隨著汽車工業(yè)水平飛速發(fā)展,以及 IoT、5G、V2X 等信息通信技術(shù)的發(fā)展演進(jìn),通過汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化升級為大眾帶來更智能、更便捷的駕乘體驗(yàn),成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢,自動駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為行業(yè)熱點(diǎn)。另一方面,隨著汽車保有量的激增、交通路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的飛速建設(shè)、交通信息化系統(tǒng)的逐步成熟,通過智慧的車與智慧的路協(xié)同交互來實(shí)現(xiàn)安全便捷的出行、智能路況綜合感知以及動態(tài)協(xié)同交通控制等,成為智慧交通的重要發(fā)展方向。近年來,我國陸續(xù)頒布數(shù)字交通、交通強(qiáng)國等政策,「車路協(xié)同」成為智能汽車與智慧交通行業(yè)熱門高頻詞匯。

車路協(xié)同即 IVICS(Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative System)或 CVIS(Cooperative Vehicle-Infrastructure System),是智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)的重要子系統(tǒng),融合了 V2X 通信技術(shù)、多源傳感技術(shù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、交通控制等技術(shù)的綜合技術(shù)體系及系統(tǒng),總體目標(biāo)是掌握交通狀況、實(shí)現(xiàn)車路云信息交互,提升交通安全、效率及服務(wù)。

車路協(xié)同系統(tǒng)是智能交通與智能網(wǎng)聯(lián)汽車兩個(gè)行業(yè)跨界交疊發(fā)展的重要方向。它是指通過路側(cè)多源傳感技術(shù)實(shí)時(shí)獲取道路交通信息、環(huán)境信息,基于云控技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚、處理,并通過 V2X 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與路、車與云的智能協(xié)同。依靠車路協(xié)同系統(tǒng)對車輛提供感知輔助及協(xié)同控制,能夠提升自動駕駛安全性,降低自動駕駛單車成本,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全場景自動駕駛的技術(shù)路徑。同時(shí),車路云的數(shù)據(jù)交互也是智慧交通實(shí)現(xiàn)智能路況綜合感知、動態(tài)協(xié)同交通控制等核心應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

車路協(xié)同系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

標(biāo)準(zhǔn)化與示范試點(diǎn)并進(jìn),中國式技術(shù)架構(gòu)逐步形成

車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展是國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略引領(lǐng),交通部、工信部等多個(gè)部委都持續(xù)發(fā)布政策落實(shí)推進(jìn)我國汽車及公路向數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化方向快速發(fā)展。

我國車路協(xié)同目前正處于從測試示范到商業(yè)落地的過渡階段?；?C-V2X 的車路協(xié)同系統(tǒng)是汽車、通信、交通、人工智能等多個(gè)技術(shù)融合發(fā)展的領(lǐng)域,標(biāo)準(zhǔn)化及測試示范是其發(fā)展初期重要一環(huán)。2017 年 3GPP 發(fā)布了第一代 C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)后,在政策推動下,我國積極開展了車路協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

從 2017 年首個(gè)國家級示范區(qū)無錫國家智能交通綜合測試基地落地,截至 2022 年 3 月,根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),我國在城市封閉或開放道路環(huán)境共建設(shè)國家級車路協(xié)同示范區(qū)/測試基地 10 個(gè),地方級車路協(xié)同示范區(qū)/測試基地 34 個(gè);在高速公路場景下,也有超 6000 公里高速公路已經(jīng)或?qū)⒁谄洳糠致范伍_展車路協(xié)同創(chuàng)新示范工作。標(biāo)準(zhǔn)化和測試示范互相促進(jìn)共同發(fā)展的情況下,中國式車路協(xié)同技術(shù)架構(gòu)逐步形成。

網(wǎng)絡(luò)層面:我國車路協(xié)同系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層采用 3GPP 制定的 C-V2X 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),C-V2X 的最大特點(diǎn)及優(yōu)勢是提供了直連空口和 Uu 空口兩種鏈路,直連空口可以在沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)情況下提供終端間廣播通信,具有低時(shí)延、靈活的優(yōu)勢,應(yīng)用于車與車(V2V)以及車與路(V2I)場景;而 Uu 空口鏈路具有廣覆蓋、大帶寬的優(yōu)勢,適用于車與云(V2N)的交互。我國蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施完善,直連空口和 Uu 空口兩種鏈路綜合運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有利于車路協(xié)同應(yīng)用場景豐富及車路協(xié)同網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的優(yōu)化。CCSA 基于其對 C-V2X 的關(guān)鍵技術(shù)的研究在 2017 年發(fā)布了《基于 LTE 的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)總體技術(shù)要求》等多項(xiàng)行標(biāo)。

應(yīng)用層面:2017 年 C-ITS 攜手重慶長安汽車、通用汽車、清華大學(xué)等單位發(fā)布了我國第一部 V2X 應(yīng)用層團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn) T/CSAE 53-2017》。隨著示范試點(diǎn)的推進(jìn),一階段的應(yīng)用逐步落地。一階段共定義了 5 類 V2X 消息,包括 BSM(車輛基本安全消息)、MAP(地圖消息)、RSI(路側(cè)單元發(fā)布的交通事件消息)以及RSM(路側(cè)安全消息),基于這些消息可以實(shí)現(xiàn)車、路、云之間的有效交互溝通,從而實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用場景。2020 年《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)(第二階段)》(以下簡稱 DAY2 標(biāo)準(zhǔn))發(fā)布,在第一階段標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上豐富了應(yīng)用層場景。同年,中國信息通信研究院牽頭發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于 LTE 的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)消息層技術(shù)要求 YD/T 3709-2020》,規(guī)范了消息層數(shù)據(jù)集的架構(gòu)以及具體的數(shù)據(jù)定義和編碼方式。除了標(biāo)準(zhǔn)定義的應(yīng)用場景,基于消息標(biāo)準(zhǔn),各示范項(xiàng)目通常會結(jié)合本地項(xiàng)目環(huán)境、本地需求打造面向安全、效率及出行服務(wù)的特色應(yīng)用場景。

平臺層面:2022 年 9 月,中國智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟公布了由東南大學(xué)牽頭的《車路協(xié)同云控基礎(chǔ)平臺第 1 部分:通用要求》和《車路協(xié)同云控基礎(chǔ)平臺第 2 部分:測試內(nèi)容要求》征求意見稿,規(guī)定了車路協(xié)同云控基礎(chǔ)平臺的總體架構(gòu)、云基礎(chǔ)設(shè)施要求、平臺基礎(chǔ)能力要求、基礎(chǔ)應(yīng)用能力要求、性能要求和安全可信要求。

車路協(xié)同云控平臺成為系統(tǒng)核心

隨著越來越多的車路協(xié)同示范項(xiàng)目在全國落地,車路協(xié)同示范系統(tǒng)典型的建設(shè)方案也基本形成,系統(tǒng)通常分為端側(cè)、網(wǎng)絡(luò)和云端三個(gè)層次開展建設(shè)。

路側(cè)系統(tǒng)通常由路側(cè)單元(RSU)、路側(cè)感知設(shè)備、路側(cè)計(jì)算單元(MEC)、智能交通設(shè)施(紅綠燈、智能路牌等)組成:

路側(cè)單元 RSU 是部署在路側(cè)的 C-V2X 通信網(wǎng)關(guān)設(shè)備,可連接路側(cè)各類設(shè)備、傳感器以及車輛;

路側(cè)能感知設(shè)備主要包括路側(cè)視頻監(jiān)控設(shè)備、路側(cè)激光雷達(dá)、路側(cè)毫米波雷達(dá)、微環(huán)境氣象監(jiān)測站等感知設(shè)備;

路側(cè)邊緣計(jì)算設(shè)備是邊緣側(cè)的本地計(jì)算節(jié)點(diǎn),通常搭載融合感知算法能處理感知設(shè)備的原始數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)化分析結(jié)果,包括全量的交通參與者信息、交通事件信息以及交通流量信息。

目前的示范項(xiàng)目,通常圍繞城市交通的重點(diǎn)—路口進(jìn)行路側(cè)部署,要實(shí)現(xiàn)路口的全要素感知,通常需要部署 4 個(gè)攝像頭、4 個(gè)毫米波雷達(dá)、2 臺激光雷達(dá)、1-2 臺路側(cè)計(jì)算單元以及 1 臺路側(cè)通信單元 RSU。車輛側(cè)通常通過后裝 C-V2X 車載通信單元(OBU)通過 C-V2X 網(wǎng)絡(luò)連接來與路側(cè)單元和云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,上傳包含車輛信息的 BSM 消息,接收應(yīng)用場景 V2X 消息。

根據(jù)《車路協(xié)同云控基礎(chǔ)平臺第 1 部分:通用要求》征求意見稿的定義,「云控基礎(chǔ)平臺」是指服務(wù)于車路協(xié)同業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)平臺系統(tǒng),具有基本的實(shí)時(shí)信息融合與共享、實(shí)時(shí)計(jì)算編排、智能應(yīng)用編排、大數(shù)據(jù)分析、信息安全等基礎(chǔ)性服務(wù)能力,可為智能汽車、管理及服務(wù)機(jī)構(gòu)、終端用戶提供輔助駕駛、自動駕駛、交通運(yùn)輸安全、交通管理等協(xié)同應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)提供基礎(chǔ)支撐。可以看出,車路協(xié)同云控平臺是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端到端流轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)核心,是驅(qū)動各項(xiàng)具體功能業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)核心。

具體到示范項(xiàng)目中,云控平臺的建設(shè),需要通過統(tǒng)一接入實(shí)現(xiàn)車側(cè)、路側(cè)、環(huán)境等交通全要素感知數(shù)據(jù)匯聚,引入交通流狀態(tài)、交通事件、道路氣象環(huán)境、道路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)等監(jiān)測信息,對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析,形成符合 V2X 消息標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用場景業(yè)務(wù)消息,并實(shí)時(shí)向車端及路側(cè)設(shè)備下發(fā)業(yè)務(wù)消息,從而支撐多樣化應(yīng)用實(shí)現(xiàn),是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞和業(yè)務(wù)核心。如面向輔助駕駛或自動駕駛場景,提供道路行人檢測、交通事件檢測、路網(wǎng)狀態(tài)提醒、規(guī)劃決策等服務(wù);面向各地交通管理部門的監(jiān)管需求,平臺可提供提升城市交通運(yùn)行效率的智能管控決策建議。

目前的車路協(xié)同云控平臺建設(shè)方案中,主要包含數(shù)據(jù)模塊、V2X 消息轉(zhuǎn)發(fā)、云控可視化、運(yùn)維管理等功能模塊:

數(shù)據(jù)模塊提供數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)分析、鑒權(quán)認(rèn)證等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)能力;

V2X 消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負(fù)責(zé) V2X 消息處理、V2X 消息轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)消息配置等核心功能,滿足車路協(xié)同 V2X 國標(biāo)消息高并發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)需求;

云控可視化模塊通常會結(jié)合高精度地圖實(shí)先數(shù)據(jù)可視化、數(shù)字孿生、電子地圖、車輛軌跡追蹤、事件監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等核心功能;

運(yùn)維管理模塊包括基礎(chǔ)管理配置、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、運(yùn)維中心及電子地圖等功能。

車路協(xié)同典型架構(gòu)圖

多級云控、云邊協(xié)同是未來技術(shù)趨勢

目前示范區(qū)建設(shè)項(xiàng)目中,通常單個(gè)項(xiàng)目建設(shè)一個(gè)車路協(xié)同云控平臺,項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)接入、業(yè)務(wù)處理都由這個(gè)車路協(xié)同云控平臺負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。未來面向規(guī)?；逃?車路協(xié)同的建設(shè)必然會向著城市化發(fā)展,車路云一體化中國方案將向著「分層解耦、跨域共用」兩大技術(shù)特征演進(jìn),建設(shè)多級云控平臺實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分層解耦,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和能力的跨域共用是未來云控平臺趨勢。

未來的車路協(xié)同云控平臺將由邊緣云、區(qū)域云與中心云三級組成,由邊到云,三級平臺提供的服務(wù)實(shí)時(shí)性要求逐層降低,服務(wù)范圍逐級擴(kuò)大。邊緣云可能會部署于運(yùn)營商區(qū)縣級的機(jī)房,通過統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)就近接入路側(cè)設(shè)備與車端設(shè)備數(shù)據(jù),并負(fù)責(zé)面向車路協(xié)同自動駕駛提供感知輔助、安全告警等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)服務(wù);區(qū)域云主要負(fù)責(zé)支撐面向智慧交通管理、公共交通、出行服務(wù)等弱實(shí)時(shí)性服務(wù);中心云則會面向更大范圍的業(yè)務(wù),例如運(yùn)營注冊管理、宏觀數(shù)據(jù)分析等。

另一大趨勢是云端對路側(cè)邊緣端的管理協(xié)同,路側(cè)計(jì)算單元輸出的路側(cè)數(shù)據(jù)是云控功能和應(yīng)用場景的原材料,未來云端需要能夠?qū)ζ漭敵鰯?shù)據(jù)進(jìn)行靈活的調(diào)整以適應(yīng)不同路口不同的應(yīng)用場景需求,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)路側(cè)計(jì)算單元數(shù)據(jù)分析算法的下發(fā)更新,增強(qiáng)系統(tǒng)可拓展性。

多級云控、云邊協(xié)同在目前已經(jīng)出現(xiàn)在一些城市級示范試點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)劃方案中,但仍需產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同解決諸多問題實(shí)現(xiàn)落地驗(yàn)證。

車路云一體化方案體系架構(gòu)(來自《車路云一體化融合控制系統(tǒng)白皮書》)

豐富應(yīng)用、探索商業(yè)化成為行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵

車路協(xié)同經(jīng)過技術(shù)概念探討、應(yīng)用場景探索、試點(diǎn)示范建設(shè)幾個(gè)階段,雖然示范試點(diǎn)成果顯著、產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成,但如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)閉環(huán)及體現(xiàn)建設(shè)成果的價(jià)值,仍是未來車路協(xié)同行業(yè)需要共同面對和探索的問題。未來的車路協(xié)同系統(tǒng),需要更加注重以數(shù)據(jù)為核心,深挖場景深度,拓寬應(yīng)用廣度,探索商業(yè)模式。

面向車路協(xié)同自動駕駛,需要加深路側(cè)感知的精度、提升自動駕駛車輛對路云感知輔助的信任,做深單車自動駕駛痛點(diǎn)場景;

面向智慧交通管理,基于「數(shù)據(jù)基礎(chǔ)+平臺能力」,通過路網(wǎng)全要素?cái)?shù)字化實(shí)現(xiàn)全息感知、智慧認(rèn)知、輔助決策、交通評價(jià),提升管理效率,增加運(yùn)管手段,實(shí)現(xiàn)智慧交通;

面向公共交通出行,為公眾提供高效便捷的公共交通出行服務(wù),為公共交通運(yùn)輸提供車路協(xié)同應(yīng)用服務(wù),使得示范區(qū)價(jià)值更貼合公眾實(shí)際需求的體現(xiàn);

面向自動駕駛,通過剛需應(yīng)用與車輛緊密綁定,通過無人公交、無人出租車等場景探索商業(yè)化。

車路協(xié)同云控平臺建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)《車路協(xié)同云控基礎(chǔ)平臺第 1 部分:通用要求》,云控基礎(chǔ)平臺基礎(chǔ)能力主要分為:資源連接、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)共享。

資源連接層負(fù)責(zé)與車輛、路側(cè)邊緣計(jì)算單元、路側(cè)通信單元以及外部數(shù)據(jù)源進(jìn)行對接,包括接入管理功能和數(shù)據(jù)采集功能;

數(shù)據(jù)處理層主要提供對各類數(shù)據(jù)的初步清洗、存儲,并將數(shù)據(jù)與主題相關(guān)聯(lián),使數(shù)據(jù)進(jìn)入相應(yīng)的主題數(shù)據(jù)庫;

數(shù)據(jù)共享層主要提供物理數(shù)據(jù)、能力數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等相關(guān)的主題數(shù)據(jù)庫,供數(shù)據(jù)分析層調(diào)用。

這些能力要求,在未來大規(guī)模建設(shè)、商業(yè)化提速的新階段,對云控基礎(chǔ)平臺的構(gòu)建提出了諸多挑戰(zhàn)。

海量設(shè)備的高并發(fā)、高可靠、低時(shí)延連接

未來車路協(xié)同系統(tǒng)中,云控平臺需要接入包括路側(cè)感知設(shè)備、路側(cè)計(jì)算單元、路側(cè)通信單元以及車載通信單元在內(nèi)的大量設(shè)備。另外,車路協(xié)同場應(yīng)用場景 20-100ms 的應(yīng)用時(shí)延要求,也對高并發(fā)連接后消息吞吐的性能提出極高挑戰(zhàn)。

路側(cè)感知數(shù)據(jù)的歸一化治理

目前行業(yè)內(nèi)路側(cè)計(jì)算單元構(gòu)化感知結(jié)果的輸出,尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),不同廠商的路側(cè)計(jì)算單元輸出格式往往存在差異,尤其在一些多廠商設(shè)備分區(qū)域部署的項(xiàng)目中,如何在數(shù)據(jù)接入層面就解決路側(cè)數(shù)據(jù)的歸一化治理、存儲,往往是項(xiàng)目中云控平臺會遇到的難題。

海量流式數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲、分發(fā)

車路協(xié)同每種設(shè)備的多種類型數(shù)據(jù)都以 1-10Hz 的頻率上傳,云控基礎(chǔ)平臺需要對不斷流入的動態(tài)數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,并向車端實(shí)時(shí)下發(fā)結(jié)果、向云端其他應(yīng)用分發(fā)、持久化用于后續(xù)分析展示等。而當(dāng)前基本的方案都要涉及多個(gè)分布式組件,極大增加了云控平臺的開發(fā)難度、運(yùn)維難度及可靠性。

高效靈活的數(shù)據(jù)分類管理及訪問管控

在多路口、多設(shè)備、多數(shù)據(jù)類型的未來車路協(xié)同實(shí)際落地系統(tǒng)中,路側(cè)感知結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、云控平臺生成的 V2X 應(yīng)用消息通常需要按照消息類型、路口、設(shè)備、廠商等維度進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)隔離管理、訪問控制,以方便上級應(yīng)用靈活地提取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù),這對應(yīng)用場景的實(shí)現(xiàn)、平臺功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

大量設(shè)備及數(shù)據(jù)的高效運(yùn)維管理

車路協(xié)同系統(tǒng)對業(yè)務(wù)應(yīng)用的穩(wěn)定性、連續(xù)性有高要求,云控平臺需要對設(shè)備在線狀態(tài)、數(shù)據(jù)流入流出狀態(tài)進(jìn)行全局監(jiān)控。項(xiàng)目中有的路側(cè)設(shè)備不支持直接上報(bào)狀態(tài),平臺在設(shè)備及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)管、系統(tǒng)問題排查方面存在困難,平臺和設(shè)備間需要額外協(xié)商和開發(fā)相關(guān)協(xié)議又會增加兩側(cè)的工作量。

設(shè)備接入安全保障

車路協(xié)同系統(tǒng)涉及道路交通信息、車輛信息甚至交通及車輛的控制,信息安全至關(guān)重要,設(shè)備接入云控平臺之前,在保證通道安全的基礎(chǔ)上,云控平臺也需要通過設(shè)備秘鑰、證書、身份認(rèn)證等手段保障系統(tǒng)入口安全。

EMQ 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施助力云控平臺構(gòu)建

MQTT 在車路協(xié)同的應(yīng)用優(yōu)勢

在車路協(xié)同系統(tǒng)中,路側(cè)上傳的數(shù)據(jù)以及車路云交互的 V2X 消息均為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量通常在 1-5KB 左右,單條數(shù)據(jù)不大,但頻率高、數(shù)量多。多個(gè)不同的系統(tǒng)應(yīng)用可能會需要按照消息類型、路口、設(shè)備、廠商等不同維度對同一設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行消費(fèi)取用,反向往往也需要按照路口維度將不同 V2X 應(yīng)用消息下發(fā)給多個(gè)設(shè)備。

MQTT 是基于發(fā)布/訂閱模式的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,提供靈活的多級主題定義,支持基于主題的靈活訂閱發(fā)布,報(bào)文結(jié)構(gòu)緊湊且 Payload 格式靈活,提供三種可選的 QoS 等級,提供在線狀態(tài)感知及會話保持能力,這些特點(diǎn)能夠很好地滿足車路協(xié)同系統(tǒng)需求,為云控基礎(chǔ)平臺及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)帶來很多便利。因此,雖然標(biāo)準(zhǔn)層面并未規(guī)定 TCP 之上需要使用 MQTT 協(xié)議,但越來越多的車路協(xié)同示范項(xiàng)目以及一些 V2X 開源架構(gòu)項(xiàng)目中,MQTT 協(xié)議已經(jīng)成為主要的車云間、路云間交互協(xié)議。

面向典型車路協(xié)同系統(tǒng)的解決方案架構(gòu)

車路協(xié)同屬于多領(lǐng)域交叉行業(yè),產(chǎn)業(yè)鏈涉及車路協(xié)同通信模組、路側(cè)及車端通信設(shè)備、路側(cè)感知設(shè)備、路側(cè)計(jì)算單元設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、云控平臺系統(tǒng)以及車端自動駕駛系統(tǒng),項(xiàng)目建設(shè)中也需要產(chǎn)業(yè)鏈各方通力合作。EMQ 可為車路協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈提供車路協(xié)同云控基礎(chǔ)平臺資源連接、數(shù)據(jù)接入層基礎(chǔ)軟件以及數(shù)據(jù)「采集-移動-傳遞-對接」的整體解決方案,基于自研產(chǎn)品為客戶打造完整的云控物聯(lián)基礎(chǔ)架構(gòu),助力快速構(gòu)建云控平臺。

EMQ 車路協(xié)同整體解決方案以基于 MQTT 消息采集和傳遞框架為核心,結(jié)合分布式 MQTT 消息服務(wù)器 EMQX 和創(chuàng)新的流處理數(shù)據(jù)庫 HStreamDB 打造系統(tǒng)數(shù)據(jù)中樞,解決車路數(shù)據(jù)采集、匯聚、傳遞、計(jì)算、存儲及管理等方面諸多挑戰(zhàn),讓客戶可基于此架構(gòu)快速構(gòu)建車路協(xié)同云控平臺的資源連接層、數(shù)據(jù)處理層,并實(shí)現(xiàn)這兩層與數(shù)據(jù)共享層的銜接。

其中,作為基于 MQTT 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)接入平臺,EMQX 為實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同高性能、高可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、移動、處理和集成提供動力:

多協(xié)議設(shè)備接入能力:除了支持 MQTT 3.1/3.1.1/5.0,同時(shí)支持 LwM2M、CoAP、MQTT-SN 或 TCP/UDP 私有協(xié)議接入,支持車載通信單元通過 MQTT 或 JT-808/GBT-32960 車聯(lián)網(wǎng)專業(yè)協(xié)議接入,能適應(yīng)項(xiàng)目中不同的設(shè)備協(xié)議,實(shí)現(xiàn)全量設(shè)備統(tǒng)一接入。

千萬級并發(fā)連接、百萬級數(shù)據(jù)吞吐、毫秒級實(shí)時(shí)消息路由:基于高可用、分布式集群架構(gòu),支持百萬到億級海量并發(fā)連接、毫秒級軟實(shí)時(shí)消息路由、百萬級 TPS 數(shù)據(jù)吞吐,滿足城市級規(guī)模車路系統(tǒng)在「路側(cè)-云端-車端」之間的雙向移動。

強(qiáng)大規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)接入數(shù)據(jù)預(yù)處理歸一化:提供內(nèi)置的規(guī)則引擎,在接收車路設(shè)備數(shù)據(jù)后,通過 SQL 語句低代碼形式就可以創(chuàng)建規(guī)則將來自不同設(shè)備、結(jié)構(gòu)有差異的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)編解碼、篩選、聚合、模板歸一化,再根據(jù)不同應(yīng)用需求,將處理數(shù)據(jù)零代碼、高性能橋接集成到多種消息隊(duì)列及 SQL / NoSQL /時(shí)序列數(shù)據(jù)庫。

多種接入認(rèn)證保證系統(tǒng)安全:支持 TLS/SSL(包含國密算法)雙向認(rèn)證、內(nèi)置/外置賬密數(shù)據(jù)庫源認(rèn)證、一機(jī)一密方案適配,以及擴(kuò)展與第三方 C-V2X CA 認(rèn)證平臺進(jìn)行認(rèn)證對接。

支持靈活的消息分發(fā)及管控:通過 MQTT 基于主題的發(fā)布/訂閱模式進(jìn)行消息傳遞,能夠支持車路數(shù)據(jù)按照類型、所屬路口、設(shè)備廠商等多維度進(jìn)行靈活分類和路由轉(zhuǎn)發(fā),訪問控制機(jī)制能夠?qū)Σ煌K端進(jìn)行信息發(fā)布和訂閱的權(quán)限控制,方便上層應(yīng)用調(diào)用數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。

提供豐富的 API 供上層應(yīng)用平臺集成:V2X 消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊可以通過消息發(fā)布、主題訂閱等接口基于 EMQX 強(qiáng)大性能實(shí)現(xiàn) V2X 消息高并發(fā)轉(zhuǎn)發(fā);數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用可通過 API 獲取連接數(shù)、訂閱數(shù)、消息流量監(jiān)控,運(yùn)維管理可通過上下線消息通知實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況。

作為首個(gè)專為流數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的「流原生數(shù)據(jù)庫」,HStreamDB 能夠?qū)?EMQX 輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲、管理、動態(tài)實(shí)時(shí)分析:

輕松支持存儲和管理大規(guī)模的數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)以流為單位進(jìn)行組織和訪問,在大量數(shù)據(jù)流并發(fā)讀寫的情況下仍然能夠保持穩(wěn)定的讀寫延遲。

完整的基于事件時(shí)間的狀態(tài)化處理方案,支持過濾、轉(zhuǎn)換、聚合以及基于多種時(shí)間窗口的計(jì)算,同時(shí)也支持亂序和晚到消息的特殊處理,保證 V2X 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。

輕松靈活的數(shù)據(jù)集成,提供了多種常用上下游服務(wù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)對接,方便用戶和外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行集成開發(fā)應(yīng)用。

賦能云控平臺關(guān)鍵業(yè)務(wù)場景

在典型車路協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)中,邊緣計(jì)算單元會上傳傳感分析結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),主要包括交通參與者感知數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通常為大小在 3-5KB、頻率為 1 或 10Hz 的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

每個(gè)路口的邊緣計(jì)算設(shè)備通過 MQTT 協(xié)議可將數(shù)據(jù)推送到對應(yīng)路口編號與設(shè)備編號所標(biāo)識的 MQTT Topic,借助 EMQX 高并發(fā)能力以及 MQTT 的訂閱發(fā)布模式,能對示范區(qū)域內(nèi)各路口的感知數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)接入?yún)R聚。EMQX 強(qiáng)大的內(nèi)置規(guī)則引擎能夠?qū)?shù)據(jù)接入進(jìn)行編解碼、篩選、統(tǒng)一格式等處理,再將數(shù)據(jù)橋接到 HStreamDB 或其他數(shù)據(jù)隊(duì)列、數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲或進(jìn)一步計(jì)算。云控平臺上層用于系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行消費(fèi),并調(diào)用 EMQX 豐富的 API,快速實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)。

V2X 消息生成和下發(fā)

V2X 消息生成和下發(fā)負(fù)責(zé)將路側(cè)交通情況、交通事件等數(shù)據(jù)與車輛上報(bào)的基本信息進(jìn)行分析、匹配、下發(fā),借助 5G Uu 空口實(shí)現(xiàn)告警、交通信息、服務(wù)信息向車端的傳遞推送,也可以先發(fā)送到對應(yīng)路口 RSU,再由 RSU 在路口區(qū)域內(nèi)廣播發(fā)布。

該模塊可以從 HStreamDB 中實(shí)時(shí)消費(fèi)路側(cè)上傳的交通參與者感知數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù),根據(jù) V2X 國標(biāo)消息格式生成行人位置信息 RSM、擁堵提醒 RSI 消息、事故告警 RSI 等應(yīng)用場景消息,并綜合每個(gè)路口 MAP 地圖消息中的地理信息、事件的位置信息、車載 OBU 上傳的 BSM 消息中車輛位置信息進(jìn)行匹配、分析,決策出每個(gè)消息下發(fā)的目標(biāo)。再通過調(diào)用 EMQX 消息訂閱發(fā)布能力將應(yīng)用場景消息下發(fā)給相應(yīng)的車載 OBU。OBU 解析消息內(nèi)容,通過車上的人機(jī)交互設(shè)備完成信息內(nèi)容的傳遞實(shí)現(xiàn)輔助駕駛,或?qū)鬟f信息內(nèi)容給自動駕駛計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)感知輔助。

云控可視化

云控可視化功能通常基于電子地圖或高精度地圖實(shí)現(xiàn)交通元素孿生展示、云控事件告警、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)看板,該功能模塊可以從 HStreamDB 中實(shí)時(shí)消費(fèi)路側(cè)上傳的交通參與者數(shù)據(jù),疊加在高精度地圖或三維建模環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)交通全要素的動態(tài)精準(zhǔn)孿生再現(xiàn);也可以實(shí)時(shí)消費(fèi)各類交通事件 RSI 消息,形成交通事件在高精地圖的實(shí)時(shí)告警、應(yīng)用場景在示范區(qū)域的分布情況統(tǒng)計(jì)等;或其從 HStreamDB 或其對接的其他數(shù)據(jù)庫中拿取持久化的歷史數(shù)據(jù),用作大數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)歷史交通流量分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、軌跡回溯等業(yè)務(wù)。云控模塊還可以調(diào)用 EMQX 豐富的消息吞吐統(tǒng)計(jì) API,輕松實(shí)現(xiàn)云控平臺上下行消息統(tǒng)計(jì)、不同時(shí)間維度的消息吞吐統(tǒng)計(jì)展示。

另外,客戶端上下線事件通知、客戶端詳細(xì)信息查詢 API 等,可以支撐云控平臺設(shè)備狀態(tài)監(jiān)管、路側(cè)設(shè)備注冊管理、車輛注冊管理等運(yùn)維管理功能。

在不同項(xiàng)目中,EMQ 的云控基礎(chǔ)設(shè)施解決方案能夠根據(jù)客戶需求適配物理機(jī)、容器/K8S、私有云、混合云及公有云多種部署方式,與客戶應(yīng)用系統(tǒng)部署在同一環(huán)境中,幫助客戶快速實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目中異廠商設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、匯聚和移動,快速搭建高性能、高可靠、多功能的車路協(xié)同云控平臺。

賦能未來「多級云控、云邊協(xié)同」

未來的車路協(xié)同云控平臺「邏輯協(xié)同、物理分散」的多級分層架構(gòu),邊緣云在實(shí)現(xiàn)接入路側(cè)及車端設(shè)備數(shù)據(jù)移動的同時(shí),也需要邊緣云與邊緣云之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以保證應(yīng)用服務(wù)的連續(xù)性,區(qū)域云和中心云需要從邊緣云同步接入或處理生成的關(guān)鍵數(shù)據(jù),這些都對云控基礎(chǔ)平臺接入、移動能力提出了更高的挑戰(zhàn)。

EMQX 具備靈活的數(shù)據(jù)橋接能力,當(dāng)作為云控基礎(chǔ)平臺的接入平臺時(shí),能夠連接部署在其他區(qū)域及云端的其他多個(gè) EMQX 或者其他 MQTT 消息中間件,支持設(shè)定規(guī)則把指定主題的消息轉(zhuǎn)發(fā)至橋接節(jié)點(diǎn),橋接節(jié)點(diǎn)收到消息后在本節(jié)點(diǎn)/集群中轉(zhuǎn)發(fā)該消息。三級云控往往部署在不同環(huán)境的云資源上,EMQX 支持跨 VPC 部署,提高整個(gè)三級架構(gòu)的覆蓋能力;支持異構(gòu)節(jié)點(diǎn)橋接,如果其他邊緣云或區(qū)域云采用一些使用其他協(xié)議的消息服務(wù)作為數(shù)據(jù)接入網(wǎng)關(guān),如果有協(xié)議適配器,也可以通過橋接轉(zhuǎn)發(fā)消息過去。

在云邊協(xié)同方面,EMQ 提供邊緣流數(shù)據(jù)計(jì)算引擎 eKuiper 以及云邊協(xié)同管理模塊。eKuiper 能夠部署在路側(cè)邊緣計(jì)算單元,對路側(cè)計(jì)算單元輸出的路側(cè)感知結(jié)果進(jìn)行云端所配置的數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)篩選數(shù)據(jù)處理規(guī)則,以適應(yīng)不同路口不同的應(yīng)用場景需求。同時(shí)能集成機(jī)器學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)等算法框架,配合云邊管理及影子服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)云端算法向路側(cè)計(jì)算單元的遠(yuǎn)程下發(fā)、異步下發(fā),作為未來路側(cè)算法升級及應(yīng)用擴(kuò)展的通道,增強(qiáng)系統(tǒng)的可拓展性。

未來展望

車路協(xié)同領(lǐng)域是智慧交通、智能網(wǎng)聯(lián)汽車及智慧城市融合的新型行業(yè)。EMQ 多年來也在與中國移動等客戶共同積極探索車路協(xié)同試點(diǎn)示范的落地。目前,基于面向車路云一體化云控基礎(chǔ)設(shè)施解決方案已被運(yùn)用到重慶、廈門等地的國家級或地區(qū)級車路協(xié)同示范項(xiàng)目中,為車路協(xié)同云控平臺提供車路數(shù)據(jù)采集、匯聚、傳遞、計(jì)算、存儲及管理等方面能力支持。例如重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)車路協(xié)同二期項(xiàng)目,EMQ 的車路協(xié)同解決方案助力中國移動上海產(chǎn)業(yè)研究院實(shí)現(xiàn)了車-路-云數(shù)據(jù)連接,支撐客戶構(gòu)建了示范區(qū) 5G 時(shí)空信息車路協(xié)同服務(wù)平臺。

未來,EMQ 將和合作伙伴共同探索下一階段車路協(xié)同技術(shù)架構(gòu)演進(jìn)以及大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

推動流式數(shù)據(jù)庫在車路協(xié)同的應(yīng)用

依托「流原生數(shù)據(jù)庫」HStreamDB 的大規(guī)模數(shù)據(jù)流計(jì)算、存儲及管理能力,逐步試點(diǎn)優(yōu)化目前車路云控平臺針對海量流數(shù)據(jù)處理和存儲而采用的多個(gè)分布式組件集成的解決方案,降低云控平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用構(gòu)建難度,提升系統(tǒng)可靠性及運(yùn)維效率。

推動「多級云控、云邊協(xié)同」架構(gòu)的落地及演進(jìn)

「邊緣-區(qū)域-中心」三級式分層的車路協(xié)同云控平臺架構(gòu),是支撐車路協(xié)同走向大規(guī)模商業(yè)化階段的重要技術(shù)路徑。EMQ 將結(jié)合自身產(chǎn)品云邊協(xié)同布局以及多級協(xié)同的產(chǎn)品能力,與云控平臺建設(shè)探索多級云控平臺的實(shí)現(xiàn),與路側(cè)邊緣計(jì)算單元提供商共同探索基于云邊協(xié)同的靈活邊緣計(jì)算、算法更新等應(yīng)用場景的打造,推動「多級云控、云邊協(xié)同」架構(gòu)的落地驗(yàn)證及后續(xù)演進(jìn)探索。

探索創(chuàng)新技術(shù)方案

探索 MQTT over QUIC 技術(shù)在車路協(xié)同系統(tǒng)的應(yīng)用。QUIC 是下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 HTTP/3 的底層傳輸協(xié)議,致力解決弱網(wǎng)絡(luò)、頻切換、易擁塞等問題。EMQ 正積極推進(jìn) MQTT over QUIC 的標(biāo)準(zhǔn)化落地,同時(shí)結(jié)合 5G 網(wǎng)絡(luò)探索實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同所需的全場景低時(shí)延、高可靠傳輸。

促進(jìn)車與路進(jìn)一步加深協(xié)同

EMQ 產(chǎn)品在路側(cè)設(shè)備與云端互聯(lián)、車聯(lián)網(wǎng)車機(jī)與云端連接兩方面都有豐富服務(wù)和系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn),EMQ 將進(jìn)一步將數(shù)據(jù)連接能力延伸至生態(tài)連接、應(yīng)用連接,協(xié)同車輛主機(jī)廠、路側(cè)設(shè)備供應(yīng)商、云控平臺建設(shè)方共同探索車與路之間更緊密的協(xié)同,形成可落地、有價(jià)值的商業(yè)化應(yīng)用場景。

審核編輯：湯梓紅