4.3.1 交通事故频发引人深思
我国经济的快速发展极大地提高了人们的生活水平，但是随之而来的一些问题也不容忽视。
其中一个非常严重的问题就是交通拥堵问题，而且近几年严重的交通拥堵问题不仅仅局限于大城市，在二线甚至三线城市也开始蔓延（见图4-24）。
据调查，2009年中国全年的汽车销售量达1364.48万辆，超过美国成为全球第一，其中乘用车数量为1033.13万辆，同比增长53%。
而同期全国公路增长里程共计9.8万km，同比下降33%。二者之间的这种不均衡的发展和增长速度导致了一系列的问题，比如，交通安全事故频发、城市居民乘车出行不便、上下班时间增加等。
除此之外，在铁路运输中，2011年的温州动车重大事故，也为铁路交通运输的安全监管提出了质疑。
仅在2009年上半年，全国就发生道路交通事故107193起，造成29866人死亡、128336人受伤，直接财产损失4.1亿元，其中，发生一次死亡10人以上特大道路交通事故12起，发生适用简易程序处理的道路交通事故115.2万起，同比上升1.4%，具体数据见表4-1。
交通安全保障形势总体严峻，近年来一些重大交通事故更是频频发生。
图4-24 城市中越来越繁忙的交通表
4-1 近几年全国交通事故发生情况
2010年11月11日19时许，鲁J62755号（驾驶员弃车逃逸）重型自卸货车沿省道333线由南向北行驶，行至271km+100m处（聊城市莘县境内），与越过中心双黄实线逆向行驶的山东省莘县城关镇黄河村朱连春驾驶的鲁P9V538号三轮汽车相撞，造成当场死亡2人，14人经抢救无效死亡，6人受伤。
2011年7月16日中午13时38分许，323省道铜山区大许镇境内发生一起重大交通事故，一辆徐州籍客车与一辆安徽籍重型半挂货车相撞，造成客车司乘人员6人当场死亡，3名伤员在医院不治身亡，另有23人受伤。
造成该起事故原因有以下几点：
一是该路段为新铺设道路，路口未设置信号灯及交通护栏就急忙通车，导致通过该路口的车辆车速普遍较快；
二是客车与货车驾驶员在通过路口时思想上麻痹大意，都没有尽到仔细观察、减速行驶的义务，遇到突发事件采取措施不当才造成以上惨剧。
4.3.2 城市交通管理的困局
随着经济的快速发展，城市道路的规模也在急剧扩张，立交桥、高架桥、下穿路、地铁、轻轨等日益增多，交通安全隐患也大大增加，社会对交通安全日益重视，对城市智能交通管理提出了更高的要求。
但与发达国家相比，我国在城市智能交通安全管理方面仍存在较大的差距。目前我国城市交通存在的问题主要体现在以下几个方面：
运营车辆管理手段不先进。
一是，部分营运企业单方面追求经济效益，安全管理工作跟不上，企业安全制度形同虚设，常常出现车辆的安全技术状况检查不及时、驾驶人的安全教育不到位、出车安排不合理等问题，形成巨大的交通安全隐患。
二是，部分营运企业，尤其是小型运输公司，对驾驶员的要求不规范，更是引发道路交通安全隐患的重要因素。
城市道路交通设施设置不完善。
一是部分路段未设置必要的中心隔离设施。
在路面较宽、车速较快的情况下，因车辆轧线行驶、越线超车、逆行引发交通事故的危险性更大。
二是部分路段缺少夜间照明设施。
夜间本来能见度就低，但很多路段的照明设施没有发挥良好的作用，因此而发生的交通事故也屡见不鲜。
部分驾驶员交通安全意识薄弱。
对各类违法行为满不在乎，超速、超载驾驶，甚至酒后驾驶机动车，这都给自身带来了强大的安全隐患问题。
特别是在客流量较大的节日期间，一些私用车辆也常常出现超员现象，一旦发生事故，伤亡后果都较严重。
4.3.3 物联网技术打造车联网监管系统
物联网技术的发展，对推动智能交通的发展有着巨大的帮助，从发展的趋势来看，物联网和智能交通的结合将是必然的选择，物联网、云计算等现代信息技术处理能力将成为未来交通运输业发展的核心技术。
而根据交通运输业不同细分市场自身特点的不同，对物联网的应用也提出了不同的要求，需要对各细分市场提供相应的物联网应用。
以城市智能交通系统为例，物联网的主要应用将集中在通信系统、监控系统和收费系统三大块，利用RFID、传感网络以及先进的信息处理技术等物联网技术分别通过提升信息收集、信息传输、信息处理的效率以及利用智能化、自动化的计算机系统来帮助交通管理部门、运输企业更加高效、便捷地实现对交通状况的智能化监控和管理，有效地防止交通事故的发生。
1-系统功能和应用背景
21世纪将是公路交通智能化的世纪，人们将要采用的智能交通系统，是一种先进的一体化交通综合管理系统。
传统的城市交通管理基本是自发进行的，每个驾驶者根据自己的判断选择行车路线，交通信号标志仅仅起到静态的、有限的指导作用。
这导致城市道路资源未能得到最高效率的运用，由此产生不必要的交通拥堵甚至瘫痪。
交通信息化要以车为节点，建立车联网。
当前智能交通的重点在于解决拥堵问题，亟待建立以车为节点的信息系统——车联网。
车联网就是要综合现有的电子信息技术，将每一辆汽车作为一个信息源，通过无线通信手段连接到网络中，进而实现对全国范围内车辆的统一管理。
它将在道路、车辆和驾驶员之间建立快速通信联系，通过计算处理中心动态地计算出最优的交通指挥方案和车行路线，靠系统分析得出的信息将交通流量调整至最佳状态。
2.技术框架
车联网智能监管系统平台的技术框架，包括感知层技术、传输层技术和应用层技术三个部分。
车联网感知层可以分为两个子层，下子层的主要功能是对网络当中的节点进行识别，感知并采集车辆位置、行驶速度、道路交通状况、天气情况等相关数据；
上子层的主要功能是在自组织网络范围内（有源CPS节点之间）传输数据。感知层需要的物理设备主要有RFID标签和读写器、各种传感器（感知温度、速度、车辆状况等信息）、GPS、摄像头等。
感知层传输数据时可以采用RFID技术实现。车联网网络层的主要功能是实现Internet接入，完成数据的分析处理和远距离大范围传输；
同时，网络层也可以实现对车联网络内节点的远程监控和管理功能。
网络层主要使用的设备是互联网CPS节点，其功能相当于传统网络当中的路由器；
将车联网接入到Internet当中，需要进行协议转换，因为在车联网的底层所使用的网络协议是与TCP/IP协议不同的。
应用层是在智能监管系统的建设基础上，通过架构管理中心和不同的终端软件，实现以车为节点的车联网集中管理系统，并能为各级相关单位系统服务。
总体系统框架如图4-25所示。
图4-25 车联网系统结构图
3.感知层关键技术
感知层，即路网感知层，数据采集与感知主要采用基于RFID电子标签技术的传感网络，通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，可以把任何物品与通信网络连接起来，进行信息交换，实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理，解决了汽车如何联入公众网的问题，结构示意如图4-26所示。
图4-26 车辆传感装置示意图
1）汽车身份标识关键技术
汽车身份标识（汽车的电子身份证）是一种工作于UHF频段（840～845MHz或920～925MHz）且具有多项应用特性的无源陶基型汽车专用RFID电子标签。
自主知识产权、高安全性的UHF RFID标签芯片及内存规划、编码管理、多编码体系映射、编码解析技术等，该项技术结构如图4-27所示。
图4-27 汽车电子身份证示意图
2）汽车智能平台技术
车辆主动安全技术、智能化车载传感技术、多传感器异构数据的融合技术等，如图4-28所示。
图4-28 车联网汽车智能技术示意图
3）车辆安全技术
车辆安全设计要从整体上来考虑，不仅要在事故发生时尽量减少乘员受伤的概率，而且更重要的是要在轻松和舒适的驾驶条件下帮助驾驶员避免事故的发生。
现代汽车的安全技术包括主动安全技术和被动安全技术两个方面，而被动安全技术和主动安全技术是保证汽车乘员安全的重要保障。
过去，汽车安全设计主要考虑被动安全系统，如设置安全带、安全气囊、保险杠等。
现在，汽车设计师们更多考虑的则是主动安全设计，使汽车能够主动采取措施，避免事故的发生。
在这种汽车上装有汽车规避系统，包括装在车身各部位的防撞雷达、多普勒雷达、红外雷达等传感器和盲点探测器，由计算机进行控制。
在超车、倒车、换道、大雾、雨天等易发生危险的情况下随时以声、光形式向驾驶员提供汽车周围必要的信息，并可自动采取措施，有效防止事故发生。
另外在计算机的存储器内还可存储大量有关驾驶员和车辆的各种信息，对驾驶员和车辆进行监测控制，示意图如图4-29所示。
图4-29 车辆安全技术示意图
4.网络层关键技术
交通物联网网络层的主要功能是实现互联网接入，完成数据的分析处理和远距离大范围传输；
同时，网络层也可以实现对车联网络内节点的远程监控和管理功能。
网络层主要使用的设备是互联网CPS节点，其功能相当于传统网络当中的路由器；
当然，互联网CPS节点所具备的控制功能是传统路由器不具备的。
将车联网接入到互联网当中，需要进行协议转换，因为在车联网的底层所使用的网络协议是与TCP/IP协议不同的用以实现更加广泛的互联功能，能够把感知层采集到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术、专网技术相融合。
传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。
1）4G/5G等移动视频图像传输
5G网络为车联网提供了完备的网络基础。
目前，我国三大运营商都已经建成覆盖全国的基础通信网，网络覆盖广、性能优、可靠性高。
特别是三大5G网络的建设，今年都将完成全国地市级城市的5G网络覆盖，未来两年将对县城实现基本覆盖。
5G移动通信网络高速发展，能够提供宽带化的无线信息传输通道，在全国范围内更好地实现无线漫游，并可以处理图像、视频流等多种媒体形式，这为建设车联网提供了坚实的网络基础。
2）协议研发
车联网没有采用传统的TCP/IP参考模型，这就决定需要研发新的适用于车联网的网络协议栈。
新协议的研发也应参考OSI网络分层的思想，依据车联网的体系结构逐层进行探讨。
新协议的研发应该引入当前的最新研究成果，同时结合车联网的实际特点，注重协议的运行效率。
车联网还需要接Internet，这就需要研究协议转换的问题，使得车联网当中的数据与Internet当中的数据实现互通。
当然，车联网中的网络协议也包括网络控制、数据安全传输等方面的内容。
3）传输加密技术
构建安全、可靠的物联网应用系统是当前研究的一个热点及难点技术，安全性和可靠性将决定车联网的推广普及程度。
物（车）联网的开放性、包容性和匿名性带来了一些不可避免的安全隐患，物（车）联网的复杂恶劣的应用环境对可靠性提出极高的要求，而先进的加密技术使车联网具有防御网络攻击、保护个人隐私、确保数据传输准确等方面的能力。
5.应用层关键技术
即公路网监测与服务公路网运行监测与服务应用层，主要包含应用支撑平台子层和应用系统子层。
其中应用支撑平台子层用于支撑跨平台、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互操作的功能。
应用系统子层包括路网交通状态监测、重要基础设施状态监测、预测预警、突发事件应急处置、出行信息服务等应用。
车联网应用层可以进一步划分为两个子层，下子层是应用程序层，主要功能是进行数据处理，车联网的各种具体的服务也在这一子层进行定义与实现，现在一般认为采用中间件技术实现车联网的各种服务是较好的选择；
上子层是人机交互界面，定义与用户交互的方式和内容。
应用层使用的设备主要是一些提供网络服务的服务器和用户使用的车载计算机等。
1）中间件技术
中间件技术（Middleware）是当前软件研发领域中的核心技术，在物联网领域，同样需要重视物联网RFID中间件的研发。
RFID中间件是实现RFID硬件设备与应用系统之间数据传输、过滤及数据格式转换的一种中间程序，将RFID读写器读取到的各种数据信息，经过中间件提取、解密、过滤、格式转换，导入车联网的应用程序中，并通过应用系统反映在用户界面上，供车联网用户使用。
针对车联网中的不同应用，可以开发不同的RFID中间件，如车辆路径导航中间件、紧急事件处理中间件、车辆辅助驾驶中间件、交通信号控制中间件等。
每种中间件的开发都需要参照车联网应用服务的要求和标准进行。中间件技术降低了应用开发的难度，提高了开发效率。
4.3.4 基于物联网的城市智能交通车联网试点应用
1-不停车收费系统（ETC）
基于RFID的车辆识别智能平台技术已经在高速公路不停车收费系统中得到了广泛的应用。
该方法通过在车辆上安装载有车辆信息的车载装置，使车辆在进入不停车电子收费通道入口时，公路数据采集处理系统的站级装置能够读取车载装置内的车辆信息，从数据库中调出匹配车辆数据后放行处理，储存记录，上传公路数据采集处理系统的数据管理中心；
该车辆通过出口时，公路数据采集处理系统的站级装置读取车辆信息，从数据库中调出匹配车辆数据后放行处理，储存记录。
ETC不停车收费系统主要包括路边设备RSU和车载设备OBU。
利用安装在车道的微波天线通过专用短程通信协议（DSRC）读取车载电子标签的车辆信息，通过无线电收发器实现安全可靠的双向数据交换，获取通过车辆的类型和其他的用户信息等数据，由车道的计算机系统控制指挥车辆通行，其通行费通过计算机网络可以直接从车载含金识别卡中扣除，或通过不含金识别卡信息从用户在银行开设的专用账户中自动交纳，从而实现自动识别，不停车收费。
整个智能车联网不停车收费系统由收费站、收费分中心和收费中心组成。
收费站不停车收费系统由收费站监控子系统和车道实时控制子系统构成。
收费站监控管理系统负责管理和监控本站各自动收费车道系统，车道子系统完成车辆数据采集和通行的实时控制。
收费车道设备是整个不停车自动收费系统的核心，主要由自动车辆识别装置完成车辆身份参数的快速自动识别，该装置通过无线电波与车载电子标签实现高速数据交换，使系统可在极短时间内作出反应，因而车辆通过收费口时，可以不停车快速通过，工作流程如图4-30所示。
图4-30 ETC工作流程
和以往的人工收费系统相比较，现行的ETC系统运营具有以下优点：
第一，交通更流畅。
车主可以不用停车直接用ETC系统就能进行缴费，有效避免了收费口造成交通堵塞，对于缓解公路压力有极大的帮助。
第二，缴费更方便。
车主不需要把车停下来进行缴费，使单位时间内通过的车辆数量会更多。
第三，更加节能环保。
ETC减少了车辆在收费口的等待时间，减少了汽车油耗，从而达到节能减排，保护环境的效果。
第四，提高了收费的工作效率。
利用ETC电子收费系统，目前已经实现了收费工作的完全自动化，促使了收费操作可以与机器之间通过电子信号以极快的速度进行。
在韩国首尔、新加坡、英国伦敦等地，还通过类似的智能感知手段对城市道路过往车辆进行身份识别，并根据识别结果对进入中心城区的车辆收取交通拥堵费，有效地缓解了城市中心区域的交通拥堵现象。
车辆在从郊区进入市区的道口时无须停车登记，因此管理系统能够在不影响正常的车辆通行的情况下实现车辆的自动收费。
2.Telematics车载信息系统
Telematics是远距离通信的电信（Telecommunications）与信息科学（Informatics）的合成词，通常所说的Telematics就是指应用无线通信技术的车载计算机。
随着计算机和网络技术应用到汽车上，正在形成被称之为是Telematics的新的计算机市场。
Telematics是无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载计算机的综合产物，被认为是未来的汽车技术之星，系统架构如图4-31所示。
图4-31 Telematics系统架构图
Telematics系统由车载终端、通信网络和卫星导航系统组成。
当汽车行驶当中出现故障时，车载终端通过无线通信连接服务中心，进行远程车辆诊断，内置在发动机上的计算机记录汽车主要部件的状态，并随时为维修人员提供准确的故障位置和原因。
当车辆发生严重碰撞、跌落山谷等紧急情况，而驾乘人员陷入昏迷无法报警求救时，车载终端会自动将车辆所在地理位置信息（经、纬度）通过无线通信手段发送到服务中心，服务人员可以在最短的时间内派出救援人员赶到事发地点进行救援，极大地提高了车祸事故中的人员幸存率。
同时，驾乘人员可以通过车载终端查看交通地图、路况介绍、交通信息、安全与治安服务，以及娱乐信息服务等；
在后座还可以玩电子游戏、网络应用（包括金融、新闻、E-mail等）。
通过Telematics提供的服务，用户不仅可以了解交通信息、临近停车场的车位状况，确认当前位置，还可以与家中的网络服务器连接，及时了解家中的电器运转情况、安全情况以及客人来访情况，如图4-32所示。
图4-32 Telematics车载终端
4.3.5 小结
近年来，我国城市交通安全及交通拥堵问题日益严重，全社会也对此给予了广泛关注。
基于物联网的城市智能交通管理系统，通过先进的智能感知技术和信息通信技术打造出全新的车联网，将城市交通的车辆管理、信息流通、拥堵控制、便捷收费、道路救援等多种功能集于一身，打造一体化的智能平台。
对于形成科学、规范、高效的城市交通安全管理机制，全面提升城市交通事故预防和应急能力，具有重要的作用。
从未来发展走势来看，现有的基于物联网的城市智能交通系统将从现有的道路交通领域逐步扩展到城市轨道交通、水上交通乃至高速铁路、航空等领域；
其管理模式也将从现有的以监控预防为主的被动管理方式转变为全天候、立体化、网格式的主动干预型管理方式，将交通事故的发生遏制在萌芽阶段，从而通过智能化、信息化手段大幅度地提高交通管理的科学性和有效性。