中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

智慧交通發(fā)展對(duì)高速公路通信系統(tǒng)提出更高要求，傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)因協(xié)議異構(gòu)、架構(gòu)封閉等問(wèn)題，難以支撐車路協(xié)同、實(shí)時(shí)管控等新興業(yè)務(wù)需求?，F(xiàn)有系統(tǒng)普遍存在設(shè)備互聯(lián)效率低、數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重、資源調(diào)配僵化等缺陷，導(dǎo)致應(yīng)急響應(yīng)時(shí)延超標(biāo)、運(yùn)維成本攀升。本文立足新型通信技術(shù)融合應(yīng)用，提出基于5G切片網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算的云邊端協(xié)同架構(gòu)，通過(guò)構(gòu)建分層解耦的標(biāo)準(zhǔn)化接口體系，集成TSN時(shí)間敏感傳輸與SDN動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制，著力破解異構(gòu)設(shè)備高效互聯(lián)、計(jì)算資源彈性分配等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。工程驗(yàn)證表明，該方案顯著提升了系統(tǒng)協(xié)同效率與擴(kuò)展能力，為智慧高速建設(shè)提供可落地的通信基座解決方案。

1案例概況

本文選取我國(guó)某交通繁忙省份已運(yùn)營(yíng)15年的高速公路機(jī)電系統(tǒng)為分析對(duì)象，其原建設(shè)方案采用分階段擴(kuò)容模式，導(dǎo)致通信協(xié)議、設(shè)備品牌與數(shù)據(jù)格式呈現(xiàn)顯著異構(gòu)特征。實(shí)地監(jiān)測(cè)表明，現(xiàn)有視頻監(jiān)控、ETC門架與情報(bào)板3大子系統(tǒng)存在日均 12% 的通信丟包率，緊急事件響應(yīng)時(shí)延超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值2.3倍，設(shè)備維護(hù)成本占年度運(yùn)營(yíng)預(yù)算的 41% 。收費(fèi)系統(tǒng)與路況感知單元因傳輸帶寬限制形成數(shù)據(jù)孤島，制約了動(dòng)態(tài)費(fèi)率調(diào)整與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的時(shí)效性。該案例集中暴露了傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)在通信標(biāo)準(zhǔn)化、資源協(xié)同化方面的結(jié)構(gòu)缺陷，為此，本文引入基于5G切片網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算的通信重構(gòu)方案，通過(guò)現(xiàn)代通信技術(shù)的系統(tǒng)性整合，為破解既有矛盾提供工程實(shí)踐樣本。

2機(jī)電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)與選型

針對(duì)案例中暴露的通信標(biāo)準(zhǔn)化缺失與資源協(xié)同效率低下等核心問(wèn)題，本文提出基于“云-邊-端”協(xié)同的通信架構(gòu)重構(gòu)方案。該方案采用分層設(shè)計(jì)模式，由終端感知層、邊緣計(jì)算層與云端管理平臺(tái)構(gòu)成三級(jí)數(shù)據(jù)處理體系。終端層部署具備多模通信能力的IoT設(shè)備，通過(guò)自適應(yīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，兼容RS-485、ZigBee等傳統(tǒng)工業(yè)總線協(xié)議，化解既有設(shè)備的接入障礙。邊緣層配置雙模5G基站與MEC服務(wù)器集群，利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源動(dòng)態(tài)調(diào)度，確保視頻監(jiān)控等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延穩(wěn)定在 50ms 以內(nèi)。云端層構(gòu)建跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)中臺(tái)，采用微服務(wù)架構(gòu)集成收費(fèi)、監(jiān)控、情報(bào)發(fā)布等業(yè)務(wù)模塊，通過(guò)OPC-UA與HTTP/2雙協(xié)議網(wǎng)關(guān)消除數(shù)據(jù)孤島[1]。架構(gòu)如圖1所示。

通信技術(shù)選型遵循“性能適配、平滑過(guò)渡”原則，主干網(wǎng)絡(luò)采用5GSA組網(wǎng)模式，重點(diǎn)路段部署28GHz 毫米波基站。針對(duì)ETC門架等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于TSN的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)切片，預(yù)留 15% 帶寬資源保障收費(fèi)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。設(shè)備互聯(lián)融合LoRa與NB-IoT技術(shù)，前者用于可變情報(bào)板等低功耗廣域設(shè)備組網(wǎng)，后者服務(wù)于車路協(xié)同單元的高密度連接需求。協(xié)議棧設(shè)計(jì)引入輕量化MQTT5.0標(biāo)準(zhǔn)，降低異構(gòu)系統(tǒng)通信開銷。安全防護(hù)體系實(shí)施四層縱深防御策略，在物理層嵌入國(guó)密算法的安全芯片，網(wǎng)絡(luò)層部署AI驅(qū)動(dòng)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)，平臺(tái)層構(gòu)建區(qū)塊鏈審計(jì)溯源模塊，應(yīng)用層實(shí)施動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制策略[2]

圖1“云-邊-端”協(xié)同通信架構(gòu)

2.2關(guān)鍵技術(shù)集成

基于案例中通信丟包率高、子系統(tǒng)協(xié)同效率低下等核心缺陷，本文通過(guò)多維度技術(shù)融合構(gòu)建全場(chǎng)景通信優(yōu)化體系。將5G超可靠低時(shí)延通信特性與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深度耦合，形成雙通道傳輸機(jī)制。在收費(fèi)站至云平臺(tái)的主干鏈路部署5GSA獨(dú)立組網(wǎng)，通過(guò)TSN的802.1Qbv時(shí)間感知整形器為視頻監(jiān)控流分配固定時(shí)間槽，實(shí)現(xiàn)帶寬資源按需動(dòng)態(tài)調(diào)度[3]

邊緣計(jì)算層采用容器化部署策略，在MEC服務(wù)器集群中構(gòu)建三層資源池：實(shí)時(shí)處理層運(yùn)行Docker容器處理視頻結(jié)構(gòu)化分析，批處理層部署Kubernetes集群管理設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，緩存層建立Redis數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)情報(bào)板內(nèi)容的區(qū)域同步。為應(yīng)對(duì)車路協(xié)同突發(fā)負(fù)載，本文設(shè)計(jì)基于Q-learning算法的彈性擴(kuò)縮容機(jī)制，當(dāng)RSU單元接入數(shù)量超過(guò)閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)計(jì)算資源橫向擴(kuò)展，確保服務(wù)響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定在 200ms 以內(nèi)[4]。不同場(chǎng)景下的資源配置策略如表1所示。

物聯(lián)設(shè)備通信優(yōu)化方面，本文提出LoRa與NBIoT的混合組網(wǎng)方案。在ETC門架等固定點(diǎn)位部署雙模通信終端，LoRa負(fù)責(zé)傳輸設(shè)備狀態(tài)心跳包，NB-IoT專用于交易數(shù)據(jù)回傳。針對(duì)既有RS-485設(shè)備改造難題，本文研發(fā)了嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置ModbusTCP至OPC-UA的映射引擎，使傳統(tǒng)PLC設(shè)備直接接人新系統(tǒng)，改造周期縮短30%[5]

表1邊緣計(jì)算資源動(dòng)態(tài)分配策略

安全防護(hù)體系實(shí)施分層加密策略，在物理層采用SM4國(guó)密算法保護(hù)設(shè)備固件，網(wǎng)絡(luò)層部著IPsecVPN隧道隔離關(guān)鍵業(yè)務(wù)流量，應(yīng)用層構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的審計(jì)日志系統(tǒng)。設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)密鑰管理系統(tǒng)，每 8h 輪換一次設(shè)備認(rèn)證證書，通過(guò)輕量化TLS1.3協(xié)議降低握手過(guò)程帶來(lái)的時(shí)延開銷[6]

2.3接口標(biāo)準(zhǔn)化

本文聚焦案例中多源設(shè)備協(xié)議異構(gòu)引發(fā)的數(shù)據(jù)孤島與協(xié)同失效問(wèn)題，構(gòu)建分級(jí)遞進(jìn)的接口標(biāo)準(zhǔn)化體系。建立“協(xié)議轉(zhuǎn)換-數(shù)據(jù)互通-語(yǔ)義統(tǒng)一”的三層兼容機(jī)制，通過(guò)動(dòng)態(tài)適配技術(shù)消解既有系統(tǒng)與新建架構(gòu)間的互操作壁壘。以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為參考框架，結(jié)合高速公路機(jī)電業(yè)務(wù)特征，定義涵蓋物理接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)模型的全棧規(guī)范庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備即插即用[7]

物理接口標(biāo)準(zhǔn)化聚焦于連接器形態(tài)與電氣特性的統(tǒng)一。設(shè)計(jì)兼容RJ45與M12接頭的復(fù)合端口，支持 10/100/1000 Mbps自適應(yīng)速率切換，保留既有RS-485設(shè)備，為光纖直連提供SFP模塊插槽。電氣參數(shù)嚴(yán)格限定為24VDC供電，過(guò)載保護(hù)閾值設(shè)定為額定電流的 150% 。協(xié)議轉(zhuǎn)換層部署嵌入式智能網(wǎng)關(guān)，內(nèi)置ModbusTCP、Profinet、OPC-UA等12種工業(yè)協(xié)議的解釋器，通過(guò)協(xié)議抽象中間件實(shí)現(xiàn)多對(duì)一映射，其轉(zhuǎn)換效率量化如式（1）所示。

式（1）中， C 為協(xié)議轉(zhuǎn)換吞吐量， MB/s_;w_i 表示第i 類協(xié)議的解析權(quán)重系數(shù)； m_i 對(duì)應(yīng)協(xié)議數(shù)據(jù)包平均大小，MB; T_j 為第 j 個(gè)網(wǎng)關(guān)線程的處理時(shí)延， s^[8] 。依據(jù)該模型動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)重系數(shù)分配，使異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換效率提升2.3倍。

數(shù)據(jù)語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)化著力破解“同數(shù)異義”難題。構(gòu)建基于ISO14817的交通專用信息模型，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)抽象為68個(gè)對(duì)象類、214個(gè)屬性集。針對(duì)ETC交易數(shù)據(jù)與視頻流時(shí)間戳的同步問(wèn)題，設(shè)計(jì)帶有時(shí)態(tài)約束的XMLSchema模板，于子系統(tǒng)數(shù)據(jù)包頭部嵌入精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議信息，時(shí)間同步精度控制在 ±1μs 以內(nèi)。在數(shù)據(jù)內(nèi)容層，開發(fā)語(yǔ)義映射引擎，將非結(jié)構(gòu)化情報(bào)板文本轉(zhuǎn)化為機(jī)器可讀的RDF三元組，實(shí)現(xiàn)路況信息在GIS地圖上的自動(dòng)標(biāo)繪與跨系統(tǒng)調(diào)用[9]

安全接口機(jī)制采用雙向認(rèn)證與動(dòng)態(tài)密鑰管理相結(jié)合的策略。各物理端口嵌入SM2算法芯片，在鏈路建立階段執(zhí)行設(shè)備證書與平臺(tái)CA證書的雙向驗(yàn)證。數(shù)據(jù)加密實(shí)施分級(jí)策略：控制指令使用AES-256-GCM算法實(shí)時(shí)加密，狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用輕量級(jí)Chacha20-Poly1305算法，密鑰更新周期壓縮至15min 。為應(yīng)對(duì)固件升級(jí)等特殊場(chǎng)景，設(shè)計(jì)臨時(shí)白名單機(jī)制，預(yù)共享密鑰實(shí)現(xiàn)安全隧道快速搭建，隧道維持時(shí)間限定為30±5min[10]

動(dòng)態(tài)接口管理引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)理念，在控制平面部署接口狀態(tài)監(jiān)控器，實(shí)時(shí)采集端口流量、誤碼率、協(xié)議分布等14項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)檢測(cè)到特定協(xié)議占比超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)資源重分配策略：增加OPC-UA協(xié)議解析線程數(shù)，降低低優(yōu)先級(jí)協(xié)議的CPU配額。

2.4安全防護(hù)體系

針對(duì)案例中既有系統(tǒng)存在的協(xié)議異構(gòu)安全隱患、設(shè)備維護(hù)成本高及應(yīng)急響應(yīng)滯后等核心痛點(diǎn)，本文構(gòu)建四維縱深防御體系，通過(guò)硬件級(jí)加密與動(dòng)態(tài)管控相結(jié)合的技術(shù)路徑提升系統(tǒng)整體安全性。在物理層部署支持國(guó)密算法的安全芯片，將SM4對(duì)稱加密模塊與設(shè)備固件深度集成，實(shí)現(xiàn)ETC門架、情報(bào)板等終端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸過(guò)程全加密，破解傳統(tǒng)外掛式加密設(shè)備存在的功耗高、時(shí)延波動(dòng)大等問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)層采用雙通道隔離機(jī)制，基于IPsecVPN構(gòu)建收費(fèi)數(shù)據(jù)專用隧道，通過(guò)流量指紋識(shí)別技術(shù)動(dòng)態(tài)過(guò)濾異常訪問(wèn)請(qǐng)求，同步部署輕量化入侵檢測(cè)模型，對(duì)端口掃描、協(xié)議泛洪等攻擊行為實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)阻斷。

平臺(tái)層安全架構(gòu)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)操作審計(jì)可追溯，設(shè)計(jì)基于默克爾樹的日志存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，將設(shè)備狀態(tài)變更、密鑰更新等關(guān)鍵操作生成不可篡改的哈希鏈。為清晰呈現(xiàn)各層級(jí)防護(hù)技術(shù)的協(xié)同關(guān)系，表1系統(tǒng)梳理了四層防御機(jī)制的技術(shù)手段與目標(biāo)性能。該表直觀對(duì)比了物理層數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡(luò)層流量管控、平臺(tái)層審計(jì)溯源及應(yīng)用層權(quán)限控制的核心方案，揭示不同層級(jí)安全能力的互補(bǔ)性與遞進(jìn)性。應(yīng)用層實(shí)施細(xì)粒度訪問(wèn)控制，建立設(shè)備-功能-時(shí)段的動(dòng)態(tài)權(quán)限矩陣，當(dāng)邊緣服務(wù)器檢測(cè)到異常登錄行為時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)基于地理位置與行為特征的二次認(rèn)證流程，有效防止非法越權(quán)操作。

表2四層安全防護(hù)技術(shù)方案

在認(rèn)證機(jī)制優(yōu)化方面，設(shè)計(jì)雙向證書驗(yàn)證體系，通過(guò)預(yù)置設(shè)備數(shù)字身份與平臺(tái)CA證書的交叉核驗(yàn)，消除傳統(tǒng)單向認(rèn)證模式下的中間人攻擊風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)固件升級(jí)等高危場(chǎng)景，采用臨時(shí)白名單與量子隨機(jī)數(shù)結(jié)合的雙因子認(rèn)證方案，密鑰有效期壓縮至 30min 且單次有效，顯著提升了系統(tǒng)在運(yùn)維階段的安全性。

3 應(yīng)用效果分析

經(jīng)12個(gè)月試運(yùn)行驗(yàn)證，通信架構(gòu)重構(gòu)方案有效解決了案例中存在的系統(tǒng)性缺陷。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，改造后系統(tǒng)通信丟包率由原 12% 降至 1.5%±0.3% （置信度 95% ），ETC交易成功率提升至 99.7% ，較改造前提高 8.2% 。如圖2所示，關(guān)鍵業(yè)務(wù)時(shí)延分布顯著優(yōu)化：收費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)中位數(shù)從 218ms 縮短至35ms ，視頻流端到端時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)差由 ±82 ms收窄至 ±15ms ，情報(bào)板更新響應(yīng)時(shí)間波動(dòng)范圍控制在 ±2 S內(nèi)。這種時(shí)延特性的改善，直接支撐了動(dòng)態(tài)費(fèi)率調(diào)整系統(tǒng)的實(shí)施，高峰時(shí)段通行效率提升 23% 。

圖2關(guān)鍵業(yè)務(wù)時(shí)延分布對(duì)比

系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，通過(guò)冗余架構(gòu)與邊緣計(jì)算的協(xié)同作用，核心設(shè)備年故障率下降至0.7次/臺(tái)，較歷史均值降低 64% 。表3對(duì)比了典型子系統(tǒng)在極端天氣條件下的性能表現(xiàn)，可見改造后系統(tǒng)在暴雨、大霧等場(chǎng)景下的魯棒性顯著增強(qiáng)。

表3極端天氣下子系統(tǒng)性能對(duì)比

經(jīng)濟(jì)效益分析表明，雖然初期改造投人增加約15% ，但運(yùn)營(yíng)成本結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。通信電力消耗下降 38% ，設(shè)備更換周期從3年延長(zhǎng)至5年，年度維護(hù)預(yù)算占比降至 18%±2% 。新設(shè)備接入調(diào)試時(shí)間縮短 82% ，為后續(xù)車路協(xié)同功能擴(kuò)展預(yù)留了技術(shù)空間。社會(huì)效益層面，事故發(fā)現(xiàn)與處置平均耗時(shí)縮短至4.7min ，較改造前提升 67% ，間接降低二次事故發(fā)生率約 19% 。

4結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)構(gòu)建“云-邊-端”協(xié)同通信架構(gòu)，融合5G切片網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算與TSN技術(shù)，創(chuàng)新性地解決了高速公路機(jī)電系統(tǒng)長(zhǎng)期存在的協(xié)議異構(gòu)與協(xié)同低效難題。實(shí)踐表明，標(biāo)準(zhǔn)化接口體系使設(shè)備互通效率提升2.3倍，混合組網(wǎng)方案降低通信時(shí)延 82% ，動(dòng)態(tài)資源調(diào)度機(jī)制保障了系統(tǒng)在極端場(chǎng)景下的魯棒性。研究成果為傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化改造提供了可復(fù)用的技術(shù)范式，其“分層解耦、平滑過(guò)渡”的實(shí)施路徑，對(duì)推進(jìn)智慧高速建設(shè)具有工程指導(dǎo)價(jià)值，為車路協(xié)同等新興業(yè)務(wù)的部署奠定了通信基礎(chǔ)。后續(xù)研究將聚焦于多模態(tài)感知數(shù)據(jù)的智能融合算法開發(fā)，探索AI賦能的通信質(zhì)量預(yù)測(cè)性維護(hù)機(jī)制。建議行業(yè)主管部門加快制定云邊協(xié)同架構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)跨省域高速公路通信基座的互聯(lián)互通。在“新基建”戰(zhàn)略背景下，該架構(gòu)可延伸應(yīng)用于城市快速路、跨海大橋等復(fù)雜場(chǎng)景，其彈性可擴(kuò)展特性為未來(lái)自動(dòng)駕駛規(guī)?；瘧?yīng)用預(yù)留了技術(shù)窗口。研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片QoS保障模型，深化區(qū)塊鏈技術(shù)在設(shè)備身份認(rèn)證中的應(yīng)用，助力構(gòu)建安全可信的智慧交通生態(tài)系統(tǒng)。

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[10]戴芳盛.高速公路機(jī)電工程通信系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2022（25）：146-148.

（編輯 王雪芬）

Research on highway electromechanical systems based on modern communication technologies

YU Yang （Hebei Highway Group Co.，Ltd.，Jinghu Expressway Branch Company，Cangzhou O61OOo，China）

Abstract：To addressthebotteneck issues of protocol heterogeneity，lowresource coordination effciency，and high communication latency in traditional highway electromechanical systems，this studyproposesa cloud-edge-terminal collaborativeoptimizationarchitecture based on5Gcommunication and edge computing.Byconstructinga hierarchical decoupling standardized technical framework thatdeeplyintegrates Time-SensitiveNetworking（TSN）deterministic transmission mechanismswith Software-Defined Networking（SDN）dynamicresource scheduling strategies，efficient cros-platformdevice interconnection and elasticcomputing resource allocation are achieved.Thephysical layeradopts a hybrid networking solution combining 5G millimeter-wave，NB-IoT，andLoRa technologies，with embedded protocol convertersdesigned toresolve legacydevice integration challnges.Practical engineering applications demonstrate that this architecture significantly enhances system coordination eficiency，achieving 2.3 times higher protocol conversion efficiency than traditional solutions， 82% reduction in core service communication latency，and 64% decrease in equipmentfailure rates under extreme scenarios.The research outcomes establish a standardized interfacearchitecture and security protection framework，providinga highlyreliablecommunication foundation forsmart highwayapplications such as vehicle-road coordination and dynamic traffc control. The technical approach ofers exemplary value for intelligent upgrading of transportation infrastructure.

Key words：5G communication;edge computing;Time-Sensitive Networking（TSN）；hybrid networking；elastic resource scheduling; smart highway