工业互联网在高速公路数字化场景下的适配与应用研究

邱 暾

(辽宁艾特斯智能交通技术有限公司 沈阳市 110166)

0 引言

自2012年美国通用公司(GE)提出并倡导工业互联网概念的十年以来，工业互联网逐渐由概念向试点转变[1]。工业互联网面向的是工业级要求的场景，其目的是在更广域、更小颗粒度、更多样异构的范围内互联设备和系统。

我国2016年成立工业互联网产业联盟以来出台了一系列行业标准和联盟标准。这些标准促进了多个行业试点应用，包括设备运营管理、生产过程调度、设备间协同、数字化对象服务等多种类型[2-5]。

随着汽车行业在工业互联网标识行业应用的逐步探索和开展，道路交通尤其是高速公路行业数字化转型对工业互联网的需求也日趋明确。图1为高速公路数字化场景下工业互联网框架结构图，如图2所示，我们对工业互联网如何在高速公路数字化场景下进行适配和应用进行了设计和研究。

1 高速公路数字化的互联需求

高速公路数字化转型过程中可以预见以下重要互联趋势：跨地域、路径上下游、人车路和跨行业。

1.1 跨地域的互联需求

(1)全国高速公路路网整体联动性日益明显，跨省清分结算和运营服务的复杂度和精准度对跨地域尤其是跨省之间的数字信息互联提出新要求。

(2)高速公路的运输经济效益及社会效益具有明显的地域特点，在国内大循环的背景下，如何做好跨地域高速公路流通环节的数字信息的互联互通成为愈发重要的落脚点。

1.2 路径上下游的互联需求

(1)如何通过高速公路交通事件发生之前路径上下游的交通流相关数据在时空上的异常分布发现前兆，对上下游的数据互联有迫切的需求。

(2)如何在高速公路交通事件发生之后将交通事故所在车道、距离、事故类型等信息准确无误地向上下游的行驶车辆、可变情报板快速传递的需求。

1.3 人车路的互联需求

(1)高速公路通行人员对车辆状态、道路状态数据获取需求在频次、规模、预见性方面不断增加。

(2)整体汽车产业在往辅助驾驶、自动驾驶、新能源、车辆网等新方向不断聚焦和变革。

(3)路侧通信基站、路况气象传感器、服务区充电桩等新基建在不断试点优化和逐步扩大规模。

1.4 跨行业的互联需求

高速公路在跨行业、跨领域融合发展中的重要角色是路衍经济。与工程建设、智慧物流、智慧城市、出行消费服务、行业金融等衍生体系进行密切协同发展的重要前提是高效的、智能化的、精细化的跨行业互联。

2 工业互联网的构建适配要素

面对高速公路数字化的互联需求，工业互联网的构建适配要素将重点围绕以下方面展开研究。

图1 高速公路数字化场景下工业互联网框架结构图

图2 工业互联网在高速公路数字化场景下进行适配和应用

2.1 行业型二级节点

各省高速公路企业适合以合资方式构建工业互联网的行业型二级节点，主要围绕高速公路数字产业开展标识编码管理和分派、数字化系统建设和运营、标识数据接口的对接和扩展等工作。

(1)结合高速公路运营管理规程设计相应的编码规则、技术标准、管理规范和运营规范等。

(2)构建具备标识的注册、解析、查询、业务管理、数据管理和运行监测等核心功能。

(3)对高速公路机电设备、基础设施、数据资源开发不同类型的标识应用。

(4)根据高速公路行业安全的特殊要求和接口规范，在国家顶级节点、企业节点、递归节点、标识注册管理单位之间进行安全保障体系的建设。

2.2 企业标识解析节点

(1)实现省域高速公路机电设备标识解析，实现行业型工业互联网示范。

(2)实现数字化转型范例，完成省属国有企业生产要素数字化(收费站、服务区、路段、分中心、桥梁、隧道等一系列生产运营基础设施和要素)。

(3)实现与工程建设、智慧物流、智慧城市、出行消费服务、行业金融等衍生行业企业标识解析节点的互联互通，挖掘相应的数据价值解析服务等。

2.3 不同类型解析协议长期共存

传统DNS存在标识主体单一、解析结果固化、安全风险较高等工业级场景下无法直接使用的不足，为此分别从高效、灵活、可靠等不同角度先后提出不同类型的工业互联网标识解析体系，包括标识码(Handle)、对象标识符(OID)、Ecode、UID、区块链等不同类型以应对不同场景需求。

(2)物联网设备：可利用OID不受底层设备影响、分层树状结构可映射为DNS树的一部分的特点，针对高速公路领域的部、省、路段分层级的管理结构需求，结合已有物联网的机电设备和传感器的对象类型和对象顺序码进行构建，实现注册、分配、解析和查询服务。

(3)长期稳定的数据：对于版本、编码体系、厂商等信息长期稳定，标识检索要求快的物联网对象，可采用国家标准GB/T 31866的Ecode体系。

(4)环境感知设备：针对需要进行泛在计算的环境感知需求，可以采用UID通过对实物、位置、地点、对象等数字对象进行泛在标识编码，并建立起关联关系，从而可以提供位置定位、环境理解、自动执行泛在计算任务等服务。

(5)数字对象安全：对于高速公路涉及用户高度隐私信息、路网核心业务和数据、关键数据的可信管理等方面的需求，应采用区块链软硬件体系来构建标识解析，有效提示安全风险预防能力。

2.4 面向车路协同时间敏感网络

(1)应用和完善时间敏感网络相关标准。IEEE 802.1工作组的时间敏感网络(TSN)标准化解决方案为高速以太网和IP通信提供实时和可靠性增强，通过时间同步、冗余通信路径、帧抢占、闭环控制、循环调度、网络入口过滤和监管、异步流量整形等具体标准的完善以支持高达L5级的自动驾驶系统。我国工业互联网产业联盟也相继推出时间敏感网络的网关设备技术要求、可靠性技术要求、安全技术要求等标准。

(2)逐步构建不同带宽等级的自适应路侧网络架构。越来越多新一代汽车在功能领域处理将需要处理机器视觉、激光雷达、红外雷达等产生的大量新兴数据，随着多媒体、导航信息、主动安全和高级驾驶员辅助系统在智能汽车的深入应用，车辆行驶过程中的对支持10Mb/s、1000Mb/s甚至10Gb/s的不同带宽等级的应用需求。

2.5 严格的安全与可靠性

在高速公路数字化场景下，工业互联网的构建必须要满足高度的安全与可靠，尤其是提供高可靠的时钟源和传输链路冗余。

贵州省的旅游资源主要是自然景观和民族文化资源。“古苗疆走廊”沿线的民族文化遗产具有其自身鲜明的特色，但是在普通游客看来，这些旅游资源在云南同样存在并且云南的更加出名。比如：云南大理城、泸沽湖畔的摩梭人、苍山、洱海等。反观贵州，虽然有多样的民族文化资源“宝库”的称号，但是，长期以来，却被打上了“夜郎自大”、“黔驴技穷”等负面标识。并且，贵州虽不是边疆，但却常被视为边远之地。这些长久以来在人们心中形成的刻板印象，给贵州的对外宣传造成了巨大的阻力。除此以外，由于没有形成一套完整系统的旅游配套服务设施，景区开发程度还比较低，不足以支撑乡村旅游的健康发展。

(1)路侧通行基站需在网络时间主机和数据传输路径两个车路协同关键要素方面提供冗余机制。其中时钟冗余能够处理链路、端口或主时钟本身的故障，并行使用多个同步主时钟以及多个时钟同步路径实现主时钟故障的快速反应。

(2)对于车辆机器视觉系统等对于延迟极其敏感的传感器数据来说，数据包重传是不可接受的。因此需要支持IEEE 802.1CB帧复制和消除可靠性标准让终端通过不相交的路径发生帧的两个副本来克服重传丢包问题。

3 工业互联网的应用场景

3.1 短期的应用场景

目前的高速公路主要还是为非自动驾驶车辆设计的。一种短期内可行的举措是将传统高速公路进行数字化和虚拟化，从而向非自动驾驶车辆提供更舒适、更安全和更快捷的通行服务；同时还可提升高速公路运维效率。

(1)提升服务区综合服务能力

对于服务区停车场景，可借助终端传感器和停车场广角摄像头构建服务区停车位的实时数字停泊状态地图，然后以网络微服务的方式向高德、百度、腾讯及交通APP提供实时的停车位数量和位置的信息。

对于服务区加油场景，一方面可借助服务区上下游局部区域路网内入出口站、ETC门架、服务区入出口的进出车辆的断面流量，结合加油站的排队车辆数量和平均加油时间，通过传统的情报板方式和网络微服务+导航类APP的模式推送加油引导推荐信息；另一方面借助广泛普及的车载ETC设备和IEEE 802.11p(DSRC)协议、用户手持的移动终端设备和蓝牙WiFi等短距离无线通信协议、电子支付平台等实现加油操作全流程的信息互联，实现个性化加油量快速预约、快速无感支付，缩短加油时间。

(2)提供路段级粗粒度的出行信息服务

高速公路设计时速快与行驶车辆可视前方距离相对较短的特点，导致行驶车辆对路段交通流的实时容量和通行能力较为敏感。可以通过区域路网内入出口站、路段ETC门架以及路网模型计算10～20km长度路段级的车辆类型占比、车辆数量、平均车速等交通流状态，并通过网络微服务方式向上游车辆手机移动导航类APP发送相关信息；此外在施工作业路段、交通事件发生路段及时通过施工人员和救助人员手持专用终端借助网络微服务方式向上游车辆手机移动导航类APP发送相关信息，从而辅助上游车辆采取合理的行驶速度、行驶车道等更安全的驾驶策略。

(3)机电设备的高效运维

对高速公路沿线部署的机电设备按照设备的类型、位置、厂商型号、安装信息、使用信息和维护信息构建企业级的工业互联网标识解析系统，同时根据机电设备的业务场景分别适当布设被动式标识载体(条形码、二维码、射频电子标签)和主动标识载体(集成电路卡、芯片、通信模组等)来实现对高速公路所有机电设备的产品厂商追溯、全生命周期管理和预测性维护。

3.2 长期的应用场景

在可预见的未来10～20年内，工业互联网对高速公路的渗透将带来道路基础设施的数字化升级、自动驾驶车辆(CAV)联网、交通标志数字化和协同化三大类型应用场景。

(1)道路基础设施的数字化升级

道路将从具有交通密集系统的纯机械沥青结构向测量和引导系统转变。已有线路将在路侧进行传感器布设，新建线路将增设嵌入道路结构放置，实现数字车道和车道边界、数字交通路线规划和引导、车道级交通引导等数字化升级改造，从而为车辆能够更紧密地安全快速行驶，提升车道通行能力构建基础设施物理条件。

(2)自动驾驶车辆(CAV)联网

CAV依赖于智能道路基础设施在传感和通信大规模部署；高投入的智能道路基础设施的大规模投资建设又反过来需要足够高的CAV普及率和成熟的商业模式。一旦自动驾驶汽车(AV)达到临界数量和较高比例，工业级可靠标准要求下车辆协同的时间敏感网络的数字化使智能道路能够提高车道容量并增加道路能力。通过车联网(V2X)、4G/5G、Wi-Fi、低功耗宽局域网(LPWAN)、ZigBee和光纤等通信技术助力高速公路基础设施数字化和虚拟化，创造新的出行服务附加值，增强CAV的安全性和可靠性。

(3)交通标志数字协同化

围绕低成本、高密度、低功耗(例如太阳能)的物联网设备在高速公路的路侧的部署，将警告类、禁令类、指路系统、复杂路段等类型的交通标志数字化(具体包括桥梁、隧道、护栏、入口预告、出口预告、旅游区、重合路段分离点、出入口匝道等标志或标线)并接入车路协同的工业互联网。从而为行驶中的CAV提供临域内前后车辆的转向信号、刹车信号、双闪信号；施工作业或气象灾害区域的数字透明墙；入出口匝道数量、排队长度、通行类型；更精准和超视距的道路信息等交通含义更丰富的协同信息。

4 结束语

高速公路作为当今交通基础设施移动性的核心要素，在工业互联网的不断推广和深度适配的发展趋势下，数字化升级改造后的高速公路将不仅仅具有物理交通的基本属性，在信息集成和互联互通方面进行更高级别采集、交换、挖掘、追溯、管理、服务等方面将表现出更强的数字产业化属性，创造更多的经济社会效益附加值。