工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在高速公路數(shù)字化場景下的適配與應(yīng)用研究

邱 暾

(遼寧艾特斯智能交通技術(shù)有限公司 沈陽市 110166)

0 引言

自2012年美國通用公司(GE)提出并倡導(dǎo)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念的十年以來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸由概念向試點轉(zhuǎn)變[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面向的是工業(yè)級要求的場景，其目的是在更廣域、更小顆粒度、更多樣異構(gòu)的范圍內(nèi)互聯(lián)設(shè)備和系統(tǒng)。

我國2016年成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以來出臺了一系列行業(yè)標準和聯(lián)盟標準。這些標準促進了多個行業(yè)試點應(yīng)用，包括設(shè)備運營管理、生產(chǎn)過程調(diào)度、設(shè)備間協(xié)同、數(shù)字化對象服務(wù)等多種類型[2-5]。

隨著汽車行業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識行業(yè)應(yīng)用的逐步探索和開展，道路交通尤其是高速公路行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求也日趨明確。圖1為高速公路數(shù)字化場景下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，我們對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如何在高速公路數(shù)字化場景下進行適配和應(yīng)用進行了設(shè)計和研究。

1 高速公路數(shù)字化的互聯(lián)需求

高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中可以預(yù)見以下重要互聯(lián)趨勢：跨地域、路徑上下游、人車路和跨行業(yè)。

1.1 跨地域的互聯(lián)需求

(1)全國高速公路路網(wǎng)整體聯(lián)動性日益明顯，跨省清分結(jié)算和運營服務(wù)的復(fù)雜度和精準度對跨地域尤其是跨省之間的數(shù)字信息互聯(lián)提出新要求。

(2)高速公路的運輸經(jīng)濟效益及社會效益具有明顯的地域特點，在國內(nèi)大循環(huán)的背景下，如何做好跨地域高速公路流通環(huán)節(jié)的數(shù)字信息的互聯(lián)互通成為愈發(fā)重要的落腳點。

1.2 路徑上下游的互聯(lián)需求

(1)如何通過高速公路交通事件發(fā)生之前路徑上下游的交通流相關(guān)數(shù)據(jù)在時空上的異常分布發(fā)現(xiàn)前兆，對上下游的數(shù)據(jù)互聯(lián)有迫切的需求。

(2)如何在高速公路交通事件發(fā)生之后將交通事故所在車道、距離、事故類型等信息準確無誤地向上下游的行駛車輛、可變情報板快速傳遞的需求。

1.3 人車路的互聯(lián)需求

(1)高速公路通行人員對車輛狀態(tài)、道路狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取需求在頻次、規(guī)模、預(yù)見性方面不斷增加。

(2)整體汽車產(chǎn)業(yè)在往輔助駕駛、自動駕駛、新能源、車輛網(wǎng)等新方向不斷聚焦和變革。

(3)路側(cè)通信基站、路況氣象傳感器、服務(wù)區(qū)充電樁等新基建在不斷試點優(yōu)化和逐步擴大規(guī)模。

1.4 跨行業(yè)的互聯(lián)需求

高速公路在跨行業(yè)、跨領(lǐng)域融合發(fā)展中的重要角色是路衍經(jīng)濟。與工程建設(shè)、智慧物流、智慧城市、出行消費服務(wù)、行業(yè)金融等衍生體系進行密切協(xié)同發(fā)展的重要前提是高效的、智能化的、精細化的跨行業(yè)互聯(lián)。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建適配要素

面對高速公路數(shù)字化的互聯(lián)需求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建適配要素將重點圍繞以下方面展開研究。

圖1 高速公路數(shù)字化場景下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在高速公路數(shù)字化場景下進行適配和應(yīng)用

2.1 行業(yè)型二級節(jié)點

各省高速公路企業(yè)適合以合資方式構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)型二級節(jié)點，主要圍繞高速公路數(shù)字產(chǎn)業(yè)開展標識編碼管理和分派、數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)和運營、標識數(shù)據(jù)接口的對接和擴展等工作。

(1)結(jié)合高速公路運營管理規(guī)程設(shè)計相應(yīng)的編碼規(guī)則、技術(shù)標準、管理規(guī)范和運營規(guī)范等。

(2)構(gòu)建具備標識的注冊、解析、查詢、業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理和運行監(jiān)測等核心功能。

(3)對高速公路機電設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源開發(fā)不同類型的標識應(yīng)用。

(4)根據(jù)高速公路行業(yè)安全的特殊要求和接口規(guī)范，在國家頂級節(jié)點、企業(yè)節(jié)點、遞歸節(jié)點、標識注冊管理單位之間進行安全保障體系的建設(shè)。

2.2 企業(yè)標識解析節(jié)點

(1)實現(xiàn)省域高速公路機電設(shè)備標識解析，實現(xiàn)行業(yè)型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范。

(2)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型范例，完成省屬國有企業(yè)生產(chǎn)要素數(shù)字化(收費站、服務(wù)區(qū)、路段、分中心、橋梁、隧道等一系列生產(chǎn)運營基礎(chǔ)設(shè)施和要素)。

(3)實現(xiàn)與工程建設(shè)、智慧物流、智慧城市、出行消費服務(wù)、行業(yè)金融等衍生行業(yè)企業(yè)標識解析節(jié)點的互聯(lián)互通，挖掘相應(yīng)的數(shù)據(jù)價值解析服務(wù)等。

2.3 不同類型解析協(xié)議長期共存

傳統(tǒng)DNS存在標識主體單一、解析結(jié)果固化、安全風(fēng)險較高等工業(yè)級場景下無法直接使用的不足，為此分別從高效、靈活、可靠等不同角度先后提出不同類型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系，包括標識碼(Handle)、對象標識符(OID)、Ecode、UID、區(qū)塊鏈等不同類型以應(yīng)對不同場景需求。

(2)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：可利用OID不受底層設(shè)備影響、分層樹狀結(jié)構(gòu)可映射為DNS樹的一部分的特點，針對高速公路領(lǐng)域的部、省、路段分層級的管理結(jié)構(gòu)需求，結(jié)合已有物聯(lián)網(wǎng)的機電設(shè)備和傳感器的對象類型和對象順序碼進行構(gòu)建，實現(xiàn)注冊、分配、解析和查詢服務(wù)。

(3)長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)：對于版本、編碼體系、廠商等信息長期穩(wěn)定，標識檢索要求快的物聯(lián)網(wǎng)對象，可采用國家標準GB/T 31866的Ecode體系。

(4)環(huán)境感知設(shè)備：針對需要進行泛在計算的環(huán)境感知需求，可以采用UID通過對實物、位置、地點、對象等數(shù)字對象進行泛在標識編碼，并建立起關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而可以提供位置定位、環(huán)境理解、自動執(zhí)行泛在計算任務(wù)等服務(wù)。

(5)數(shù)字對象安全：對于高速公路涉及用戶高度隱私信息、路網(wǎng)核心業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可信管理等方面的需求，應(yīng)采用區(qū)塊鏈軟硬件體系來構(gòu)建標識解析，有效提示安全風(fēng)險預(yù)防能力。

2.4 面向車路協(xié)同時間敏感網(wǎng)絡(luò)

(1)應(yīng)用和完善時間敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標準。IEEE 802.1工作組的時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)標準化解決方案為高速以太網(wǎng)和IP通信提供實時和可靠性增強，通過時間同步、冗余通信路徑、幀搶占、閉環(huán)控制、循環(huán)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)入口過濾和監(jiān)管、異步流量整形等具體標準的完善以支持高達L5級的自動駕駛系統(tǒng)。我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也相繼推出時間敏感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求、可靠性技術(shù)要求、安全技術(shù)要求等標準。

(2)逐步構(gòu)建不同帶寬等級的自適應(yīng)路側(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。越來越多新一代汽車在功能領(lǐng)域處理將需要處理機器視覺、激光雷達、紅外雷達等產(chǎn)生的大量新興數(shù)據(jù)，隨著多媒體、導(dǎo)航信息、主動安全和高級駕駛員輔助系統(tǒng)在智能汽車的深入應(yīng)用，車輛行駛過程中的對支持10Mb/s、1000Mb/s甚至10Gb/s的不同帶寬等級的應(yīng)用需求。

2.5 嚴格的安全與可靠性

在高速公路數(shù)字化場景下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建必須要滿足高度的安全與可靠，尤其是提供高可靠的時鐘源和傳輸鏈路冗余。

貴州省的旅游資源主要是自然景觀和民族文化資源。“古苗疆走廊”沿線的民族文化遺產(chǎn)具有其自身鮮明的特色，但是在普通游客看來，這些旅游資源在云南同樣存在并且云南的更加出名。比如：云南大理城、瀘沽湖畔的摩梭人、蒼山、洱海等。反觀貴州，雖然有多樣的民族文化資源“寶庫”的稱號，但是，長期以來，卻被打上了“夜郎自大”、“黔驢技窮”等負面標識。并且，貴州雖不是邊疆，但卻常被視為邊遠之地。這些長久以來在人們心中形成的刻板印象，給貴州的對外宣傳造成了巨大的阻力。除此以外，由于沒有形成一套完整系統(tǒng)的旅游配套服務(wù)設(shè)施，景區(qū)開發(fā)程度還比較低，不足以支撐鄉(xiāng)村旅游的健康發(fā)展。

(1)路側(cè)通行基站需在網(wǎng)絡(luò)時間主機和數(shù)據(jù)傳輸路徑兩個車路協(xié)同關(guān)鍵要素方面提供冗余機制。其中時鐘冗余能夠處理鏈路、端口或主時鐘本身的故障，并行使用多個同步主時鐘以及多個時鐘同步路徑實現(xiàn)主時鐘故障的快速反應(yīng)。

(2)對于車輛機器視覺系統(tǒng)等對于延遲極其敏感的傳感器數(shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)包重傳是不可接受的。因此需要支持IEEE 802.1CB幀復(fù)制和消除可靠性標準讓終端通過不相交的路徑發(fā)生幀的兩個副本來克服重傳丟包問題。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

3.1 短期的應(yīng)用場景

目前的高速公路主要還是為非自動駕駛車輛設(shè)計的。一種短期內(nèi)可行的舉措是將傳統(tǒng)高速公路進行數(shù)字化和虛擬化，從而向非自動駕駛車輛提供更舒適、更安全和更快捷的通行服務(wù)；同時還可提升高速公路運維效率。

(1)提升服務(wù)區(qū)綜合服務(wù)能力

對于服務(wù)區(qū)停車場景，可借助終端傳感器和停車場廣角攝像頭構(gòu)建服務(wù)區(qū)停車位的實時數(shù)字停泊狀態(tài)地圖，然后以網(wǎng)絡(luò)微服務(wù)的方式向高德、百度、騰訊及交通APP提供實時的停車位數(shù)量和位置的信息。

對于服務(wù)區(qū)加油場景，一方面可借助服務(wù)區(qū)上下游局部區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)入出口站、ETC門架、服務(wù)區(qū)入出口的進出車輛的斷面流量，結(jié)合加油站的排隊車輛數(shù)量和平均加油時間，通過傳統(tǒng)的情報板方式和網(wǎng)絡(luò)微服務(wù)+導(dǎo)航類APP的模式推送加油引導(dǎo)推薦信息；另一方面借助廣泛普及的車載ETC設(shè)備和IEEE 802.11p(DSRC)協(xié)議、用戶手持的移動終端設(shè)備和藍牙WiFi等短距離無線通信協(xié)議、電子支付平臺等實現(xiàn)加油操作全流程的信息互聯(lián)，實現(xiàn)個性化加油量快速預(yù)約、快速無感支付，縮短加油時間。

(2)提供路段級粗粒度的出行信息服務(wù)

高速公路設(shè)計時速快與行駛車輛可視前方距離相對較短的特點，導(dǎo)致行駛車輛對路段交通流的實時容量和通行能力較為敏感。可以通過區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)入出口站、路段ETC門架以及路網(wǎng)模型計算10～20km長度路段級的車輛類型占比、車輛數(shù)量、平均車速等交通流狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)微服務(wù)方式向上游車輛手機移動導(dǎo)航類APP發(fā)送相關(guān)信息；此外在施工作業(yè)路段、交通事件發(fā)生路段及時通過施工人員和救助人員手持專用終端借助網(wǎng)絡(luò)微服務(wù)方式向上游車輛手機移動導(dǎo)航類APP發(fā)送相關(guān)信息，從而輔助上游車輛采取合理的行駛速度、行駛車道等更安全的駕駛策略。

(3)機電設(shè)備的高效運維

對高速公路沿線部署的機電設(shè)備按照設(shè)備的類型、位置、廠商型號、安裝信息、使用信息和維護信息構(gòu)建企業(yè)級的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析系統(tǒng)，同時根據(jù)機電設(shè)備的業(yè)務(wù)場景分別適當布設(shè)被動式標識載體(條形碼、二維碼、射頻電子標簽)和主動標識載體(集成電路卡、芯片、通信模組等)來實現(xiàn)對高速公路所有機電設(shè)備的產(chǎn)品廠商追溯、全生命周期管理和預(yù)測性維護。

3.2 長期的應(yīng)用場景

在可預(yù)見的未來10～20年內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對高速公路的滲透將帶來道路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化升級、自動駕駛車輛(CAV)聯(lián)網(wǎng)、交通標志數(shù)字化和協(xié)同化三大類型應(yīng)用場景。

(1)道路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化升級

道路將從具有交通密集系統(tǒng)的純機械瀝青結(jié)構(gòu)向測量和引導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。已有線路將在路側(cè)進行傳感器布設(shè)，新建線路將增設(shè)嵌入道路結(jié)構(gòu)放置，實現(xiàn)數(shù)字車道和車道邊界、數(shù)字交通路線規(guī)劃和引導(dǎo)、車道級交通引導(dǎo)等數(shù)字化升級改造，從而為車輛能夠更緊密地安全快速行駛，提升車道通行能力構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施物理條件。

(2)自動駕駛車輛(CAV)聯(lián)網(wǎng)

CAV依賴于智能道路基礎(chǔ)設(shè)施在傳感和通信大規(guī)模部署；高投入的智能道路基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模投資建設(shè)又反過來需要足夠高的CAV普及率和成熟的商業(yè)模式。一旦自動駕駛汽車(AV)達到臨界數(shù)量和較高比例，工業(yè)級可靠標準要求下車輛協(xié)同的時間敏感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化使智能道路能夠提高車道容量并增加道路能力。通過車聯(lián)網(wǎng)(V2X)、4G/5G、Wi-Fi、低功耗寬局域網(wǎng)(LPWAN)、ZigBee和光纖等通信技術(shù)助力高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化和虛擬化，創(chuàng)造新的出行服務(wù)附加值，增強CAV的安全性和可靠性。

(3)交通標志數(shù)字協(xié)同化

圍繞低成本、高密度、低功耗(例如太陽能)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在高速公路的路側(cè)的部署，將警告類、禁令類、指路系統(tǒng)、復(fù)雜路段等類型的交通標志數(shù)字化(具體包括橋梁、隧道、護欄、入口預(yù)告、出口預(yù)告、旅游區(qū)、重合路段分離點、出入口匝道等標志或標線)并接入車路協(xié)同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。從而為行駛中的CAV提供臨域內(nèi)前后車輛的轉(zhuǎn)向信號、剎車信號、雙閃信號；施工作業(yè)或氣象災(zāi)害區(qū)域的數(shù)字透明墻；入出口匝道數(shù)量、排隊長度、通行類型；更精準和超視距的道路信息等交通含義更豐富的協(xié)同信息。

4 結(jié)束語

高速公路作為當今交通基礎(chǔ)設(shè)施移動性的核心要素，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷推廣和深度適配的發(fā)展趨勢下，數(shù)字化升級改造后的高速公路將不僅僅具有物理交通的基本屬性，在信息集成和互聯(lián)互通方面進行更高級別采集、交換、挖掘、追溯、管理、服務(wù)等方面將表現(xiàn)出更強的數(shù)字產(chǎn)業(yè)化屬性，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟社會效益附加值。