智慧高速公路邊緣計(jì)算技術(shù)的實(shí)踐與思考

徐衛(wèi)東，夏 勇，陳 濤

(江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210046)

1 高速公路邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

邊緣計(jì)算技術(shù)脫胎于云計(jì)算技術(shù)，為了有效解決網(wǎng)絡(luò)，特別是物聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展帶來(lái)的高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷問(wèn)題，提高了資源使用效率，并滿足部分應(yīng)用高帶寬、低時(shí)延的要求[1]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI于2014年提出了MEC，MEC在網(wǎng)絡(luò)邊緣增加智能和計(jì)算單元，提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，使得業(yè)務(wù)應(yīng)用前沿部署成為可能。MEC可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與集中化云計(jì)算平臺(tái)協(xié)同工作，在合理分配業(yè)務(wù)負(fù)載的同時(shí)保持業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活性。2016年后，MEC內(nèi)涵正式擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算，將應(yīng)用場(chǎng)景從移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步延伸至其它接入網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)有各大組織機(jī)構(gòu)提出的邊緣計(jì)算定義和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大多基于云計(jì)算的運(yùn)營(yíng)商-租戶體系，“邊緣”是指運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)邊緣，“計(jì)算”是指云計(jì)算。以5G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的邊緣計(jì)算為例，5G MEC部署在蜂窩基站，多以一組服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相應(yīng)軟件構(gòu)成，以租戶的形式向各行業(yè)應(yīng)用提供IaaS/PaaS/SaaS資源。

高速公路行業(yè)的邊緣計(jì)算的定義和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是基于行業(yè)應(yīng)用的，“邊緣”是指專網(wǎng)邊緣，“計(jì)算”是指應(yīng)用計(jì)算[2]。以高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算[3]為例，路方專網(wǎng)的RCU路側(cè)計(jì)算單元，以應(yīng)用的形式為路側(cè)設(shè)備、通行車輛提供計(jì)算服務(wù)。

收費(fèi)、監(jiān)控、通信高速公路機(jī)電三大系統(tǒng)體系，正處于數(shù)字化、智能化的關(guān)鍵階段。面對(duì)大數(shù)據(jù)、低時(shí)延、多場(chǎng)景、密集交互、高可靠性等訴求，各系統(tǒng)開(kāi)始由“終端、服務(wù)端”的兩層架構(gòu)向“云、邊、端”的三層架構(gòu)轉(zhuǎn)變。收費(fèi)系統(tǒng)，車道、門架、收費(fèi)站使用邊緣計(jì)算技術(shù)，配合省、國(guó)收費(fèi)中心實(shí)現(xiàn)了全程全網(wǎng)實(shí)時(shí)結(jié)算。視頻云聯(lián)網(wǎng)工程正在穩(wěn)步推進(jìn)，在路段中心、路側(cè)設(shè)置監(jiān)控視頻邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻聯(lián)網(wǎng)和使用。

高速公路新應(yīng)用也大量使用邊緣計(jì)算技術(shù)。車路協(xié)同系統(tǒng)車路之間的交互往往對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性有較高的要求，需利用邊緣計(jì)算解決這些問(wèn)題。隧道監(jiān)控受限于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)，也在通過(guò)引入邊緣計(jì)算進(jìn)一步提升服務(wù)水平。隧道衛(wèi)星定位信號(hào)補(bǔ)盲、各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器等，也是利用邊緣計(jì)算壓縮數(shù)據(jù)冗余、提高實(shí)時(shí)性。

但是高速公路智能化還處于初級(jí)階段，不同應(yīng)用對(duì)邊緣計(jì)算有不同程度的需求，相關(guān)概念和技術(shù)層出不窮：MEC、邊緣云、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、云計(jì)算、霧計(jì)算[4]、霾計(jì)算等等。而對(duì)于高速公路行業(yè)應(yīng)用來(lái)講，類似運(yùn)營(yíng)商-租戶的商業(yè)模式仍未成形，收費(fèi)站、路段中心部署的邊緣云在“邊緣”和“計(jì)算”等方面的特征與上級(jí)云的區(qū)別也不明顯，因此研究現(xiàn)階段路側(cè)邊緣計(jì)算技術(shù)及其效果更具現(xiàn)實(shí)意義。

2 路側(cè)邊緣計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景和需求

2.1 實(shí)踐場(chǎng)景

(1)車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算

車路協(xié)同系統(tǒng)中很多應(yīng)用場(chǎng)景的主要特征是低時(shí)延、高可靠。在時(shí)延需求上，輔助駕駛要求20～100 ms，而自動(dòng)駕駛要求時(shí)延可低至10 ms以內(nèi)。邊緣計(jì)算可以對(duì)C-V2X的基礎(chǔ)通信能力和其它前瞻性應(yīng)用場(chǎng)景提供支持，例如車輛擁堵場(chǎng)景的分析與識(shí)別、區(qū)域內(nèi)高精度地圖的實(shí)時(shí)加載、區(qū)域內(nèi)自動(dòng)駕駛車輛的調(diào)度、交通流合流場(chǎng)景、突發(fā)惡劣條件預(yù)警等場(chǎng)景，由于場(chǎng)景比較復(fù)雜，要么需要大量的計(jì)算/存儲(chǔ)/傳輸資源、要么需要對(duì)交通要素進(jìn)行組織協(xié)調(diào)，而通過(guò)終端與邊緣服務(wù)的協(xié)同會(huì)是更為典型的實(shí)現(xiàn)方式。

目前五峰山高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)的路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備，不僅支持車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景，還提供高清攝像機(jī)等傳感器的接入和數(shù)據(jù)處理能力，屬于功能較多、性能的邊緣計(jì)算系統(tǒng)。

(2)交通事件檢測(cè)系統(tǒng)的邊緣計(jì)算

視頻、雷達(dá)等傳感器已廣泛用于高速公路交通事件檢測(cè)、交通流量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。這些傳感器采集到的第一手?jǐn)?shù)據(jù)(非結(jié)構(gòu)化)會(huì)利用路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備的AI計(jì)算能力，提取有效數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)化)后再上傳監(jiān)控中心，避免大量冗余數(shù)據(jù)消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬、監(jiān)控中心平臺(tái)資源。

(3)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的邊緣計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備因其分布式、低功耗、低成本等特征，在高速公路得到越來(lái)越多的應(yīng)用。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，同時(shí)往往需要利用無(wú)線通訊解決到路側(cè)的通信問(wèn)題，因此需要路側(cè)邊緣計(jì)算提供數(shù)據(jù)處理和通信能力。

(4)隧道監(jiān)控的邊緣計(jì)算

隧道監(jiān)控傳統(tǒng)的PLC架構(gòu)[5]受限于專有連接、專用軟件和許可成本，對(duì)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)和安全功能的支持較弱，且缺乏對(duì)以IT為中心的編程語(yǔ)言(如支持AI算法)和協(xié)議(如HTTPS和MQTT)的支持，編程維護(hù)相對(duì)繁瑣。以PLC為核心的機(jī)電設(shè)備管控模式還存在控制器位置分散、重復(fù)投資、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)不可感知等問(wèn)題，也難以實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、緊急電話和廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)的集中統(tǒng)一管控，無(wú)法做到數(shù)據(jù)的打通和共享，難以滿足進(jìn)一步提升隧道管控水平、服務(wù)水平的需求。為了解決這些問(wèn)題，隧道PLC已開(kāi)始被邊緣計(jì)算設(shè)備所替代。

(5)ETC收費(fèi)系統(tǒng)的邊緣計(jì)算

ETC收費(fèi)系統(tǒng)的邊緣計(jì)算部署在收費(fèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，與其它系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期會(huì)與監(jiān)控系統(tǒng)邊緣計(jì)算打通。

2.2 問(wèn)題與需求

數(shù)據(jù)孤島、煙囪林立，是高速公路運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中經(jīng)常面對(duì)的問(wèn)題。邊緣計(jì)算技術(shù)本身具有平臺(tái)屬性，因此路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備做到兼容共享，利用統(tǒng)一的邊緣計(jì)算設(shè)備接入各種前端設(shè)備、承載各種路側(cè)應(yīng)用，是解決這些問(wèn)題的一個(gè)重要步驟。

高速公路路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)兼容共享主要包括下列幾個(gè)方面：架構(gòu)通用性、平臺(tái)兼容性、接口兼容性、通信能力、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力。

目前高速公路行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還在制定當(dāng)中，缺乏系統(tǒng)性、體系性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。高速公路路側(cè)邊緣計(jì)算應(yīng)分哪些級(jí)別和種類，分別具備哪些能力、達(dá)到什么樣的標(biāo)準(zhǔn)，都需要在實(shí)踐過(guò)程中不斷探索、研究。

3 路側(cè)邊緣計(jì)算的發(fā)展思路

3.1 路側(cè)邊緣計(jì)算的架構(gòu)

路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備為前端設(shè)備乃至車端提供計(jì)算設(shè)備的算力、存儲(chǔ)、接口資源，也可分擔(dān)中心平臺(tái)的計(jì)算、存儲(chǔ)任務(wù)，并通過(guò)降低數(shù)據(jù)冗余，緩解中心平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)壓力。從成本和適應(yīng)性出發(fā)，路側(cè)邊緣計(jì)算架構(gòu)，如圖1所示。其分為側(cè)重計(jì)算的路側(cè)邊緣計(jì)算、側(cè)重前端設(shè)備接入的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、側(cè)重控制的邊緣控制器等類型，同時(shí)不同類型的邊緣計(jì)算設(shè)備從架構(gòu)上應(yīng)具備通用性。

圖1 路側(cè)邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)

邊緣計(jì)算的典型功能是“邊緣”+“計(jì)算”，偏重信息化領(lǐng)域。而高速公路數(shù)字化、智能化則既有信息化屬性也有工業(yè)化屬性，因此路側(cè)邊緣計(jì)算的功能是“兩化融合”的，即工業(yè)化與信息化的融合。在此架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行不同角度的強(qiáng)化，即可形成通用性的、不同側(cè)重的邊緣計(jì)算設(shè)備。

3.2 路側(cè)邊緣計(jì)算的平臺(tái)

高速公路路側(cè)邊緣計(jì)算的平臺(tái)可分為三個(gè)層面：一是硬件(邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施)層面、二是宿主操作系統(tǒng)(邊緣計(jì)算操作系統(tǒng))層面、三是客戶機(jī)(邊緣計(jì)算應(yīng)用)層面。另外則是監(jiān)控管理中心云平臺(tái)的管控層面。

高速公路路側(cè)邊緣計(jì)算平臺(tái)應(yīng)具備下列特性。

(1)兼顧各種環(huán)境的兼容性

基礎(chǔ)設(shè)施層面兼容性的核心是CPU架構(gòu)。目前生態(tài)最完善的仍然是x86架構(gòu)，但從市場(chǎng)、技術(shù)和政策層面，ARM架構(gòu)則更具生命力。

操作系統(tǒng)層面兼容性的包括操作系統(tǒng)與虛擬化的兼容性。目前Windows、Linux、Android三分天下，綜合虛擬化系統(tǒng)考慮，則Linux生態(tài)更具優(yōu)勢(shì)。

(2)強(qiáng)大的邊緣計(jì)算能力

現(xiàn)場(chǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的工業(yè)控制功能；開(kāi)放側(cè)容器、微服務(wù)可由云平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同，支持?jǐn)U展圖像處理模塊、計(jì)算加速模塊。

(3)靈活配置的虛擬化和容器技術(shù)

提供虛擬化管理平臺(tái)、容器部署技術(shù)，可劃分多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)及各系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)資源，保證系統(tǒng)間的安全隔離。

(4)強(qiáng)大的系統(tǒng)擴(kuò)充彈性

整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，主控資源、擴(kuò)展資源可靈活擴(kuò)展，便于現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)改造、產(chǎn)線重組，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)硬件成本的集約化。

(5)集成成熟的工業(yè)技術(shù)

通過(guò)集成工業(yè)控制、邊緣部署、物聯(lián)通訊等相關(guān)技術(shù)，整合傳統(tǒng)多套軟硬件產(chǎn)品的功能，滿足不同行業(yè)的各種應(yīng)用需求，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)。

(6)賦能多樣化的終端設(shè)備

通過(guò)多種標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口和通訊協(xié)議，與傳感器、儀表儀器、工業(yè)設(shè)備、攝像頭等多樣化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交互，以智能應(yīng)用賦能終端設(shè)備。

(7)適用于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境

工業(yè)級(jí)無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，通過(guò)多種可靠性測(cè)試、安規(guī)認(rèn)證、CE認(rèn)證。

3.3 路側(cè)邊緣計(jì)算的接口

高速公路路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備位于中心平臺(tái)與前端設(shè)備之間，其接口可分為中心平臺(tái)側(cè)的北向接口和前端設(shè)備側(cè)的南向接口。邊緣計(jì)算與前端設(shè)備之間通過(guò)南向接口，適配不同類型、不同品牌前端設(shè)備的接口和通信協(xié)議，降低南向設(shè)備對(duì)接的難度和周期。邊緣計(jì)算與中心平臺(tái)之間通過(guò)北向接口和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)安全交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向不同平臺(tái)應(yīng)用的分發(fā)，降低了平臺(tái)接入的難度。

南向接口是路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備為前端設(shè)備提供的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，包括了不同的硬件接口及通信協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)多類不同前端設(shè)備的接入，要求路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備的南向接口提供多類硬件接口，硬件接口應(yīng)提供包括(但不限于)RJ45接口、RS232接口、RS485接口、光纖等有線通信接口及ZigBee、藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)、RFID等無(wú)線通信接口。通信協(xié)議應(yīng)使用MODBUS、OPC、BACNET、HTTP、ONVIF、TCP/IP、HTTP/HTTPS等主流協(xié)議[6]。

北向接口是路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備為中心平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，包括了路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備與平臺(tái)信息交互的通信方式、加密方式、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)編碼方式和通信內(nèi)容。北向接口需支持MQTT和HTTP/HTTPS協(xié)議。并使用加密算法對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密處理，保障通信安全。

南、北向接口工作流程如下：南向接口支持RS232串口、RS485串口、RJ45網(wǎng)口等物理接口標(biāo)準(zhǔn)，支持Modbus、UDP/TCP、HTTP等不同通信協(xié)議的適配。不同類型的前端設(shè)備接入路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備之后，通過(guò)數(shù)據(jù)解析，將解析后的原始數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分析和本地化存儲(chǔ)等操作后，會(huì)將相關(guān)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)安全加密，完成加密的數(shù)據(jù)通過(guò)北向接口傳輸給中心平臺(tái)。

4 結(jié) 論

我國(guó)高速公路的建設(shè)正在從新建為主過(guò)渡到改擴(kuò)建為主，高速公路數(shù)字化、智能化進(jìn)程正在逐步提速。目前在路側(cè)出現(xiàn)的大量計(jì)算設(shè)備為路側(cè)邊緣計(jì)算的發(fā)展提供了巨大空間。邊緣計(jì)算是將主要處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)的分布式計(jì)算形式，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的“低時(shí)延，大帶寬，大連接，本地化”，成為了車路協(xié)同系統(tǒng)不可缺少的一個(gè)組成部分。

結(jié)合五峰山高速公路運(yùn)營(yíng)現(xiàn)實(shí)方案，助力于“新基建”與舊基建的同步協(xié)同工作，其不限于過(guò)往局限，解決智慧高速公路運(yùn)營(yíng)應(yīng)用與原基建設(shè)施工脫節(jié)的問(wèn)題，針對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了分析研究，其為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化高速公路發(fā)展提供了新思路。