广东利通科技投资有限公司 邢万勇
1.背景
交通运输行业是国民经济和社会发展的重点领域。截至2020年底，我国高速公路通车里程已达17万公里，初步形成了快速的高速公路网。但高速公路信息化仍处于传统机电建设与运维模式，缺乏更高层次的规划。当前，国家提出的“数字交通”的建设理念，为智慧交通和自动驾驶提供了新的解决思路。但从目前国内外前沿研究成果来看，现有的工作仍然局限于围绕道路的设备设施或专有应用领域的展开研究和技术攻关，缺乏顶层设计理念和体系化的建设思路，距离支撑智慧交通、车路协同和自动驾驶所需要的智慧化还有很大的差距。
随着信息、通信和传感技术的发展，近几年陆续形成第五代道路、合作式智能交通、网联车辆以及智慧公路等发展方向。2019年，在全国撤销省界收费站的工程中，高速公路沿线加密布设了ETC门架系统，从而大幅提升高速公路的基础设施建设水平。同时，人工智能技术、数据驱动的通信网络技术为未来实现智慧高速蓝图提供了切实可行的方案。基于以上技术前提条件，本文围绕新一代国家交通控制网的理念，提出了基于“云-网-节-端”的体系架构，基于软件定义的理念，开发智慧公路操作系统产品及智慧通信站节点设备，并在新一代国家交通控制网和智慧公路试点（广东）项目中进行实施和验证，取得了较好的效果。
2.体系架构
基于“云-网-节-端”模式的智慧公路体系由云、网、节、端四个部分构成。云指的是云端智慧公路操作系统及云端应用。网指的是由高速公路光纤通信网、万兆以太网、移动通信4G及5G网络、北斗地基增强CORS网构成的交通信息通信网。节指的是智慧通信站等边缘节点设备。端指的是具备外场感知、信息采集发布、控制等功能的专用设备。基于“云-网-节-端”模式的智慧公路体系总体技术架构图如图1所示：
图1 基于“云-网-节-端”模式的智慧公路体系总体技术架构图
端层主要包含车路协同路侧RSU、高清摄像机、毫米波雷达、可变情报板等多种设备，端层将提供多种信息感知、信息发布及车路交互等功能。
节层即路侧边缘计算节点，由智慧通信站、视频存储节点、视频汇聚处理一体机、信息发布控制节点、隧道控制节点构成，提供多种设备接入、AI智能分析、多种信息融合感知及边缘计算等功能。
网层由高速公路骨干网、物联网、北斗地基增强CORS网、移动网及互联网等组成，为底层的数据采集与上层应用提供数据传输通道。通过构筑标准统一、结构合理、链路通畅、安全可靠的基础信息网络平台，实现广覆盖、低时延、高可靠、大带宽的网络通信服务。通过建设北斗地基增强CORS网，为项目覆盖路段范围提供全天候、高精度、高可靠的定位服务。
云层包含云端智慧公路操作系统及云端应用。智慧公路操作系统由数据引擎、技术引擎、业务引擎构成，为云端业务应用系统提供技术、数据、业务上的底层支撑。云端应用层根据新一代国家交通控制网和智慧公路试点（广东）项目的应用需求，基于云端智慧公路操作系统提供的支撑能力，构建8个应用系统：路运一体化车路协同、路网综合分析决策服务系统、“互联网+”服务系统、北斗收费应用系统、北斗高精度应急指挥调度系统、智慧服务区系统、一体化救援系统、综合监控管理系统，完成交通运输部对广东试点的要求。
3.核心功能
基于“云-网-节-端”模式的智慧公路体系的核心功能是云层的智慧公路操作系统和节层的智慧通信站。通过云边协同技术，实现智慧公路操作系统与节点设备、云端应用的协同。智慧公路操作系统为智慧通信站提供数据接入、软件更新、状态监测服务；智慧通信站通过AI分析、边缘计算，将结果数据上传到操作系统，缓解云端的计算压力；云端应用则基于智慧公路操作系统提供的数据、技术、业务能力进行快速构建。
3.1.智慧公路操作系统
智慧公路操作系统核心是构建技术引擎、数据引擎以及业务引擎，实现技术、数据、业务的解耦，为上层业务应用提供技术、数据及业务支撑。智慧公路操作系统通过离线、实时、准实时的方式从各业务系统中抽取数据，采用云边协同的技术手段实现与智慧通信站的资源、服务、应用协同。智慧公路操作系统的功能架构如图2所示：
图2 智慧公路操作系统功能架构图
技术引擎是构建智慧公路操作系统的基础，采用大数据、云原生中间件技术体系作为底座，为上层功能模块提供底层技术支撑。技术引擎主要包含分布式数据库、全文检索、微服务、分布式任务、消息队列、文件存储、容器化、分布式传输等云原生组件，以及Flume、Sqoop、Kafka、HDFS、HBase、Hive、Spark、Kylin等大数据组件。
数据引擎是构建智慧公路操作系统的核心，实现数据的汇聚并提供数据服务，使数据对内实现优化管理，对外促进数据合作价值释放。数据引擎依托技术引擎提供的技术能力，实现数据采集、数据存储、数据分析、数据服务、数据治理。数据采集通过离线和实时采集的方式，实现多源异构数据的采集，萃取和转换。数据存储提供异构化、大容量和可横向扩展的数据存储服务。数据分析提供数据离线分析和在线分析功能。数据服务提供数据快速开发和共享服务。数据治理提供元数据管理、数据质量管理、数据标准管理和主数据管理功能。
业务引擎作为数据支撑层、技术支撑层之上业务能力的展示，是数据、技术对外价值的体现，为快速搭建智慧公路应用系统提供业务支撑。结合高速公路的业务应用场景，业务支撑层实现用户中心、安全中心、构造中心、时空中心、设备中心、监测中心、视频中心、信息中心、外联中心和AI中心，为云端业务应用系统提供共性能力。
3.2.智慧通信站
智慧通信站是智慧交通体系的路侧感知和控制“节”点。向下连接路侧设备，如视频、雷达等感知类设备，向上连接智慧公路操作系统，水平连接相邻的智慧通信站。智慧通信站具备丰富的设备接口和强大的数据处理、高效的AI融合感知能力，实现多种感知设备接入、多位监测、智能网联、协同服务。智慧通信站的外观及主要功能如图3所示：
图3 智慧通信站外观及主要功能
智慧通信站主要包含基础通信、边边协同、配置管理、数据交互、AI分析、雷视拟合、状态监测、数据存储、信息发布、设备接入等功能，具备了智慧通信站软件的基础通信能力、临近智慧通信站的业务及数据协同能力、设备配置更新能力、实时数据的上报和信息接收能力、视频事件检测的AI分析能力、雷视设备采集数据的轨迹拟合能力、设备运行状态的自我监测能力、网络中断下的业务数据存储能力、交通标志及交通事件的信息发布能力、节点设备和路侧感知设备的接入能力。
4.示范应用
广乐高速智慧公路示范应用是新一代国家交通控制网和智慧公路试点工程（广东）的重要组成部分，项目围绕路运一体化车路协同、基于北斗高精度定位的综合应用、“互联网+”路网综合服务、基础设施数字化、基于大数据的路网综合管理5个方向开展全面试点工作。
示范应用采用“云-网-节-端”这一新型智慧公路技术架构体系，对高速公路现行的技术体系进行重构、对业务流程进行再造，为路段业主搭建一个能有效提高运营管理和服务水平的平台。基于该平台的能力，项目对车路协同、北斗高精度定位以及“互联网+”服务的应用进行了有益的探索。示范应用的主要建设内容如下：
（1）采用智慧公路操作系统技术引擎提供的Docker、K8S容器化技术以及Hadoop、Kafka、Kylin 和Spark 等大数据技术，构建智慧公路控制与服务云数据中心，建设数据中心智能运维管理平台，建设网络系统、安全系统、IT基础设施运维系统等配套环境。
（2）采用云计算、大数据、微服务、流媒体、高精度地图和北斗高精度定位等技术，使用智慧公路操作系统提供的数据引擎及业务引擎，建设路运一体化营运技术体系，探索基于北斗高精度定位的收费模式，形成各种应用服务API，包括路运一体化车路协同系统、路网综合分析决策服务系统、“互联网+”服务系统、北斗收费应用系统、北斗高精度应急指挥调度系统、智慧服务区系统、一体化救援系统、综合监控管理系统。针对路面运行监测、隧道安全监测、服务区运营监测等高速公路监测场景，采用三维可视化、AR实景等技术，构建场景化的数字孪生，不仅能直观的展示设备的外观及位置，还能实时呈现设备的状态，达到可见即可控的效果，提升高速公路精细化管理水平。高速公路场景化数字孪生效果如图4所示。
图4 高速公路场景化数字孪生效果图
（3）采用LTE-V无线通信、传感探测、北斗高精度定位和高精度GIS 地图等技术，在真实通车路段示范建设车路协同系统，部署路侧智慧通信站、RSU、雷视一体机及车载终端，构建车路协同交通控制网。
（4）基于深度学习，设计融合多尺度、多视图、多模型视觉特征的目标检测算法，实现自适应跨域特征映射方法。开发机器视觉分析应用，提供车流分析、拥堵分析及预警等功能，实现对公路网的交通运行状态监测，对现场的紧急突发事件的实时监看和调度。
5.总结
本文首先介绍了基于“云-网-节-端”模式的智慧公路体系产生的背景，描述了“云-网-节-端”模式的功能体系架构；然后重点阐述了该体系架构的核心功能模块，即云层的智慧公路操作系统和节层的智慧通信站；最后说明了该体系架构在广乐高速智慧公路示范项目中的应用情况，为智慧公路示范项目的建设提供借鉴。本文提出的基于“云-网-节-端”模式的智慧公路解决方案，除了直接面向高速公路行业管理单位及业主外，也可以为软件集成商提供快速建设智慧公路的工具和平台，进一步提升软件开发的效率，提高高速公路营运管理的水平。
