摘要：隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，車路協(xié)同系統(tǒng)成為智能交通系統(tǒng)的核心組成部分。本文聚焦智慧城市中車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，探討了以邊緣計(jì)算為核心的三級計(jì)算平臺體系結(jié)構(gòu)，該架構(gòu)涵蓋路側(cè)邊緣層、區(qū)域匯聚層和城市級中心云。本文旨在構(gòu)建一個(gè)高效、可靠且智能的交通管理框架，促進(jìn)智慧城市的建設(shè)與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧城市；車路協(xié)同系統(tǒng)；智能交通；邊緣計(jì)算

引言

隨著信息技術(shù)發(fā)展，智慧城市成為全球關(guān)注焦點(diǎn)，智慧交通是其重要組成部分，核心在于車路協(xié)同業(yè)務(wù)。通過融合汽車工業(yè)、交通管理和通信技術(shù)，車路協(xié)同實(shí)現(xiàn)車輛與基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)信息交互，提升道路安全和交通效率。2020年11月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布通知，啟動智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展試點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)建立健全統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，落實(shí)資金等保障措施，確保試點(diǎn)工作取得成效，形成可復(fù)制可推廣的經(jīng)驗(yàn)[1]。邊緣計(jì)算作為前沿技術(shù)，可以解決車路協(xié)同的低延遲和高帶寬需求，成為研究的關(guān)鍵。

1. 智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的概念

智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)（cooperative vehicle-infrastructure system，CVIS）利用傳感、通信和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛與環(huán)境（如其他車輛、行人、交通信號燈等）的實(shí)時(shí)互動[2]。系統(tǒng)依賴車輛感知與決策能力，輔以攝像頭、雷達(dá)、路邊設(shè)備（roadside unit，RSU）收集路況信息，通過蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（cellular vehicle-to-everything，C-V2X）技術(shù)傳輸。C-V2X包括車對車（vehicle-to-vehicle，V2V）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（vehicle-to-infrastructure，V2I）、車對行人（vehicle-to-pedestrian， V2P）及車對外界（vehicle-to-everything，V2X）等通信技術(shù)，可預(yù)防事故、優(yōu)化流量、提供服務(wù)，并推動自動駕駛。系統(tǒng)融合多源數(shù)據(jù)，依賴邊緣計(jì)算確?？焖夙憫?yīng)。

2. 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的核心支撐，通過將計(jì)算資源從云端移至網(wǎng)絡(luò)邊緣，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，提升實(shí)時(shí)處理能力，并保護(hù)隱私。該架構(gòu)由路側(cè)邊緣層、區(qū)域匯聚層和城市級中心云三層組成，協(xié)同實(shí)現(xiàn)交通信息的高效采集與處理。

路側(cè)邊緣層連接感知設(shè)備（如攝像頭、雷達(dá)），收集并初步處理數(shù)據(jù)，減輕后續(xù)負(fù)擔(dān)，提高處理效率。區(qū)域匯聚層匯總各路段信息，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并轉(zhuǎn)發(fā)重要事件至上層，具備強(qiáng)大計(jì)算與存儲能力，支持復(fù)雜場景和區(qū)域設(shè)施對接，構(gòu)建高效交通網(wǎng)絡(luò)。城市級中心云存儲歷史數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練預(yù)測模型，為決策提供依據(jù)，驅(qū)動智慧交通發(fā)展，為交通管理與規(guī)劃提供支持。這種分層架構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)流程，保障高效運(yùn)行。

3. 智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)旨在優(yōu)化智慧交通中數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、帶寬效率和隱私保護(hù)能力。該架構(gòu)通過將計(jì)算資源部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，有效縮減了數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心的時(shí)間延遲，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，并減輕了核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載[3]。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三大核心層次構(gòu)成：路側(cè)邊緣層、區(qū)域匯聚層和城市級中心云層。每個(gè)層級各司其職，共同協(xié)作，以確保數(shù)據(jù)處理的高效性和服務(wù)提供的優(yōu)質(zhì)性。此架構(gòu)可以將數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短至毫秒級，顯著提升交通管理的即時(shí)響應(yīng)能力和精準(zhǔn)度，不僅滿足了智能交通系統(tǒng)的多樣化需求，更為未來智慧城市的拓展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 路側(cè)邊緣層設(shè)計(jì)

路側(cè)邊緣層作為邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中最接近數(shù)據(jù)源的一環(huán)，直接與各類感知設(shè)備相連，如攝像頭、雷達(dá)傳感器等。這些設(shè)備負(fù)責(zé)捕捉車輛周圍環(huán)境的信息，包括車輛的位置、速度、行駛方向和道路狀況等。路側(cè)邊緣層接收這些設(shè)備傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)，并進(jìn)行初步處理，如數(shù)據(jù)清洗、特征提取和初步分析。這不僅減輕了后續(xù)層級的計(jì)算負(fù)擔(dān)，還保證僅有經(jīng)過預(yù)處理的有價(jià)值信息被上傳至更高級別的計(jì)算平臺。路側(cè)邊緣層設(shè)計(jì)如圖1所示。為提高系統(tǒng)的可靠性和冗余度，接入路側(cè)網(wǎng)絡(luò)采用了環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并配置快速切換機(jī)制，即使某一部分出現(xiàn)故障，整體網(wǎng)絡(luò)成保護(hù)倒換，確保業(yè)務(wù)不受影響。此外，路側(cè)邊緣層還兼容多種通信協(xié)議，能夠與不同類型的道路設(shè)施進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)互通。

3.2.2 區(qū)域匯聚層設(shè)計(jì)

區(qū)域匯聚層位于路側(cè)邊緣層之上，負(fù)責(zé)匯總來自不同路段邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信息，并將關(guān)鍵的交通事件報(bào)告轉(zhuǎn)發(fā)至上一級的城市級中心云。一般而言，每個(gè)行政區(qū)會建立一個(gè)或兩個(gè)此類計(jì)算中心，以滿足區(qū)域內(nèi)交通管理的需求[4]。區(qū)域匯聚層的主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)聚合、實(shí)時(shí)決策支持和遠(yuǎn)程通信，能夠基于實(shí)時(shí)路況做出即時(shí)性的決策，如調(diào)整信號燈時(shí)長、優(yōu)化公交線路等，以提高交通效率，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。對于涉及跨區(qū)域協(xié)調(diào)或需要更高層次干預(yù)的情況，則依賴于區(qū)域匯聚層與市級中心云之間的通信完成。為了保障交通安全，該層級必須具備高度的安全防護(hù)措施，防止黑客攻擊或惡意篡改數(shù)據(jù)，并且還需要具備冗余備份機(jī)制，以防止單點(diǎn)故障導(dǎo)致的服務(wù)中斷。

3.2.3 城市級中心云設(shè)計(jì)

城市級中心云作為整個(gè)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的頂層環(huán)節(jié)，發(fā)揮著統(tǒng)籌全局的關(guān)鍵作用。該層級集中存放著全市范圍的歷史數(shù)據(jù)記錄，可用于長期趨勢分析、政策制定參考以及科研用途。更重要的是，城市級中心云利用其海量的數(shù)據(jù)儲備和先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練出更加精準(zhǔn)的預(yù)測模型，進(jìn)而指導(dǎo)各區(qū)域乃至具體路段上的實(shí)時(shí)決策過程。在面對突發(fā)惡劣天氣或者重大活動時(shí)，城市級中心云會根據(jù)過往類似情況下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)提前規(guī)劃應(yīng)對措施，最大限度地保障公眾安全和社會秩序穩(wěn)定。城市級中心云也是連接外部合作伙伴的重要橋梁，促進(jìn)了跨部門協(xié)作和資源共享，共同推動智慧城市建設(shè)和智慧交通的發(fā)展。城市級中心云設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

4. 智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)處理效率的提升

在智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)中，邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過將計(jì)算資源部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，提升了數(shù)據(jù)處理效率和系統(tǒng)可靠性。路側(cè)邊緣層連接高清攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等感知設(shè)備，在本地完成數(shù)據(jù)清洗、特征提取和初步分析，減少上層數(shù)據(jù)冗余。接入網(wǎng)設(shè)計(jì)分為接入路側(cè)網(wǎng)絡(luò)和接入回傳網(wǎng)絡(luò)。接入路側(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)設(shè)備與路側(cè)邊緣層的組網(wǎng)及與區(qū)域匯聚層的信息交互，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并配置GE環(huán)網(wǎng)保護(hù)機(jī)制，確保業(yè)務(wù)穩(wěn)定和低延遲。接入回傳網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)區(qū)域匯聚層與路側(cè)邊緣層的高效通信，方案包括自建光纖和租用專線網(wǎng)絡(luò)。自建光纖適合全區(qū)域覆蓋，成本低且運(yùn)維簡明；租用專線適用于無自建條件的城市，通過二層虛擬專用網(wǎng)（layer virtual private network，L2VPN）、光傳送網(wǎng)（optical transport network，OTN）或5G專線實(shí)現(xiàn)可靠連接。這種分層設(shè)計(jì)保障了信息流暢傳遞，支持系統(tǒng)高效運(yùn)作[5]。

邊緣計(jì)算優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程?；谡鎸?shí)交通場景的模擬實(shí)驗(yàn)，部署100個(gè)路側(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)的測試網(wǎng)絡(luò)，采集超500小時(shí)交通數(shù)據(jù)，包括車輛速度、密度和突發(fā)事件等變量，結(jié)果表明預(yù)處理后數(shù)據(jù)量減少約70%，減輕后續(xù)計(jì)算負(fù)擔(dān)，響應(yīng)時(shí)間從500毫秒縮短至150毫秒以下，為事故預(yù)警和路徑優(yōu)化等實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了保障。

例如，蘇州市管高速投用AI2慧眼系統(tǒng)[6]，對高速道路上發(fā)生的交通事故、異常停車、異物拋撒、車輛逆行、路況擁堵等異常狀況進(jìn)行更加精準(zhǔn)識別、檢測和預(yù)警。目前，在蘇州高速公司試點(diǎn)的130千米路段上已有219路高清攝像頭接入“AI2高速慧眼”事件檢測系統(tǒng)，覆蓋市管高速37.68%的管轄路段。自該系統(tǒng)投用以來，常規(guī)路況事件預(yù)警準(zhǔn)確率從原先的51.7%提升至90%以上。其中在2024年5月至2024年6月期間，高速慧眼就主動發(fā)現(xiàn)交通事故101起、道路擁堵8起，為監(jiān)控指揮中心加強(qiáng)清障、交警、養(yǎng)護(hù)等力量調(diào)度，快速處置影響高速公路安全暢通的路面特情提供了有力保障。

4.2 系統(tǒng)可靠性的增強(qiáng)

路側(cè)邊緣層依托邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)憑借多層次的安全防護(hù)措施，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。接入路側(cè)網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并配備快速切換機(jī)制，確保在部分組件出現(xiàn)故障時(shí)，整體網(wǎng)絡(luò)能在50毫秒內(nèi)完成保護(hù)倒換，維持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。區(qū)域匯聚層和城市級中心云同樣具備容錯機(jī)制，有效防止單點(diǎn)故障引發(fā)的服務(wù)中斷，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行筑牢根基。

在實(shí)際應(yīng)用中，北京市部署的城市車路協(xié)同系統(tǒng)采用了該邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在面對一系列復(fù)雜狀況時(shí)展現(xiàn)出強(qiáng)大的可靠性。例如，浪潮信息與百度聯(lián)合發(fā)布首款路側(cè)邊緣計(jì)算單元[7]，基于該車路協(xié)同核心計(jì)算單元構(gòu)建的“感知-計(jì)算-通信”路側(cè)邊緣智能體系的測試數(shù)據(jù)顯示，路側(cè)邊緣智能體系能夠?qū)崿F(xiàn)對路口范圍的車、道路、環(huán)境、交通事件的全要素實(shí)時(shí)檢測和分析，位置精度≤1.0m（人機(jī)非，平均），速度精度≤1.5m/s（均值），交通對象感知定位類型識別準(zhǔn)召率≥90%，路側(cè)對象感知端到端時(shí)延（含通信時(shí)延）≤300ms（均值），為高等級自動駕駛與智慧交通提供算力支撐。

4.3 交通管理的優(yōu)化

區(qū)域匯聚層負(fù)責(zé)匯總來自不同路段邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信息，并向上一級的城市級中心云轉(zhuǎn)發(fā)重要的交通事件報(bào)告。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過區(qū)域匯聚層的優(yōu)化調(diào)度，交通流量可提升20%～30%，事故率降低15%左右。區(qū)域匯聚層基于當(dāng)前路況作出即時(shí)性決策，如調(diào)整信號燈時(shí)長、優(yōu)化公交線路等，以提高交通效率。在一些試點(diǎn)城市的應(yīng)用案例中，智能交通管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動態(tài)調(diào)配路網(wǎng)資源，提供擁堵提醒和優(yōu)化路線誘導(dǎo)服務(wù)。例如，溫州的“綠波帶”策略使停車次數(shù)從原先的195次下降至現(xiàn)在的89次，下降幅度為54.3%，大大提升了市民的出行體驗(yàn)[8]。同時(shí)，城市級中心云利用歷史數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法提前規(guī)劃應(yīng)對措施，最大限度地保障公眾安全和社會秩序穩(wěn)定。

4.4 支持未來的擴(kuò)展與創(chuàng)新

邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅滿足了現(xiàn)有智能交通系統(tǒng)的需求，還為未來智慧城市的發(fā)展預(yù)留了充足的空間[9]。該架構(gòu)具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，可以輕松適應(yīng)新增加的道路設(shè)施和技術(shù)更新。通過合理劃分各級計(jì)算平臺的功能定位，并選擇針對性強(qiáng)的技術(shù)方案，能夠有效應(yīng)對不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求和服務(wù)質(zhì)量要求。城市級中心云作為連接外部合作伙伴的重要橋梁，促進(jìn)了跨部門協(xié)作和資源共享，共同推動智慧城市建設(shè)和智慧交通的發(fā)展。城市自建光纖模型相較于租賃方式可節(jié)省約40%的開支，降低了建設(shè)成本的同時(shí)提高了運(yùn)維效率[10]。一個(gè)中型城市通過自建光纖模型，每年可節(jié)省約200萬元的運(yùn)營成本，同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和服務(wù)質(zhì)量，為未來的擴(kuò)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)在多個(gè)實(shí)際場景中展現(xiàn)出顯著效果，改善了城市的交通狀況，并為其他領(lǐng)域的智能化改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

5. 項(xiàng)目實(shí)例分析

智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究中，無錫市高浪路改造項(xiàng)目是一個(gè)成功范例[11]。該項(xiàng)目利用邊緣計(jì)算技術(shù)提升道路安全與通行效率，驗(yàn)證了架構(gòu)有效性。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，利用邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建智能交通體系，打造集采集、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測預(yù)警、應(yīng)急指揮、可視化平臺于一體的快速路管控平臺，著力提升全市道路通行率。該平臺監(jiān)測顯示，目前快速路主線平均時(shí)速提高約21%，快速路及周邊路網(wǎng)交通流量得到有效均衡，路網(wǎng)通行效率顯著提升。在交通安全方面，下匝道可變信息標(biāo)志板上的預(yù)警燈顯示“黃色”箭頭，對超速車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)警示，減少由車輛超速帶來的事故隱患。大數(shù)據(jù)顯示，該路段匝道長度400米，安裝警示燈40套，目前通過該路段的車輛車速普遍下降，違法超速率下降11%，事故發(fā)生率下降33%。在交通效率方面，如針對惠山隧道北進(jìn)口實(shí)際情況和交通需求，在匝道匯入主線區(qū)域設(shè)置信號燈、優(yōu)化交通組織、增加抓拍設(shè)備等，控制匝道匯入快速路主線的交通流量，減少合流交織，提升合流秩序，提高主線通行效率。目前，早晚高峰匝道上下游平均時(shí)速提高了15%，日平均擁堵時(shí)間減少了20分鐘?！俺鞘薪煌ù竽X”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚與智慧調(diào)控，遇突發(fā)情況可“一鍵紅鎖”管制或“一鍵綠鎖”疏散。高浪路項(xiàng)目的成功為無錫市及其他城市積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，得到業(yè)內(nèi)高度認(rèn)可，從而有力推動了智慧城市交通管理的發(fā)展。

結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，交通系統(tǒng)將更加智能化和自動化，支持更復(fù)雜的交通管理和自動駕駛應(yīng)用。智慧城市車路協(xié)同系統(tǒng)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。進(jìn)一步優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理能力和更高的可靠性將為市民提供更安全、高效的出行體驗(yàn)。同時(shí)，跨部門協(xié)作和資源共享將進(jìn)一步推動智慧城市的全面發(fā)展，共同構(gòu)建一個(gè)更智能、更環(huán)保、更便捷的城市環(huán)境。

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作者簡介：秦璐，本科，763755025＠qq.com，研究方向：智能交通管理。