智慧高速公路邊緣計算技術(shù)的實踐與思考

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 高速公路邊緣計算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

邊緣計算技術(shù)脫胎于云計算技術(shù)，為了有效解決網(wǎng)絡，特別是物聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展帶來的高網(wǎng)絡負荷問題，提高了資源使用效率，并滿足部分應用高帶寬、低時延的要求[1]。國際標準組織ETSI于2014年提出了MEC，MEC在網(wǎng)絡邊緣增加智能和計算單元，提供IT服務環(huán)境和云計算能力，使得業(yè)務應用前沿部署成為可能。MEC可以通過網(wǎng)絡與集中化云計算平臺協(xié)同工作，在合理分配業(yè)務負載的同時保持業(yè)務應用的靈活性。2016年后，MEC內(nèi)涵正式擴展為多接入邊緣計算，將應用場景從移動蜂窩網(wǎng)絡進一步延伸至其它接入網(wǎng)絡。

現(xiàn)有各大組織機構(gòu)提出的邊緣計算定義和技術(shù)標準，大多基于云計算的運營商-租戶體系，“邊緣”是指運營商網(wǎng)絡邊緣，“計算”是指云計算。以5G移動蜂窩網(wǎng)的邊緣計算為例，5G MEC部署在蜂窩基站，多以一組服務器、存儲、網(wǎng)絡設(shè)備和相應軟件構(gòu)成，以租戶的形式向各行業(yè)應用提供IaaS/PaaS/SaaS資源。

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

收費、監(jiān)控、通信高速公路機電三大系統(tǒng)體系，正處于數(shù)字化、智能化的關(guān)鍵階段。面對大數(shù)據(jù)、低時延、多場景、密集交互、高可靠性等訴求，各系統(tǒng)開始由“終端、服務端”的兩層架構(gòu)向“云、邊、端”的三層架構(gòu)轉(zhuǎn)變。收費系統(tǒng)，車道、門架、收費站使用邊緣計算技術(shù)，配合省、國收費中心實現(xiàn)了全程全網(wǎng)實時結(jié)算。視頻云聯(lián)網(wǎng)工程正在穩(wěn)步推進，在路段中心、路側(cè)設(shè)置監(jiān)控視頻邊緣計算網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)監(jiān)控視頻聯(lián)網(wǎng)和使用。

高速公路新應用也大量使用邊緣計算技術(shù)。車路協(xié)同系統(tǒng)車路之間的交互往往對實時性、可靠性有較高的要求，需利用邊緣計算解決這些問題。隧道監(jiān)控受限于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)，也在通過引入邊緣計算進一步提升服務水平。隧道衛(wèi)星定位信號補盲、各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器等，也是利用邊緣計算壓縮數(shù)據(jù)冗余、提高實時性。

但是高速公路智能化還處于初級階段，不同應用對邊緣計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、邊緣計算網(wǎng)關(guān)、云計算、霧計算[4]、霾計算等等。而對于高速公路行業(yè)應用來講，類似運營商-租戶的商業(yè)模式仍未成形，收費站、路段中心部署的邊緣云在“邊緣”和“計算”等方面的特征與上級云的區(qū)別也不明顯，因此研究現(xiàn)階段路側(cè)邊緣計算技術(shù)及其效果更具現(xiàn)實意義。

2 路側(cè)邊緣計算的應用場景和需求

2.1 實踐場景

(1)車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計算

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

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

(2)交通事件檢測系統(tǒng)的邊緣計算

視頻、雷達等傳感器已廣泛用于高速公路交通事件檢測、交通流量監(jiān)測等領(lǐng)域。這些傳感器采集到的第一手數(shù)據(jù)(非結(jié)構(gòu)化)會利用路側(cè)邊緣計算設(shè)備的AI計算能力，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)絡帶寬、監(jiān)控中心平臺資源。

(3)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的邊緣計算

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越多的應用。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，同時往往需要利用無線通訊解決到路側(cè)的通信問題，因此需要路側(cè)邊緣計算提供數(shù)據(jù)處理和通信能力。

(4)隧道監(jiān)控的邊緣計算

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，對高級網(wǎng)絡和安全功能的支持較弱，且缺乏對以IT為中心的編程語言(如支持AI算法)和協(xié)議(如HTTPS和MQTT)的支持，編程維護相對繁瑣。以PLC為核心的機電設(shè)備管控模式還存在控制器位置分散、重復投資、機電設(shè)備狀態(tài)不可感知等問題，也難以實現(xiàn)機電設(shè)備、視頻監(jiān)控、火災報警、緊急電話和廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)的集中統(tǒng)一管控，無法做到數(shù)據(jù)的打通和共享，難以滿足進一步提升隧道管控水平、服務水平的需求。為了解決這些問題，隧道PLC已開始被邊緣計算設(shè)備所替代。

(5)ETC收費系統(tǒng)的邊緣計算

ETC收費系統(tǒng)的邊緣計算部署在收費系統(tǒng)網(wǎng)絡內(nèi)，與其它系統(tǒng)相對獨立，預計遠期會與監(jiān)控系統(tǒng)邊緣計算打通。

2.2 問題與需求

數(shù)據(jù)孤島、煙囪林立，是高速公路運營管理過程中經(jīng)常面對的問題。邊緣計算技術(shù)本身具有平臺屬性，因此路側(cè)邊緣計算設(shè)備做到兼容共享，利用統(tǒng)一的邊緣計算設(shè)備接入各種前端設(shè)備、承載各種路側(cè)應用，是解決這些問題的一個重要步驟。

高速公路路側(cè)邊緣計算設(shè)備實現(xiàn)兼容共享主要包括下列幾個方面：架構(gòu)通用性、平臺兼容性、接口兼容性、通信能力、計算能力、存儲能力。

目前高速公路行業(yè)相關(guān)的標準規(guī)范還在制定當中，缺乏系統(tǒng)性、體系性的標準規(guī)范。高速公路路側(cè)邊緣計算應分哪些級別和種類，分別具備哪些能力、達到什么樣的標準，都需要在實踐過程中不斷探索、研究。

3 路側(cè)邊緣計算的發(fā)展思路

3.1 路側(cè)邊緣計算的架構(gòu)

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

圖1 路側(cè)邊緣計算系統(tǒng)架構(gòu)

邊緣計算的典型功能是“邊緣”+“計算”，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)上進行不同角度的強化，即可形成通用性的、不同側(cè)重的邊緣計算設(shè)備。

3.2 路側(cè)邊緣計算的平臺

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

高速公路路側(cè)邊緣計算平臺應具備下列特性。

(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、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。

(2)強大的邊緣計算能力

現(xiàn)場側(cè)實現(xiàn)強大的工業(yè)控制功能；開放側(cè)容器、微服務可由云平臺統(tǒng)一進行管理，實現(xiàn)云邊協(xié)同，支持擴展圖像處理模塊、計算加速模塊。

(3)靈活配置的虛擬化和容器技術(shù)

提供虛擬化管理平臺、容器部署技術(shù)，可劃分多個業(yè)務系統(tǒng)及各系統(tǒng)的網(wǎng)絡、計算、存儲資源，保證系統(tǒng)間的安全隔離。

(4)強大的系統(tǒng)擴充彈性

整機模塊化設(shè)計，主控資源、擴展資源可靈活擴展，便于現(xiàn)場升級改造、產(chǎn)線重組，實現(xiàn)現(xiàn)場硬件成本的集約化。

(5)集成成熟的工業(yè)技術(shù)

通過集成工業(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)的各種應用需求，并簡化系統(tǒng)架構(gòu)。

(6)賦能多樣化的終端設(shè)備

通過多種標準的外設(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)場設(shè)備交互，以智能應用賦能終端設(shè)備。

(7)適用于嚴苛的工業(yè)環(huán)境

工業(yè)級無風扇設(shè)計，通過多種可靠性測試、安規(guī)認證、CE認證。

3.3 路側(cè)邊緣計算的接口

高速公路路側(cè)邊緣計算設(shè)備位于中心平臺與前端設(shè)備之間，其接口可分為中心平臺側(cè)的北向接口和前端設(shè)備側(cè)的南向接口。邊緣計算與前端設(shè)備之間通過南向接口，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)備對接的難度和周期。邊緣計算與中心平臺之間通過北向接口和統(tǒng)一標準的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，進行數(shù)據(jù)安全交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向不同平臺應用的分發(fā)，降低了平臺接入的難度。

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

北向接口是路側(cè)邊緣計算設(shè)備為中心平臺提供的數(shù)據(jù)服務接口，包括了路側(cè)邊緣計算設(shè)備與平臺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。并使用加密算法對傳輸數(shù)據(jù)進行安全加密處理，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)口等物理接口標準，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)邊緣計算設(shè)備之后，通過數(shù)據(jù)解析，將解析后的原始數(shù)據(jù)流進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理，進行數(shù)據(jù)清洗、分析和本地化存儲等操作后，會將相關(guān)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)安全加密，完成加密的數(shù)據(jù)通過北向接口傳輸給中心平臺。

4 結(jié) 論

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

結(jié)合五峰山高速公路運營現(xiàn)實方案，助力于“新基建”與舊基建的同步協(xié)同工作，其不限于過往局限，解決智慧高速公路運營應用與原基建設(shè)施工脫節(jié)的問題，針對邊緣計算技術(shù)進行了分析研究，其為實現(xiàn)現(xiàn)代化高速公路發(fā)展提供了新思路。