁导率结构的带阻特性来抑制微带天线中表面波的传播特性,可以将所构造的负磁导率结构加载到前文设计的微带天线的基板上,用以抑制表面波传播,进而提高微带天线的增益。微带天线具有体积小、灵敏度高、安装方便等特点,可附着在车顶等位置,用于车联网的车间通信,实现测距、预警等功能。
  3结论
  随着物联网技术的发展和在各个领域应用的不断推进,车联网技术被提出且成物联网中一个重要的分支。车联网概念一经出现,便引起了社会各界的普遍关注,并成为研究重点和热点。尤其是近些年来,伴随着智能交通理念不断深入人心以及车联网在一些关键技术和应用方面取得的突破性进展或给人们展现的美好期望,车联网为一项被普遍认为能够进一步推动智能交通发展的技术很快实现了两者之间的深度融合。为此,车联网同时继承了物联网和智能交通的基因,而且在融合发展过程中不断得到优化。目前,车联网在全球的研究和应用还处于起步阶段,不但对车联网概念的描述还不完整和准确,同时,在车辆网络安全性研究中还缺乏相关的标准和规范,因此,在车辆互联网的研究中仍然有很多未知的领域需要探索,而这一探索目前处于阶段。 主要是对现有研究成果和应用成果在汽车互联网环境中的创新。   本文系统分析物联网技术框架和智能交通应用的基础,提出了车联网的体系结构,将车联网从下到上分为感知层、转送层和应用层。其中,感知层是车联网的神经末梢,通过车辆状态感知、车路感知、车辆定位、车辆感知等方式实现车辆自身以及车辆与道路交通信息的全面感知、收集和处理;传送层通过整合现有和演进中的各类网络,利用云计算、大数据等热点技术,为上层应用提供高效可靠的数据传输服务;应用层负责为车联网提供智能交通管理、车辆安全控制等服务功能。基于该架构,本文提出了一种用于车辆互联网的安全框架,并详细分析了车辆网络的安全性和车辆自组织网络的安全性,为构建可信、可控、可管的安全车联网提供了技术支持和研究依据。同时,根据车联网的应用特点,设计了加载负磁导率结构的微带天线作为信号源来实现车间通信,符合车联网的应用需求。
  本文虽然在一定程度上为车联网技术的应用和发展提供了有价值的参考。但作为一项综合了各方面技术的创新型应用,随着车联网技术应用的不断推进,还有己知和未知的大量技术难题需要解决,与各类技术相伴而生的安全问题更需要认真面对。
  参考文献
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  基金项目:2019年大学生创新创业项目(g201911731018)
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