智慧高速公路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究

宋竹兵

（山西青銀二廣太原聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目公司，山西 晉中 030600）

0 引言

自2018年以來，在政策刺激和技術(shù)發(fā)展的引導(dǎo)下，智慧高速公路得到快速發(fā)展。智慧高速公路建設(shè)過程采用業(yè)務(wù)定義系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，易忽視整體IT系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，致使系統(tǒng)建設(shè)過程中出現(xiàn)各類業(yè)務(wù)延遲、系統(tǒng)不穩(wěn)定、軟件難迭代等問題。

智慧高速全流程業(yè)務(wù)涉及實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)快速分析、AI圖像識別、智能輔助駕駛等對時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)帶寬、系統(tǒng)可靠性要求較高的業(yè)務(wù)；同時(shí)，由于涉及多部門之間的數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)互通、流程變更、系統(tǒng)升級等，對原有IT軟件架構(gòu)的魯棒性和可拓展性具有較高的要求；再者，智慧高速公路系統(tǒng)由傳統(tǒng)的收費(fèi)網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)、辦公網(wǎng)組成，隨著服務(wù)拓展和多業(yè)務(wù)融合趨勢的加深，整體系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算系統(tǒng)、軟件架構(gòu)將成為智慧高速公路系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 構(gòu)建低時(shí)延、大帶寬、強(qiáng)穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)

高速公路通信網(wǎng)一般采用SDH或PTN技術(shù)，單環(huán)容量一般為10G，在時(shí)延和帶寬方面可滿足普通高速公路的視頻監(jiān)控、收費(fèi)、辦公等業(yè)務(wù)需求。隨著智慧高速業(yè)務(wù)前端監(jiān)測設(shè)備，包含毫米波/激光雷達(dá)、車路協(xié)同設(shè)備、智能機(jī)器人等設(shè)備數(shù)量，及其對時(shí)延控制需求和帶寬需求的猛增，造成外部系統(tǒng)交互頻次增大，網(wǎng)絡(luò)安全保障的重要性凸顯。

以設(shè)計(jì)速度120km/h，里程160km，雙向六車道的高速公路為例，測算其帶寬需求如表1所示。

考慮車輛/人與高速公路系統(tǒng)的交互，系統(tǒng)通信時(shí)延對行車距離的影響測算如表2所示。

表1 某智慧高速典型業(yè)務(wù)的帶寬需求測算

表2 不同時(shí)延下行車距離的影響測算

由表2可知，路段級智慧高速帶寬需求約6000Mbps，系統(tǒng)總體延時(shí)控制在200ms以內(nèi)為合理區(qū)間。如考慮業(yè)務(wù)并發(fā)、計(jì)算時(shí)延、系統(tǒng)擴(kuò)容等問題，對智慧高速整體通信控制指標(biāo)為帶寬10Gbps，時(shí)延穩(wěn)定控制在100ms以內(nèi)。

傳統(tǒng)的SDH或PTN技術(shù)難以滿足上述需求，亟需構(gòu)建低時(shí)延、大帶寬、強(qiáng)穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合當(dāng)前智慧高速項(xiàng)目對通信傳輸?shù)男枨?，可采用SPN技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)三層交換的基礎(chǔ)上，兼顧業(yè)務(wù)直達(dá)能力，以降低通信傳輸時(shí)延。SPN硬切片技術(shù)可滿足收費(fèi)、視頻等多業(yè)務(wù)隔離，主流100G帶寬，可實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載。同時(shí)，SPN硬隔離技術(shù)還可保障各業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行。

SPN網(wǎng)絡(luò)由切片分組層（SPL）、切片通道層（SCL）、切片傳送層（STL），以及頻率、時(shí)鐘同步功能模塊和管理、控制平面組成。通過減少傳輸距離、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信道化隔離等方式打造智能帶寬分配、相對確定的超低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智慧高速有效通信的重要方式。

2 構(gòu)建邊、云、端融合的計(jì)算系統(tǒng)

當(dāng)前大部分高速公路采用中心段集中式計(jì)算系統(tǒng)，通過在監(jiān)控中心機(jī)房部署服務(wù)器集群可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營指揮調(diào)度、視頻監(jiān)控、外場VMS情報(bào)板信息發(fā)布等業(yè)務(wù)。而智慧高速系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)更加復(fù)雜，主要考慮場景如表3所示。

表3 計(jì)算場景舉例

由表3可知，智慧高速公路系統(tǒng)涉及大量即時(shí)、瞬時(shí)、高強(qiáng)度、多點(diǎn)計(jì)算場景，對高速公路系統(tǒng)多點(diǎn)計(jì)算、云邊協(xié)同計(jì)算提出較高的能力要求。針對上述計(jì)算需求，采用高性能多點(diǎn)分布式計(jì)算模式，其中邊緣計(jì)算作為場景計(jì)算核心，須獨(dú)立承擔(dān)前端業(yè)務(wù)；與中心側(cè)開展業(yè)務(wù)交互，實(shí)現(xiàn)信息上傳、策略下發(fā)、算法下發(fā)、容災(zāi)互備等功能；同時(shí)，邊緣計(jì)算作為前端所有設(shè)備的管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，須與路側(cè)計(jì)算單元協(xié)同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、AI圖像識別、設(shè)備自適應(yīng)控制等。

由此，建立一套邊云端融合的計(jì)算系統(tǒng)對整體高速公路系統(tǒng)意義重大。結(jié)合智慧高速的建設(shè)實(shí)踐，以及通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)因素影響，可構(gòu)建“監(jiān)控中心數(shù)據(jù)中心+收費(fèi)站邊緣計(jì)算+路側(cè)計(jì)算單元”的三層計(jì)算架構(gòu)。以中心云計(jì)算為核心，統(tǒng)一云邊端操作系統(tǒng)，納管邊端兩級計(jì)算層，并采用K8S等編排Docker或其他服務(wù)，實(shí)現(xiàn)云邊端三級計(jì)算的協(xié)同和融合。

圖1 三級計(jì)算架構(gòu)

云端負(fù)責(zé)云上應(yīng)用和配置的校驗(yàn)、下發(fā)，同步Edge的狀態(tài)和事件。邊緣側(cè)負(fù)責(zé)運(yùn)行邊緣應(yīng)用和管理接入設(shè)備，接受并執(zhí)行Cloud部分下發(fā)的指令，管理各種負(fù)載。設(shè)備端側(cè)運(yùn)行各種邊緣設(shè)備。由于邊緣場景通信的不穩(wěn)定性和嚴(yán)苛的資源消耗限制，導(dǎo)致原生的K8S組件無法直接在邊緣節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行；而受限于K8S本身list/watch機(jī)制帶來的disconnect問題，數(shù)據(jù)面和管理面斷連后，無法做到本地自治。由此，邊緣側(cè)的容器引擎和設(shè)備管理agent應(yīng)盡量輕量化，并使管理面運(yùn)行在云端，且構(gòu)建在K8S的調(diào)度能力之上，兼容K8S原生API。當(dāng)前智慧高速云邊協(xié)同實(shí)踐尚未在系統(tǒng)和通信層級實(shí)現(xiàn)協(xié)同，整體計(jì)算體系仍相對松散，只有真正實(shí)現(xiàn)云邊端的協(xié)同，才可以構(gòu)建整體系統(tǒng)的計(jì)算底座。

3 構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、可拓展、高性能的軟件架構(gòu)

傳統(tǒng)高速公路信息化系統(tǒng)包含大量應(yīng)用軟件，各應(yīng)用相互獨(dú)立，未完全形成系統(tǒng)化，存在重復(fù)投入、難以迭代、運(yùn)維成本高等問題。當(dāng)前智慧高速公路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上均開始考慮一體化設(shè)計(jì)，并圍繞建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營、服務(wù)全生命周期業(yè)務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃軟件架構(gòu)。但受限于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、流程規(guī)范、再造難度大等因素，在系統(tǒng)級軟件架構(gòu)開發(fā)方面存在較多問題。另一方面，考慮到持續(xù)的業(yè)務(wù)升級和流程規(guī)范，故此軟件系統(tǒng)的開發(fā)須以可拓展性為核心原則，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)性、安全性等原則。

綜合考慮業(yè)務(wù)統(tǒng)一和系統(tǒng)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)互通需求，應(yīng)采用“中臺+應(yīng)用”的系統(tǒng)架構(gòu)。其中，中臺與業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)與微服務(wù)設(shè)計(jì)，賦予應(yīng)用軟件業(yè)務(wù)流程規(guī)范、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)打通、通用能力支撐、AI分析與演進(jìn)等能力?；贑DH框架打造大數(shù)據(jù)分析平臺，利用Kafka、Flink等開源工具實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集整合，清洗處理后存放到大數(shù)據(jù)庫中，并建立業(yè)務(wù)主題庫，支撐數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)；通過分布式服務(wù)框架、服務(wù)治理、統(tǒng)一注冊配置管理、分布式鏈路跟蹤、高可用及統(tǒng)一授權(quán)認(rèn)證形成分布式應(yīng)用服務(wù)，構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu)并采用容器化部署方式。

圖2 高速公路軟件架構(gòu)現(xiàn)狀

軟件架構(gòu)和中臺主要能力如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)

4 結(jié)束語

智慧高速公路信息化建設(shè)重視系統(tǒng)的功能和應(yīng)用，而往往容易忽視IT系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，在建設(shè)實(shí)踐過程中，由于缺乏全面的ICT技術(shù)理解，在通信技術(shù)、計(jì)算平臺、架構(gòu)選型和技術(shù)選型上存在一定的誤區(qū)，導(dǎo)致部分功能無法實(shí)現(xiàn)或讓步性實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合智慧高速公路建設(shè)實(shí)踐，從通信、計(jì)算、軟件三大關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，從業(yè)務(wù)需求分析走向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，探討了通信網(wǎng)絡(luò)SPN切片技術(shù)、云邊端三層計(jì)算架構(gòu)、中臺-軟件架構(gòu)技術(shù)，為后續(xù)的智慧高速系統(tǒng)建設(shè)提供了技術(shù)解決方向。

表4 中臺的主要能力