智慧高速公路系統關鍵技術探究

宋竹兵

（山西青銀二廣太原聯絡線項目公司，山西 晉中 030600）

0 引言

自2018年以來，在政策刺激和技術發展的引導下，智慧高速公路得到快速發展。智慧高速公路建設過程采用業務定義系統的方法設計，易忽視整體IT系統的頂層設計，致使系統建設過程中出現各類業務延遲、系統不穩定、軟件難迭代等問題。

智慧高速全流程業務涉及實時視頻監控、數據快速分析、AI圖像識別、智能輔助駕駛等對時延、網絡帶寬、系統可靠性要求較高的業務；同時，由于涉及多部門之間的數據共享、業務互通、流程變更、系統升級等，對原有IT軟件架構的魯棒性和可拓展性具有較高的要求；再者，智慧高速公路系統由傳統的收費網、監控網、辦公網組成，隨著服務拓展和多業務融合趨勢的加深，整體系統的通信網絡、計算系統、軟件架構將成為智慧高速公路系統的關鍵技術。

1 構建低時延、大帶寬、強穩定的通信網絡

高速公路通信網一般采用SDH或PTN技術，單環容量一般為10G，在時延和帶寬方面可滿足普通高速公路的視頻監控、收費、辦公等業務需求。隨著智慧高速業務前端監測設備，包含毫米波/激光雷達、車路協同設備、智能機器人等設備數量，及其對時延控制需求和帶寬需求的猛增，造成外部系統交互頻次增大，網絡安全保障的重要性凸顯。

以設計速度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/人與高速公路系統的交互，系統通信時延對行車距離的影響測算如表2所示。

表1 某智慧高速典型業務的帶寬需求測算

表2 不同時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，系統總體延時控制在200ms以內為合理區間。如考慮業務并發、計算時延、系統擴容等問題，對智慧高速整體通信控制指標為帶寬10Gbps，時延穩定控制在100ms以內。

傳統的SDH或PTN技術難以滿足上述需求，亟需構建低時延、大帶寬、強穩定的通信網絡。結合當前智慧高速項目對通信傳輸的需求，可采用SPN技術，在實現三層交換的基礎上，兼顧業務直達能力，以降低通信傳輸時延。SPN硬切片技術可滿足收費、視頻等多業務隔離，主流100G帶寬，可實現多業務統一承載。同時，SPN硬隔離技術還可保障各業務穩定運行。

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

2 構建邊、云、端融合的計算系統

當前大部分高速公路采用中心段集中式計算系統，通過在監控中心機房部署服務器集群可實現運營指揮調度、視頻監控、外場VMS情報板信息發布等業務。而智慧高速系統整體業務更加復雜，主要考慮場景如表3所示。

表3 計算場景舉例

由表3可知，智慧高速公路系統涉及大量即時、瞬時、高強度、多點計算場景，對高速公路系統多點計算、云邊協同計算提出較高的能力要求。針對上述計算需求，采用高性能多點分布式計算模式，其中邊緣計算作為場景計算核心，須獨立承擔前端業務；與中心側開展業務交互，實現信息上傳、策略下發、算法下發、容災互備等功能；同時，邊緣計算作為前端所有設備的管理節點和匯聚節點，須與路側計算單元協同實現數據融合、AI圖像識別、設備自適應控制等。

由此，建立一套邊云端融合的計算系統對整體高速公路系統意義重大。結合智慧高速的建設實踐，以及通信系統相關技術因素影響，可構建“監控中心數據中心+收費站邊緣計算+路側計算單元”的三層計算架構。以中心云計算為核心，統一云邊端操作系統，納管邊端兩級計算層，并采用K8S等編排Docker或其他服務，實現云邊端三級計算的協同和融合。

圖1 三級計算架構

云端負責云上應用和配置的校驗、下發，同步Edge的狀態和事件。邊緣側負責運行邊緣應用和管理接入設備，接受并執行Cloud部分下發的指令，管理各種負載。設備端側運行各種邊緣設備。由于邊緣場景通信的不穩定性和嚴苛的資源消耗限制，導致原生的K8S組件無法直接在邊緣節點上運行；而受限于K8S本身list/watch機制帶來的disconnect問題，數據面和管理面斷連后，無法做到本地自治。由此，邊緣側的容器引擎和設備管理agent應盡量輕量化，并使管理面運行在云端，且構建在K8S的調度能力之上，兼容K8S原生API。當前智慧高速云邊協同實踐尚未在系統和通信層級實現協同，整體計算體系仍相對松散，只有真正實現云邊端的協同，才可以構建整體系統的計算底座。

3 構建標準化、可拓展、高性能的軟件架構

傳統高速公路信息化系統包含大量應用軟件，各應用相互獨立，未完全形成系統化，存在重復投入、難以迭代、運維成本高等問題。當前智慧高速公路系統在設計上均開始考慮一體化設計，并圍繞建設、管理、養護、運營、服務全生命周期業務統一規劃軟件架構。但受限于缺乏統一標準、流程規范、再造難度大等因素，在系統級軟件架構開發方面存在較多問題。另一方面，考慮到持續的業務升級和流程規范，故此軟件系統的開發須以可拓展性為核心原則，同時兼顧系統的標準性、安全性等原則。

綜合考慮業務統一和系統業務、數據互通需求，應采用“中臺+應用”的系統架構。其中，中臺與業務系統采用模塊化開發與微服務設計，賦予應用軟件業務流程規范、業務數據打通、通用能力支撐、AI分析與演進等能力。基于CDH框架打造大數據分析平臺，利用Kafka、Flink等開源工具實現多源數據采集整合，清洗處理后存放到大數據庫中，并建立業務主題庫，支撐數據應用開發；通過分布式服務框架、服務治理、統一注冊配置管理、分布式鏈路跟蹤、高可用及統一授權認證形成分布式應用服務，構建微服務架構并采用容器化部署方式。

圖2 高速公路軟件架構現狀

軟件架構和中臺主要能力如圖3所示。

圖3 軟件架構

4 結束語

智慧高速公路信息化建設重視系統的功能和應用，而往往容易忽視IT系統的頂層設計，在建設實踐過程中，由于缺乏全面的ICT技術理解，在通信技術、計算平臺、架構選型和技術選型上存在一定的誤區，導致部分功能無法實現或讓步性實現。本文結合智慧高速公路建設實踐，從通信、計算、軟件三大關鍵技術出發，從業務需求分析走向系統實現，探討了通信網絡SPN切片技術、云邊端三層計算架構、中臺-軟件架構技術，為后續的智慧高速系統建設提供了技術解決方向。

表4 中臺的主要能力