智慧高速公路边缘计算技术的实践与思考

徐卫东，夏 勇，陈 涛

(江苏宁沪高速公路股份有限公司，江苏 南京 210046)

1 高速公路边缘计算技术发展现状

边缘计算技术脱胎于云计算技术，为了有效解决网络，特别是物联网加速发展带来的高网络负荷问题，提高了资源使用效率，并满足部分应用高带宽、低时延的要求[1]。国际标准组织ETSI于2014年提出了MEC，MEC在网络边缘增加智能和计算单元，提供IT服务环境和云计算能力，使得业务应用前沿部署成为可能。MEC可以通过网络与集中化云计算平台协同工作，在合理分配业务负载的同时保持业务应用的灵活性。2016年后，MEC内涵正式扩展为多接入边缘计算，将应用场景从移动蜂窝网络进一步延伸至其它接入网络。

现有各大组织机构提出的边缘计算定义和技术标准，大多基于云计算的运营商-租户体系，“边缘”是指运营商网络边缘，“计算”是指云计算。以5G移动蜂窝网的边缘计算为例，5G MEC部署在蜂窝基站，多以一组服务器、存储、网络设备和相应软件构成，以租户的形式向各行业应用提供IaaS/PaaS/SaaS资源。

高速公路行业的边缘计算的定义和技术标准，是基于行业应用的，“边缘”是指专网边缘，“计算”是指应用计算[2]。以高速公路车路协同系统的边缘计算[3]为例，路方专网的RCU路侧计算单元，以应用的形式为路侧设备、通行车辆提供计算服务。

收费、监控、通信高速公路机电三大系统体系，正处于数字化、智能化的关键阶段。面对大数据、低时延、多场景、密集交互、高可靠性等诉求，各系统开始由“终端、服务端”的两层架构向“云、边、端”的三层架构转变。收费系统，车道、门架、收费站使用边缘计算技术，配合省、国收费中心实现了全程全网实时结算。视频云联网工程正在稳步推进，在路段中心、路侧设置监控视频边缘计算网关，实现监控视频联网和使用。

高速公路新应用也大量使用边缘计算技术。车路协同系统车路之间的交互往往对实时性、可靠性有较高的要求，需利用边缘计算解决这些问题。隧道监控受限于传统PLC系统，也在通过引入边缘计算进一步提升服务水平。隧道卫星定位信号补盲、各类物联网传感器等，也是利用边缘计算压缩数据冗余、提高实时性。

但是高速公路智能化还处于初级阶段，不同应用对边缘计算有不同程度的需求，相关概念和技术层出不穷：MEC、边缘云、边缘计算网关、云计算、雾计算[4]、霾计算等等。而对于高速公路行业应用来讲，类似运营商-租户的商业模式仍未成形，收费站、路段中心部署的边缘云在“边缘”和“计算”等方面的特征与上级云的区别也不明显，因此研究现阶段路侧边缘计算技术及其效果更具现实意义。

2 路侧边缘计算的应用场景和需求

2.1 实践场景

(1)车路协同系统的边缘计算

车路协同系统中很多应用场景的主要特征是低时延、高可靠。在时延需求上，辅助驾驶要求20～100 ms，而自动驾驶要求时延可低至10 ms以内。边缘计算可以对C-V2X的基础通信能力和其它前瞻性应用场景提供支持，例如车辆拥堵场景的分析与识别、区域内高精度地图的实时加载、区域内自动驾驶车辆的调度、交通流合流场景、突发恶劣条件预警等场景，由于场景比较复杂，要么需要大量的计算/存储/传输资源、要么需要对交通要素进行组织协调，而通过终端与边缘服务的协同会是更为典型的实现方式。

目前五峰山高速公路车路协同系统的路侧边缘计算设备，不仅支持车路协同应用场景，还提供高清摄像机等传感器的接入和数据处理能力，属于功能较多、性能的边缘计算系统。

(2)交通事件检测系统的边缘计算

视频、雷达等传感器已广泛用于高速公路交通事件检测、交通流量监测等领域。这些传感器采集到的第一手数据(非结构化)会利用路侧边缘计算设备的AI计算能力，提取有效数据(结构化)后再上传监控中心，避免大量冗余数据消耗网络带宽、监控中心平台资源。

(3)物联网设备的边缘计算

物联网设备因其分布式、低功耗、低成本等特征，在高速公路得到越来越多的应用。这些物联网设备会产生大量数据，同时往往需要利用无线通讯解决到路侧的通信问题，因此需要路侧边缘计算提供数据处理和通信能力。

(4)隧道监控的边缘计算

隧道监控传统的PLC架构[5]受限于专有连接、专用软件和许可成本，对高级网络和安全功能的支持较弱，且缺乏对以IT为中心的编程语言(如支持AI算法)和协议(如HTTPS和MQTT)的支持，编程维护相对繁琐。以PLC为核心的机电设备管控模式还存在控制器位置分散、重复投资、机电设备状态不可感知等问题，也难以实现机电设备、视频监控、火灾报警、紧急电话和广播系统等系统的集中统一管控，无法做到数据的打通和共享，难以满足进一步提升隧道管控水平、服务水平的需求。为了解决这些问题，隧道PLC已开始被边缘计算设备所替代。

(5)ETC收费系统的边缘计算

ETC收费系统的边缘计算部署在收费系统网络内，与其它系统相对独立，预计远期会与监控系统边缘计算打通。

2.2 问题与需求

数据孤岛、烟囱林立，是高速公路运营管理过程中经常面对的问题。边缘计算技术本身具有平台属性，因此路侧边缘计算设备做到兼容共享，利用统一的边缘计算设备接入各种前端设备、承载各种路侧应用，是解决这些问题的一个重要步骤。

高速公路路侧边缘计算设备实现兼容共享主要包括下列几个方面：架构通用性、平台兼容性、接口兼容性、通信能力、计算能力、存储能力。

目前高速公路行业相关的标准规范还在制定当中，缺乏系统性、体系性的标准规范。高速公路路侧边缘计算应分哪些级别和种类，分别具备哪些能力、达到什么样的标准，都需要在实践过程中不断探索、研究。

3 路侧边缘计算的发展思路

3.1 路侧边缘计算的架构

路侧边缘计算设备为前端设备乃至车端提供计算设备的算力、存储、接口资源，也可分担中心平台的计算、存储任务，并通过降低数据冗余，缓解中心平台和网络压力。从成本和适应性出发，路侧边缘计算架构，如图1所示。其分为侧重计算的路侧边缘计算、侧重前端设备接入的边缘计算网关、侧重控制的边缘控制器等类型，同时不同类型的边缘计算设备从架构上应具备通用性。

图1 路侧边缘计算系统架构

边缘计算的典型功能是“边缘”+“计算”，偏重信息化领域。而高速公路数字化、智能化则既有信息化属性也有工业化属性，因此路侧边缘计算的功能是“两化融合”的，即工业化与信息化的融合。在此架构基础上进行不同角度的强化，即可形成通用性的、不同侧重的边缘计算设备。

3.2 路侧边缘计算的平台

高速公路路侧边缘计算的平台可分为三个层面：一是硬件(边缘计算基础设施)层面、二是宿主操作系统(边缘计算操作系统)层面、三是客户机(边缘计算应用)层面。另外则是监控管理中心云平台的管控层面。

高速公路路侧边缘计算平台应具备下列特性。

(1)兼顾各种环境的兼容性

基础设施层面兼容性的核心是CPU架构。目前生态最完善的仍然是x86架构，但从市场、技术和政策层面，ARM架构则更具生命力。

操作系统层面兼容性的包括操作系统与虚拟化的兼容性。目前Windows、Linux、Android三分天下，综合虚拟化系统考虑，则Linux生态更具优势。

(2)强大的边缘计算能力

现场侧实现强大的工业控制功能；开放侧容器、微服务可由云平台统一进行管理，实现云边协同，支持扩展图像处理模块、计算加速模块。

(3)灵活配置的虚拟化和容器技术

提供虚拟化管理平台、容器部署技术，可划分多个业务系统及各系统的网络、计算、存储资源，保证系统间的安全隔离。

(4)强大的系统扩充弹性

整机模块化设计，主控资源、扩展资源可灵活扩展，便于现场升级改造、产线重组，实现现场硬件成本的集约化。

(5)集成成熟的工业技术

通过集成工业控制、边缘部署、物联通讯等相关技术，整合传统多套软硬件产品的功能，满足不同行业的各种应用需求，并简化系统架构。

(6)赋能多样化的终端设备

通过多种标准的外设接口和通讯协议，与传感器、仪表仪器、工业设备、摄像头等多样化的现场设备交互，以智能应用赋能终端设备。

(7)适用于严苛的工业环境

工业级无风扇设计，通过多种可靠性测试、安规认证、CE认证。

3.3 路侧边缘计算的接口

高速公路路侧边缘计算设备位于中心平台与前端设备之间，其接口可分为中心平台侧的北向接口和前端设备侧的南向接口。边缘计算与前端设备之间通过南向接口，适配不同类型、不同品牌前端设备的接口和通信协议，降低南向设备对接的难度和周期。边缘计算与中心平台之间通过北向接口和统一标准的物联网协议，进行数据安全交互，实现数据向不同平台应用的分发，降低了平台接入的难度。

南向接口是路侧边缘计算设备为前端设备提供的数据服务接口，包括了不同的硬件接口及通信协议。为了实现多类不同前端设备的接入，要求路侧边缘计算设备的南向接口提供多类硬件接口，硬件接口应提供包括(但不限于)RJ45接口、RS232接口、RS485接口、光纤等有线通信接口及ZigBee、蓝牙、无线局域网、RFID等无线通信接口。通信协议应使用MODBUS、OPC、BACNET、HTTP、ONVIF、TCP/IP、HTTP/HTTPS等主流协议[6]。

北向接口是路侧边缘计算设备为中心平台提供的数据服务接口，包括了路侧边缘计算设备与平台信息交互的通信方式、加密方式、数据类型、数据格式、数据编码方式和通信内容。北向接口需支持MQTT和HTTP/HTTPS协议。并使用加密算法对传输数据进行安全加密处理，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网口等物理接口标准，支持Modbus、UDP/TCP、HTTP等不同通信协议的适配。不同类型的前端设备接入路侧边缘计算设备之后，通过数据解析，将解析后的原始数据流进行数据结构化处理，进行数据清洗、分析和本地化存储等操作后，会将相关结构化数据进行数据安全加密，完成加密的数据通过北向接口传输给中心平台。

4 结 论

我国高速公路的建设正在从新建为主过渡到改扩建为主，高速公路数字化、智能化进程正在逐步提速。目前在路侧出现的大量计算设备为路侧边缘计算的发展提供了巨大空间。边缘计算是将主要处理和数据存储放在网络的边缘节点的分布式计算形式，能实现数据处理的“低时延，大带宽，大连接，本地化”，成为了车路协同系统不可缺少的一个组成部分。

结合五峰山高速公路运营现实方案，助力于“新基建”与旧基建的同步协同工作，其不限于过往局限，解决智慧高速公路运营应用与原基建设施工脱节的问题，针对边缘计算技术进行了分析研究，其为实现现代化高速公路发展提供了新思路。