车载网络的特点范文

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中图分类号：TN915.03 文献标识码：A

0引言

随着车辆的不断普及，汽车已经成为人们离不开的交通工具，与此同时交通事故越来越频发，道路交通安全问题越来越受到人们的关注，另一方面，信息技术的不断发展，也为加强对公路车辆管理提供了一种新的思路和方法。车载AD Hoc网络（VANET）正是在这样的背景下出现的。它通过结合全球定位系统（GPS）和无线通信网络，为处于高速运动中的车辆提供一种高速率的数据接入网络，进而可为车辆的安全行驶、计费管理、交通管理、数据通信等提供极大的便利。

1车载Ad Hoc网络的特点

车载Ad Hoc网络是Ad Hoc网络在汽车上的应用，不仅具备Ad Hoc 网络的主要特点，同时还具备了不少Ad Hoc所没有的新特点，主要有以下几个方面：

1.1地形的限制影响

在移动Ad Hoc网络中，节点的移动通常是随机且不受周围地形的影响，然而在车载Ad Hoc网络中汽车节点的运动却会受到不同场景中地形的限制。道路的静态形状使得车辆移动只能沿着车道做单向或双向移动，具有一维性。

1.2网络拓扑结构变化快

在高速公路上汽车的移动速度是非常快的，汽车的这一特点使得无线覆盖半径变得相对较小。汽车节点的高度动态性使得汽车Ad Hoc 网络的拓扑结构变化快速，这个特征给路由的管理带来了很大的不便。此外，高速移动性还会导致网络拓扑结构变化快，路径寿命短。

1.3无线信道质量不稳定

由于受到路边建筑、道路情况和车辆相对速度等多重因素的影响，导致节点无线传输范围受限，使得在物理位置上处于无线覆盖范围内的节点有时候无法直接通信，使得现有Ad Hoc路由协议应用于车载Ad Hoc网络时性能严重下降。

1.4 GPS（全球定位系统）的结合

车载Ad Hoc网络不是一个封闭的网络，而是一个开放的网络，它可以结合GPS（全球定位系统）等外部网络，从而得到丰富的外部信息。比如自身所处的地理位置、道路路况、路口位置等，给车主的行车判断提供了充足的依据。

2车载 Ad Hoc 网络在高速公路车辆管理中的应用

车载Ad Hoc网络由于其突出的作用，已在高速公路车辆管理中得到了广泛的应用，具体而言集中在下面三个方面：

2.1 高速公路交通安全应用

高速公路由于其高速性、封闭性等特点，保证行车安全非常重要，同时也非常困难，车载Ad Hoc网络的引入比较好的解决了这方面的问题。

（1）事故现场预警

在高速公路上行车，由于车速非常快，留给司机们的反映和判断时间是非常有限的，尤其是当前方发生事故时，如果再遇上路况不好，那么司机们的预警时间就更短了。而利用车载Ad Hoc网络，司机们就可以及时获得必要的事故信息，从而给他们预留了足够的反映和采取措施的时间，避免发生二次事故，造成更大的人员伤亡和财产损失。

（2）高速公路路口

高速公路路口是高速公路交通事故多发的一个地段之一。车载Ad Hoc网络在这方面可以通过提前预警等方式告知周围车辆的不同动向，从而让司机提高警惕，采取必要的措施进行防范。

（3）拥堵的道路

高速公路虽然一般能够做到畅通无阻，使司机能比较快的到达目的地。但有时候高速公路也会出现拥堵的情况，车载Ad Hoc网络能够及时提供必要的信息让司机们了解当前道路的拥堵情况，并提供其他道路的路况以提供司机们参考。

2.2 交通状况查询

高速公路行驶对交通状况的要求比其他路面更高。利用车载Ad Hoc网络，司机们可以及时了解各条高速公路的路面情况、车辆密度、拥堵情况等信息，有利于司机们选择所需的路线和时间。

2.3 信息服务应用

现在人们对行车的要求已不仅仅局限在安全性方面。在其他相关的环节如高速公路缴费以及办公、娱乐等也提出了不少新的要求，车载Ad Hoc网络都有涵盖这些功能。

3结语

随着人们行车安全意识的提高，车载Ad Hoc网络越来越受到人们的重视，在高速公路车辆管理中应用也越来越广泛。它通过车辆之间信息的即时沟通与交流，大大提高了车辆在高速公路行车的安全性，同时也提高了道路的利用率。随着车载Ad Hoc网络的不断完善和与时俱进，它将带给人们更多方便。

参考文献

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Abstract: Obtaining vehicular sensor information reliably in real time has always been a bottleneck in vehicular networks. Hybrid sensor and vehicular networks (HSVN) incorporates the features of wireless sensor networks (WSN) and vehicular ad hoc networks (VANET) and provides users with a large amount of vehicular information. HSVN is becoming the trend in vehicular network development. REST architecture makes resources and interactive behavior more uniform and creates stateless services between server and client. These features are helpful for heterogeneous applications. In this paper, we propose a new vehicular network frame and service module for improving interaction. We propose a way of using the information service resources design method in HSVN to create a lightweight method for building an interactive system in a heterogeneous network environment.

Key words: HSVN; REST; vehicular sensor service; service resource

随着物联网技术的不断发展，以感知、互联为特征的物联网应用越来越得到重视，一个重要的应用领域就是车联网。和传统的物联网一样，车联网的基础也是无线传感网(WSN)，它为车辆的感知、互联提供基础支持。由于车辆移动的特性，车辆之间通常形成以自组织为特点的车载自组网(VANET)。WSN和VANET的结合形成一种混杂感知车载网(HSVN)[1-2]。在VANET或HSVN中，车辆非静态地与基础网络进行链接(与传统的计算机网络方式不同)，这使得车辆网络必须考虑如何将车辆作为节点集成到基础网络当中，以便网络能够通过路由设施寻址获得对车辆节点的交互服务。

由于VANET和HSVN的移动和自组织性，在物联网的应用层，从信息资源类型、信息资源访问方法、信息资源的交互方式等角度出发，对其所运行的信息系统也有不同的要求。在Web服务当中，表述性状态转移(REST)作为一种软件架构约束或者设计原则，其目标在于避免服务器使用资源服务的应用状态，通过确保服务当中的重要资源能够以统一标识符(URI)的方式得以指示，进而使得客户端的所有交互能够从服务器上获得所有必需的服务状态信息，同时服务器端不用保存来自客户端的资源会话状态信息[3-4]。与传统的基于状态的应用相比，REST的这种工作方式大大提高了Web服务的可伸缩性、通用性和组件独立性，这对于需要处理海量的不同信息类型的无线车辆网络无疑具有一定的适用性。

本文结合HSVN信息服务的典型应用，给出一种基于REST设计思想的车载感知信息服务的设计框架，它能够以较经济的方式满足车载感知信息服务需求。

1 混杂感知车载网信息服务

1.1 混杂感知车载网信息服务场景

车辆在道路上行驶，在经过道路交叉口临时停靠和进入停车场后停靠情况下，车辆和外在单元的信息交互服务应用，可以看作是典型的具有WSN和VANET特征的HSVN应用。图1表示了这种HSVN应用的一个典型场景。

图1中，架设在道路边上的道路终端，以及在停车场上的停车场终端，构成了一个“静态”的无线传感器网络(WSN)，静态WSN的主节点可以以有线的方式接入主干网(如Internet)。而车辆自身的感知服务加入到这个静态WSN中，形成了“动态”的WSN

行驶在道路上的车辆之间构成一个自组织的VANET。车辆处在VANET和WSN两个网络之中。这两个网络能够实现道路交通信息的共享以及进行快速的数据交换。车辆自发组成的VANET，并不是保持持续的状态而是在可能的条件下以点对点的模式进行互联，尤其是在两辆车相互靠近的时候。车辆一方面能够采集自身的状态信息，另一方面当车辆经过道路终端时能够下载存储于网络当中的道路信息，而车辆也能实时地将自身的信息上传到WSN进行覆盖更新。图1给出的典型场景当中存在着3种交互子场景：

・VANET中车辆与WSN的交互，通过和道路终端的通信完成。

・同一方向上的车车交互。

・相反方向上以车群为单位的车车交互。

1.2 混杂感知车载网服务模型

通过对典型场景的分析，可以把一个HSVN内信息交互对象分成车载终端用户、道路交通服务基站、交通安全服务中心和PC用户四大类。其中，PC用户是指通过高速接入(一般为有线网络)方式接入到主干网的静态终端用户，这部分用户的应用模式和传统的PC应用模式相同，本文中不加专门讨论。

HSVN应用目的之一是保障交通安全，为用户提供“平安出行”的服务。交通安全服务中心作为整个服务系统的核心，维护了各项服务的独立性和安全性。一般它具有专门的数据库系统。数据库系统和交通路况信息系统、地理信息系统(GIS)等进行互联，结合HSVN中道路交通传感器网络，能够存储从各个节点收集来的各项数据，进行有效地数据分类规划并对各分类服务进行有效地管理控制。典型的服务内容见表1。

图2中的道路交通服务基站是由一系列道路终端、停车场终端等组成的传感器网络。根据交通安全设计的需要，这些基站(终端)可以是简单的信息收发单元(类似于接入点(AP))，也可以是自带系统的智能单元。从安全感知的需求出发，道路交通服务基站会被设计成为带有数据库的小型计算机系统，既可监测路况信息又可作为数据的接入点。它能够从任何的车辆节点接收、存储数据，也能够为车辆提供一定的信息服务。其拥有属于自己的资源控制规则。基于基站感知元件的感知能力不同，不同的道路交通服务基站有不同的覆盖范围。在移动应用中，车载终端用户形成车载自组网(VANET)，网内车辆为点对点的通信模式。随着车辆在道路上的行进，一般这个网络会动态地进行改变。

车载终端和交通安全服务中心以及道路交通服务基站的通信会比较复杂一些。一方面，车辆通过道路终端或停车场终端等服务基站来获取信息服务。如果车辆在行驶过程中，其和道路终端的关系动态地改变，服务会根据车辆行驶的路线分段进行。车载终端会进行网络接入点的监测，选择便于接入的道路交通服务基站。车辆终端用户从中获取路况信息。道路交通服务基站会定期与交通安全服务中心进行交互以更新信息。道路交通服务基站扮演着无线网络和固定网络的接口角色，其自身也相应搜集气象等信息。图2显示了场景的服务结构。车载终端用户所在的车辆节点拥有独立的信息展示系统，沿其行驶路线进行数据收集，一方面接受服务基站和安全中心的各种服务，一方面将自身的数据与基站和中心进行共享。车辆节点与其所在的车载自组网同样也会进行信息的共享。

对于没有道路交通服务基站覆盖的区域，车载终端可以通过移动网络(2G/3G网络)和主干网进行通信，直接从交通安全服务中心获取服务。

1.3 混杂感知车载网信息服务的特点

根据上面分析，结合HSVN中车载终端的移动特性，可以得知HSVN中信息服务有如下特点：

(1)信息多路传播，多路由。车载终端可以通过道路终端接入到主干网，获取交通安全服务中心的服务，也可以通过移动网络直接接入主干网获取服务。数据传输路由的选择则与道路终端的部署情况、车辆无线网络的信号强度、服务的内容等因素有关系。

(2)客户/服务角色的统一。一个节点(车载终端、道路终端等)在整个网络中既可能是客户(获取服务)，也可以是服务者(提供信息服务)。每个终端都有一定的信息处理能力，需要对不同的信息进行融合分析处理。

(3)信息可以分成紧急和非紧急两大类。对于紧急信息，需要实时传播。例如，前面车辆的突发故障信息需要及时传递给后续车辆，发出警示。紧急信息一般可以被设计成短帧格式，便于传送。而非紧急信息，如道路的实时路况视频信息，一般需要更大的带宽来进行传输。

(4)服务传送信息越简洁越好。由于移动过程中车辆和道路终端的连接会频繁切换，因此一个服务最好是车辆在一个道路终端的覆盖范围内完成。服务信息涉及的字节数越少，完成服务的时间越短，其涉及的信息单元就越少。

2 表述性状态转移信息

交互设计

针对跨平台、松耦合的客户/服务体系，面向服务的架构(SOA)是一种普遍的解决方法。2000年Microsoft公司正式提出Web服务概念，并且随后联合其他公司共同制订了简单访问对象协议(SOAP)，Intel、IBM、Microsoft等公司指定了Web服务描述语言(WSDL)和统一描述、发现和集成(UDDI)协议，形成了完整的SOAP Web服务体系架构[5]。在该模式下，超文本传输协议(HTTP)只是用来进行信息传递的协议。在这协议之上有SOAP协议对数据进行封装[6]。一个Web服务通过WSDL来进行描述，一般包含了多个可以被调用的方法。调用方法可以使用多种数据类型，甚至是数组等复杂数据类型。

这种面向传统计算机平台的Web服务架构主要缺点是实现复杂，一个URI对应的Web服务包含很多方法，各个方法调用形式不同，参数类型不同，导致访问的编程复杂。同时，由于信息传递是通过基于SOAP规范的可扩展标记语言(XML)文件实现，数据传递过程必须进行必要的打包操作，带来了数据传送量的增大。

2000年，Roy Thomas Fielding提出了REST风格的Web服务。服务在Web级规模交互上存在优势，其具有以下特征[6-7]：

・带有状态的服务被抽象成资源。

・每个资源都对应唯一的资源标识(URI)。

・所有资源通过通用的连接器接口(HTTP)进行通信和操作，限制在CRUD(Create、Retrieve、Update和Delete)4种操作。

・所有REST交互都是无状态的。

・采用Client-Server结构，用户界面与数据存储分开。

・架构是分层的。

・服务器端响应强制标志出是否可以缓存。

在SOAP式的Web服务架构中，关注点在于方法；在REST式的架构中，关注点在于资源。服务架构使用标准方法检索并操作信息片段，同时需要制订信息的表示方法[8]。REST利用简单的HTTP、URI标准和XML语言构建起轻量级的Web服务，从而大幅度地提升了开发效率和程序性能，也为构建下一代高性能、高可伸缩性、简单性、可移植性、可靠性的Web程序提供了一个架构风格上的准则。

3 混杂感知车载网信息

服务的表述性状态转移

风格的服务设计

REST风格的服务设计，可以被称为面向资源的应用(ROA)风格的应用。在REST当中，资源的定义起到了基础性的作用。资源设计可借鉴的方法有很多种，这里主要从上面提到的服务对象和服务过程来归纳。

3.1 感知信息数据规划

在REST当中，进行数据规划的真正作用在于提出系统想要提供或者说暴露的数据集，也就是系统的服务类。表2是HSVN场景下所定义的典型数据集，每一数据集拥有其根据实际需要而统一的数值类型和命名方式。

3.2 感知信息资源设计

REST的资源设计和命名是通过设计URI来体现的，同时URI也表明了资源的地址[9-10]。URI是客户端与服务端之间接口的重要部分，保持其稳定性和永久性是相当重要的，为此设计时应该按照一定的规范来保障URI的一致性。本文按文献[11]所提的惯例来设计。

首先对于整个服务来讲，服务首页也就是根资源，定义其URI为省略。接下来，可对每个子服务进行设计，其URI分别定义如下：

・车辆预警模块――省略/vehicle-warning

・路况预警模块――省略/road-warning

・气象服务模块――省略/weather-services

・定位服务模块――省略/localization-services

・路径规划模块――省略/path-plan

在此基础上，以路况预警为例，进一步进行设计，具体如表3所示。

3.3 感知信息资源表述

确定资源并设计好URI以后，必须考虑当客户端发送服务请求时，服务器应返回什么数据。在REST风格中，资源有多种表示形式，包括XML/JSON/ATOM等等。该资源格式应要能够：传达资源的当前状态；链接到可能的下个应用状态或资源状态。

路况预警资源的组织形式，表现为层次结构，每一层次就是一项数据报告，以属性名进行命名。同时为实现连通性，在路况预警资源的表示中将显示其他资源的URI。由于JSON格式表示简单，属于纯文本格式，有利于降低网络的负载要求[12-13]，本文采用此格式。类似的表述格式如图3所示。

从整体上考虑，资源的表示主要是设定HTTP的请求报头和请求实体，并且实体的格式必须和连接类型声明一致。

4 表述性状态转移式的混杂

感知车载网服务架构

建立针对HSVN的REST风格的服务，需要通过分析服务当中的逻辑实体，建立服务信息模型，从而规划出满足HSVN条件的REST风格的服务。图4是根据HSVN信息服务特征及REST约束规则设计的HSVN软件服务架构。架构以资源服务控制器为核心。

客户端是各类需要服务的应用系统。客户端包括移动终端以及静态终端，其涉及的操作系统平台也各不相同。

感知服务层提供各类服务。其中，资源服务控制器负责管理客户端的服务请求(在其内部拥有一个路由设备)，根据URI将每个收到的请求路由到适合的服务节点(找到适合的HSVN网络接入点)。各个服务节点通过规范化的REST接口去执行具体的信息服务请求。

服务节点运行在道路终端、车载终端或者服务中心的异构计算机平台上。各类服务节点提供的服务能力不同。

资源服务层提供整个网络服务共享的数据和资源服务，其运行于服务中心的计算机平台上。

5 结束语

HSVN作为未来车载网络的发展方向，其混合式的框架决定了其在处理车载感知信息时的复杂性和多样性，对信息服务的数据融合、表示、存储等各方面提出了较高要求。本文在分析HSVN应用场景和服务模型的基础上，结合REST架构设计准则，给出了HSVN中车载感知信息服务的设计方法，可以生成具有良好可伸缩性、通用性和组件独立性的车载网络服务系统。

6 参考文献

[1] BARBA C T, AGUIRRE K O, IGARTUA M A. Performance evaluation of a hybrid sensor and vehicular network to improve road safety [C]//Proceedings of the 7th ACM Workshop on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks(PE-WASUN '10), Oct 17-18, 2010,Bodrum, Turkey. New York, NY, USA: ACM, 2010:71-78.

[2] SUKUVAARA T, NURMI P, HIPPI M, t al. Wireless traffic safety network for incident and weather information [C]//Proceedings of the 1st ACM International Symposium on Design and Analysis of Intelligent Vehicular Networks and Applications (DIVANet ’11),Oct 31- Nov 4, 2011 Miami Beach, FL, USA. New York, NY, USA: ACM, 2011.

[3] FIELDING R T. Architectural styles and the design of network-based software architectures [D]. Irvine, CA,USA: University of California, 2000.

[4] FIELDING R T, TAYLOR R N. Principled design of the modern Web architecture [C]//Proceedings of the 22nd International Conference on Software Engineering (ICSE’00), Jun 4-11, 2000, Limerick, Ireland. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2000:407- 416.

[5] KREGER H. Web services conceptual architecture (WSCA 1.0), Part I [C]. IBM Software Group, 2001.

[6] 佘文通. REST基于ROR框架下的WEB2.0应用研究 [D]. 北京:首都经济贸易大学, 2010.

[7] JAMAL S, DETERS R. Using a cloud-hosted proxy to support mobile consumers of RESTful services [C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Ambient Systems, Networks and Technologies (ANT’11) / the 8th International Conference on Mobile Web Information Systems (MobiWIS’11),Sep 19-21,2011,Niagara Falls, Canada .Procedia Computer Science, Vol 5. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science, 2011: 625-632.

[8] 刘建亮. P2P网络中的REST式Web服务的研究与实现 [D]. 北京: 中国地质大学, 2010.

[9] WEBBER J, PARASTATIDIS S, ROBINSON I. REST实战 [M]. 李锟, 等译. 南京: 东南大学出版社, 2011.

[10] RICHARDSON L, RUBY S. RESTful Web Service [M]. 徐涵, 李, 胡伟, 译. 北京: 电子工业出版社, 2008:216-218.

[11] ALLAMARAJU S. RESTful Web Services Cookbook [M]. 丁雪丰, 常可, 译. 北京: 电子工业出版社, 2011.

[12] SCHOR L, SOMMER P, WATTENHOFER R. Towards a zero-configuration wireless sensor network architecture for smart buildings [C]//Proceedings of the 1st ACM Workshop on Embedded Sensing Systems for Energy- Efficiency in Buildings(BuildSys'09), Nov 3, 2009, Berkeley, CA, USA. New York, NY, USA: ACM, 2009.

[13] DGUINARD D, TRIFA V, WILDE E. A resource oriented architecture for the Web of things [C]//Proceedings of the 2nd International Conference on the Internet of Things (IoT’10), Nov 8, 2010,Tokyo, Japan. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2010.

收稿日期：2012-01-03

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1、单片机局域网技术概述

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，它将一个计算机系统集成到一个芯片内。20世纪80年代中期到90年代末，以微处理器为核心的单片机技术开始大规模应用在汽车领域。2000年以后，单片机控制技术在汽车轿车领域的应用逐渐普及，出现了以网络技术进行信息的传递与交换的局域网控制技术，其控制内容覆盖了发动机动力控制系统、车身控制系统、底盘控制系统。

2、故障类型

2.1 汽车电源系统引起的故障

车载网络系统的核心部分是含有通信Ic芯片的电控单元，其正常工作电压在10.5～15.0v之间。若汽车电源系统提供的工作电压低于该值，会造成一些对工作电压要求较高的电控单元暂时停止工作，从而使整个车载网络系统暂时无法通信。

2.2 节点故障

在网络覆盖的电控单元内，某些电控单元由于受到外界干扰，错误地向执行器发出指令，使一些执行器不能按照预先设计的控制机理正确动作。

2.3 链路故障

车载网络系统的链路（或通信线路）发生故障时，如通信线路短路、断路，以及由于线路物理性质引起的通信信号衰减或失真，都会引起多个电控单元无法工作或电控系统错误动作。

3、车载网络系统的故障检修

3.1 检修注意事项

（1）使用测试器时，其开放端子电压应为7V或更低。（2）在检查电路之前确保关闭点火开关，断开蓄电池负极电缆。（3）当插接器需要更换时，只能更换认可的电气插接器，以保证正确的配合，并防止线路中电阻过大。（4）动力系统电控单元对电磁干扰极其敏感。（5）为避免损坏线束插接器端子，在对动力系统电控单元线束插接器进行测试时，务必使用合适的线束测试引线。（6）不要触摸动力系统电控单元插接器端子或动力系统电控单元电路板上的锡焊元件，以防因静电放电造成损坏。（7）在利用电焊设备进行焊接时，必须从动力系统电控单元上拆下线束插接器。（8）确保所有线束插接器连接可靠。

3.2 自诊断功能

（1）采用CAN的车辆对诊断仪的要求。1）能够自动识别汽车电控单元的型号和版本。2）能够完全访问汽车电控单元上开放的存储资源。3）能够不失真地按照原厂要求显示从汽车电控单元上获取的数据。4）支持以下功能：读码清码；动态数据分析；执行元件测试。

（2）自诊断系统能识别的故障码。一条或两条数据线断路；两条数据线同时断路；数据线对搭铁短路或对正极短路；一个或多个电控单元有故障。

4、故障检修步骤与检测方法

4.1 故障检修步骤

（1）了解车载网络系统的结构形式。（2）了解该车型多路信息传输系统的特点。（3）了解车载网络系统的各种功能。（4）检查汽车电源系统是否存在故障，检查交流发电机的输出波形是否正常等。（5）检查汽车多路信息传输系统的链路是否存在故障。（6）检查是否为节点故障。（7）利用车载网络系统的故障自诊断功能。

4.2 故障检测方法

（1）检测电控单元的功能故障。（2）检测CAN数据总线故障。（3）检测电控单元故障。（4）检查车载网络系统的链路故障。（5）检查车载网络系统节点故障。（6）检查软件故障与电控单元编程。（7）检查故障码。（8）数据总数的波形检测。

5、总结

5.1 车载网络传输系统的节点故障

节点是车载网络传输系统中的电控模块，因此节点故障就是电控模块ECM的故障。它包括软件故障和硬件故障。软件故障即传输协议或软件程序有缺陷或冲突，从而使车载网络传输系统通信出现混乱或无法工作，这种故障一般成批出现，且无法维修。

5.2 汽车电源系统引起的故障

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一、引言

随着电子技术的迅猛发展，各行各业都在埋头于机电一体化的发展，汽车行业也不例外。如今电子控制技术已经应用在汽车车身的各个部分，如电控发动机、自动变速器、电子转向助力、定速巡行自动控制、防抱死制动等，动辄拥有数百个电子元件、数以捆计的汽车线路，这就涉及如何选择和应用单片机和车载网络，使汽车的各个零部件能够协调工作，电控系统更加优化。对于高职院校汽车类专业的学生来说，学习相关知识是十分必要的，因此，各大高职院校都相继开设汽车单片机与车载网络技术这门课程。

二、主要问题

汽车单片机与车载网络技术这门专业课程，理论性和实践性都很强，在重视理论教学的同时，必须加强实践训练。根据目前课程推行现状，发现以下问题。

1.学生自身问题

随着高职院校职业教育“宽进严出”的政策实施和职业教育社会化，高职院校普遍存在生源质量差的情况。学生知识基础差、学习意识淡薄，而汽车单片机与车载网络技术这门课程综合了计算机原理、汽车电工电子技术、汽车电控发动机和自动变速器等重难点的专业知识，即使本着“深入浅出”的教学理念，想让高职院校学生将本门课程知识掌握起来也并非易事。

2.教材的内容及选择问题

基于学生现状，高职院校选择教材出现一定的难度。纵观目前市场上本门课程的教材，有的理论性较强、实践性较弱；有的单片机和车载网络两部分内容分配不合理，大部分热菀MCS-51系列单片机为基础，但大量篇幅的讲解，使得教材缺乏与现代汽车电子技术发展相结合的新内容；还有的将单片机和车载网络分成两本书进行讲解，可能会出现一门课程要选两本教材的现象，给教学带来不便。与此同时，课时的限制和教材内容的滞后，使学生难以掌握最新的知识。

3.实训设备与教材的匹配问题

在选择实训设备的时候同样存在问题。目前开发汽车单片机与车载网络技术教学实训设备的厂家较少，高职院校的选择余地小，选择了教材后再来选择实训设备就更加具有局限性，因为能和所选教材完全匹配的实训设备几乎没有，因此存在实训设备与教材不匹配的问题。

4.教学的创新性问题

虽然本门课程最终向着一体化课程的目标前进，但由于课程性质问题，需要先将理论讲透，再进行实训，因此，要以理论教学为主，以实训教学为辅。学习过程中，学生学习理论知识时往往似懂非懂，而受限于自身综合素质及教材内容的教师，也没有进行创新性的教学模式开发，导致学生在实训环节处于模仿状态，很难真正理解知识。

三、教学改革的思路

学生自身问题是高职院校普遍存在的问题，但问题不是理由，教师要正视问题，结合高职院校学生的特点去实行本门课程的教学改革，以利于学生掌握应知应会知识，做合格的职业人才。

1.教学内容的改革

教师应充分研究学生的知识基础及学习特点，本着“理论够用”的原则，精讲细讲，结合大量的实训项目进行训练，同时注意观察学生的上课状况，结合现在汽车行业对高职人才的需求，不断修正，逐步确定有针对性的教学内容。如果现有教材不符合要求，一定要敢于改革，编写符合本校本专业的教材。

2.实训设备的改革

在教学内容的选择上，一定要充分考虑实训环节的设计，以便于和现有实训设备结合起来，使实训设备发挥最大效用。同时，各高校应充分支持相关专业，购买或开发最适合专业需求的实训设备。

3.教学方法的改革

教师应充分研究学生特点，不断创新，精心设计教学环节。理论课上，充分利用现代多媒体教学技术，不断设计有趣的问题，提高学生学习注意力，引导学生不断深入学习。实训课上，根据实训设备的情况、学生的学习情况及人数进行合理分组，使每个学生都能有足够机会和时间进行实训。教师应在一旁及时辅导，发现有偷懒的学生及时进行教育，发现实训过程中出现问题及时进行疏导，使学生能扎实地学知识。

总之，一门课程的教学研究与改革应与时俱进，不断深入进行。因此，各高校应利用多元化、多层级的教学模式培养现代汽车企业需要的职业人才。

参考文献：

[1]刘新磊.车载网络技术课程教学改革探讨与实践[J].科技视界，2016（2）.

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车载网路技术的发展和应用大幅的简化了汽车线路,降低了线束的用量,同时车载网络技术也提高了信息传输的速度,增强了汽车控制系统的稳定性和可靠性[3]。不同的汽车制造商发展了很多的车载网络技术,不同类型的车载网络需要通过网关进行信号的解析交换,使不同的网络类型能够相互协调,保证车辆各系统正常运转[4]。控制器局域网(CAN)是国际上应用最广泛的网络总线之一,其数据信息传输速度最大可达1Mbit/s,采用双绞线作为传输介质,属于中速网络,在现实应用中能向控制器局域网中接入很多的电子器件,大幅降低线束用量,目前控制器局域网主要应用于汽车电子信息中心、故障诊断等,具有较高的抗电磁干扰特性,在汽车整车中多应用于发动机电控单元、ABS电控单元、组合仪表电控单元等[5]。局部连接网络(LIN)信息传输速度较低为20Kbit/s,它属于低速网络,在现实应用中常作为一种辅助总线,辅助CAN总线工作,其访问方式为单主多从,目前主要应用于转向盘、车门、座椅、空调系统、防盗系统等。局部联结网络的先进之处在于数字信号代替了之前的模拟信号,满足了汽车对低速网络的需求。多媒体定向系统传输具有较高的数据传输速度,在低成本的条件下棋数据传输速度可达24.8Mbit/s,采用塑料光缆作为传输介质,属于高速网络,主要应用于对数据传输速度较高的汽车多媒体系统,例如连接车载导航器、无线设备、车载电话等。由于使用的是塑料光纤,其信号比较可靠,维护也比较简单。线控技术最初源于航空航天领域,线控技术使用电子器件将控制单元和执行器连接起来,大大减少了机械连接装置和液压连接装置的使用。线控技术属于高速网络,在汽车的安全性系统中有重要应用,线控系统能通过传感器感知车轮的转向角度,通过ECU判断并进行数据处理,提高了车轮转向的安全性。线控制动系统通过导线也能对汽车制动情况进行感知,使汽车制动系统的反应的速度和感知灵敏度得到大幅度提高。D2B总线技术是针对汽车多媒体和通信需求开发的一种车载网络技术,采用光纤为传输介质,传输速度快,属于高速网络,可连接多媒体设备、语音电控单元等。D2B总线技术使用光纤进行数据传输,应用范围广,传输信号稳定性强,不受电磁、广播、辐射等干扰。

2车载网络的应用

车身系统的部件分布在汽车装置的各处,如果使用线束则线束较长,容易受到广播、电磁等其他信号的干扰,为了避免其他信号的干扰,在工程实践应用中通常采用降低通信速度来解决,由于车身系统组成复杂,使用了大量的人机接口的模块,相应的节点数量也比较大,通信速度控制难度不大,但是会提高汽车整车的组装成本,目前车载网络技术在车身系统的应用主要是利用直连总线和辅助总线来完成信号的传递。控制器局域网(CAN)的数据总线上一般连接有中央控制单元、四个车门的控制单元和车前车后各有一个控制单元等七个控制单元,实现对中控门锁、电动车窗、照明、空调系统等部件的控制。其网络形式为星状形式,单一控制单元的故障不影响整个网络的使用,其他控制单元仍能够收发数据,提高了控制系统的稳定性。动力传动系统作为汽车控制系统的核心,需要对汽车的启动、运行、停止、拐弯等进行监测和控制,这对数据传输速度有较高的要求,需要使用高速网络。现代汽车的动力CAN数据总线一般连接发动机、ABS/EDL和自动变速器三块电脑,CAN数据总线能同时传输10组数据,在动力传动系统中要求数据传递尽可能的快,所以常使用高性能的发送器,以便于点火系统间数据高速度传输。安全系统是指汽车的安全气囊启动系统,目前已成为小型汽车的标准配置,安全系统要实现对驾乘人员的有效保护,必须要多外界的碰撞等突况做出快速的反应,由于汽车的安全气囊设置较多,感知外界碰撞强度的碰撞传感器也较多,所以对通信速度和传输可靠性要求较高。信息系统是近年来在汽车上应用较多的新技术,主要是为了满足驾乘人员的车载电话、音响、倒车雷达、多媒体等功能的使用,由于需要的通信容量大、速度快,所以一般使用光纤,其传输速度能有效满足汽车信息系统的要求。

3车载网络技术的发展趋势

3.1汽车线控技术的发展

汽车线控技术的应用有效解决了传统的机械连接和液压连接反馈时间长,装置结构复杂等缺点,使用线控技术可以有效的减少液压和机械控制装置,提高控制系统的稳定性和灵敏度,有利于为汽车的重新设计和布局优化提供空间。目前线控技术在汽车控制和汽车制动系统中已经得到了广泛使用,未来在汽车的远程控制、防抱死等领域将发挥积极的作用。

3.2汽车光纤技术的发展

汽车光纤技术具有通信容量大、传输速度快、抗干扰能力强等特点,能有效满足动力传输系统对数据传输高速度的要求,能满足信息系统传输容量大的需要,必将在未来的汽车控制系统中得到应用。同时,光纤传输技术允许有较高的数据传输速率和较高的信噪比,在汽车发动机实时控制、车辆状态监测和通断负载的开关控制等方面有重要的应用。

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1、汽车电子技术的发展历程

汽车电子技术在经历了零部件层次的汽车电器时代、子系统层次的单片机（汽车电脑）控制时代之后，已经开始进入汽车网络化时代，并向汽车信息化时代迈进。按照电子产品和电子控制系统的技术特点，可将汽车电子技术的发展大致可划分为四个阶段。

1.1 第一阶段―零部件层次的汽车电器时代

1965～1980年属于零部件层次的汽车电器时代。汽车发电机晶体管电压调节器和晶体管点火装置等开始装备汽车，而且电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡。

这一阶段，装备汽车的其他电子装置还有转向系统电子式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、数字时钟及高能点火（HEI）线圈和集成电路点火系统等。

1.2 第二阶段―子系统层次的汽车电脑控制时代

1980～1995年属于子系统层次的汽车单片机（汽车电脑）控制时代。在这一时期，单片机（微处理器）在汽车上得到广泛应用，以单片机为控制核心，以实现特定控制内容或功能为基本目的的各种电子控制系统得到了迅速发展。进入20世纪90年代，出现全面、综合的电子控制系统。

电子控制技术在汽车上的广泛应用，不仅拓展了电子控制的功能和控制内容，提高了控制精度和汽车性能，而且也为汽车网络技术的发展奠定了坚实的基础。

1.3 第三阶段―整车联网层次的汽车网络化时代

1995～2010年属于整车联网层次的汽车网络化时代。采用先进的单片机技术和车载网络技术，形成了车上的分布式、网络化的电子控制系统。整车电气系统被连成一个多ECU、多节点的有机的整体，使得其性能也更加完善。

目前，世界主要汽车制造商生产的的多数汽车上均采用了以CAN、LIN、MOST、DDB等为代表的网络控制技术，将车辆控制系统简化为节点模块化。

在基于现场总线的分布式控制中，任何传统意义上的传感器和执行器都可以与同一现场的节点相组合，构成节点模块，汽车网络技术进一步优化了汽车的控制系统，极大地提升了汽车的整体控制水平。

1.4 第四阶段―以Telematics技术为代表的汽车信息化时代

2010年7月，国际Telematics产业联盟（ITIF）成立大会暨2010首届国际Telematics产业发展高峰论坛在广东佛山市隆重举行。以此为标志，2010年成为汽车信息化时代的发轫之年。

汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也是现代汽车通信与控制的基础。伴随着汽车网络技术的日趋成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进。网络化时代的汽车电子技术注重解决汽车内部各个系统之间的信息交换问题，而信息化时代的汽车电子技术则可以实现车内网络与车外网络之间的信息交换，全面解决人―车―外部环境之间的信息交流问题。

2、车载网络技术的发展趋势-Telematics

汽车技术的发展脚步远未停止，在主要以动力传动、车身控制、行驶安全性、多媒体传输为主要控制目标的汽车网络技术逐步完善、日趋成熟的同时，又开始向汽车信息化时代迈进。可以预见，在不远的未来，汽车将进入以Telematics技术为代表的信息化时代。

2.1 Telematics简介

Telematics是远程通信技术（Telecommunications）与信息科学技术（Informatics）的合成词，意指通过内置在汽车、航空器、船舶、火车等运输工具上的计算机网络技术，借助无线通信技术、GPS卫星导航技术，实现文字、图像、语音信息交换的综合信息服务系统。也就是说，Telematics技术整合了汽车网络技术（也包括其他移动运输工具内部的网络技术）、无线通信技术、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）卫星导航技术，通过无线网络，随时给行车中的人们提供驾驶、生活、娱乐所必需的各种信息。通常所说的Telematics就是指应用无线通信技术的车载电脑系统。Telematics是无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载电脑的综合产物，被认为是未来的车载网络技术的发展趋势。

2.2 Telematics的功能

Telematics特点在于大部分的应用系统位于网络上（如通讯网络、卫星与广播等）而非汽车内。驾驶者可运用无线传输的方式，连结网络传输与接收信息与服务，以及下载应用系统或更新软件等，所耗的成本较低，主要功能仍以行车安全与车辆保全为主。

（1）卫星定位导航。

（2）紧急道路救援。行车过程中，如果发生车祸或车辆出现故障，驾驶员可通过Telematics系统的紧急呼叫按键，自动联系紧急服务机构（119、120等急救机构）或汽车服务站，以获得道路救援。

（3）汽车防盗及搜寻。通过GPS卫星定位技术确定失窃车辆的位置和行车路线，以便搜寻与追踪，追缴车辆并缉拿盗车贼。

（4）车辆调度管理。通过无线信息传输，实现运营车辆的调度管理。

（5）自动防撞系统。通过测距传感器或雷达，监测前、后车辆之间的车距，自动调用车载自适应巡航系统，使前、后车辆之间保持必要的安全距离。

（6）车况掌握。车辆性能与车况的自动监测、传输，进行多地、远程 “专家会诊”，指导车辆维修等。

（7）个人化信息接收与。收发电子邮件与个人化信息等。

（8）多媒体影音娱乐信息接收。高画质与高音质的视听设备、游戏、上网、个人行动信息中心、随选视频资讯等。

（9）车辆应急预警系统。当行驶中的车辆遇到紧急情况是，可以借助Telematics系统向外界发出应急申请，亦可接收来自道路交通管理部门的紧急情况警告及应急响应预案，确保行车安全和道路畅通。

2.3 Telematics系统的应用领域

Telematics系统在汽车上的布置可分为前座系统、后座系统与发动机系统三大子系统。

前座系统主要以行车安全、车辆保全、驾驶方便性与舒适性为主要目标。为了避免造成驾驶者分神，前座系统的信息输入方式主要采用语音输入或触摸屏（触控面板）；信息输出方式则为中尺寸面板（LCD或OLED）、语音输出或投射在汽车前挡风玻璃的抬头显示（Head-Up Display， HUD）等。为了避免造成驾驶者分神，前座系统的信息输入方式主要采用语音输入或触摸屏（触控面板）；信息输出方式则为中尺寸面板（LCD或OLED）、语音输出或投射在汽车前挡风玻璃的抬头显示（Head-Up Display， HUD）等。发动机系统主要是根据汽车电脑所收集的车况信息，进行车况诊断、行车效率最佳化、远程发动机调整或零件预定等。

从上述分析不难看出，Telematics技术基于GPS全球定位系统技术、GIS地理信息系统（Geographic Information System）技术、ITS智能交通系统（Intelligent Transport System）技术和无线通信技术。

3、结语

随着汽车电子控技术的发展，基于现场总线技术的车载网络系统已在汽车上得到了广泛的应用，并将不断地向汽车网络信息化逐步迈进。Telemetric技术的发展，体现了一个国家的综合科技实力，已经成为世界各国竞相研发的技术热点之一。

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GSM-R(Globle System of Mobile foRRailway)专门针对铁路移动通信的需求而推出的专用通信系统，由国际铁路联盟(UIC)和欧洲电信标准化组织制定技术标准，并被许多欧洲国家采纳。它基于GSM并在其功能上有所超越，是成熟的通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术体制。

(一)铁路GSM-R相对公网GSM有着特殊的需求

用户级别不同(语音呼叫，包括：组呼、群呼、增强多优先级与强拆)。功能寻址(调度)。基于位置的寻址(机车呼叫前方车站、后方车站)。高速列车运行情况下的移动通信。大量特殊的数据业务需求(列控、车次号等)。

(二)武广高速铁路GSM-R无线网络采用单层交织冗余覆盖

在列控系统中,无线闭塞中心(RBC)与车载设备无线连接中断,主要是由于GSM-R的无线网络连接失效,即车载ATP(列控车载系统)与BTS(基站)的连接中断,可能是ATP或BTS发生了故障,其中BTS故障的影响可能性大,因为它的故障会造成整个BTS无线网络覆盖区域内的无线连接中断,导致ATP无线连接超时由CTCS-3级转入CTCS-2级控车，影响该区段内的所有列车运行。武广高铁对无线连接失效采取的技术方案是采用单层交织冗余覆盖，铁路沿线由一层无线网络进行覆盖，但在系统设计时加密基站，使得两相邻基站的场强相互覆盖到对方站址，这样可保证在非连续基站故障的情况下，GSM-R网络仍能够正常工作。而且采用不同路由的奇偶数基站保护“环型”结构，在这种无线网络结构下，基站单点故障时不会出现无线网络覆盖盲区，只有连续基站故障或BSC(基站控制器)故障时才会影响无线覆盖，因而系统可靠性很高;同时由于基站加密，覆盖电平较高，抗干扰能力也较强。保证了动车350km/h运行速度车-地之间双向数据传输安全。

(三)CTCS-3级高速运行情况下的移动通信

使CRH3(中国铁路高速)型动车组在武广高速铁路上以350km/h的速度安全运行。基于承载CTCS-3业务的GSM-R系统确保行车安全。今天武广高铁采用GSM-R通信网络创造了CRH3型动车运行时速394公里的世界记录。

二、在武广高铁GSM-R通信网络的功能及其应用

我国GSM-R铁路数字移动通信系统由：网络交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、运行和维护操作支持子系统(OSS)三个子系统构成。

(一)GSM-R系统网络结构见下图

(二)GPRS在GSM-R网络中的重要作用

GPRS(通用分组无线业务)高效、低成本、资源配置灵活，特别适用于间断、突发性、频繁、数据量小的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。将GPRS分组交换模式引入到GSM-R网络中,GSM-R在数据传输上产生了由电路交换到分组交换的质的飞跃,数据传输速率从原来的9.6kb/s提高到最大传输速率171.2kb/s(理论上)。GPRS方式的数据传输链路，可以为铁路运输行车指挥提供数据通信业务，包括列车控制系统信息传输、机车同步控制信息传输、调度命令传输、调车无线机车信号和监控信息传输、无线车次号传输、进站停稳信息及接车进路信息的传输等数据通信通信业务。在高铁CTCS-3级模式下，车载设备通过GSM-R无线通信GPRS子系统向RBC发送司机选择输入和确认的数据(如车次号)，列车固有性质数据(列车类型、列车最大允许速度、牵引类型等)，车载设备在RBC的注册、注销信息，定期向RBC报告列车位置、列车速度、列车状态(正常时)和车载设备故障类型(非正常时)信息，列车限制性信息以及文本信息等。

三、中国铁路GSM-R网络的规划

铁道部按国家《中长期铁路网规划》在全国建设三个移动汇接交换中心(TMSC)，分别设在北京、武汉、西安。采用铁路专用900MHz工作频段，885-889MHz(移动台发，基站收)，930-934MHz(基站发，移动台收)。共4MHz频率带宽。在全国18个铁路局所在地以及拉萨设置共计19个MSC(移动交换中心),GSM-R核心网络采用二级网络结构。建立全国铁路统一的GSM-R移动通信平台,在铁路内部实现全国漫游,加快高速铁路信息化建设,实现高速铁路跨越式发展。

参考文献：

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Development of Broadband Network of Passenger

Train based on Wireless Mesh Network Technologies

ZHANG Qiuliang1，ZHOU Xing2

（1.Institute of Computing Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081， China；

2.Department of Passenger Transportation，Jinan Railway Administration，Jinan 250001，China）

Abstract：Along with development of high-speed railways， the mobile network access technology needs to be improved. In view of the developing status of the public mobile communication network and dedicated railway mobile communication network， this paper put forward to build an Broadband Network of passenger train based on the wireless mesh network technology， and then analyzed the network structure， key technologies and applications of the System.

Key words：wireless mesh network（WMN）；Train LAN；passenger trains；information service

1 引言

根据我国第31次互联网络发展状况统计报告，截至到2012年年底，我国网民规模达5.64亿，其中手机网民数达到4.20亿。该报告显示，Internet应用在我国迅速普及，已经融入到社会的各个层次和方面，特别是宽带和手机这两种接入方式发展加快，显示随时、随地、随意的宽带Internet应用需求成为新的增长点。

根据铁道部2012年铁道统计公报，2012年我国铁路运输发送量达到18.93亿人次，完成旅客周转量9812.33亿人公里，铁路旅客运输规模位于世界第一。其中客运专线建设全面推进，特别是自2007年4月“和谐号”动车组列车开行以来，以其安全、快速、舒适、方便的运输品质，开创了我国铁路旅客运输新局面。

然而，在信息社会的今天，行进中的旅客列车却依然是信息的孤岛，每年有十几亿旅客在列车上度过数百亿小时与Internet隔离的时光。如今，越来越多的旅客随身携带笔记本电脑、平板电脑、智能手机等移动网络设备，有在列车上随时上网的需求。因此，旅客列车宽带Internet应用研究不仅可提升铁路服务质量、满足旅客日益强烈的宽带Internet服务的需要，同时也是一个潜力巨大的市场[1-3]。

2 旅客列车宽带网络概述

国内对铁路无线的前期研究主要集中在采用GSM-R/GPRS等移动蜂窝通信技术为列车提供窄带连接，应用领域主要为铁路信号传输和列控等。然而该技术的频率带宽目前只有4MHZ，该网络本质上仍然是2G移动通信技术，在移动环境下，其带宽也只有几kbit/s，根本就无法满足列车上旅客访问互联网的需求。针对于这种情况，本文提出了一种基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络设计方案。

旅客列车宽带网络是基于Wi-Fi的铁路专用无线Mesh（网状网技术）网络技术的一种新型网络，可提供宽带高速移动的无线网络，支持基于IP的话音、视频和数据传输业务。网络具有自我组织、自动配置、性能自动调节、链路自动修复等特性，支持负载均衡和冗余备份，为高速列车上互联网接入、数据传输和语音服务提供稳定可靠的承载平台。

它提供带宽高达300M的无线链路通道，以无线基站系统所构成的无线链路为骨干网与铁路有线传输网相结合。该网络的的实现不仅可以满足高速列车上旅客对宽带Internet服务的需求，而且可以作为铁路运营维护管理的辅助手段，能够提供定点视频监控、移动视频监控、机车车辆数据实时交互、突发事件的应急指挥、话音通信及编组场应用等功能，可提高运营维护管理效率、减人增效。

旅客列车宽带网络的拓扑图如图1所示。

3 旅客列车宽带网络结构设计

旅客列车宽带网络由列车无线局域网、车-地宽带连接、地面无线Mesh网络3层结构组成，如图2所示。

根据数据流的源和目的地址，可以将旅客列车宽带网络应用分类两大类：车内数据流和车-地间数据流。对于车内数据流，直接在列车无线局域网内部高速转发。对于车-地间数据流，由车-地宽带连接实现车地数据快速交互。由于我国铁路现有的交互网、传输网、数据通信网三大基础网络一般还只到达主要站段，沿线部署的无线基站难以实现直连，它们可以通过地面无线Mesh网络实现通信数据汇聚。

基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络结构如图3所示。

无线Mesh网络的最大的特点是网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个无线网络节点都可以与一个或者多个对等的无线网络节点直接进行通信，每个无线网络节点都可以同时作为AP和路由器。因此，在组建无线Mesh网络时，列车上只需设置一个接入点（车载Mesh设备）即可，每节车厢中设置的AP与车厢内旅客使用的智能手机、笔记本电脑等移动终端均可视为网络中的节点，这样可以很好的保证网络的连通性和稳定性。

旅客列车宽带网络的核心部分是地面无线Mesh网络以及列车内部的无线局域网的组建。

3.1 地面无线Mesh网络

铁路无线Mesh网络的核心部分是铁路沿线架设的无线Mesh基站，固定Mesh基站的间距平均为2公里--直线区域Mesh基站间距离略大，而山区和隧道区域所需要的Mesh基站间距在1.5公里左右。固定Mesh基站之间的互联采用5.8GHz技术，对车辆的接入也采用5.8GHz频段技术。固定Mesh基站经过多跳无线组网之后，进入到就近的光纤节点处。为了保证车辆高速移动的情况下能够在固定Mesh基站之间快速切换，必须在车辆上安装移动车载Mesh设备。该网络支持移动速度高达300公里时速的漫游切换。

铁路无线Mesh网络中主要使用两种Mesh基站。一是，光纤落地节点固定基站采用GCM8622 Mesh基站，即每个光纤落地点均需放置一套GCM8622。该Mesh基站内置了3块802.11n模块，可以为系统提供更高的整体性能。按照实际环境的经验值，每个802.11n扇区在1公里内可提供70Mbps以上的汇聚吞吐量。二是，沿线的无线中继节点基站采用GCM8632 Mesh基站，即在铁路沿线光纤无线中继基站使用GCM8632设备，该设备内置3块802.11n模块，其中两块5.8GHz模块分别处理Mesh上行和Mesh下行的通信，保证了无线网络多跳的高宽带和低时延，另一个5.8GHz模块处理移动车载Mesh设备的无线接入，支持第三方太阳能电池供电。地面无线Mesh网络结构如图4所示。

3.2 列车无线局域网

在每节车厢设置一个AP接入点，在整列车最中央的那节车厢设置一台车载Mesh设备、一台路由器和流媒体服务器，整列车通过车载Mesh设备与铁路两边的基站建立连接，形成一个无线局域网络。而车厢内部以车载流媒体服务器为中心，以各车厢AP接入点为节点，组成一个车域无线网络。目前，我国的动车组在出厂时已经部署了内部的AP接入点，只需在中央控制部分增加一套流媒体服务器设备即可满足列车内部无线局域网的组网需求。

车载Mesh设备采用GCM8300设备，该设备保证列车在高速移动和快速切换下依然保证无间断的通讯，提供至少40Mbps车地通信带宽。GCM8300设备内置1个5.8GHz 802.11n无线模块，并提供1个千兆以太网接口用于连接车载路由器。

4 旅客列车宽带网络关键技术及应用场景

4.1 旅客列车宽带网络的关键技术

⑴车地互联的实现。旅客列车宽带网络采用集中接入的模式，在旅客列车内部组成一个局域网，由车载通信网关集中负责与地面基站的车-地互联。车载网络终端均是接入到列车局域网，当需要与地面网络通信时再由车载通信网关进行数据中继。

⑵车载通信网络在不同的Mesh节点间实现无缝的AP间切换。在铁路沿线的无线宽带覆盖中，AP采用方向性天线沿铁路线进行定向覆盖，其覆盖半径可超过1公里。旅客列车是沿着铁轨按照规定的运行轨迹移动，并且铁路沿线的AP部署也是已知的，即车载通信网关可以预知其即将接入的下一个AP。同时，由于车载通信网关往往是一个独立的WIFI设备，比一般移动节点可以更方便地集成多个无线模块。

⑶无线网络安全机制。旅客列车宽带网络的安全机制主要由车地互联层实现，即车载通信网关只能接入合法的地面Mesh节点，而地面Mesh节点只允许合法的车载通信网关接入。车载通信网关和地面Mesh节点都与用户无关，可以采用特殊的身份识别机制达到更高效更安全的身份认证。

⑷网络管理技术。旅客列车宽带的网络管理涉及到车地互联层的车载通信网关、地面接入层的Mesh节点、汇聚层的汇聚网关和交换控制中心。交换控制中心定期采集每个Mesh节点和车载通信网关的状态数据，根据操作人员指令或动态最小生成树算法等生成包含网络管理信息的配置脚本，然后将相关配置脚本传送给对应节点。各节点定期或根据指令随机向交换控制中心报告节点状态，接收并应用交换控制中心下达的配置脚本，从而实现网络的集中管理和性能优化。

4.2 旅客列车宽带网络的应用场景

⑴列车车厢应用。列车宽带网络可以实现多种应用：列车内部视频监控；旅客语音通信；客运业务数据传输；旅客互联网数据访问。

⑵站场应用。可以实现在途列车与调度之间的通信、地面工作人员之间的通信、车上与地面工作人员的通信。

5 结束语

我国正处于经济高速发展时期，各种运输方式发展迅速，要想在激烈的运输市场中取得有利地位，除了需要升级硬件设施外，也应以旅客为本，为旅客提供人性化的信息服务。可以确信，基于无线Mesh网络技术的旅客列车宽带网络的建设将极大提高铁路旅客服务质量，改善铁路形象，为我国铁路信息化建设做出贡献。

[参考文献]

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一、车载移动自组网简介

车载移动自组网是专门为移动车辆间通信而设计的自组织网络，它创造性地将adhoc自组网技术应用于车辆间通信。adhoc自组网是一种无线分布式结构，强调的是多跳、自组织、无中心、动态拓扑的概念。车载自组网的基本思想是在一定通信范围内的车辆可以相互交换各自的数据，并自动的连接建立起一个移动的网络，网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。每个节点的单跳通信范围有几百米到一千米，每一个节点（车辆）不仅是一个收发器，同时还是一个路由器，因此采用多跳的方式把数据转发给更远的车辆。

二、基本路由机制

通过对已有车载移动自组网路由协议的分析，可以发现表驱动、按需驱动及洪泛算法几乎是所有路由协议的基础，不同的协议在不同程度上采用了以上一种或几种算法。

表驱动路由协议的特点是网络中每个节点都维护一张路由表，记录本节点到网络中所有节点的最新路由信息；周期性广播路由更新分组，维持路由的有效性。按需驱动路由的特点是：只有节点有发送需求时才启动路由发现，只在通信过程中才维护路由，一旦通信结束就不再维护路由。

DSDV（Destination Sequenced Distance Vector Routing）是表驱动路由的典型代表协议，特点是采用目的节点序列号机制，始终选择最新路由，并避免路由环路。

DSR（Dynamic Source Routing） 协议是按需驱动路由的典型代表协议，特点是通过源节点广播路由请求分组RREQ和目的节点反向回复路由应答分组RREP完成新路由的发现过程，采用源路由机制所有路由信息都记录在RREQ和RREP中，避免了环路的产生。

AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing） 协议是结和表驱动和按需驱动的混合路由的典型代表协议，也是目前唯一被IETF作为MANET实验标准 （RFC3561） 的协议。AODV结合了DSR和DSDV的优点：路由建立过程采用了DSR协议中的RREQ-RREP方式，不同的是，采用了DSDV协议的逐跳机制，路由维护阶段采用了DSR的按需维护机制。

MFLOOD无线路由通讯协议是一种典型的泛洪路由协议。当节点需要发送数据包时，节点就向整个网络广播该数据包。分析洪泛路由的意义在于分析泛洪分组的效果和对网络性能的影响。

三、仿真性能比较

以下是对城市和郊区两种通信环境作简要的描述：

（l）城市环境：以北京的城市情况为例。密集繁多的城市建筑和绿化带使无线信号衰减明显，道路规划有明显的规率，且道路较为密集，同时车辆密度较大。正常情况下，受各路段限速规定和车辆密集度影响，车速大多在40km/ h-60km/h之间。

（2）郊区环境：以北京郊区的交通情况为例。郊区环境的路面比较宽敞，通常有多条行车道，行车环境比较优越，建筑和绿化带的影响也相对较小，车速大多在80km/ h-100km/h之间。

通过阅读大量仿真实验文献，可以发现：

在城市环境中，MFLOOD由于采用的是洪泛机制，所有节点都转发数据包，丢包率最低，在5%左右；AODV协议的表现要优于DS DV和DSR协议，丢包率多在20%；DSDV和DSR的丢包率太高，网络几乎不可用。

在郊区环境中，AODV和DSR的丢包率多在10%～30%；DSDV多在10%左右；当业务量和移动速度低时，DSDV几乎可以成功传输所有的数据包；洪泛协议在比较剧烈的网络场景中显示了较好的性能，但丢包极其严重。因此需要根据车辆密度、车速、车辆行驶路线分布、障碍物情况等选择不同的路由机制。

四、在人防应急移动指挥中的应用展望

目前在人防应急移动指挥中使用的联网信号传输方式主要有卫星、微波、3G及有线组网方式。

卫星组网需要所有接入网络的应急指挥车辆都配备静中通或动中通及卫星接收发射设备，在各种方式中资金投入最大，对车辆的负重及空间要求最高，且静中通设备只能在移动指挥车停车固定不动时才可联网，动中通设备目前价格昂贵，不适合每辆车都配备，同时卫星的使用也需要提前申请。

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中图分类号： TN96?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）13?0133?04

Abstract： The increasing quantity of motor vehicles brings huge pressure for traffic， environment， energy， etc. An improved path planning algorithm is proposed， which is called capsule?like restricted searching area path planning algorithm. This method can greatly reduce the searching range of traditional path planning methods， and ensure the success rate of shortest path planning by means of setting the dynamic searching parameter. The ellipse restricted area algorithm and improved algorithm are deeply compared and studied by taking the road network data of the topology structure as the experimental platform. The high efficiency and stability of the improved algorthm were verified by experiment. The preliminary design scheme of the vehicle?mounted navigation system with center mo?nitoring is given， which is composed of monitoring center subsystem， vehicle?mounted subsystem and communication subsystem.

Keywords： vehicle?mounted navigation system； electronic map； topology structure； path planning； restricted searching area

仅仅通过道路基础设施建设来解决交通问题，已经不能满足快速增长的机动车数量对交通的需求，而智能交通系统的出现大大改善了交通状况，合理利用现有道路资源，就可以大幅度提高路网的使用率和使用质量，从而达到减少交通堵塞现象的目的。车载导航系统，作为ITS的关键组成部分之一，不仅能够为用户准确地提供一条前往目标地点的合理道路，还使得单个车体与城市交通系统网络有机融合，从而能够顺利避开堵塞的道路，使得外出效率大为提高。

1 车载导航系统电子地图的实现

1.1 电子地图中道路网络数据模型

道路网络的数据模型是生成具有拓扑结构道路网络的基础。车载导航电子地图是由点、线和面三个基本元素组成。整个道路网络的表示一般采用Arc?Node模型，该模型的特点是易于表达实际路网的拓扑关系，且形式简洁。考虑到实际电子地图的面是由弧段组成，故可以将路网归结为节点和弧段两个基本元素的组合。Arc?Node模型的基本原理是在一定的精度范围之内，采用以直代曲的思想，由连续的小段直线代替和逼近真实的道路曲线，这样就形成了Arc?Node数据模型，其形式化定义为：

式中：为路网；为路网的节点集；为路网的有向路段集；和为路段的起点和终点；为路段的属性集，可表示为距离、时间和花费等。

同时，根据实际交通网络的特点，做如下的分析假设：所有的边都是线段，对于弯曲弧度数较大的路段，可通过在该路段上插入一系列节点使该路段由一些弧度较小的路段构成，把弧度较小的路段假设为一条线段。如图1所示，节点1和2之间的路径弧度较大，在原路径上插入节点3和4，将原路段分割成弧度相对较小的三个路段。边长通常是双向可通的，边的权值为正值。

网络中有较多的节点和边，与节点相关联的边数为常数，且远小于网络中总的节点数。

1.2 导航电子地图中折线网络拓扑化算法实现

算法实现的原理可以简单的描述为：依据折线道路网络的组成特点及Arc?Node数据模型，由给定的折线道路网络生成表示其拓扑结构的Arc?Node数据模型。生成过程基本可以分成两个步骤：第一步是完善给定的折线道路网络数据，即对1.1节中介绍的道路网络的几个情况进行相应的处理；第二步是在第一步的基础上，由完善后的折线数据网络数据生成表示其拓扑结构的Arc?Node数据结构。整个算法流程如图2所示。

2 车载导航系统路径规划搜索算法

2.1 椭圆限制搜索区域路径规划算法

椭圆限制区域的最短路径算法思想如下：以起始点和终点为焦点，以为长轴长画一个椭圆，然后在椭圆区域内的站点间寻找最短路径。其中，为起始点到终点的欧式距离，是一个与城市路网信息有关的统计参数。所以，椭圆限制区域的最短路径算法是依赖于城市的统计参数的，统计数据表明对于北京路网的值为1.417。构造椭圆限制区域的方法如下：

（1） 建立直角坐标系：轴为轴为与其垂直的方向。

（2） 以起始点为圆心，的连线为半径，作圆该圆内的区域就是传统最短路径规划算法Dijkstra算法的搜索区域。

（3） 以起始点终点为焦点，作椭圆椭圆内的区域就是椭圆限制搜索区域路径规划算法的搜索区域。其中椭圆的长半轴与椭圆相交于点和点形成的椭圆阴影区域就是算法的搜索范围。

椭圆限制搜索区域路径规划算法的实现步骤比较简单，具体如下：输入起始点终点完成道路的网络数据加载及程序运行环境设置等；根据起始点构造椭圆限制搜索的区域；在构造的限制搜索区域内，调用Dijkstra算法进行最短路径计算；输出起始点和终点之间的最短路径。

2.2 改进的限制搜索区域路径规划算法

胶囊形限制搜索区域路径规划算法的原理与椭圆限制搜索区域路径规划算法类似，搜索起始点到终点的最短路径时，只需要考虑中间胶囊形阴影部分的路段和节点，该胶囊形限制搜索区域路径规划算法的搜索范围比Dijkstra搜索算法和椭圆限制搜索区域算法都大大缩小；并且以线段作为上下边界的限制，在一定程度上减少了判定节点是否落在限制区域内时椭圆算法需要进行的大量乘积和开方运算，从而提高了整个搜索过程的效率。具体的搜索区域设置方法如下：

（1） 轴为轴为与其垂直的方向，以起始点为原点建立一个直角坐标系；

（2） 以起始点为圆心，的连线为半径，作圆该圆内的区域就是传统最短路径规划算法Dijkstra算法的搜索区域；

（3） 以起始点终点为焦点，作椭圆椭圆内的区域就是椭圆限制搜索区域路径规划算法的搜索区域。其中椭圆的长半轴与椭圆相交于点和点

（4） 分别以起始点终点为圆心，线段AS（DK）为半径作两个半圆EAF和VKG，连接点和点形成了如图3所示的阴影的胶囊形限制区域，该区域即为改进算法的路径规划搜索范围。

由上面提到的道路路网统计参数可知，椭圆限制搜索区域路径规划算法搜索的成功建立在95%的置信水平之上，也就是还有5%的可能性，实际最短路径上的节点落在限制区域之外，这就可能导致搜索的失败，胶囊形限制搜索区域路径规划跟椭圆限制搜索区域路径规划存在同样可能导致搜索失败的情况，因此就必须通过调节半圆的参数半径扩大搜索范围，保证搜索成功，提高算法的可靠性。修正后的算法步骤如下：

第1步：输入搜索起始点和终点完成拓扑化路网数据加载及程序运行环境设置等；

第2步：根据起始点构造初始胶囊形限制区域算法的搜索区域，阈值半径为

第3步：在构造完成的胶囊形限制区域中调用Dijkstra算法，进行最短路径规划，若搜索成功则转步骤5，否则继续；

第4步：设置动态变化参数以起始点终点为圆心，以上一次搜索的阈值半径加上为半圆半径构造新的胶囊形限制搜索区域，如图4中虚线包围区域所示，构造完成后转第3步；

第5步：输出搜索得出的最短路径，算法结束。

3 中心监控式车载导航系统初步设计

3.1 中心监控式车载导航系统构成

中心监控式车载导航系统除具有导航功能外，通过借助通信网络，还能够采集信息、分析信息，路径规划在中心根据实时交通情况完成。实际应用时，通常需要根据车载终端的具体需要进行配置，通常至少应包含监控中心子系统、车载子系统和通信子系统三部分。

监控中心子系统：系统接收车载子系统发送的车辆速度、位置、报警等信息，然后在导航电子地图拓扑路网基础上对车辆状态进行实时显示、并且进行车载子系统的路径查询、数据分析处理要求。处理完成之后，并对系统和车载子系统进行参数设置及控制。

车载子系统：车载子系统负责与监控中心子系统通信，把车辆位置信息、报警状态发送给监控中心子系统，同时接收监控中心子系统的反馈指令对车辆进行相关控制。车载子系统结构组成如图5所示。

通信子系统：中心监控式车载导航系统的关键部分之一。选择正确的通信方式，连接车载子系统和监控中心子系统十分重要。首先必须考虑到通信系统网覆盖范围，其次还必须考虑车辆行驶过程中可能遭遇的恶劣环境影响。

3.2 中心监控式车载导航工作原理

车载GPS接收机接收定位卫星发来的定位数据，并且根据4颗不同卫星发来的星历数据计算出自身所处地理位置的坐标，该坐标数据通过符合GSM标准的无线模块，采用SMS形式，由车载终端将车辆的位置状态、报警器输入信息发送至GSM网，GSM网将接收到的车辆定位信息通过互联网或者通信接发设备送至中心控制子系统，以便监控中心及时掌握车辆的动态位置信息，进一步控制车载终端。其中的定位信息传输功能实现所需软件为通信服务器软件，主要完成车辆和监控中心之间的数据传输与通信，实现数据收发、编码、解码、数据入库等工作。监控中心则完成车辆位置信息的可视化、车辆行驶的最优路径规划及各种控制指令的发送等功能。基于GPS和GSM短消息业务的中心监控式车载导航系统的工作示意图如图6所示。

3.3 中心监控式车载导航软件实现

中心监控式车载导航系统的软件设计具有良好的人机交互界面和数据处理能力。首先构建一个客户端/服务器结构，数据库安装在控制中心子系统上，数据库管理采用结构化查询语言，客户端采用Windows操作系统，应用程序采用VC 2010进行开发。中心监控式导航监控中心软件设计通常要考虑5个功能模块组成：

地图显示模块：为达到对车辆监控的目的，能够显示车辆轨迹、车速等；

信息点管理模块：信息点被分类存储后，在管理用户界面中体现，用户可以对信息点数据库进行管理，如删除、添加或修改等；

数据显示模块：解码信息显示于终端；

指令下载模块：将路径导航指令实时下载到车载终端；

系统隐私保护模块：车辆管理数据库，存有车辆的电子编号用于计算机检索和处理，保证车辆信息的安全。

4 实验验证及结果分析

为了验证提出的胶囊形限制搜索区域路径规划算法的有效性和可靠性，使用125 000比例尺下MapInfo格式的北京2011年交通图作为电子地图数据源（该地图道路网络共有97 773个地理特征数量），在WIN 7平台Microsoft Visual Studio 2010编程环境下对椭圆限制搜索区域以及胶囊形限制搜索区域最短路径规划算法的性能进行测试。为了简洁，这里用SF1表示椭圆限制搜索区域路径规划算法；SF2表示胶囊形限制搜索区域路径规划算法。

为了保证两种算法的可靠性，反复给定不同的搜索起点和终点，对比各种算法的搜索时间和规划路径长度等实验数据。考虑到论文篇幅的限制，这里仅给出起点编号为797，终点编号为2 195情况下的算法的实际路径规划结果图。图7表示算法SF1路径规划结果，图8表示算法SF2路径规划结果。

两种算法的性能对比如表1所示。表中ST表示测试给定的起点，DT表示测试的目标终点；分别表示算法SF1，SF2在相同情况下所用的搜索时间（单位：s）。分别表示算法SF1，SF2在相同情况下所规划出的最短路径长度（单位：m）。

由表1可以看出，在相同的起点和终点下，在搜索的高效性方面，启发式搜索算法SF2明显比传统算法SF1优越很多，提出的改进路径规划方法比算法SF1的搜索效率有20%左右的提升；改进算法SF2，通过设置动态参数避免了此种情况的发生，很好的保证了搜索的可靠性。综上所述，可见本文提出的改进路径规划算法在搜索效率和搜索可靠性方面都具有相当的优越性。

5 结 论

本文在拓扑化路网数据基础上，提出了一种改进的路径规划算法――胶囊形限制搜索区域路径规划算法。该方法在很大程度上减少了传统路径规划方法的搜索范围，再通过设置动态搜索参数保证了路径规划的成功率。并且以拓扑结构路网数据为实验载体，对椭圆限制区域算法及提出的改进算法进行了深入的对比和研究，通过实验验证了改进算法的高效性和稳定性。最后，给出了中心监控式车载导航系统的初步设计方案。

参考文献

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[2] 高星.浅论车载导航系统的现状及发展趋势[J].计算机光盘软件与应用，2011（6）：76?77.

[3] 陈圣，董林飞.Dijkstra和A*算法在智能导航中的应用分析[J].重庆科技学院学报，2010，12（6）：159?161.

[4] 尹路明，张志恒，张小朋.一种新型GPS/DR组合导航系统[J].现代电子技术，2014，37（13）：136?138.

[5] 罗国青.车辆定位导航系统动态路径规划研究[D].长沙：湖南大学，2011：321?323.

篇11

(1)课时比重偏低,缺乏对新概念、新技术的介绍;

(2)设备陈旧,缺乏实用性实验的开设;

(3)科研活动参与率低,未形成完善的创新培养体系;因此,在培养体系、课程平台、教学模式等方面对车辆工程专业网络通信类课程进行全新的探讨,既可以作为对“机电结合,特色分流”交叉教学的补充和深化,也可以通过车辆工程专业“以点带面,见贤思齐”,带动其他专业学生对网络通信类课程的兴趣和创新能力的培养。

2培养体系的改革

现有网络通信类的课程教学以车载CAN和LIN网络理论的认识为主,实验教学则以演示性和验证性内容为主。但是,传统的车载网络已失去原有的主导地位。针对“以车为本兼顾网络”的原则,需要逐步扩大网络通信类的广度和深度,鼓励学生立足本专业课程,学科交叉,勇于探索。通过车辆工程专业导论和认知实习,重点在于拓宽学生视野,初步建立学生对车载网络知识体系的感性认识。展示本专业前期积累的各项成果,如飞思卡尔智能小车等,为后续知识体系交叉学习打下基础。在验证、巩固和加深理论教学的基础上,选择车辆相对独立、功能简单,但系统结构较为完整的网络通信类实验项目,力求学生能在课程实验中能加深对车载网络通信理论知识的理解,掌握车载网络算法优化等方面的基本技能。以课程设计、竞赛的形式,选择适当的课题展开具有实际工程应用的综合训练。围绕汽车行业生产、研发过程中具有实际工程意义的问题进行选择,力求实现能正常运行的实验室样机,提高学生在车载网络通信及优化方面的综合能力。

3课程平台的改革

围绕培养体系的三个层次,对车辆工程专业的课程体系进行了创新性规划,在专业基础课中增设网络通信类基础课程,整合优化成“大机械类基础课程平台”,并配合车辆工程专业主干课,适当增设专业特色选修课,引导学生进行机械设计方向和车载网络通信方向的分流。在先修机械类、通信类公共课程的基础上,以学生的专业兴趣为主要依据,搭建“车载网络特色课程平台”。对原有的课程体系进行调整,既要增设网络通信类课程,还要兼顾原有机电类课程的设置。相互支撑,构建车载网络特色课程群,通过车辆机械与电子信息学科体系的交叉,实现创新型、综合型人才培养的目标。

3.1基础平台

通过增设通信原理、计算机网络等基础课程,结合相应的课程实习,将通信网络类课程融入到基础课程平台中。以主题会议、专家报告等方式向低年级学生介绍行业前沿技术以及网络在汽车中具体应用,形成直观的认知,增强学生的兴趣。由于总课时的限制,通信网络类基础课程以小课时、重实践、多交叉的形式进行调整。由于机械类课程在车辆工程总课时中占有较大的比重,因此网络通信类的课程根据“不同方向不同要求”的原则进行压缩。在总课时不变的前提下,压缩课时量,以增设相关网络通信课程。需要注意的是,在总学时不变的前提条件下,如果不进行专业分流,势必会造成机械类课程与电子信息类课程在学时分配上发生冲突。面向高年级学生进行专业分流,形成车辆与通信互为支撑、优势互补的格局。创新性的将部分学生引导到车载网络通信方向,有效缓解机械与通信类课时冲突的问题。

3.2特色平台

围绕新能源汽车、车载网络等汽车行业重点研究方向,设置课题研究小组,由教授或副教授担任负责人,配备2-3位中级职称的教师和实验室教师,团队结构合理,知识体系交叉,阶梯分工明确形成结构合理的学术团队。鼓励不同专业方向的学生进行自由组合,选择部分动手能力强的学生参加科研课题研究,为学生的科技创新提供支持。创新平台的课程覆盖了车辆、机械、通信等领域,涉及汽车电子、新能源和通信网络等多个方向,满足车辆工程本科专业学生的兴趣要求。团队结构合理,知识体系交叉,阶梯分工明确;对部分优秀本科生,仿照研究生的培养方式实行导师指导的培养制度,进入实验室协助配合研究生完成相应的课题研究,实现导师负责、研究生协助的双导师培养制度。

4教学模式的构建

教师在课程中的教学质量直接影响到学生的学习兴趣和创新能力的培养。网络通信类课程的改革,要求教师同时具备车辆工程和网络通信的知识,既能将教学内容从机械知识结构拓展到网络通信领域,也能够将网络通信领域的最新技术应用到车辆工程中。但我国高校中在机械工程和电子信息领域中的“双师型”教师数量明显不足,缺乏具有实践经验的中高级技术人员。为了充实教学队伍,可以聘请汽车行业有经验的技术人员作为兼职教师。同时,支持和鼓励教师深入企业学习新技术。鼓励学生将新想法、新创意,以发明专利、科技创新竞赛的形式实现。对构思新颖的选题给予必要的科研经费和指导,同时设定创新学分,进一步推动创新研究。

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引言

开发汽车安全与防盗系统，是确保汽车安全和防止盗窃的一种有效措施。目前汽车防盗系统发展迅速、种类繁多，但或多或少具有一定缺陷，比如使用较多的电子式防盗装置，非常容易被外界干扰而误报；芯片式数码防盗技术能有效地抵抗外界干扰，具有较强的安全性，但是报警范围相对较小，无法完成对车辆的远程定位。本文研究的车辆智能管理系统利用物联网和云计算技术，采用射频识别系统实现对入网车辆的动静态信息全面采集，通过车载设备的地理位置实现对车辆的定位和跟踪，实现对入网车辆的全面监控，能够在入网车辆发生突发事件的时候，及时定位车辆，采取应急措施，保证车主财产和车辆运行的安全，全面提高车辆防护能力。

1 系统建设目标

本项目综合运用物联网与云计算技术实现对入网车辆的有效监控，主要由车载终端、控制中心、通信网络、位置服务系统、应急联动系统组成。

车载终端实现报警信息的处理、位置信息的采集、中心指令的执行、本地控制的管理及无线通信网络的接入等功能。车载终端由车载报警、车载无线通信和车辆定位三个模块组成。控制中心实现系统联网、警情处理、设备管理及与其他应用系统互联等功能。监控中心由通信设备、显示记录设备、计算机系统及应用软件组成。通信网络由有线网络和无线网络组成，有线网络主要包括公安专网、互联网接入部分网络，无线网络主要实现车载设备与监控中心的信息联动，包括宽带无线网络和三大运营商提供的移动通信网络（2G、3G）组成。位置服务系统主要采用基于GPS、Wifi、基站等方式进行定位，通过车载设备上传的车辆实时运行地理信息，获取全面地车辆运行轨迹，实现车辆实时定位，向用户提供车辆全面准确的定位服务信息。主要提供定位信息查询、轨迹信息查询、位置信息等功能。应急联动系统是通过整合交通、汽车维修机构、救援服务机构等资源，实现资源共享和业务联动。

2 系统设计与实现

2.1 系统的应用架构设计

系统的应用架构设计如图1所示，其中，车载终端采集车辆动静态信息，通过无线通信网络，上传至控制中心；控制中心接受位置信息进行处理，提交到位置服务系统；位置服务系统对车载终端信息进行处理，生成车辆位置信息，对外提供位置服务，进行车辆的跟踪定位；车辆发生突发事件后，车主报警，应急联动系统根据车辆位置信息和现场情况，启动预案进行处理，实现公安机关、服务机构业务联动。

2.2 系统技术架构

由于系统涉及到车辆运行的动静态信息实时采集，在入网车辆达到一定规模后，将会出现海量信息和业务处理，传统IT架构将无法满足系统运行要求，为保证将来系统的正常运转，采用云计算平台进行系统的架构，系统的技术架构如图2所示。

图2 系统技术架构

IaaS层主要实现物理资源（服务器、存储、网络）的虚拟化管理，并实现计算、存储、网络（含安全）资源池的统一、自动化的调度控制和管理，实现资源的按需配置、弹性扩展和负载均衡，提高软硬件资源利用率，为系统建设提供统一的基础运行平台。PaaS层主要提供应用支撑和应用开发所需环境和服务，通过面向应用的部署与构建一个强大而稳定的服务基础架构，能够快速便捷地进行应用开发、部署、运行和管理，为构建多层、分布的应用提供一个稳定高效，安全可靠的平台。应用层主要基于PaaS进行业务系统构建，系统的主要应用包括供监控系统、位置服务系统和应急处置业务系统的业务都在这一层实现。接入层主要为不同用户提供访问系统的入口，主要提供对网络、手机、智能终端的接入支持。

2.3 通信网络设计

车辆智能管理系统的通信网络建设分为两类，分别是入网车辆和控制中心之间的网络建设以及控制中心和其他机构的网络建设，其中入网车辆和控制中心之间的网络为接入网，控制中心与其他机构之间的网络为骨干网。

系统接入网由移动通讯网络和公安系统专网组成，移动通信网络的优点是覆盖面广，而公安专网的优点是稳定性和安全性强，能保证信息传输的准确性，同时，公安专网可以与车管所车辆系统互联，实现信息共享，能及时获取被盗车辆的相关信息。

本系统的骨干网采用互联网，车辆信息采集子系统获取到的车辆实时信息就可以直接快速地传到互联网上，并保存在系统数据库中，车主若需要获取车辆的实时信息和历史数据时，就能通过互联网方便地进行查询。

2.4 关键业务设计

车载终端：车载终端最重要的部分是RFID系统，RFID系统包括射频卡、阅读器和射频天线。射频卡一般含有内置天线，主要由耦合元器件组成，用来保持与射频天线间的信息传递，阅读器的作用是用来读取射频卡的信息，而射频天线则负责传递射频信号。其工作原理是：首先由阅读器经过射频天线完成信号的发送，射频卡在射频天线的信号覆盖区域内获得感应电流而激活，通过射频卡内置天线把编码信息传送出来；这时射频天线可以接收到射频卡发送出来的信息，通过调节器送至阅读器，由阅读器来完成接收信息的解调和解码，再传给后台主系统进行信息处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，同时针对不同的设定做出相应的处理和控制，并发出指令信号控制执行机构动作。

IaaS服务：IaaS服务实现物理资源（服务器、存储、网络）虚拟化管理，并实现计算、存储、网络的资源池的统一、自动化的调度控制和管理，实现资源的按需配置、弹性扩展和负载均衡，提高软硬件资源利用率。

PaaS服务：PaaS服务主要提供应用支撑和应用开发所需环境和服务。主要实现应用服务、数据集成服务、工作流服务、报表服务、统一认证授权服务、门户服务、内容服务等，为系统提供灵活的权限控制策略。

3 结束语

本系统建设的目的是为了提高对入网车辆的监控能力，以保证车辆的安全。在系统架构上使用了物联网技术，对远距离高速行进中的汽车进行信息采集，具有识别率高、耗能低的特点。为保障信息传输的有效性，系统采用云计算技术进行系统整体构建，具有按需计算、弹性扩展、高可用性和高可靠性等特征，并保证了计算的快速性和准确性。系统采用虚拟化技术整合系统基础硬件和软件资源，大幅减少系统管理和维护的工作量，降低了运行成本。本系统采用移动通信网和公安专网作为系统接入网，提高了汽车信息的安全性和传输可靠性，在对车辆全面防护的同时降低了成本。在对汽车进行定位和跟踪上，本系统利用电子标签技术，能准确定位车辆的地理位置，及时追回被盗汽车，有效打击汽车盗窃行为。综上所述，基于物理网的车辆智能管理系统整合了公安、交通、汽车维修等机构资源，在提供防盗服务外，还提供了救援及维修等其它服务，全面保障了车辆的安全运行，对现代物流网技术的广泛应用具有积极推动作用。