智慧高速公路系统关键技术探究

宋竹兵

（山西青银二广太原联络线项目公司，山西 晋中 030600）

0 引言

自2018年以来，在政策刺激和技术发展的引导下，智慧高速公路得到快速发展。智慧高速公路建设过程采用业务定义系统的方法设计，易忽视整体IT系统的顶层设计，致使系统建设过程中出现各类业务延迟、系统不稳定、软件难迭代等问题。

智慧高速全流程业务涉及实时视频监控、数据快速分析、AI图像识别、智能辅助驾驶等对时延、网络带宽、系统可靠性要求较高的业务；同时，由于涉及多部门之间的数据共享、业务互通、流程变更、系统升级等，对原有IT软件架构的鲁棒性和可拓展性具有较高的要求；再者，智慧高速公路系统由传统的收费网、监控网、办公网组成，随着服务拓展和多业务融合趋势的加深，整体系统的通信网络、计算系统、软件架构将成为智慧高速公路系统的关键技术。

1 构建低时延、大带宽、强稳定的通信网络

高速公路通信网一般采用SDH或PTN技术，单环容量一般为10G，在时延和带宽方面可满足普通高速公路的视频监控、收费、办公等业务需求。随着智慧高速业务前端监测设备，包含毫米波/激光雷达、车路协同设备、智能机器人等设备数量，及其对时延控制需求和带宽需求的猛增，造成外部系统交互频次增大，网络安全保障的重要性凸显。

以设计速度120km/h，里程160km，双向六车道的高速公路为例，测算其带宽需求如表1所示。

考虑车辆/人与高速公路系统的交互，系统通信时延对行车距离的影响测算如表2所示。

表1 某智慧高速典型业务的带宽需求测算

表2 不同时延下行车距离的影响测算

由表2可知，路段级智慧高速带宽需求约6000Mbps，系统总体延时控制在200ms以内为合理区间。如考虑业务并发、计算时延、系统扩容等问题，对智慧高速整体通信控制指标为带宽10Gbps，时延稳定控制在100ms以内。

传统的SDH或PTN技术难以满足上述需求，亟需构建低时延、大带宽、强稳定的通信网络。结合当前智慧高速项目对通信传输的需求，可采用SPN技术，在实现三层交换的基础上，兼顾业务直达能力，以降低通信传输时延。SPN硬切片技术可满足收费、视频等多业务隔离，主流100G带宽，可实现多业务统一承载。同时，SPN硬隔离技术还可保障各业务稳定运行。

SPN网络由切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）、切片传送层（STL），以及频率、时钟同步功能模块和管理、控制平面组成。通过减少传输距离、优化网络架构、信道化隔离等方式打造智能带宽分配、相对确定的超低时延网络是实现智慧高速有效通信的重要方式。

2 构建边、云、端融合的计算系统

当前大部分高速公路采用中心段集中式计算系统，通过在监控中心机房部署服务器集群可实现运营指挥调度、视频监控、外场VMS情报板信息发布等业务。而智慧高速系统整体业务更加复杂，主要考虑场景如表3所示。

表3 计算场景举例

由表3可知，智慧高速公路系统涉及大量即时、瞬时、高强度、多点计算场景，对高速公路系统多点计算、云边协同计算提出较高的能力要求。针对上述计算需求，采用高性能多点分布式计算模式，其中边缘计算作为场景计算核心，须独立承担前端业务；与中心侧开展业务交互，实现信息上传、策略下发、算法下发、容灾互备等功能；同时，边缘计算作为前端所有设备的管理节点和汇聚节点，须与路侧计算单元协同实现数据融合、AI图像识别、设备自适应控制等。

由此，建立一套边云端融合的计算系统对整体高速公路系统意义重大。结合智慧高速的建设实践，以及通信系统相关技术因素影响，可构建“监控中心数据中心+收费站边缘计算+路侧计算单元”的三层计算架构。以中心云计算为核心，统一云边端操作系统，纳管边端两级计算层，并采用K8S等编排Docker或其他服务，实现云边端三级计算的协同和融合。

图1 三级计算架构

云端负责云上应用和配置的校验、下发，同步Edge的状态和事件。边缘侧负责运行边缘应用和管理接入设备，接受并执行Cloud部分下发的指令，管理各种负载。设备端侧运行各种边缘设备。由于边缘场景通信的不稳定性和严苛的资源消耗限制，导致原生的K8S组件无法直接在边缘节点上运行；而受限于K8S本身list/watch机制带来的disconnect问题，数据面和管理面断连后，无法做到本地自治。由此，边缘侧的容器引擎和设备管理agent应尽量轻量化，并使管理面运行在云端，且构建在K8S的调度能力之上，兼容K8S原生API。当前智慧高速云边协同实践尚未在系统和通信层级实现协同，整体计算体系仍相对松散，只有真正实现云边端的协同，才可以构建整体系统的计算底座。

3 构建标准化、可拓展、高性能的软件架构

传统高速公路信息化系统包含大量应用软件，各应用相互独立，未完全形成系统化，存在重复投入、难以迭代、运维成本高等问题。当前智慧高速公路系统在设计上均开始考虑一体化设计，并围绕建设、管理、养护、运营、服务全生命周期业务统一规划软件架构。但受限于缺乏统一标准、流程规范、再造难度大等因素，在系统级软件架构开发方面存在较多问题。另一方面，考虑到持续的业务升级和流程规范，故此软件系统的开发须以可拓展性为核心原则，同时兼顾系统的标准性、安全性等原则。

综合考虑业务统一和系统业务、数据互通需求，应采用“中台+应用”的系统架构。其中，中台与业务系统采用模块化开发与微服务设计，赋予应用软件业务流程规范、业务数据打通、通用能力支撑、AI分析与演进等能力。基于CDH框架打造大数据分析平台，利用Kafka、Flink等开源工具实现多源数据采集整合，清洗处理后存放到大数据库中，并建立业务主题库，支撑数据应用开发；通过分布式服务框架、服务治理、统一注册配置管理、分布式链路跟踪、高可用及统一授权认证形成分布式应用服务，构建微服务架构并采用容器化部署方式。

图2 高速公路软件架构现状

软件架构和中台主要能力如图3所示。

图3 软件架构

4 结束语

智慧高速公路信息化建设重视系统的功能和应用，而往往容易忽视IT系统的顶层设计，在建设实践过程中，由于缺乏全面的ICT技术理解，在通信技术、计算平台、架构选型和技术选型上存在一定的误区，导致部分功能无法实现或让步性实现。本文结合智慧高速公路建设实践，从通信、计算、软件三大关键技术出发，从业务需求分析走向系统实现，探讨了通信网络SPN切片技术、云边端三层计算架构、中台-软件架构技术，为后续的智慧高速系统建设提供了技术解决方向。

表4 中台的主要能力