0 引言

    車路協(xié)同是智慧交通的重要發(fā)展方向之一,，傳統(tǒng)智能交通的車路協(xié)同系統(tǒng)是建立在中心云服務(wù)基礎(chǔ)上的，在前端實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)的情況下,，數(shù)據(jù)上傳至云端,，在云端上實現(xiàn)計算，并將結(jié)果發(fā)布至路口信號機和移動終端上,，實現(xiàn)云端的信號燈系統(tǒng)控制和路口協(xié)調(diào)控制,。隨著車路協(xié)同系統(tǒng)的推進，需要處理海量實時數(shù)據(jù),，車輛行駛安全服務(wù)需要在毫秒級延時的情況下通知駕駛?cè)嘶蚩刂栖囕v采取措施,，原來的中心計算方式無法保證車路協(xié)同的時效性。邊緣計算可以將云端的計算下沉到邊緣層,，在邊緣計算節(jié)點完成絕大部分的計算,，滿足車路協(xié)同的超低時延需求。本文重點討論車路協(xié)同的云管邊端架構(gòu)以及多源數(shù)據(jù)融合處理服務(wù)等,。

1 智能交通業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢

    智能交通是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向,，它是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù),、電子傳感技術(shù),、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等有效地集成運用于整個地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確,、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)^[1],。

    目前,，我國智能交通主要分為三個領(lǐng)域：城市智能交通,、高速公路智能交通和其他領(lǐng)域智能交通。在高速公路方面,，高速公路自動收費系統(tǒng),、公路抓拍監(jiān)控系統(tǒng)、公路治超以及隧道監(jiān)控是目前的主流業(yè)務(wù),。依托于高速公路交通大數(shù)據(jù)綜合管理平臺,，將高速公路信息（道路狀況、車輛狀況、天氣狀況等）進行收集,、處理,、分析，從而協(xié)調(diào)統(tǒng)籌高速公路上的車輛,、道路運行狀況,，監(jiān)管高速公路上的違法事件、突發(fā)事件^[2],，是高速公路智能化的發(fā)展方向,。城市交通因其道路的復(fù)雜性、車輛種類的多樣性,、人群的密集性,，也是智能交通發(fā)展不容忽視的重要一環(huán)。智能交通已成為我國智慧城市建設(shè)的重要領(lǐng)域,。在城市智能交通管理方面,，我國已研制出交通信號配時系統(tǒng)、視頻監(jiān)控,、交通誘導(dǎo),、路面檢測、停車管理,、公交管理以及汽車電子標(biāo)識等智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng),，并已得到廣泛應(yīng)用^[3]，未來將在車路協(xié)同,、城市交通大腦等方面進一步發(fā)展,。

    智能交通業(yè)務(wù)的發(fā)展正在從信號燈控制、電子警察,、道路監(jiān)控等傳統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容,，過渡到基于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之上的采集、感知,、傳輸,、歸集、分析,、控管,、預(yù)警、評估,、運維,、管理等更為豐富的智能業(yè)務(wù)應(yīng)用^[4]，其中車路協(xié)同是近年來智能交通界關(guān)注的重要方向,，將車輛與道路設(shè)施協(xié)同化管理,，全面構(gòu)筑“人-車-路”全域數(shù)據(jù)感知的智能路網(wǎng),，推動智能交通建設(shè)邁向新的階段。

2 車路協(xié)同技術(shù)及系統(tǒng)

2.1 車路協(xié)同技術(shù)及系統(tǒng)要求

    車路協(xié)同系統(tǒng)采用了先進的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),，全方位實施車車,、車路、人車和車與邊云協(xié)同動態(tài)實時信息交互,，在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上,，開展車輛協(xié)同安全和道路協(xié)同控制，充分實現(xiàn)人車路的有效協(xié)同,，保證交通安全,，提高通行效率，從而形成安全,、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)^[5],。

    車路協(xié)同系統(tǒng)的核心技術(shù)與功能包括：任何時間任何地點車輛互聯(lián)；全時空動態(tài)交通信息采集與融合,；人車路的有效協(xié)同,，包括協(xié)同安全（分為主動安全和被動安全）、協(xié)同控制（分為主動控制和被動控制）,。車路協(xié)同所需的V2X(Vehicle to Everything)通信技術(shù)是系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,，從通信場景上V2X可以細(xì)分為車-車通信的V2V、車-基礎(chǔ)設(shè)施通信的V2I,、車-行人通信的V2P,、車-網(wǎng)絡(luò)通信的V2N等，從通信技術(shù)實現(xiàn)選擇上V2X分為基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的專用短程通信DSRC(Dedicated Short RangeCommunication)技術(shù)和基于蜂窩移動通信系統(tǒng)的C-V2X(Cellular Vehicle to Everything)技術(shù)(包括4G網(wǎng)絡(luò)下的LTE-V2X和5G網(wǎng)絡(luò)下的5G NR-V2X),。

    從圖1可以看出,，系統(tǒng)通過各類無線通信技術(shù)，把車與車之間,、車與路之間,、近端與遠(yuǎn)端車之間(通過邊云)、甚至人進行連接,。其中車載設(shè)備,、人手持設(shè)備、路側(cè)設(shè)備構(gòu)成新的交通結(jié)構(gòu),，新結(jié)構(gòu)功能要求具備如下特點：設(shè)備性能要求多模兼容,、環(huán)境感知具備協(xié)同感知、信息交互須為可信交互,、控制機制能夠動態(tài)分層,、計算由邊緣云端協(xié)同來實現(xiàn),、系統(tǒng)功能具備升級延展性等,。

    通過車路協(xié)同系統(tǒng)可以知道任何時間,、任何斷面交通情況，任何車輛信息都可以獲取,。車輛與道路全面感知后的大量交通信息對處理的實時性,、可靠性提出高要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化,，在這個情況下采用云管邊端的車路協(xié)同架構(gòu)也就成為必然,。

    車路協(xié)同系統(tǒng)涉及道路基礎(chǔ)設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)以及汽車三個方面的升級改造,。車路協(xié)同平臺通過與車載計算節(jié)點以及道路側(cè)邊緣計算節(jié)點之間的交互,，對車輛密度、速度等的感知,，來引導(dǎo)道路上的車輛規(guī)避擁堵路段,，實現(xiàn)交通的高效調(diào)度。在交叉路口,，道路邊緣計算節(jié)點收集附近道路的信息,，通過大數(shù)據(jù)算法，下發(fā)合理的道路交通調(diào)度指令,，通過控制信號燈的狀態(tài),、為駕駛員提供擁堵預(yù)警等手段，實現(xiàn)道路的最大利用率,，減少不必要的停留,，從而減少道路擁塞，降低燃油損耗,。

2.2 車路協(xié)同國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

    車路協(xié)同技術(shù)由于其對通信技術(shù)要求高,，且實踐周期較長，在國內(nèi)外的起步時間跨度較大,。但各行業(yè)新興技術(shù)的涌現(xiàn)對車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展起到了持續(xù)的創(chuàng)新推動作用,，產(chǎn)生了各國各具特色的車路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用。

    美國,、歐盟均于2003 年起開始車路協(xié)同系統(tǒng)計劃及建設(shè),，旨在提升交通安全性、環(huán)保度和實現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化,。其中,，美國的IntelliDrive項目偏向于向駕駛者提供安全輔助控制或全自動控制支持，通過開發(fā)和集成各種車載和路側(cè)設(shè)備以及通信技術(shù),，使得駕駛者在駕駛中能夠做出更好和更安全的決策,。其發(fā)展重點包括車路協(xié)同的安全輔助應(yīng)用、實時交通管理系統(tǒng)和“下一代”的電子支付系統(tǒng),。歐盟啟動的eSafety計劃考慮了車-路協(xié)調(diào)合作方式,，即通過車-車以及車-路通信技術(shù)獲取道路環(huán)境信息,，從而更有效地評估潛在危險并優(yōu)化車載安全系統(tǒng)功能。歐洲的研究重點是將道路,、車輛,、衛(wèi)星和計算機利用通信系統(tǒng)進行集成，將各國獨立的系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檐嚺c車,、車與路,、車與X的合作系統(tǒng)，實現(xiàn)人和物的移動信息互操作,。日本也于2007 年開始建設(shè)Smart Way,，其研究重點主要有兩方面：一是依托各種先進的通信系統(tǒng)和車載系統(tǒng)，集成現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng),，為出行者提供更加安全和便利的服務(wù),；二是通過車路協(xié)調(diào)改善道路安全^[6]。

    我國的車路協(xié)同技術(shù)起步較晚,，但發(fā)展迅速,，目前主要以智能互聯(lián)示范區(qū)的模式推進。上海,、北京,、重慶、武漢,、無錫等城市開展了基于移動網(wǎng)絡(luò)的智能汽車與智慧交通應(yīng)用示范,，在推動我國車流干預(yù)、行人預(yù)警,、智能城市系統(tǒng)等車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面積累了一定經(jīng)驗[7],。同時，BAT等國內(nèi)科技企業(yè)也紛紛推出其在車路協(xié)同領(lǐng)域的技術(shù)解決方案,。在DSRC和C-V2X技術(shù)選擇上,，由于C-V2X相比DSRC本身的技術(shù)優(yōu)勢以及中國在C-V2X產(chǎn)業(yè)鏈上核心技術(shù)掌控的優(yōu)勢，中國正積極推動C-V2X車路協(xié)同的發(fā)展,。

    阿里云推出智能高速公路解決方案,，致力于車路協(xié)同生態(tài)構(gòu)建。由車向路延展,，利用車路協(xié)同技術(shù)打造全新的“智能高速公路”,。百度Apollo發(fā)布車路協(xié)同開源方案，在軟硬件層以及云服務(wù)層對車路協(xié)同相關(guān)模塊進行開發(fā),。華為推出基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的C-V2X智慧車路協(xié)同解決方案,，全方位使能高速公路的智能化、網(wǎng)聯(lián)化建設(shè)，其研發(fā)的首款支持Uu+PC5并發(fā)的RSU路側(cè)產(chǎn)品將進一步加快車路協(xié)同業(yè)務(wù)的發(fā)展,。騰訊的5G車路協(xié)同開源平臺則聚焦基于邊緣計算的車路協(xié)同領(lǐng)域,，通過人、車,、路、云互聯(lián)助力5G時代智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用快速落地,。

3 車路協(xié)同的云管邊端架構(gòu)

    車路協(xié)同的云管邊端架構(gòu)如圖2所示,，其中云平臺包括V2X應(yīng)用服務(wù)、V2X管理服務(wù),、平臺服務(wù)和基礎(chǔ)服務(wù),。管包括交通專網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)，其中交通專網(wǎng)是指交通運營自建或合作建設(shè)的專有網(wǎng)絡(luò),，并且與電信網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián),，從而利用電信運營商的移動網(wǎng)絡(luò)、寬帶網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等服務(wù),，特別是C-V2X一般基于電信運營商的移動網(wǎng)絡(luò)和基站進行通信,。邊則包括眾多邊緣計算節(jié)點，一般在道路側(cè)或者運營商的邊緣機房,，采用適應(yīng)邊緣物理部署環(huán)境的定制服務(wù)器硬件部署,。端則包括各種車、路上的多種視頻,、事件監(jiān)測,、信息、計算終端及傳感器等,。

    在上述架構(gòu)中,，邊緣計算節(jié)點將發(fā)揮關(guān)鍵作用，目前電信業(yè)討論較多的是引入MEC^[7]提供車路協(xié)同的邊緣計算服務(wù),。MEC是一種云網(wǎng)融合的邊緣計算平臺,，即作為移動核心網(wǎng)下沉的用戶面網(wǎng)元，同時又是邊緣的云平臺,，提供邊緣計算應(yīng)用環(huán)境,，支持邊緣應(yīng)用服務(wù)。具體來說,，基于MEC的邊緣云主要解決的問題和提供的服務(wù)包括：

    (1)智能交通道路不斷增加部署的高清攝像頭形成視頻為主的交通道路感知,，信息全部上傳到云端存儲和分析處理，網(wǎng)絡(luò)傳輸與云端處理均難以承受成本,，MEC邊緣云提供本地計算存儲,，降低中心云平臺性能處理與帶寬要求；

    (2)車路協(xié)同方案從感知分析到反饋控制趨向?qū)崟r化,，真正動態(tài)感知和優(yōu)化交通道路出行,，對網(wǎng)絡(luò)和計算要求超級低時延,，MEC一般部署在接入局所或者城域網(wǎng)邊緣機房，主要時延是無線接入網(wǎng)空口時延以及MEC邊緣處理時延,，基于5G空口可以滿足10 ms級的實時感知分析處理反饋要求,。

    (3)傳統(tǒng)的道路交通車路協(xié)同計算設(shè)備以工控機為主，系統(tǒng)較封閉,，軟硬件及應(yīng)用開發(fā)部署由各廠家把控,，MEC采用電信NFV云平臺架構(gòu)，并一般針對邊緣計算提供虛擬機與容器應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境以及輕量級管理,、MEC服務(wù)化架構(gòu)與開放能力服務(wù),，有利于邊緣應(yīng)用的生態(tài)創(chuàng)新與開放。

4 基于云管邊端架構(gòu)的車路協(xié)同多源融合信息服務(wù)

    車路協(xié)同的典型場景主要分為安全,、效率,、協(xié)作、信息類等服務(wù),。對應(yīng)于各類場景,，除了本地信息分發(fā)等MEC基礎(chǔ)能力外，按照信息來源數(shù)量劃分,，如“單一信息來源接口”的動態(tài)高精度地圖,、車輛在線診斷等場景，需要協(xié)同地圖廠商,、整車廠商定義統(tǒng)一API規(guī)范接入,；對于“多信息源融合接口”，如智慧交叉路口功能等以視頻為核心的多源數(shù)據(jù)融合場景,，需要通過信號處理,、視頻識別、激光雷達(dá)信號識別,、信息綜合等應(yīng)用功能來對交叉路口周邊內(nèi)的車輛,、行人等位置、速度,、方向角度等進行分析和預(yù)測,。應(yīng)針對不同場景下的信息輸入輸出格式，對應(yīng)的信息交互內(nèi)容,、交互協(xié)議能力以及開放API提供標(biāo)準(zhǔn)輸出,。

    圖3為車路協(xié)同多源融合信息服務(wù)能力開放框架，定義了北向接口為外部應(yīng)用提供服務(wù)能力接口,，用于交換命令,、控制信號等，以支持相關(guān)應(yīng)用場景；南向接口為適配各大廠商的設(shè)備以及能力級應(yīng)用的接入,。實際各應(yīng)用開發(fā)單位可以參考此架構(gòu)圖針對不同應(yīng)用場景詳細(xì)分析其應(yīng)用場景需求,、基本交互及數(shù)據(jù)流程、數(shù)據(jù)集需求,、通信方式需求,、API接口等，進而進行相應(yīng)開發(fā),。其中針對數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)化一般分為3個層級,，第一層級是傳感器原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，第二層級是融合感知計算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化,，第三層就是與車輛的數(shù)據(jù)接口,。不同應(yīng)用的通信方式,、API調(diào)用方式與協(xié)議會有差異,，本文將針對廣播/訂閱類消息API和事件觸發(fā)響應(yīng)類API調(diào)用流程進行詳細(xì)描述。不同應(yīng)用可根據(jù)業(yè)務(wù)特點選擇適合的通信機制,。

4.1 基于MQTT協(xié)議的廣播/訂閱類消息API調(diào)用方式

    MQTT是一種發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議,，基本原理和實現(xiàn)^[8]如下，如圖4所示,。

    MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)端,，而協(xié)議中主要有3種身份：發(fā)布者（Publisher）、代理（Broker,，服務(wù)器）,、訂閱者（Subscriber）。其中,，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端,，消息代理是服務(wù)器，而消息發(fā)布者可以同時是訂閱者,，實現(xiàn)了生產(chǎn)者與消費者的脫耦,。

    MQTT服務(wù)器部署在MEC server上，路側(cè)的本地計算設(shè)備作為客戶端將感知結(jié)果（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）發(fā)布到服務(wù)器,，部署在MEC上的應(yīng)用或其他設(shè)備作為客戶端,，可以向服務(wù)器訂閱感知結(jié)果消息?；蛘?，MEC上用于數(shù)據(jù)感知融合分析的邊緣應(yīng)用A作為客戶端，將融合分析結(jié)果發(fā)布到服務(wù)器,，其他應(yīng)用作為客戶端,，可以向服務(wù)器訂閱結(jié)果。

    MQTT協(xié)議支持3種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：

    (1)至多一次：消息發(fā)布完全依賴底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。這一級別會發(fā)生消息丟失或重復(fù),，可用于如下情況：丟失一次讀記錄無所謂,，因為不久后還會有第二次發(fā)送。

    (2)至少一次：確保消息到達(dá),，但消息重復(fù)可能會發(fā)生,。

    (3)只有一次：確保消息到達(dá)一次。在一些要求比較嚴(yán)格的計費系統(tǒng)中可以使用此級別,。在計費系統(tǒng)中,，消息重復(fù)或丟失會導(dǎo)致不正確的結(jié)果。這種最高質(zhì)量的消息發(fā)布服務(wù)還可以用于即時通信類的APP的推送,，確保用戶收到且只會收到一次^[9],。

    以十字路口感知預(yù)警結(jié)果為例，每100 ms會發(fā)送一次,，為了保證實時性,，本應(yīng)用采用至多一次方式，沒收到的數(shù)據(jù)將被丟棄,，保證始終接收最新的消息內(nèi)容,。

4.2 MQTT協(xié)議調(diào)用流程

    消息訂閱/發(fā)布具體流程如下，如圖5所示,。

    (1)路側(cè)感知結(jié)果發(fā)布者（Publisher）通過訪問MECserver的IP地址和特定MQTT服務(wù)端口號與MEC server上的MQTT server建立連接,，將感知結(jié)果以topic主題名為“/crossroad_perception“的消息發(fā)布到Server端，發(fā)布頻率為10 Hz,。

    (2)云端應(yīng)用訂閱者（Subscriber）通過訪問MECserver的IP地址和端口號與MECserver建立連接,，訂閱名稱為/crossroad_perception的topic。

    (3)MECServer作為代理,，將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)給Subscriber,。如果Publisher發(fā)布的topic沒有訂閱者，消息內(nèi)容將被丟棄,。

4.3 基于XMPP協(xié)議的請求/應(yīng)答類消息API調(diào)用方式

    可擴展消息與存在協(xié)議（Extensible Messageing and Presence Protocol,，XMPP）是目前主流的即時消息（Instant Messaging，IM）協(xié)議之一,。XMPP包括核心的XML流傳輸協(xié)議和基于XML流傳輸?shù)募磿r通信擴展應(yīng)用,，XMPP的核心XML流傳輸協(xié)議的定義使得XMPP能夠在一個比以往網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議更規(guī)范的平臺上。其基本原理和實現(xiàn)^[10]如下,，如圖6所示,。

    XMPP中定義了三個角色，即客戶端（Client）,、服務(wù)器（Server）,、網(wǎng)關(guān)(Gateway),。通信能夠在這三者的任意兩個之間雙向發(fā)生。服務(wù)器同時承擔(dān)了客戶端信息記錄,，連接管理和信息的路由功能,。網(wǎng)關(guān)承擔(dān)著與異構(gòu)即時通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通?；镜木W(wǎng)絡(luò)形式是單客戶端通過TCP/IP連接到單服務(wù)器,，然后在之上傳輸XML。

    XMPP服務(wù)器部署在MEC server上,，路側(cè)的本地計算設(shè)備作為客戶端將感知結(jié)果（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）通過服務(wù)器發(fā)送到部署在MEC上的應(yīng)用或其他設(shè)備的客戶端,。或者,，MEC上用于數(shù)據(jù)感知融合分析的邊緣應(yīng)用作為客戶端,，將融合分析結(jié)果通過服務(wù)器發(fā)送到其他應(yīng)用的客戶端上。

4.4 XMPP協(xié)議調(diào)用流程

    路側(cè)感知設(shè)備將數(shù)據(jù)源發(fā)送到MEC server的消息請求/響應(yīng)具體流程如下,，如圖7所示,。

    (1)路側(cè)感知客戶端（client1）通過訪問MEC server的IP地址和特定XMPP服務(wù)端口號與MEC server上的XMPP server建立連接，服務(wù)器利用本地目錄系統(tǒng)中的證書對其認(rèn)證,。

    (2)client1指定MEC server客戶端（client2）地址,，讓服務(wù)器告知目標(biāo)狀態(tài),。

    (3)服務(wù)器對Client2進行查找,、連接并進行相互認(rèn)證。

    (4)Client1和Client2之間進行數(shù)據(jù)交互,，數(shù)據(jù)交互內(nèi)容為“/slag car data resource”,。

    以上是分別針對廣播/訂閱類消息API和事件觸發(fā)響應(yīng)類API調(diào)用流程進行的詳細(xì)說明。

    在這樣一個多源融合信息服務(wù)框架之下,，各大服務(wù)功能域能夠更高效地協(xié)同運作,，使得由 V2X技術(shù)收集來的數(shù)據(jù)能夠被更好地利用、傳遞,、處理,，資源可以更好的調(diào)配，最終實現(xiàn)服務(wù)的最優(yōu)化,，一路暢通的夢想不再遙遠(yuǎn),。

5 結(jié)論

    V2X車路協(xié)同將“人、車,、路,、云”等交通參與要素有機地聯(lián)系在一起，不僅可以支撐車輛獲得比單車感知更多的信息,，促進自動駕駛技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用,；還有利于構(gòu)建一個智慧的交通體系,，促進汽車和交通服務(wù)的新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展，對提高交通效率,、節(jié)省資源,、減少污染、降低事故發(fā)生率,、改善交通管理具有重要意義,。

    本文給出了車路協(xié)同的云管邊端架構(gòu)以及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與能力開放服務(wù)架構(gòu)方案，為車路協(xié)同系統(tǒng)建設(shè),、運營提供參考,。

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作者信息:

熊小敏1，楊  鑫1,，劉兆璘2,，朱雪田1

(1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209,；2.北京郵電大學(xué),，北京100035)