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摘要：取消省界收费站后，高速公路门架和车道收费系统等边缘智能计算感知设备覆盖密度急剧扩大，在线设备监测数据量呈现爆发式增长，关键业务系统、设备设施运行保障压力骤然加强，传统基于云计算架构的机电运维管理系统存在着设备监测数据传输网络压力大、延时增加、计算复杂度加强的局面，针对云南高速机电监测运维现状，依据路网监测运维的实际需求，研究引入边缘计算技术对监测数据进行边缘化处理，将监测数据采集处理任务下沉至基层路段、管理处，减少响应时间，提升数据处理能力，减少网络带宽，保证数据安全，将运维业务功能按照路网统一运维要求部署在集团大数据中心云平台，构成1+N的基于边缘计算和云技术构架的高速公路机电监测运维管理平台，实现在路段、管理处层面完成各类路网机电设备运行监测原始数据采集、预加工、计算、处理，形成高质量、高价值的数据资产，一定程度上分担撤站后大数据中心海量监测数据处理压力，推动基层管理处与集团大数据服务中心数据高效整合集成，达到从终端到顶层业务平台的信息透明、数据一致、处突及时的目标，驱动机电设备报修、计量等运维管理业务流程开展，提升设备报修响应时间和处置效率，从而构建“边云协同”的高速公路智慧运维体系。

关键词：高速公路;边缘计算;云技术;机电监测;运维管理;

1 背景与问题

云南省交通投资建设集团有限公司（简称：云南交投）目前管养全省高速路里程超过4000公里，占全省高速公路总里程的70%，取消省界收费站项目实施后，全国高速公路路网运营形成了“一张网”的新格局，交投高速路网运营呈现出门架和车道收费系统等边缘智能计算感知设备覆盖密度急剧扩大、在线设备监测数据量爆发式增长，关键业务系统、设备设施运行保障压力骤然加强的态势，传统基于云计算架构的机电运维管理系统存在着设备监测数据传输网络压力大、延时增加、计算复杂度加强的局面，考虑到未来与智慧高速相关的智能驾驶、车路协同等技术的应用发展，感知单元密度、数据量将会成倍增长，相关路网机电设备监测运维工作将更加严峻。

基于以上背景，依据路网监测运维的实际需求，在路网机电运维管理体系中引入边缘计算技术在靠近路网机电设备数据源头边缘侧对监测数据进行边缘处理，将监测数据采集处理任务下沉至基层路段、管理处，利用边缘计算的优势，减少响应时间，提升数据处理能力，减少网络带宽，保证数据安全，同时将运维具体业务功能按照路网统一运维的要求部署在交投集团大数据中心云平台，构成1+N的基于边缘计算和云技术构架的高速公路机电监测运维管理系统。实现在路段、管理处层面完成对各类路网机电设备运行监测原始数据采集、预加工、计算、处理，形成高质量、高价值的数据资产，一定程度上分担撤站后大数据中心海量监测数据处理的压力，推动基层管理处与集团大数据服务中心数据高效整合集成，达到从终端到顶层业务平台的信息透明、数据一致、处突及时的目标，驱动机电设备报修、计量等运维管理业务流程开展，提升设备报修响应时间和处置效率，从而构建“边云协同”的高速公路智慧运维体系。

2 项目基础条件

2.1 国内外发展现状

边缘计算使得数据处理更加接近数据产生的源头，而不是在云端或者是其他的数据中心处理[1]，边缘计算的发展与面向数据的计算模型的发展密不可分。为解决面向数据传输、计算和存储过程中的计算负载和带宽问题，在边缘计算产生前，研究者进行了数据边缘处理和计算任务迁移的研究，主要包括分布式数据库模型、对等网络、内容分发网络等。分布式数据库主要包括SQL、NoSQL以及NewSQL分布式数据库等，主要用于实现大数据的分布式存储和共享，较少关注设备端的异构计算和存储能力，且所需空间较大，数据隐私性较低[2]。

面对物联网加速发展带来的网络高负荷问题，满足相关应用高带宽、低延时的要求，2014年国际标准组织ETSI提出了边缘计算技术。近年来随着5G技术的成熟以及物联网、云计算技术的蓬勃发展，使得物联网业务数据产生了爆发式增长，庞大的数据量以及低延时应用要求所带来的网络吞吐、算力资源消耗等问题是传统云计算架构很难高效完成的任务。在此情况下，着力研究使计算前置化以更接近数据产生的源头，而不是完全依赖于云端或数据中心的边缘计算技术作为传统云计算架构的补充，越来越受到人们的重视。

目前边缘计算作为新兴计算模式，在国内外已经引起很大的研究热潮，相关研究热点集中在计算方案优化上，主要是终端设备与边缘节点之间的计算协同、边缘节点与云平台之间的计算协同。

2.2 建设基础

云南交投集团在“智慧高速”一期建设工作中，有针对性地投入建设了以高速运维流程管理为重点的云南交投高速机电系统运维管理服务平台。该系统于2015年上线运行，系统规范并实现了设备入库、出库、安装、报修、维修、报废、日常养护等运维管理业务流程，通过对运维平台的设计与实现，将全网高速路网机电设备设施的运维服务纳入到了统一的信息化管理服务体系，建立了覆盖设备全生命周期的运维管理标准规范，加强了中心一级对于全省运维工作的监管和决策力度，对于集团“智慧高速”整体信息化项目的建设起到了基础性、保障性的作用，在实际应用中取得了良好的效果，也为本次基于边缘计算和云技术构架的高速公路机电监测运维管理系统应用研究项目打下了扎实的业务和技术基础。

3 目标规划

3.1 总体目标

围绕集团路网机电设备集中监测，分级管理，统一运维的指导思想，项目建设总体实现以下目标：

1.建立全路网收费设备运行感知监测边缘计算架构，利用分布式通信组件建立高性能、高可靠的实时数据采集系统。实现设备，边缘节点，云平台的数据高性能整合。

2.基于设备运行感知历史数据，建立各类设备风险控制分级阀值，实现路网机电设备设施运行异常分级预警机制。

3、基于人工智能、机器学习等数据分析技术，结合专家经验，建立对于各项异常信息处置专家意见库和推荐处置方法

3.2 建设目标

依据构建“边云协同”的高速公路智慧运维体系思路，以提升云南高速公路机电监测运维管理服务为导向，项目具体实现以下目标：

（1）基础架构：建立路网机电设备设施运行感知监控基础架构，对高速路段、隧道、门架、收费、网络等相关监控、安全、感知分析设备设施、软硬件系统统一规范、统一建档、统一监控、集中管理，实现路网道路、隧道多类外场设备、监测子系统的实时采集、控制及相关路网监控管理基础业务。

（2）边缘计算分析能力：建立面向集团基层路段级边缘计算分析能力，在管理处、路段侧建立边缘计算平台，基于设备运行感知历史数据，建立各类设备风险控制分级阀值，实现路网收费设备设施运行异常分级预警机制。对于异常事件信息，在管理处设置联动处置能力，同时基于人工智能、机器学习等数据分析技术，结合专家经验，建立对于各项异常信息处置专家意见库和推荐处置方法。

（3）实时监测数据传输体系：建立基于消息中间件的实时监测数据传输体系，数据的准确性、完备性及时效性，是业务处理的关键，边缘异构应用服务之间、服务与运维之间的数据传输、交换、处理及共享是重要环节。消息总线为平台提供实时、高效、可靠、跨越不同操作系统、不同网络的消息传送服务。

（4）三维模型数据字化信息库：建立基于 三维建模的路网设备数字化信息库，基于轻量BIM建模、3D引擎、物联网等技术建立基于三维模型的高速公路路网机设备资产数字化管理平台，实现路网机电设备、设施资产全要素数字化信息库。

4 总体建设方案

4.1 建设思路

依据总体目标规划，为促进路网机电运维监测管理信息化建设务实推进，本次项目建设思路按照“基层路段试点，基础业务先行，区域信息整合，管理决策提升，逐步整合推进”的方针分两阶段进行项目建设工作。

第一阶段：从路网最基本设备运行信息采集、状态感知着手，选择试点路段部署边缘计算平台，配合路段级运营管理需求，围绕收费业务运行监管、车辆异常行为识别、路段交通运行状态分析、道路隧道应急事件指挥调度建立前端数据采集、加工、整合、分析计算机制，实现全面高质量的路段实时运行数据治理，完成与运维平台实时对接，驱动实现试点路段设备运行信息实时监测，精准分析，自动报修，快速派单，精准处置。

第二阶段：在前一阶段建设的基础上，建设路网全面覆盖边缘计算技术体系，实现统一标准的规范的设备监测运行数据资产架构，推动路网统一、高效运维管理，建立面向路网高速路网运维管理各部门的知识库，分析库。为运维人员提供情报检索、知识获取的内容管理平台，为管理人员提供流程分析、设备风险评估，运维服务评价，运维成本估算等功能决策支持平台，提升路运维效能。

4.2 总体架构

依据建设目标思路，本次项目总体架构设计如下：

基础设施层

提供平台正常运行基础网络、存储、服务器、操作系统、数据库等系统软硬件基础设施环境。

边缘层

边缘层为门架、道路、隧道、收费、网络、视频设备、系统感知、监测，运行数据接入层，主要功能如下：

（1）部署外场门架系统、收费系统、监控系统数据采集。

（2）部署数据预处理服务，完成基于门架、隧道、收费等重点业务系统运行数据预处理和交通事件预处理。

（3）部署实时性要求较高的数据转发服务。

数据层

平台数据资源层，以数据库、数据仓库技术为基础，包含数据资源（结构化和非结构化数据）和数据缓存，为支撑层提供数据交换、传输、共享、计算、加工存储体系。

支撑层

支撑层是以GIS服务、视频集成、实时计算、批量计算和数据交换共享构成的基础支撑平台，提供支撑运维平台运行的相关技术组件、应用组件以及服务注册、业务流程、规则管理、跨系统的信息交换流程编排、数据交换、数据分析、信息检索等基础平台功能。

应用层

应用层为平台具体功能的逻辑实现层，按项目建设规划主要实现。

5 建设内容

基于高速路网运营管理路网数字化、管理智能化，服务智慧化的建设要求，项目主要建设内容可归纳为“完善运维监测体系，构建边缘计算能力，建设边云协同平台，实现运维全流程闭环管理”。

5.1 完善运维监测体系

完善基于边缘计算的路网机电设备运行监测体系，对发布在各路段ETC门架、收费站、收费车道、道路、隧道等多个系统的异构协议外场机电设备进行全面实时监测，同时基于前期智慧高速规划，研究制定各类外场设备路网统一数据接口服务标准，向交投集团大数据中心运维业务平台提供统一格式的数据对接服务。主要研发内容如下：

（一）收费系统监测

基于集团管理处收费现状，灵活扩充收费数据采集方式方法，加大收费数据应用深度，加强收费业务管理力度，通过数据驱动收费质量管理业务开展，满足管理处各征费管理职能部门日常收费运营全面需求。

（二）通信链路监测

全时监测路段车道、收费站、门架相关站省、站部关键传输链路、关键运行节点的通信状态，对关键通信链路的网络通断、带宽、时延、丢包率等关键运行指标进行实时监测，异常情况实时告警，基于GIS技术呈现整体通信网络拓扑的数字化、图形化、可视化监管。

（三）道路、隧道机电设备运行监测

实时采集路段隧道交通监控、通风、照明、环境、紧急呼叫、情报板、消防、供配电等相关系统数据，对交通事故、火灾等紧急事件处置情况进行监管。通过“一张图”完成路段气象、车检、事件检测等各类交调监测数据实时采集和控制，实现情报板等设备统一信息发布。

5.2 构建边缘计算能力

在路段、管理处等基层运营单位部署相关边缘计算节点，实现第一手监测数据去重、清洗、预处理和运行指标及异常运行的实时分析，形成客观准确的告警信息和运行报告，确保监测数据质量。主要研发内容如下：

（1）在管理处层面基于路段门架系统边缘节点存储数据统计ETC门架系统交易成功率、心跳数据、交易数据上传率等关键运行指标，分析评估下辖路网ETC门架总体运行健康状况，形成指导运维巡查的门架运行风控报告。

（2）对收费站、分中心、管理处等核心网络设备、安全设备、服务器等内场核心设备计算分析运行指标，合理设置告警阀值，完善分级告警机制。

（3）分析道路、隧道、桥梁等外场交调设备监测数据，基于边缘计算规则，对相关原始数据进行清洗、加工整合，过滤重复、异常数据，形成准确、可靠路段运行感知信息，在数据融合的基础上，在路侧端打通各前端系统，建立视频、情报板等设备联动机制，提高路网管控效率，提升管控水平。

5.3 实现边云协同全流程闭环管理

边缘计算借助边缘网络将云计算能力下沉至边缘节点，边缘节点的算力和存储资源与分布式的云计算技术结合，为边缘应用提供高效能力支撑[3]。

项目规划构建边缘计算平台，系统总体架构在路段、管理处引入边缘计算技术，准确感知设备运行态势，完成初步感知数据治理，支撑并实现基层现场运营业务联动处置。同时将运维具体业务功能按照路网统一运维要求部署在集团大数据中心云平台，构成1+N基于边缘计算和云技术构架的高速公路机电监测运维管理系统，实现在路段、管理处层面完成对各类路网机电设备运行监测原始数据的采集、预加工、计算和处理，形成高质量、高价值数据资产，一定程度上分担撤站后大数据中心海量监测数据的处理压力，推动基层管理处与集团大数据服务中心数据高效整合集成，达到从终端到顶层业务平台信息透明、数据一致、处突及时的目标，驱动机电设备报修、计量等运维管理业务流程开展，提升设备报修响应时间和处置效率，从而构建“边云协同”的高速公路智慧运维体系，实现机电运维全生命周期全流程闭环管理。

6 结束语

智慧高速机电监测运维管理是一个系统性的信息化工程，涉及技术、业务、管理、设计、实施等诸多环节。云南交投从2015年开始设计规划智慧高速项目，截止2018年已完成了智慧高速1、2期建设内容，初步实现了机电运维数据在路网中心一级的集中汇聚。本项目采用基层路段试点、基础业务先行、区域信息整合、逐步推进的方针，在交投集团各管理处下辖路段推广实施。通过对云南智慧高速机电监测运维管理平台的设计与实现，利用边缘计算和云技术构架的优势，对于减少响应时间、提升数据处理能力、减少网络带宽占用、保证数据安全起到了十分重要的作用，同时，通过本系统的建设，将对全省高速公路路网机电设备设施的监测运维管理服务纳入到了统一的信息化管理服务体系，建立了覆盖设备全生命周期的运维管理标准规范，加强了中心一级对于全省机电监测运维管理工作的监管和决策力度，对于云南“智慧高速”整体信息化项目的建设起到了基础性、保障性、支撑性的作用，在实际应用中取得了良好的效果。

参考文献：

[1]施魏松，刘芳. 边缘计算 [M]. 北京： 科学出版社， 2018..

[2]阿里云计算有限公司，中国电子技术标准化研究院等.边缘云计算技术及标准化白皮书[R]. 阿里云计算有限公司， 中国电子技术标准化研究院，2018.

[3]傅耀威，孟宪佳.边缘计算技术发展现状与对策[J].科技中国，2019（10）：12-15