沙吳路車路協(xié)同云管控平臺架構(gòu)設(shè)計

杜奕霖

(廣西計算中心有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多地區(qū)的高速公路出現(xiàn)擁堵、運輸能力不足等問題，制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。智慧高速公路充分運用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可有效減少交通擁堵，提高公路運輸能力，保證貨物運輸?shù)臅r效性。廣西南寧市沙吳路定位為智慧高速公路，運用了很多先進(jìn)的公路管理技術(shù)，實現(xiàn)了科技成果的轉(zhuǎn)化，建立了一套相對完善的道路運行管理體系，大大提高了公路運營管理效率。本文以南寧沙井至吳圩高速公路(簡稱沙吳路)車路協(xié)同云管控平臺建設(shè)為研究背景，從平臺總體架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)、車路協(xié)同云管控平臺應(yīng)用等方面對車路協(xié)同云管控平臺的架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行全面闡述，分析設(shè)計要點。

1 依托項目概況

沙吳路主線設(shè)計全長28.5 km，其中第一段為沙井至那洋段互通，設(shè)計長度為21.0 km，路基設(shè)計寬度為34 m，采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度為120 km/h。第二段為那洋互通至吳圩西互通段，設(shè)計長度為4.7 km，路基設(shè)計寬度為43 m，采用雙向八車道設(shè)計，設(shè)計速度為120 km/h。第三段為新修南寧繞城高速改線段，設(shè)計長度為2.8 km，路基設(shè)計寬度為26 m，采用雙向四車道設(shè)計，設(shè)計速度為100 km/h。該道路工程設(shè)計3處互通式立交、1處收費站、1處服務(wù)區(qū)、1處養(yǎng)護(hù)工區(qū)和1處監(jiān)控通信分中心。項目建設(shè)核心包括智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施、5G高通量低延遲通信、車路協(xié)同云管控平臺和智慧示范應(yīng)用四大板塊。該項目建成后可大大提高邊境城市貨運車輛運輸能力，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 車路協(xié)同云管控平臺總體架構(gòu)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

運用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、超級計算和北斗導(dǎo)航等新技術(shù)，在南寧沙井至吳圩高速公路建設(shè)中進(jìn)一步強(qiáng)化精細(xì)化信息采集、挖掘，支撐智慧交通人車路協(xié)同示范應(yīng)用，形成適應(yīng)車輛自動駕駛的高速公路試驗路段。沙吳路車路協(xié)同示范工程由4類智慧基礎(chǔ)設(shè)施、1條5G高通量低延遲通信鏈路(沿線通信基站擬由社會通信商建設(shè))、1個車路協(xié)同云管控平臺和3類智慧示范應(yīng)用四大板塊構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 沙吳路車路協(xié)同示范工程總體框架圖

(1)北斗CORS站數(shù)據(jù)通過運營商專線或高速公路光纖網(wǎng)接入北斗高精度服務(wù)中心進(jìn)行差分參數(shù)解算，同時根據(jù)網(wǎng)聯(lián)車輛、施工車輛和測繪無人機(jī)等終端的定位請求，將解算結(jié)果通過5G專網(wǎng)與運營商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播發(fā)，同時將網(wǎng)聯(lián)終端的定位數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心。

(2)毫米波雷達(dá)、攝像頭、高清卡口、微氣象站、水膜感知、邊坡穩(wěn)定性傳感器和橋梁基礎(chǔ)健康監(jiān)測等傳感器數(shù)據(jù)，在本地經(jīng)過邊緣計算等處理后，將結(jié)果通過5G專網(wǎng)和高速骨干光纖網(wǎng)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；第三方平臺數(shù)據(jù)例如“兩客一危”、天氣氣象等數(shù)據(jù)通過云管控平臺的接入功能，匯聚到數(shù)據(jù)中心。通過多種采集手段，獲取全方位的智慧交通數(shù)據(jù)，構(gòu)建沙吳路智慧交通大數(shù)據(jù)中心。云管控平臺大數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果通過5G專網(wǎng)、高速骨干網(wǎng)和移動通信公網(wǎng)等鏈路傳輸?shù)桨l(fā)布層(車道級可變信息板、智慧道釘、智慧光帶、RSU)，并提供給所需的車載終端和手機(jī)客戶端。

云管控平臺需要面向高速公路骨干網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，一些敏感數(shù)據(jù)如高精度電子地圖等在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布時需要進(jìn)行脫密處理，并需要進(jìn)行物理隔離。因此，多模態(tài)空間數(shù)據(jù)平臺、云管控平臺中面向互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)，均需單獨準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和脫密數(shù)據(jù)。

2.2 總體數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計

南寧沙井至吳圩智慧高速公路車路協(xié)同示范工程數(shù)據(jù)鏈路分為感知層、計算層、通信層、數(shù)據(jù)層、控制層和發(fā)布層。(1)感知層通過雷達(dá)感知系統(tǒng)、視頻感知系統(tǒng)、水膜感知系統(tǒng)、氣象感知系統(tǒng)、邊坡穩(wěn)定性及基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測系統(tǒng)、北斗高精度增強(qiáng)網(wǎng)等獲得沿線交通及道路環(huán)境參數(shù)信息。其中，雷達(dá)感知系統(tǒng)和視頻感知系統(tǒng)可以獲得聯(lián)系車輛軌跡及交通事件信息；水膜感知系統(tǒng)可以獲取路面水膜厚度、冰層厚度和積雪厚度；氣象感知系統(tǒng)可以獲得沿線氣象情況(包括：溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和能見度等)；邊坡穩(wěn)定性及基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測系統(tǒng)可獲取邊坡及橋梁的穩(wěn)定性；北斗高精度增強(qiáng)網(wǎng)可獲取全線高精度三維空間數(shù)據(jù)。(2)計算層通過邊緣計算單元在路側(cè)實現(xiàn)視頻信息處理、雷達(dá)數(shù)據(jù)信息處理、氣象信息處理和水膜信息處理等功能，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時降低云端數(shù)據(jù)處理量，提高數(shù)據(jù)處理效率。(3)通信層通過光纜及5G基站，將感知層數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層位于高速公路交通指揮中心，利用服務(wù)器將前端雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及各種傳感器數(shù)據(jù)落地存儲，為交通調(diào)度決策提供決策依據(jù)，同時將沿線交通數(shù)據(jù)展現(xiàn)在指揮中心大屏上。(4)控制層通過構(gòu)建云端平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、信息集成和信號集成功能，通過云端平臺獲取高速公路全息交通信息及路側(cè)控制設(shè)備信息，同時通過云霧融合對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)交通實際情況發(fā)出控制信息，通過發(fā)布層的RSU、可變信息發(fā)布系統(tǒng)、霧區(qū)誘導(dǎo)燈和智慧道釘?shù)葘⒖刂菩畔l(fā)出，實現(xiàn)交通管控，提高道路安全水平。沙吳路車路協(xié)同云管控平臺總體數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

根據(jù)項目建設(shè)任務(wù)，結(jié)合總體功能架構(gòu)、流程以及應(yīng)用系統(tǒng)分析，本工程各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3 車路協(xié)同云管控平臺應(yīng)用

在車路協(xié)同體系中，車路協(xié)同云控應(yīng)用系統(tǒng)主要實現(xiàn)云端的能力，能夠得到高速公路多路段、多區(qū)域的交通狀況、路況以及突發(fā)事件等多維度的信息，在掌控了車路協(xié)同路段路網(wǎng)信息后，車路協(xié)同云控應(yīng)用可以支撐更多的智慧高速應(yīng)用，為智能網(wǎng)聯(lián)場景、公眾出行場景以及監(jiān)管業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)的支持。車路協(xié)同云控應(yīng)用系統(tǒng)功能包括車路協(xié)同狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、運營管理、信息交互和數(shù)據(jù)共享等。

圖2 總體數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

圖3 沙吳路云控管理平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

3.1 車路協(xié)同狀態(tài)監(jiān)控

車路協(xié)同狀態(tài)監(jiān)控包括智能網(wǎng)聯(lián)道路運行狀態(tài)監(jiān)控、車路協(xié)同設(shè)備監(jiān)控和智能網(wǎng)聯(lián)車輛監(jiān)控三部分。其中，智能網(wǎng)聯(lián)道路運行狀態(tài)監(jiān)控可對車路協(xié)同建設(shè)路網(wǎng)覆蓋里程、車路協(xié)同改造路段里程、道路里程數(shù)、道路級別、交通事件和道路實時交通數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計分析，還具有實現(xiàn)事件通知列表功能，可及時展示新事件的處理情況，并可進(jìn)行歷史事件的查詢；車路協(xié)同設(shè)備監(jiān)控可實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢、設(shè)備布置、路側(cè)點位布置和設(shè)備告警等功能；智能網(wǎng)聯(lián)車輛監(jiān)控可完成車輛數(shù)量、行駛總里程、車輛種類分布統(tǒng)計、車輛分布、車輛報警和單車視角分析，實現(xiàn)單車車端的視頻數(shù)據(jù)的展現(xiàn)。

3.2 車路協(xié)同數(shù)據(jù)管理

車路協(xié)同數(shù)據(jù)管理能從時間、空間、事件類型等維度，對交通流和交通事件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，為行業(yè)管理和決策提供數(shù)據(jù)支撐。車路協(xié)同數(shù)據(jù)管理主要功能包括交通流數(shù)據(jù)管理和交通事件數(shù)據(jù)管理。其中，交通流數(shù)據(jù)管理可統(tǒng)計分析前端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，查詢交通流原始數(shù)據(jù)，確定開始時間、結(jié)束時間和監(jiān)控區(qū)域等交通流信息等；交通事件數(shù)據(jù)管理可進(jìn)行交通事件感知數(shù)據(jù)的查詢，查看事件詳情信息，調(diào)取、查看事件發(fā)生過程的錄像等。

3.3 車路協(xié)同運營管理

車路協(xié)同運營管理主要功能包括智能網(wǎng)聯(lián)車輛管理、車路協(xié)同設(shè)備管理、OTA管理和基礎(chǔ)信息管理。其中，智能網(wǎng)聯(lián)車輛管理功能主要包括車輛添加、車輛信息修改、車輛信息查看、車輛配置信息、車輛證書以及車輛停用/啟用狀態(tài)的管理；車路協(xié)同設(shè)備管理功能包括計算單元管理、RSU管理、攝像頭管理和雷達(dá)管理；OTA管理主要針對路側(cè)設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備軟件版本的遠(yuǎn)程升級；基礎(chǔ)信息管理可實現(xiàn)車型管理、設(shè)備廠商管理和MAP數(shù)據(jù)管理等功能。

3.4 車路協(xié)同信息交互

車路協(xié)同信息交互主要功能包括信息發(fā)布、交通事件發(fā)布、測試場景發(fā)布和系統(tǒng)管理。其中，信息發(fā)布內(nèi)容包括交通事件分布和測試事件分布，展現(xiàn)事件發(fā)生的位置和詳細(xì)信息；交通事件發(fā)布可實現(xiàn)交通事件信息的增刪改查操作；測試場景發(fā)布可實現(xiàn)測試類交通事件信息的增刪改查操作；系統(tǒng)管理主要包括用戶管理、角色管理和功能模塊管理等功能。

3.5 智能網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)共享管理

數(shù)據(jù)交換共享管理可實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)的統(tǒng)一管理和控制，根據(jù)管理需求提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。通過建設(shè)數(shù)據(jù)交換共享管理系統(tǒng)，可大大提高數(shù)據(jù)共享服務(wù)的安全性，統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享服務(wù)渠道，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、高效和實時監(jiān)管。

4 結(jié)語

為提高高速公路運輸效率，更好地服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，開展智慧高速公路建設(shè)，將先進(jìn)的設(shè)計和技術(shù)運用到交通運輸管理中。車路協(xié)同云管控平臺可實現(xiàn)車路協(xié)同狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、運營管理、信息交互和數(shù)據(jù)共享等功能，實現(xiàn)道路運行狀態(tài)、車輛信息、事件信息、運營管理和數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計分析、交互和共享。本文以沙吳路智慧高速公路建設(shè)為研究背景，從總體架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)和車路協(xié)同云控平臺的應(yīng)用等方面對車路協(xié)同云管控平臺架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行全面闡述，可為其他智慧高速公路設(shè)計和建設(shè)提供參考。