基于端邊云技術(shù)架構(gòu)的智慧路口解決方案

編者按：為推進車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特邀請業(yè)內(nèi)專家學(xué)者共同建言獻策，推出“車聯(lián)網(wǎng)百家談”系列。60%以上城市交通事故發(fā)生在交叉路口，路口成為未來車路協(xié)同重要的邊緣節(jié)點。

華礪智行科技有限公司的陳新市先生提出智慧路口解決方案，詳細(xì)分析了智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺、及其在信號協(xié)調(diào)與車速誘導(dǎo)/特殊車輛優(yōu)先、區(qū)域路網(wǎng)分布式信號控制的數(shù)據(jù)智能服務(wù)應(yīng)用，將給讀者帶來有益啟發(fā)。

01 智慧交通新技術(shù)發(fā)展趨勢

人流集中、車流密集、人車交匯、突發(fā)情況較多…十字路口由于面臨著諸多復(fù)雜因素，一直以來都是城市交通事故的高發(fā)地。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每年發(fā)生的道路交通事故當(dāng)中，有60％以上發(fā)生在十字路口。路口作為城市交通管理的基礎(chǔ)核心管控單元，不僅是交通業(yè)務(wù)下沉的重要載體，同時也是未來車路協(xié)同重要的邊緣節(jié)點。

目前，在城市路口交通管理開展中仍然面臨很多難題，如信息孤島普遍存在、數(shù)據(jù)利用率低、信號控制策略變化難、路口信息協(xié)同共享難等。在此背景下延伸出了智慧路口的概念。隨著自動駕駛“人、車、路、云”和“車路協(xié)同”的發(fā)展受到越來越多的行業(yè)關(guān)注和市場投資后，“智慧路口”也成為了智慧交通建設(shè)的核心場景之一。

2020年以來，無論是傳統(tǒng)交通企業(yè)，還是科技巨頭，都紛紛推出了各種智慧交通、邊緣計算智能體的解決方案，業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為，基于端邊云技術(shù)架構(gòu)的智慧路口解決方案將成為未來智能交通發(fā)展的核心技術(shù)路線，新一代智能網(wǎng)聯(lián)交通平臺也將作為新的市場切入點搶占市場空間。

隨著城市路側(cè)智能基礎(chǔ)設(shè)施的逐步推廣，城市路口的智能化水平將會不斷提升。通過部署在路側(cè)的交通信號控制機、各類傳感器（毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等）實現(xiàn)路口本地的車輛、行人、路況的精細(xì)化、實時性感知，構(gòu)建路口的泛感知體系。

從而實現(xiàn)道路交通多維度、多來源、全要素的全息感知。這些全息感知數(shù)據(jù)如何存儲、如何高效運用，如何提升路口、區(qū)域整體通行能力，提高車輛平均速度，將成為城市交通管理面臨的重要課題。

02 智慧路口解決方案

本智慧路口解決方案，將從智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺、及其在信號協(xié)調(diào)與車速誘導(dǎo)/特殊車輛優(yōu)先、區(qū)域路網(wǎng)分布式信號控制的數(shù)據(jù)智能服務(wù)應(yīng)用展開闡述。

（一）智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺

1、智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺整體架構(gòu)

在實際部署時，智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺采用端-邊-云的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。包括邊緣端數(shù)據(jù)采集服務(wù)、數(shù)據(jù)分析計算服務(wù)、數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)等幾部分。通過車路云一體化的實施形成車端-邊緣云-中心云3級支撐體系，逐步建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車，智慧交通管理邊緣計算生態(tài)體系，打造行業(yè)協(xié)同發(fā)展生態(tài)圈，推進現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。該平臺推動智能網(wǎng)聯(lián)駕駛、智慧交通管理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為自動駕駛運營、智慧交通狀態(tài)感知、智慧交通控制等運營管理業(yè)務(wù)提供服務(wù)支撐。

在軟件邏輯架構(gòu)上智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺采用微服務(wù)+DOCKER 部署的形式，降低各個服務(wù)間的耦合度。同時，可根據(jù)服務(wù)職能及業(yè)務(wù)處理能力對資源的要求，進行按需部署。

避免程序運行的瓶頸，增加程序運行性能，提高數(shù)據(jù)處理能力和效率，降低數(shù)據(jù)處理整體時延。服務(wù)支持多路口交通信息共享，并對交通運行整體的效率提供優(yōu)化策略，并可對相應(yīng)的路口進行實時的統(tǒng)一調(diào)度。

2、微服務(wù)模塊設(shè)計

本方案中微服務(wù)模塊主要包括感知接入服務(wù)、邊緣云服務(wù)、數(shù)據(jù)接收解析、數(shù)據(jù)智能服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲等功能。

1）感知接入服務(wù)

負(fù)責(zé)接收Radar、Lidar、IPC 設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，并進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳遞給邊緣端的消息總線上。

2）邊緣云服務(wù)

獲取V2X消息及從消息總線中獲取感知設(shè)備實時數(shù)據(jù)，基于以上數(shù)據(jù)計算當(dāng)前路口的優(yōu)化控制策略和交通指標(biāo)，同時上傳實時數(shù)據(jù)、路口實時交通指標(biāo)、路口控制策略到上層。

3）數(shù)據(jù)接收、解析服務(wù)

接收服務(wù)中邊緣云上行的實時數(shù)據(jù)、路口實時交通指標(biāo)、路口控制策略數(shù)據(jù)。接收解析后存儲到數(shù)據(jù)庫或推送到消息總線隊列。

4）數(shù)據(jù)智能服務(wù)

從MQ消息總線實時消息、及從數(shù)據(jù)庫獲取各類歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)交通指標(biāo)統(tǒng)計分析策略，使用V2X 歷史數(shù)據(jù)進行計算，將計算的結(jié)果推送給MQ。

5）智能數(shù)據(jù)處理服務(wù)

從消息總線獲取實時的交通參數(shù)、優(yōu)化策略并進行持久化。

6）數(shù)據(jù)存儲服務(wù)

持久化各類數(shù)據(jù)，為智慧交通業(yè)務(wù)、智慧交通策略計算和分析、處理提供數(shù)據(jù)支撐。

（二）信號協(xié)調(diào)與車速誘導(dǎo)/特殊車輛優(yōu)先服務(wù)

1、功能描述

在動態(tài)干線綠波基礎(chǔ)上，在路段保障干線綠波帶寬最大化的同時，根據(jù)路段上車輛/特殊車輛實時運動狀態(tài)，可對車輛/特殊車輛進行車速誘導(dǎo)，從而使得系統(tǒng)層面通行能力得到提升，提高整條干線交通參與者的運行效率，進一步優(yōu)化干線綠波應(yīng)用效果。

2、基本原理

信號協(xié)調(diào)與車速誘導(dǎo)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)原理如圖所示，路側(cè)單元（RSU）從交通信號機實時獲取紅綠燈的燈態(tài)信息，結(jié)合高精度定位模塊，再下發(fā)給搭載車載單元（OBU）的智能網(wǎng)聯(lián)車輛。

車輛安裝OBU設(shè)備，結(jié)合RSU設(shè)備下發(fā)的信號燈配時及倒計時信息，由高精度定位模塊提供的位置信息計算車輛距離交叉口的實時距離，通過車速誘導(dǎo)算法實時計算建議車速，保障車輛不停車通過交叉口。

信號協(xié)調(diào)與車速誘導(dǎo)/特殊車輛優(yōu)先應(yīng)用核心是紅燈縮短和綠燈延長。若當(dāng)前是綠燈，且剩余倒計時時間不足保障車輛安全通過，立即調(diào)整延長綠燈時長到最大值，且倒計時顯示為最大值。

同時在車端儀表盤或高精度地圖等裝置同步顯示燈態(tài)變化，車輛自動調(diào)整匹配車速，確保安全通過路口；若當(dāng)前是紅燈，且剩余倒計時可調(diào)整，在當(dāng)前距離立即調(diào)整縮短紅燈時長到最小值，且倒計時顯示為最小值，縮短紅燈等待時間目的是為了快速變?yōu)榫G燈，同樣顯示燈態(tài)變化和調(diào)整匹配車速安全行駛。

3、實現(xiàn)效果

該應(yīng)用應(yīng)能夠結(jié)合實時網(wǎng)聯(lián)車輛狀態(tài)信息（位置、速度、距離信號交叉口距離等）和紅綠燈信息（包括信號燈狀態(tài)、倒計時等），通過網(wǎng)聯(lián)式交互，增加車輛協(xié)同感知范圍。

利用智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺系統(tǒng)綜合計算判斷并將計算結(jié)果低時延下發(fā)給車端，便于車輛實時做出正確駕駛決策和調(diào)整信號燈燈態(tài)信息，確保行駛方向多個路口連續(xù)性綠波，達(dá)到高效通行目的，有效緩解路口擁堵。

（三）區(qū)域路網(wǎng)分布式信號控制服務(wù)

1、功能描述

在區(qū)域路網(wǎng)應(yīng)用信號控制算法，支持構(gòu)建分布式信號控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可基于路口邊緣云、中心云數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)路口與路口之間、區(qū)域與區(qū)域之間的信息共享與協(xié)同聯(lián)動，提升區(qū)域交通通行能力，優(yōu)化區(qū)域交通通行效率。

基于分布式信號控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與算法，綜合考慮路口間距、路徑流量，利用創(chuàng)新的交通模型對路網(wǎng)進行子區(qū)劃分，實現(xiàn)大規(guī)模路網(wǎng)區(qū)域解構(gòu)，以區(qū)域通行能力為優(yōu)化指標(biāo)，實現(xiàn)大規(guī)模區(qū)域路網(wǎng)信號全局優(yōu)化。

2、基本原理

控制方案分為五層，包括系統(tǒng)管理層、區(qū)域信號控制層、通信層、子區(qū)域信號控制層、路口控制層。

其中，系統(tǒng)管理層負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)運行過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括區(qū)域內(nèi)部智能路側(cè)檢測設(shè)備（激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭）輸出的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及車輛BSM信息提供的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)。

區(qū)域信號控制層運行區(qū)域信號控制算法，用于求解區(qū)域通行能力最大化時的最優(yōu)區(qū)域信號控制配時方案。

通信層負(fù)責(zé)上行子區(qū)域之間協(xié)同通信交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，下發(fā)區(qū)域信號控制方案。

子區(qū)域信號控制層負(fù)責(zé)協(xié)同子區(qū)域內(nèi)部各路口之間數(shù)據(jù)相互流轉(zhuǎn)，包括車輛數(shù)據(jù)、信號配時數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

路口控制層負(fù)責(zé)執(zhí)行信號配時方案，同時，獲取并分析路口車輛運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3、實現(xiàn)效果

區(qū)域路網(wǎng)分布式信號控制，綜合考慮路口間距、路徑流量，利用適合區(qū)域路網(wǎng)的模型對路網(wǎng)進行子區(qū)劃分，實現(xiàn)大規(guī)模路網(wǎng)區(qū)域解構(gòu)。同時以區(qū)域交通優(yōu)化指標(biāo)為目標(biāo)，實現(xiàn)大規(guī)模區(qū)域路網(wǎng)信號全局優(yōu)化。系統(tǒng)支持實時計算得出區(qū)域交叉口排隊長度、通行量、平均延誤等評價指標(biāo)，直觀體現(xiàn)對交通控制優(yōu)化的效果。

03 總結(jié)

本方案以智慧城市交通數(shù)據(jù)智能平臺為核心，在路口部署小規(guī)模路口邊緣云，支持RSU、視頻感知、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等多設(shè)備接入，具有低延時、大帶寬的高性能通信能力，聚焦實時、短周期數(shù)據(jù)分析，支持路口級人、車、路協(xié)同業(yè)務(wù)，解決端到端設(shè)備管理、態(tài)勢感知、單路口交通信號自適應(yīng)控制等問題?？煽焖偻瓿商胤N車信號優(yōu)先、行人安全預(yù)警等安全、效率與信息應(yīng)用的實施。在區(qū)域部署中心邊緣云，支持海量數(shù)據(jù)的處理與存儲，聚焦實時與非實時、中短期周期數(shù)據(jù)分析，可快速完成綠波走廊、車輛動態(tài)路徑規(guī)劃等應(yīng)用實施與驗證。通過多路口業(yè)務(wù)聯(lián)動的分布式信號控制，解決大面積交通效率難題。

系統(tǒng)方案優(yōu)勢：

1.更加適合智慧交通業(yè)務(wù)模式的系統(tǒng)和邏輯架構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的將運算處理功能集中于云端的智慧路口方案，該智能平臺整體架構(gòu)分為端-邊-云三個層級，通過合理規(guī)劃各個層級間的任務(wù)和交互模式，將計算處理工作大量的放置于邊緣端。

這樣在大幅降低數(shù)據(jù)回傳、云端平臺數(shù)據(jù)處理壓力的同時，可以降低各個服務(wù)間的耦合度，實現(xiàn)根據(jù)服務(wù)職能及業(yè)務(wù)需求進行資源部署，避免程序運行的瓶頸，增加程序運行性能，提高數(shù)據(jù)處理能力和效率，降低數(shù)據(jù)處理整體時延。

2.實時性更強的信號優(yōu)化策略。該系統(tǒng)通過路側(cè)感知設(shè)備實時采集的現(xiàn)實交通數(shù)據(jù)進行交通優(yōu)化算法分析，相較于傳統(tǒng)抽樣統(tǒng)計方式，該系統(tǒng)可以得出更加精準(zhǔn)的車速誘導(dǎo)、車輛優(yōu)先和區(qū)域交通優(yōu)化結(jié)果。并且可以根據(jù)區(qū)域交通優(yōu)化執(zhí)行前后的實時交通數(shù)據(jù)對比，進行算法的迭代優(yōu)化，實現(xiàn)自動高效的交通優(yōu)化控制平臺服務(wù)。

編輯：jq