智能城市公路安全中的物联网应用

# 智慧城市公路安全中的物联网应用 ## 1. 引言 道路安全工程的主要目标是开发方法，防止道路使用者死亡或受重伤。欧盟在2002年11月宣布的eSafe倡议，目标是将公共道路事故数量减半；美国在2002年1月宣布的ITS十年计划，目标是将公共道路事故数量减少15%。 在诸多影响因素中，利用近几十年出现的新工具（如GPS、互联网、无线通信、廉价传感器等）带来的好处是这些项目的重要组成部分。由于公共道路网络规模庞大，安装设备之间的直接连接不切实际，而物联网（IoT）范式可以通过创建一个松散耦合、分散的节点网络来解决这个问题。这些节点包括： - 嵌入道路表面、交通标志等的传感器； - 安装在车辆中的传感器； - 车辆中与驾驶员通信的设备； - 云中用于收集、分析和分发数据的应用程序。 虽然大多数技术要求已满足，但目前还没有充分利用各种机会的大规模、运行良好的设备互连，甚至缺乏相关标准。不过，已经有一些小型项目和试点应用在使用，进一步整合或基于这些经验开发新系统可能会带来预期效果。物联网在未来公路安全领域的应用主要集中在三个方面：事故预防、事故数据记录和事故分析。 ## 2. 事故预防 根据物联网设计，各种节点（无线传感器、RFID传感器、卫星网络等智能技术）可以集成到一个新的异构网络中，为公路使用者带来诸多好处。主要目标之一是预测危险情况并减少事故数量，此外还能减少道路拥堵、管理交通、降低环境污染等。 ### 2.1 可用服务 未来，有望形成一个包含所有道路安全相关对象（传感器、道路标志等）和由云智能服务控制的车辆的大型网络。目前虽有一些独立应用，但已证明这些想法值得投资，大多数现有系统易于使用，能直接或间接减少道路事故。 - **智能导航系统**：基于GPS的导航系统在路线规划和逐向导航方面优于传统纸质地图。如今，还可利用在线交通数据避免交通拥堵和道路施工。大量传感器和车辆将数据发送到云端，通过收集和深度分析这些数据，可清晰了解交通状况，实现更合理的路线和旅行时间估计。同时，用户还能收到其他用户提交的意外事件信息，有助于避免事故。 - **警告消息**：意外情况往往最危险，如恶劣天气。各种传感器可检测危险情况，并通过物联网将信号直接发送到临近车辆或云端，车辆的车载系统可获取相关数据并提醒驾驶员小心。 - **语音识别**：驾驶时需要驾驶员全神贯注，但偶尔会分心查看仪表盘或娱乐系统等。语音识别可部分解决这个问题，目前该服务主要在高端车型中使用，不过借助云服务，无需强大的车载计算能力也可实现。 - **车辆状态监测**：现代汽车配备了电子传感器，车载系统控制单元需要各部件的信息来协调运行。通过物联网，可将一些关键信息发送给汽车制造商，他们有能力分析这些信息并在必要时发送警告消息，避免出现危险的技术问题。 - **eCall系统**：该系统在事故发生后启动，旨在为欧盟任何地方的事故参与者提供快速援助。它会自动拨打112并向当地紧急服务部门发送信息（如GPS坐标等）。虽然目前eCall系统并非基于互联网，但在已有持续在线连接的情况下，有望开发基于物联网的类似服务。 - **自动驾驶汽车**：目前自动驾驶汽车的开发是热门研究领域，谷歌的无人驾驶汽车已行驶数百万公里，特斯拉等制造商也已在其汽车中启用自动驾驶功能。物联网与自动驾驶汽车的结合可能是实现无道路事故世界的途径，但目前还只是遥远的可能性。 - **附加服务**：基于物联网的一些附加服务与道路安全有间接联系，如减少行驶时间或驾驶员挫折感的应用程序，可间接减少碰撞。一些研究涉及自动停车系统等。 ### 2.2 车辆的互联网接入 物联网离不开持续的互联网接入，为静态物体提供在线连接相对容易，但为移动车辆提供连接则更具挑战性。通常可基于蜂窝网络或本地Wi-Fi网络来解决。 - **使用蜂窝网络**：自20世纪90年代起，蜂窝网络基础设施就允许用户接入互联网。其优势在于在工业国家覆盖良好且接入成本相对较低。近十年来，这些网络已能满足宽带需求，移动互联网接入可用于物联网。常见3G网络的速度足以满足必要通信，用户移动不会造成问题，相关协议可在必要时切换中继站。车辆连接蜂窝网络有两种方式： - **内置连接**：将蜂窝通信模块集成到汽车车载系统中，这种方式有诸多优势（如无线电天线尺寸无限制，可成为车载娱乐系统的一部分），但成本高，仅高端品牌使用。 - **引入连接**：驾驶员或乘客通过智能手机与汽车共享互联网连接，MirrorLink技术规范了这种双向连接协议，车内人员可通过智能设备访问汽车娱乐系统，汽车也能立即接入互联网。 - **使用Wi-Fi网络**：使用Wi-Fi网络可能是更便宜的解决方案，在一些智慧城市也可实现。虽然其有效范围较小，但在建成区接入点密度较高。研究表明，在Wi-Fi热点覆盖范围内，移动车辆可接入互联网，这种方式称为“驾车通过互联网”。不过，它存在一些限制（如Wi-Fi热点覆盖范围、高速车辆连接热点所需时间等），但也有解决方案，如连接到Wi-Fi热点的车辆可作为接入点与附近客户端共享连接。 ### 2.3 车辆间通信 智能交通系统（ITS）旨在解决高交通流量带来的问题，自20世纪80年代中期以来，欧洲、日本和美国的一些大型项目主要关注交通安全和高效运输两个方面。这两类项目都需要大量传感器收集车辆、交通和环境数据，关键之一是节点之间的有效通信。常见的通信类型包括： - **车对车通信**：这是交通参与者之间的主要通信形式，可在驾驶员之间或车载计算机之间进行交互。 - **路对车通信**：指被动节点（如温度传感器）与交通参与者之间的通信。 车对车通信并非新概念，早期日本就有相关项目，欧美也对此进行了大量研究。无线通信协议有多种，但车对车通信有特殊要求：网络节点不固定，车辆行驶路线不同，附近车辆网络不断变化；车辆速度是重要因素，快速移动的节点没有足够时间执行缓慢的互连程序；传感器连接到汽车主电池，无能源限制。曾尝试使用多种无线技术解决车对车通信问题，但都存在一定局限性，如蓝牙连接设备数量和通信距离有限，射频识别在某些位置功率损耗大且数据传输不可靠等。 ### 2.4 车对车通信中的物联网设计 无线互联网的快速普及为车对车通信开辟了新途径。车辆无需直接连接，而是各自连接到云端的应用程序，通过相应服务与云端进行数据收发。这种设计的主要限制在于车辆端的无线网络速度和服务器端处理大量客户端数据的能力。 使用物联网设计有诸多优势： - 无需设备之间的直接连接，避免了之前提到的问题，每辆车只需连接到云端并保持连接。 - 多辆相邻车辆无需多次发送相同消息，只需发送到服务端，由服务端分发给受影响的客户端。 - 客户端可获取远距离的消息，如影响规划路线的所有节点的消息，有助于避免事故。 一些应用已基于此架构开发并广泛使用，如Waze地理导航应用，它是社区驱动的，驾驶员可报告事故、交通拥堵等事件，其他驾驶员可接收这些信息，使导航应用成为一个能实时适应现实情况的交互式工具。 ### 2.5 风险 物联网设备在带来好处的同时也存在风险，主要包括个人数据被盗和车载系统被黑客攻击。 - **个人数据被盗**：提供天气或一般交通信息的传感器数据通常是公开的，但道路运营商设备（如摄像头系统）的数据访问情况较为复杂。目前有一些公开的摄像头系统，但可通过在线视频流跟踪车辆。私