车载通信 未来车联网的技术挑战与机遇

一、前言

在今年5月开幕的2010上海世博会中，上汽集团——通用汽车馆给人们带来了惊喜及震撼的一幕。汽车馆生动地展现人类20年后新的生活画卷。2030年，一个崭新的城市、汽车与道路系统，与更环保、更安全、更智能、更人性化的汽车，将彻底颠覆今天我们“汽车”与“交通”的概念，从而创造人类全新的时空观。在2030年的道路上，没有信号灯，汽车高速行驶，路上没有堵塞，更没有事故……如此完美的驾车生活，全靠一张无形而又作用巨大的网络在调控，这张网就是车联网。

就像上世纪80年代互联网的出现将各自独立的电脑连结在一起，车联网指的是通过汽车收集、处理并共享大量信息，车与路、车与车、车与城市网络实现互相联接，从而实现更智能、更安全的驾驶。“车联网将彻底改变人类出行模式，重新定义汽车的DNA。实现车联网技术的未来城市交通将告别红绿灯、拥堵、交通事故、停车难等一系列问题，并实现自动驾驶。”这是今年6月上海“直达2030”可持续交通系列论坛的“车联网—网联城市智能交通”论坛上，通用汽车中国公司总裁甘文维对车联网作出的一个诠释。

二、城市交通与红绿灯

我们留意到车联网的其中一个目的是要解决包括红绿灯在内的交通阻塞问题。然而红绿灯当初却是作为一个交通控制手段而出现在马路上的，红绿灯的应用至今也有超过一个世纪的历史了。人类第一盏交通信号灯是1868年由英国机械师德·哈特设计的，当时只有红、绿色而没有黄色。至于黄色信号灯则是中国人胡汝鼎于1918年在美国通用电器公司任职时发明的，由于红绿黄信号灯对交通疏导作用显著，其立即得到社会的认同和应用，并很快便普及到全世界陆、海、空交通领域了。

随着历史的推移，人们发现红绿灯并不能完全有效地解决城市交通阻塞的问题，有时反而会造成交通的阻塞。抛开情感因素客观分析一下当前马路上的红绿灯，还真发现有许多不尽人意的地方，因为现代科技的高速发展似乎并没有给这古老的红绿灯带来任何实质性的改变，除其为一个分时通行的交通控制系统之外，其还是一个视觉依赖的系统、一个天气状况依赖的系统，以及一个专为人手操作而设立，但对人手操作错误又无任何提示及阻止能力的系统。当司机准备在十字路口刹车而又不幸踩错油门时，红绿灯也只会看着车祸发生而束手无策。车祸其实已成为当今人类的第一杀手。100多年来，全世界葬身于车轮之下已达4000万人，超过了第二次世界大战期间因战祸而死亡的人数。进入二十一世纪以来，全世界每年死于交通事故的人数约有60万，因此人们称交通事故是当今马路上的战争。

红绿灯除安装于马路上之外，其概念也被用在作为交通工具本身的汽车上，于是便有了刹车灯、转向灯及危险信号灯的出现。同样地，这个汽车灯号系统也是一个视觉依赖、不可靠、无提示及无意外阻止能力的系统，因此汽车追尾事故在城市交通中便不时发生。比这更严重的是高速公路上的连环相撞事故，而这些事故多数与视线不清、人手反应迟缓等因素有关，特别在大雾天气下情况会变得更加严重。因此如何解决严重交通意外已成为人们刻不容缓的研究课题。

三、理想与现实之间如何过渡

由于传统交通信号系统的不足，于是人们渴望有一种更理想的交通工具及交通控制手段去解决目前所遇到的问题，“直达2030”便以生动的形式表达了人们的这一梦想与诉求。如果车联网获得成功，那将是人类交通史上的一个伟大的里程碑，她不但令我们的城市生活更加方便，同时还可创造出一个庞大的市场，新技术应用也会带来更多的就业机会，并进一步拉动全球经济，创造市场繁荣。

然而“直达2030”描述的是一幅理想化的未来城市交通景象，相信所有人都明白这不是一夜之间能够实现的事情，传统与未来之间可能还存在着一个相当长的过渡时期。在这个期间，新旧系统可能会同时存在，通过优胜劣汰的市场竞争模式将旧系统淘汰，新系统才能得以顺利过渡。即是说，在过渡期中传统与未来两种不同的交通工具都有可能在同一条马路上行驶，而这条马路必须同时提供新旧两种交通控制信号，并且两者所包含的信息还应该是一致的，这样才不致发生冲突。

“直达2030”没有提到新旧系统的兼容与衔接问题。在车联网技术的现实应用方面，论坛将OnStar（安吉星）的技术作为了一个例证。通过全球定位系统及无线通信技术，OnStar可以为客户提供碰撞自动求助、紧急救援、安全保障、导航系统、车况检测和全音控免提电话等服务，然而在这些服务中，并未提及车联网的核心技术，即车与路、车与车之间的实时信息交换与互动问题，多少给人一种真正意义上的车联网还停留在概念上的感觉。

四、兼容传统与未来才是真挑战

从技术层面上来说，车联网并没有克服不了的技术困难，即便是路与车的信息交换、车与车的信息交换也有多种不同的技术方案。本人认为新旧系统如何兼容过渡才是车联网发展的关键，没有兼容和过渡，便不可能有真正意义上的车联网应用。从这个角度来看，车联网的建立比互联网的建立挑战性更大，因为互联网是一种独立于旧有模式的新媒体、新模式，新旧模式之间没有直接的冲突，两者是可以共存共荣的。但车联网的情况不同，我们很难想象一种专为联网汽车开辟的街道、马路、高速公路的存在，因为那是不现实的。

人们接受联网汽车，首先应该能在传统的马路上行驶，并在使用过程中体现其有异于传统汽车的优异性能和功效，这样人们才会喜欢她、接受她，并最终成为汽车的主流而将传统汽车淘汰，从而实现“直达2030”描述的发展目标。本人认为能够实现从传统到未来过渡的车联网必须具备以下几个“兼容”与“互动”的特质：

首先是要兼容当前道路信号系统，同时令联网汽车与道路信息互动。具体可将车联网所需的数字化信息融入到当前的信号系统之中，并使数字化信息与传统灯号信息同步发送。传统汽车司机按红绿灯号行驶，联网汽车的电子系统按数字化信息行驶（自动模式下），同时联网汽车司机也可在手动模式下按灯号信息行驶，这时数字化信息系统可作为一个辅助系统来看待，可提醒司机注意交通信息，防止违规操作及防止意外发生等，无论天气情况如何恶劣，驾驶都能一样轻松自如。

其次是要兼容当前的汽车灯号系统，同时令联网汽车之间状态互动。联网汽车应同时具备传统灯号及数字化信息，并可在车与车之间实现数字化信息交换。刹车时除将刹车灯点亮之外，同时会发送数字信息，使尾随的汽车可以即时得到消息并计算出两车之间的距离、速度及加速度，并能自动与其保持一个安全距离，防止汽车追尾事故的发生。有了这样一套系统，高速公路上的连环相撞事故也将成为历史，人们的生命财产会得到更好的保护，其优异性能将成为人们购买联网汽车的动力。

然后是要兼容当前的道路指示系统，同时令联网汽车与数字导航系统互动。在这个车联网中，卫星导航将不再需要，因为整个城市的导航都会交由数字化交通信息系统及电子化道路指示系统来承担。在这个系统中，每一个交通信号灯、道路指示牌及交通广播系统都是一个数字信息交换点，只要汽车向信息交换点提供其目的地信息或请求，便可得到比卫星导航更新、更准、更全面的实时交通导航，可有效避开拥堵路段，并选择最佳行驶路径。

再者是要兼容当前的道路收费系统，同时令联网汽车与收费系统互动。现有的车税路税征收未必是最合理的，因为它并没有体现汽车的道路使用情况，同时对疏导城市拥堵交通也没有任何的帮助。目前一些发达国家或地区已根据不同时段及不同路段的情况进行“拥堵收费”，这可有效分流高峰期车辆，同时也更体现公平公正及用者自负的原则。在这样一个网络中，每一个交通信号及信息指示都是一个数字化的收费检测点，这不但可有效疏导拥堵交通，同时其收费及分流处理都会以最合理方式自动进行，这可进一步提高城市通行的效率。

最后是要兼容道路管制系统，同时令联网汽车与管制系统互动。在道路管制中，某些路段对某些汽车可能是有限制的，例如通行禁区只允许有通行证的汽车进入。在车联网中，所有联网汽车会获得自动的识别及提示。目前城市的主干道上通常也有大车道、小车道的划分及管制，但因检查执行的困难而形同虚设。但在车联网中这些问题都很容易解决，因为不按车道行驶会被监测甚至会被罚款。另外停车问题、超速问题、冲红灯等问题在车联网中都会以最合理方式自动处理。在车联网中，未经授权的汽车、失窃的汽车、违规的汽车都会被监测、跟踪及处理。

五、构建通向未来的桥梁

那么如何才能实现上述的“兼容”与“互动”？其技术难度又如何？面对这些问题，可能会有很多不同的答案。下面是其中一个过渡方案的构思，供有兴趣人士探讨之用。

（一）、实现汽车与马路的信息交换

（1）、行驶中的汽车与马路的联网是实现车联网的第一步。为了兼容传统车辆，现有的道路交通信号（行车线、红绿灯、指示牌、速度限制等）都应该被保留，因为那是新旧系统兼容的基础及保障；

（2）、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；

（3）、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；

（4）、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；

（5）、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。

（二）、令行驶中车辆互联互动

（1）、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；

（2）、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；

（3）、联网汽车中的无线数字传输模块可同步接收来自其它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；

（4）、根据接收到的由其它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。

（5）、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；

六、关键技术探讨

 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，而能在此中扮演主要角色的无疑是无线技术了。然而无线技术有很多种，到底哪一种才符合实时互动，以及兼容传统与未来的车联网应用要求？

目前在汽车定位、通信及收费领域应用较多的是DSRC（DedicatedShortRangeCommunication）以及VPS(VehiclePositioningSystem)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。由于这些技术都是现有的技术，这里将不作赘述。

本文要提出探讨的是一种最传统、最简单、最环保的技术——红外线及超声波技术。在当今世界倡导绿色出行、低碳生活的潮流中，这些传统技术能否在车联网这个高科技领域占有一席之地？本人认为凡事皆有可能，并且不排除略加改造可以成为实现传统与未来兼容的车联网底层传感/通信的上佳选择，主要原因为：

（1）、红外线、超声波及红绿灯都是传统技术，但红外线、超声波却可以实现数字化的信息传播，可以作为连结传统与未来的桥梁将数字化信息与传统灯号信息同步发送，这是一种最简单、最直接、最低成本的方法，可以直接通过红绿灯的升级改造来实现；

（2）红外线、超声波及红绿灯光信号具有相若的方向性及覆盖范围，这可减少信息发放错误的机会，可最大限度确保联网汽车接收到的数字信息与司机直接观察到的灯号信息的一致性，从而避免信息接收差异给驾驶者带来困惑；

（3）、红外线、超声波较RF信号更具可控性，可以更精确地定位于指定区域而可实现差异化的信息发放，例如可以实现不同车道的不同信息发放，同时可避免不同车道，特别是对面车道的无效信息对行驶中汽车的干扰；

（4）、红外线、超声波信号于空气中的传播速度是不同的，利用这个传播速度的差异，联网汽车可以很容易计算出信号源的方位，从而方便实现对交通灯及前后车辆的定位及速度监测，以防止汽车追尾及冲红灯事故的发生；

（5）、红外线、超声波皆为无污染的环保信号，既不会对空间产生电磁波干扰，也不会受可见光、马路杂音及大气电磁波的干扰，是一种稳定可靠的绿色信号。这也是本人对绿色车联网的一个期盼。

以上仅是本人对车联网技术应用的一点看法及心得，希望能起到抛砖引玉的作用。希望“直达2030”的目标能早日实现。