智慧高速边缘计算系统架构和网络体系探究

智慧高速公路应满足交通出行者、交通管理者、道路运营方三者需求：

（1）面向交通出行者，提供安全、畅通、经济、全天候的通行条件，及时准确的路况信息服务，娱乐、餐饮、旅游等舒适的出行服务；

（2）面向交通管理者，提供实时和周期性交通数据等信息，用于进行道路交通管制和优化决策、降低安全风险、提高道路运行效率；

（3）面向道路运营方，提供对车、路、环境的智能感知，自动发现异常及风险，提供科学数据支撑管理者进行分析预判，提供集成化、智能化的处理控制手段及时消除异常情况，保障路网安全、畅通，并提供量化指标分析评价为长期运营提供决策依据。

当前的高速公路与智慧高速整体上还有较大的差距，体现在缺乏有效的事故预防能力和高效的事故处理效率，无法做到道路运行状态的全息感知和有效的交通疏导，道路服务信息不全面，车路协同低效等方面。

一、智慧高速边缘计算应用和系统架构

（一）智慧高速的信息化特征

智慧高速是在交通运输领域充分利用物联网、空间感知、云计算、移动互联网等新一代信息技术，综合运用交通科学、系统方法、人工智能、知识挖掘等理论与工具，以全面感知、深度融合、主动服务、科学决策为目标，通过建设实时的动态信息服务体系，深度挖掘交通运输相关数据，形成问题分析模型，实现行业资源配置优化能力、公共决策能力、行业管理能力、公众服务能力的提升，推动交通运输更安全、更高效、更便捷、更经济、更环保、更舒适的运行和发展，带动交通运输相关产业转型、升级。

高级智慧化高速公路，能实现网联协同的智慧化管控环境，具备对路网进行全自动、全方位的服务和监管的能力；能实现全时空高精度感知，对所有道路参与者轨迹的数字化处理并开展交通分析，对路网的交通运行状态进行精确计算，对不同路段、不同层级的交通运行系统进行精准决策和管控；能实现人工驾驶车辆和自动驾驶车辆混合交通流的协同管控，能满足自动驾驶车队编队行驶和在线调度的需求。

智慧高速公路信息化建设应具备以下4个方面的特征。

（1）基础设施数字化，所有道路相关的分类及属性在全空域，全时域具备完整的数字表达，可以通过计算机系统进行有效的组织和使用，使道路资产的属性完整，管理过程清晰。

（2）感知智能化，包括对基础设施设备的运行状态，对环境状态的感知能力，对交通参与者感知能力。

（3）高效、低延迟的通信能力，通过通信系统将基础设施、各类资产、管理者、使用者高效整合到一起，保障各方信息快速整合和实时互通。

（4）海量数据处理及分析能力，能够对海量数据进行存储和检索，支持跨业务平台的多源数据融合，具备大数据分析挖掘及人工智能数据特征提取能力。

（二）智慧高速的数字化业务流程

智慧高速数字化信息流的业务流程如图1所示，简单分为3部分：道路实时全域感知等相关信息的收集；计算平台对道路数字化信息流的AI分析处理；信息处理后的消息发布和道路数字化信息的共享。

图1 智慧高速数字化信息流的业务流程

智慧高速信息系统通过路侧的各类传感监控设备，如摄像机、雷达、气象监控系统、路面传感器等传感系统和道路机电监控报警系统等，完成道路上的车辆、各类设施物件和交通事件等的数字化，形成计算机能处理的信息流，并通过路侧网络系统汇总给智慧高速信息系统。

智慧高速信息系统计算平台，主要指路侧边缘计算平台，对收集到的道路数字化信息进行AI分析处理，得出道路的实时动态数字化全息图和各种道路事件的实时分析预测结果，这些结果信息对所有道路相关者具有重要价值，有些需要尽快发布。

智慧高速的数字化信息和计算平台分析结果，应该通过多个渠道发送给所有相关者。发送给路段管理中心，用于管理、监控和运维，也可以为后续的大数据分析提供依据；发送给运输公司，提供在途车辆的信息服务；提供给交通管理部门、交警和政府相关部门，支持对高速的实时管控；发送给道路上的车辆和交通参与者，提供车路协同的实时信息服务。

当前，车路协同的信息发布主要有4个方式。（1）通过路侧的RSU直接发给路上的车辆和交通参与者，即标准定义的PC5接口。这种方式的传输延迟在几十毫秒以内，能满足高速上安全类车路协同业务信息的高实时发布需求，防止2次事故等交通意外。（2）通过运营商5G移动网专用通道，把结果信息发给车辆，即标准定义的UU口。传输延迟比方式（1）大，但如果能很好地规划网络传输，可将传输延迟保证在几百毫秒到秒级之间。（3）通过5G移动网络发到车辆上的导航软件，传输延迟不能保证。（4）提供路侧通告设备，如电子信息板等，把结果信息显示给车辆驾驶员。

自动驾驶需要智慧高速提供“上帝视角”的车路协同服务，来弥补单车感知的不足，有效地提高自动驾驶的安全性，如自动驾驶车辆是不能感知前方路面是否结冰，看不到被遮挡的交通事故和交通信号信息。智慧高速并不局限于车路协同业务，是智慧化服务于道路的所有相关方。车路协同业务也不局限于服务自动驾驶，预计在相当长的一段时间里，更主要服务于驾驶车辆的司机和其他交通参与者。自动驾驶对智慧高速提供的车路协同业务的实时性要求最高，考虑到高速公路上车速很快，很多业务的实时性要求在100ms以内，只有信息发布方式（1）可以满足要求。

（三）智慧高速的边缘计算应用和计算平台架构

计算平台是智慧高速系统的核心，和传统的视频监控系统不一样，新增加的边缘计算平台是智慧高速的核心子系统。

路侧边缘计算平台实时获取路侧感知设备的数据进行融合计算，以高性能计算能力提供更高精度和更可靠的融合感知结果和交通事件，完成目标的识别、分类、追踪和轨迹拼接等功能，还能够对车辆车牌识别、运动属性预测等，为路测交通参与者提供准确的数据服务。

计算平台向路侧边缘的分布式下移，使大部分智慧交通业务都可以在路侧完成本地业务闭环，简化了业务处理，提高了业务处理的实时性和效率，增强了智慧高速业务的鲁棒性。

路侧边缘计算平台输出AI算法分析结果，可以通过RSU直接把分析结果发送给路上行驶的车辆和相关的交通参与者，时延在毫秒级别，能满足高速公路上自动驾驶车辆的车路协同信息需求；也可以通过运营商5G网络发送给路上行驶的车辆和相关的交通参与者；也可以通过导航软件App等发送给驾驶员。同时，路侧收集的数据和边缘计算平台分析结果，都汇总发送给区域计算平台。

智慧高速采用三级计算平台体系，如图2所示。路侧边缘计算平台实时获取路侧传感器数据进行融合计算，输出融合感知分析结果和交通事件，快速响应高速公路边缘侧的应用需求和消息发布。区域计算平台，一般部署在路段中心或路段分中心的机房里，处理各边缘计算平台汇总上来的信息，完成交通事件的远程发送，如突发事故事件的扩散广播；同时完成设备管理、模型管理、算法管理和应用管理等与边缘计算平台节点管理等相关功能；区域计算平台有实时信息处理和实时通信的需求。省级计算平台实现省级的交通综合管理和调度指挥，并为区域级服务提供服务规则等。省级计算平台和区域计算平台对外向商业用户、个人用户和政府部门等提供信息服务，如通过运营商对交通参与人员提高道路实时信息（UU口模式）。

图2 智慧高速的三级计算平台系统

为了提高智慧高速业务的实时性、AI分析处理效率、消息发布的高效实时性和业务的鲁棒性，智慧高速业务系统增加了路侧边缘计算平台，以完成业务的本地闭环。

二、智慧高速的网络架构和边缘计算网络方案

（一）智慧高速的网络架构

高速公路系统的网络一般以省为单位来规划建设，可以分为路段接入网和省干网两部分，网络架构如图3所示。

图3 智慧高速系统的网络架构

路段接入网负责把路侧设备、边缘计算单元等设备和路段分中心互联；没有路段分中心的，直接和路段中心互连。其中，路侧设备包括RSU、智能化路侧感知设备（各类摄像头、激光雷达、毫米波雷达等）、动态交通情报板、路侧气象感知站等，边缘计算单元可通过对路侧设备输出的原始数据信息进行融合判断，提取结构化道路及目标物状态信息，实现数据的分析、处理，以支持智慧高速的各种应用；很多车路协同业务在路侧网络完成业务流程，对网络实时性和带宽要求高。 路段接入网可能有多种组网模式，以支持边缘计算单元全分布或相对集中等多种部署方式。 

省干网络负责路段分中心间通信互连、路段分中心到路段中心间通信互连、路段中心间通信互连、路段中心至省中心的通信互连、以及省中心与2C服务商/2B用户间业务通信。路段分中心间，路段分中心到路段中心间的车路协同业务通信有实时性要求。UU模式的车路协同信息是通过连接到2B用户（包括运营商）的外联专线来传输的。

（二）智慧高速的边缘计算网络方案

智慧高速公路场景按照高速公路组成要素，分为一般路段、主线隧道、收费站互通、枢纽互通、服务区5大场景。一般路段是高速公路最主要的场景，主线隧道是高速公路最复杂的场景，本节重点研究这两个场景的边缘计算网络方案。

一般路段的边缘计算网络方案案例如图4所示。沿高速公路每隔200m左右树立一个杆站，按智慧高速业务需求部署感知设备（摄像头，雷达等）和RSU等，杆上设备都连接到杆上交换机；所有杆上交换机和汇聚路由器组建环型的路侧接入网络，汇聚路由器同时连接路侧边缘计算平台，将感知设备收集到的信息数据实时传输给边缘计算平台做融合感知AI分析，并将边缘计算输出的结果实时地通过RSU发送给在高速公路上的车辆和交通参与者。如果杆上交换机换为接入路由器，把L3VPN推到杆站，能大幅提高组网的灵活性、简化设备接入的配置和各业务的通信安全，可以扩展接入环网的节点数。

图4 一般路段场景的边缘计算网络方案案例

路侧接入网络采用环型，一是为了节约光纤资源，只需要两组光纤就可以组建环网，二是防止单次断纤故障以提供网络的可靠性。接入路侧网络一般采用GE环网，配置环网保护机制，在出现断纤故障或某个杆上交换机故障时，在50ms内完成保护倒换，保障车路协同业务不受影响。

汇聚路由器串联，和就近的收费站通信机房里的汇聚路由器互联，组成一个汇聚环网。汇聚环网一般是10GE带宽，所有汇聚路由器共享环网带宽，因此从带宽和可靠性方面考虑，需要控制汇聚环网上的汇聚路由器数量，一般不超过10个节点。在两个收费站间，按需组建多个汇聚环网，都以收费站汇聚路由器为核心汇聚。

一般路段的杆站有两个部署模式：路侧部署和中央分隔带部署。路侧部署模式中，分别在路两侧组建接入环网和汇聚环网。中央分隔带部署模式中，在中央分隔带里部署接入环网和汇聚环网。

由于主线隧道与前后相接路段的关联性强，通常将隧道洞外500m范围的路段划入隧道管控区域，集中管控和消息发布。双向隧道和洞外500m路段，构成一个独立的“隧道逻辑单元”，需要部署隧道级边缘计算平台，支持隧道全域业务数据的协同计算分析。

如图5所示，在两个单向隧道里分别部署边缘计算接入环网和汇聚环网，隧道机电房里的路由器作为汇聚环网的核心汇聚。 在隧道里，每隔150m左右安装网络站点，连接感知设备（摄像头，雷达等）、RSU、隧道检测系统、检测报警系统和IP报警电话等隧道里的机电设备。隧道级边缘计算平台根据收到的所有隧道相关信息做AI分析和决策，特别在异常情况下给出救援指示，包括跨两个隧道洞的统一救援调度，对隧道外高速路上的车辆指引。

图5 主线隧道场景的边缘计算网络方案案例

一般在比较短的隧道里可以集中部署一套隧道级边缘计算平台，在比较长的隧道里部署两级边缘计算平台（隧道级边缘计算平台和路侧边缘计算平台）。

三、结束语

智慧高速的计算系统一般由路侧边缘计算平台、区域计算平台和省级计算平台三级计算平台组成。路侧边缘计算平台、路侧感知设备（摄像头、毫米波雷达、激光雷达、各类传感器）和RSU（路侧通信单元）组成的路侧子系统是完成智慧高速业务的核心子系统。路侧边缘计算平台实时获取路侧感知设备的数据进行融合计算，以高性能计算能力提供更高精度和更可靠的融合感知结果和交通事件。为了提高智慧高速业务的实时性、AI分析处理效率、消息发布的高效实时和业务的鲁棒性，相比较传统的高速公路信息系统，智慧高速业务系统增加了路侧边缘计算平台，以完成业务的本地闭环。