基于车载自组织网络的智能交通管理及应用

车载自组织网络(VANET)是应用于道路上的新型移动无线自组织网络，它具有移动自组织网络的各种特点，比如自治性和无固定结构、多跳路由、网络拓扑的动态变化、网络容量有限、良好的可扩展性等。借由无线通信与信息传递技术，VANET提供车辆之间以及车辆和路边的基础设施之间的相互通信，即VANET包含了车对车(V2V)通信和车对基础设施(V2I)通信[1-3]。

    VANET的主要目的是实现车辆的智能化应用和管理。为了实现这一目的，需要在每辆车上安装一个专用的电子设备，该设备可以提供车辆间的Ad Hoc网络连接。VANET不仅能应用于实现交通事故告警，还能实现道路交通信息查询、高速公路缴费和车辆间语音视频通信等功能。

1 基于VANET的智能化管理

1.1 电子检查

    电子检查是VANET车辆与路边设备间的无线通信的实现，使用专用短程通信(DSRC)方式使路边设备与车辆上安装的转发器通信。路边设备对车辆传达的数据进行分析，锁定高风险驾驶车辆，选出需要通过称重站和检测设备的车辆。电子检查集中检测问题车辆，提高检测设备的工作效率[4]。

    在电子检查中，DSRC用于区分车辆，存储和转发其他检测数据。DSRC技术用于提供移动车辆和路边设备之间的数据通信，以供电子检查机制处理。DSRC是通过装在车顶部的转发器与安装在路边的读取器和天线互相通信实现的。转发器要包含车辆ID信息。转发器有声音和图像指示，用于给驾驶员提供信号。

    电子数据交换(EDI)可以用于从信息服务机构发送安全和证件数据给路边系统，以协助电子检查处理。车辆自动识别是任何用于车辆身份认证的技术，它也包括音频和其他无线频谱(RF)识别系统。车辆自动分类用于将车辆按各种类型分类。AVC对于鉴定车辆的合法载重量很重要。AVC单元也可用于规定可以绕过检测站的车辆。有线信号和各种信息标志应由路边操作站自动控制，并配合以车辆探测定位。需要对时间和信号进行控制以保证提供给车辆明确的方向指示。

    电子检查过程中的数据交换有一些关键的接口标准。EDI实现终端之间的数据交换。EDI接口主要用于在公共机构间或公共机构和私有部门间传递信息，它一般是基于Web协议的。EDI通过DSRC进行车辆-路边间的数据交换[5-8]。

    车辆信息交互中心用于存储和交换安全数据和证件数据。在车辆管理系统中，需要实现各省市间快照信息的交换。图1中显示了各种支持电子检查的系统间的数据流。

    在电子检查中，还有一种数据交换的标准，称为“快照”。“快照”包含了承运公司、车辆、驾驶员的安全检查历史记录和一些基本的证件信息。

    路边系统使用电子检查，检查通过路边检查站的车辆。基于转发器上显示的身份、快照中的安全和证件信息，路边系统检查超重不合法车辆的证件，鉴定是否需要对车辆进行详细的监测工作。

    路边检查站系统的工作流程如图2所示。①表示通过DSRC辨认转发器信息、车辆信息；②表示在电子检查时检查“快照”信息；③表示通过转发器通知驾驶员。

    电子检查使用转发器实现车载单元和路边的通信，支持多种应用，如电子检查、安全认证、收费、停车管理等。对于商用车辆规定行使的车道也可以通过路边发送指示信号给车载转发器，来通知驾驶员按照规定选择行驶车道。

1.2 许可证管理
    许可证管理是对驾驶员和车辆的身份和证件进行认证和审查。检查车辆是否已注册，是否有车牌。对于商用车辆而言，车辆从属的承运公司需要有一定的信誉保障，如果需要运输特殊类型的货物必须取得相关法律授权。另外，车辆装载量如果超过了规定的标准重量，需要有许可证才能通过检查。驾驶员需要有驾驶证件(说明可以驾驶的车辆型号)，而且必要通过健康审核。承运公司需要向各个监察机构交纳燃油税。

    许可证管理过程包括接受申请、审核和授权商用车辆证件，并收取相关费用，根据燃油税款单缴纳相应的费用，管理证件和税款支付情况，并将相关信息给用户信息查询接口。

    证件的管理包括如下内容：注册承运公司、持有安全保险、存储证件认证、车辆注册和车牌申请，支付燃油税情况，申请超重许可情况，申请危险品运输许可情况等。

    许可证管理主要分为3个部分：电子许可证管理、省市间证件数据和缴费数据交换、各监督机构间的证件数据交换。许可证管理的数据交换流程如图3所示。图3显示了证件管理的整个流程，主要是承运商要履行的职责以及信息交换的几种方式。

1.2.1 电子许可证
    许可证是一种符合特定指标的认证形式。它是由国家监督机关发起，允许持有者享有的特殊权利。电子许可证是各种许可和认证的电子记录。

    承运公司等部门可以申请监督部门的软件申请许可证(包括燃油税款单)，这种许可证也支持电子支付方式。

    承运公司按照如下的步骤将新增的车辆信息提交到注册中心。

1.2.2 跨省市证件数据交换
    为了实现省/市间的数据交换，各省市需要建立注册信息交换中心。信息交换中心管理车辆从提交注册申请到接收电子证件的全部数据和缴费清单。

    省市间可以通过电子记录“快照”的方式交换许可证数据。“快照”是承运公司、车辆或驾驶员的身份认证的简要数据，它包含了有限的身份认证/普查、安全和证件信息。各省市需要建立车辆信息交互系统，存储承运公司和车辆的“快照”信息，收集本地电子证件信息和缴费信息。

1.2.3 监督机构间的许可证数据交换
各种监督机构一般都会需要访问许可证信息。例如，车辆在申请注册之前，它必须申请到车牌号；在承运公司申请危险品许可之前，承运公司必须要有运营许可。许可证信息可以通过省市间的车辆信息管理中心通过“快照”的方式交换，也可以直接在省市的车辆管理系统之间交换。图4所示为自动化许可证管理的流程。

2 基于VANET的应用

2.1 行程规划系统

    行程规划系统在大中型城市中的交通系统中起着很关键的作用。交通系统中的车辆一般会有出发点、目的地和期望的离开时间和到达时间。基于交通机构提供的信息，乘客可以根据出行需要，选择合适的路线和换乘站点。

    公交车辆经常会因交通拥堵和交通事故而导致晚点，基于历史日程表来静态规划行程显然不能满足乘客的需要。因此，使用动态车辆定位(AVL)机制做行程规划，将车辆(如公共汽车、地铁)定位数据实时地发送到交通管理中心，利用这些实时的数据可以更准确地估计车辆到达指定地点的时间，这样可以有效地减少行程规划的不精确性。

    出行者行程规划系统的架构如图5所示。行程规划系统支持多种方式换乘的模式，出行者可以选择自己驾车、乘公交车、或者泊车-换乘公交车(或地铁)等出行方式。规划服务器根据实时车辆定位数据，预测车辆到达指定点的时间，将预测的结果实时地通过有线和无线网络发送给出行者，出行者可以通过Web浏览器、手机或者车载设备获取信息。

    行程规划网络包含多种类型的节点，如交叉口、公交站点、地铁站点、停车场。系统通常建立两种类型的网络：公路网络和交通网络。

2.2 系统的设计和应用
    行程规划系统需要为用户提供多模态的行程规划信息，用户可以在系统提供的规划方案中根据具体情况灵活地选择出行的方式和换乘的方式。系统需要提供可用的换乘工具(公交车、地铁)实时到达指定站点的时间，通过手机GPS定位或车载GPS定位获得用户的当前位置，再获得用户请求的目的地位置，找到可行的行驶路线，实时地发送到用户端。所以，多模态规划和实时数据采集是系统的重要工作。图6所示为实时数据在系统中的处理以及传递的流程[9-12]。

2.2.1 Web应用
    对基于Web的多模态行程规划用户来说，系统可以提供给用户基于Web的换乘信息查看工具，支持使用路线名称、站点名、附近地址来实时检索道路信息或者历史日程信息。系统还可以提供行驶路线信息更新，使用多类数据相结合来匹配用户位置，建立详尽的路线信息，针对用户的位置和行程提供给用户需要的路线信息。

    基于Web的规划系统使用Google地图，加入了具体的路线信息，对自驾车、乘公交车、乘地铁、换乘等方式在需要花费的时间、价钱及二氧化碳排放量等方面做了详细的对比，用户可以根据实际需要作出选择。

2.2.2 车载应用
    图7所示为出行者自驾车出行方式的行程规划系统框架。出行者使用车辆上安装的车载无线设备转发器可以向行程规划系统发出请求，车载设备通过DSRC方式将请求的信号发送给路边的无线设备，路边无线设备收到信号后，进行初步处理，然后将数据发到行程规划系统。系统接到请求，用AVI找到请求车辆的实时位置，在数据库中查找从请求车辆当前位置到目的地节点的所有可行路线信息，然后通过行程规划服务器的评估，找到最优行驶方式，并将其实时的发回给路边子系统；路边设备将回复信号通过DSRC发回请求车辆。

2.2.3 手机应用
    智能手机用户也可以应用行程规划系统。系统获取手机的GPS定位数据和用户期望的实时换乘信息，行程规划服务器查询用户需要的换乘信息以及公交车辆或地铁的实时位置(通过车载GPS设备)，然后根据用户的需求返回最佳的路线信息。

    利用系统实时的公交车GPS定位数据和历史日程数据统计和预估的公交车到达各站点的时刻表，手机用户可以查询到达每个站点的时间和各站点间的行驶时间这两项动态数据，了解其关心的信息[13-16]。

3 结束语
    本文主要讨论了基于VANET的道路车辆和交通的智能化管理和应用的3个实例：电子检查、许可证管理、行程规划。

    电子检查通过车辆上的转发传感器和路边系统的传感器通信，自动处理车辆的基本信息，如果车辆证件完整且符合安全指标，则允许车辆通过；如果车辆信息不符合相关指标，则要求车辆进行进一步具体检查，如路边称重站称重。电子检查实现了车辆检查的自动化，提高了城市交通管理的效率，也节省了有限的检查站和称重站等检查设备。

    许可证管理实现了各省市之间交通车辆信息、车辆所属公司、驾驶员证件等信息的共享。中央可以对各地方交通进行整体管理，收集各个省市车辆、驾驶员和承运公司的许可证申请，动态地更新信息，并及时地对各种请求进行处理。

    行程规划系统实现了对公共车辆位置、时间信息和出行者出行路线的实时更新和规划。系统包含行程规划服务器、Web浏览器、车载转发器、车辆GPS定位器、车辆到达时间估计和数据库。系统实现了时间和位置的信息绑定，有助于出行者了解实时的交通车辆情况。在车辆拥堵问题日益严重的今天，行程规划系统有其重要的意义。

    VANET作为无线移动网络的一种关键技术，对实现高效的智能化交通管理以及各种车辆和道路的自动化、智能化应用起着决定性的作用。VANET的检查、认证、费用管理及行程规划等将成为智能交通系统的主要应用。

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收稿日期：2011-03-24

[摘要] 文章讨论了基于车载自组织网络(VANET)的道路车辆交通智能化管理和应用的3个实例：电子检查、许可证管理、行程规划。电子检查通过车辆上的转发传感器和路边系统的传感器通信，自动处理车辆的基本信息，实现车辆检查的自动化；许可证管理实现各省市之间交通车辆信息、车辆所属公司、驾驶员证件等信息的共享；行程规划系统实现对公共车辆位置、时间信息和出行者出行路线的实时更新和规划。

[关键词] 车载自组织网络；电子检查；许可证管理；行程规划

[Abstract] This paper introduces three intelligent transport management and applications based on vehicular ad hoc networking (VANET): electronic checks, licence administration, and trip planning. Electronic checks involve communication between roadside and on-board vehicular sensors. Basic information about a vehicle is detected and automatically processed for the purposes of automated vehicle inspection. Licence administration involves sharing information across provinces and cities about a
vehicle’s owner and drivers with shared documents. Trip planning involves locating public transport in real time so that information about travel time and routes can also be updated in real time.

[Keywords] vehicular ad hoc network; electronic screening; credentials administration; trip planning