面向自動駕駛的算網融合技術研究及發展建議分析

韓淑君，柴瑤琳，穆琙博，畢立波，李紅陽

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

當前汽車產業正在經歷轉型升級的重要技術變革期，以電動化為代表的新能源汽車和以智能化為代表的自動駕駛汽車是當前技術變革中最為重要的兩個方向。其中推動基于車路協同的自動駕駛車輛發展是當前各國政府、汽車廠商以及互聯網巨頭全力尋求突破的重要領域，也是提高道路運輸裝備的運營效率，推動道路運輸行業綠色發展，助力國家和行業“雙碳”目標實現的重要技術支撐[1]。

國家出臺了《智能汽車創新發展戰略》，為自動駕駛技術未來的發展指明了方向。

自動駕駛車輛的應用依托于“人-車-路-云”系統協同發展，其中實時計算和網絡傳輸成為了自動駕駛車輛能夠科學安全應用的關鍵。以L4級別的無人駕駛汽車為例，對比當前處于L3級別的汽車信息化水平，需要全面提升現有設備的處理能力，在芯片算力方面，需要約5 000倍的算力增長；在網絡質量方面，需要至少100 Mbps網絡帶寬以及5～10 ms的網絡延遲。

自動駕駛車輛提出的大連接、高算力、強安全的服務要求，對當前的計算能力和網絡傳輸能力提出了巨大挑戰，也成為了當前國內外學者重點關注的熱點問題。

1 自動駕駛的內涵

自動駕駛是指在不需要執行物理性駕駛操作的情況下，車輛能夠通過智能控制，代替傳統駕駛員完成車輛的安全行駛。

自動駕駛汽車是通過車載傳感系統感知道路環境，自動規劃行車路線并控制車輛到達預定目標的智能汽車。自動駕駛汽車通過車載傳感系統感知道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛[2]。

自動駕駛汽車集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發展的產物，也是衡量一個國家科研實力和工業水平的重要標志，在國防和國民經濟領域中具有廣闊的應用前景。

2 面向自動駕駛的算網融合技術體系架構

通過自動駕駛的內涵研究可知，自動駕駛車輛在路上行駛時，需要不斷接收外界傳來的海量異構信息，同時實時進行計算處理，控制車輛做出正確的行駛行為，其海量異構數據源、實時處理并控制的特性，對網絡傳輸能力和計算能力提出了較高要求[3]?！八憔W融合技術”是近年來的新興技術，是以通信網絡設施與異構計算設施融合發展為基石，將數據、計算與網絡等多種資源進行統一編排管控，實現網絡融合、算力融合、數據融合、運維融合、智能融合以及服務融合的一種新趨勢和新業態。

考慮到自動駕駛車輛場景對于泛在連接、實時計算等方面的共性要求，“計算”+“網絡”全面融合業已成為自動駕駛技術全面發展的新底座。一方面，多樣性計算將朝著網絡化的方向全面發展。邊緣側算力需求驅動了實時計算、分布式云等技術方案成為行業熱點，產業邊緣側、5G邊緣側和云邊緣側均提出了高水平的網絡服務能力要求，與此同時，綜合云計算、邊緣計算、AI計算、類腦計算、量子計算等異構計算技術難以在技術架構和服務方式方面實現能力統一，智能化算力連接是融合差異化計算能力的唯一方法[4]。因此，充分發揮算力連接的使能效應，統籌“云、網、邊、端”于一體的新一代計算技術得到了業界的高度認同。另一方面，計算化是信息通信網絡演進的重要方向[5]。當前，CT網絡正步入云網深度協同發展的新階段，以SD-WAN、SRv6為代表的Underlay /Overlay網絡技術日益成熟，然而，計算服務無感知、算力應用不親和導致現有網絡能力無法發揮智能連接的作用，因此，聚焦基礎網絡設施，全面提升底層網絡對于計算服務/應用的感知性和親和性，不僅符合網絡服務創新發展的根本需求，還可以帶動網絡技術朝向全面智能化的方向演進。

當前我國自動駕駛技術發展迅速，到2040年自動駕駛功能將普及，算網融合將能滿足智能駕駛對計算能力和任務網絡傳輸能力的需求[6]。在輔助駕駛場景中，車輛行駛過程中由于車輛外部盲區、障礙物等造成的視距外的交通安全問題，需要通過邊緣計算節點收集該車輛位置周邊的道路和交通綜合信息，并進行數據統一處理，通過車聯網輔助駕駛應用對有安全隱患的車輛發出警示信號，提高復雜路況下的駕駛安全。另一方面，通過搭建交通數字孿生體進行特殊情況下的交通車流變化推演，模擬出現交通事故或模擬舉辦大型賽事或演出，觀察車流的變化，考驗交通路網的承受能力，為城市交通主管部門制定應急預案提供決策依據。

為實現自動駕駛車輛在運行過程中所需的網絡連接、實時算力和安全運行三大要求，提出算網融合技術的參考架構如圖1所示。

圖1 算網融合參考架構Fig.1 Computing network integration reference architecture

（1）算網服務/應用

算網應用面向自動駕駛實際需求，提供多樣化算力服務。滿足車輛在不同運行工況和道路條件下，對信息基礎設施在計算能力和網絡連接方面的要求。

用戶管理：負責用戶注冊登錄以及用戶信息管理。

權限/身份認證：負責對用戶進行身份認證，明確資源使用權限。

服務計費：管理用戶賬戶，對正在使用的服務進行計費。

（2）算網系統/平臺

電信級可信區塊鏈：對計算和存儲資源進行登記，并記錄用戶使用服務的交易。

數據管理：對用戶數據和計算結果進行存儲、調用等管理。

服務編排：根據用戶需求解析所需的服務類型和服務資源。

服務調度：結合當前網絡計算、存儲以及網絡能力，對服務編排結果進行計算，確保當前資源可以滿足用戶需求，將調度結果下發到網絡層；并對服務進行全生命周期管理。

算力/存儲資源監管：為網絡拓撲管理提供數據實時查詢和管理。

微服務架構：負責服務的創建、使用和刪除。

異構算力納管：對不同的算力進行建模，為算力提供統一的度量、管理和評價方式。

孟導找個位子坐下，打量起坐在柜臺前的來人。來客中等身材，戴著一副學究氣的眼鏡，一副文質彬彬的打扮。年紀大概在3 5歲以后，頭發已經有些斑禿?？磥砗妥约阂粯邮菑氖履X力工作的。嗯，不過孟導自己倒是毛發濃密，堅挺地把守著象征年紀的高地。

算力感知：記錄和管理算力節點通報本地計算能力的相關信息。

彈性隧道：按照實際服務使用需求，為數據傳輸提供端到端的彈性可分級隧道。

算力路由通告：轉發算力路由信息，提供算力尋址能力。

網絡拓撲管理：動態管理網絡拓撲，根據計算、存儲和網絡傳輸能力實時更新。

確定性/無損網絡：按照服務SLA對數據進行轉發。

（3）算網基礎設施

算網設施是算網融合的物理基礎，包含網絡設施、計算設施和數據設施三個部分，是一種協同了“云”“網”“邊”“端”的分布式部署實例。數據設施存儲海量數據，包含網絡數據、環境數據、應用數據等，涵蓋算網服務實例生命周期中數據收集、數據計算、數據傳輸等各個環節。計算設施主要包含云計算數據中心、邊緣計算數據中心、人工智能數據中心以及高性能計算數據中心，是主要的算力承載體，為算網融合提供算力支點。網絡設施則由全IP網以及全光網絡組成，整體網絡架構向扁平化演進，對數據和計算任務進行傳輸，實現“云”“邊”“端”之間的聯通。

3 面向自動駕駛的算網融合技術面臨的挑戰

算網融合的概念由我國首先提出，受到業界廣泛關注。但是，算網融合目前正處在初級階段，其技術研究、標準體系以及產業生態均面臨從無到有、逐步完善過程中的挑戰。

（1）技術研究和標準制定亟需頂層設計

算網融合涉及互聯網、通信、高性能計算等多個領域和多個專業。在技術研究層面，算網融合關鍵技術體系正在動蕩發展過程中，尚未收斂；在標準制定層面，算網融合在概念定義、應用場景、參考架構等方面也尚未形成統一共識；在部署實踐層面，業界采用“試點實驗”的方式，根據實際使用需求不斷調整，亟需形成統一開放的應用創新平臺，在架構、能力、協議等方面進行技術驗證。

（2）龐大復雜的產業生態缺少統一共識

算網融合產業呈現規模龐大、產業鏈條繁雜交錯等特征，其產品數量多、分布廣、類型豐富，呈現多源、異地、異構特征。因此，算網融合實施方案難以實現跨廠商、跨應用、跨地域的集成和交互，亟需構建統一的“產、學、研、用”合作平臺，凝聚產業共識。

（3）商業模式仍需進一步探索

算網融合作為一種新型融合設施，算網應用面向千行百業，其建設周期長、資金需求大、運維管理復雜，需要政府與企業共同組織，并形成體系化的管理模式以及商業模式。當前，我國計算數據中心分屬于不同性質的營運主體，包括IT企業、地方政府以及科研機構，而5G、電信網絡則由運營商負責。在算網融合提供泛在連接、高效算力、安全可信的算網服務過程中，平衡各參與主體間責任與權益分配就成為了不可回避的重要問題。

4 下一步工作建議

（1）技術與標準創新同步開展

算網融合領域仍處于技術能力快速創新的發展階段，行業缺乏能夠凝聚共識的參考架構以及技術標準體系。因此，要充分利用我國在網絡基礎設施規模部署方面的優勢，立足國內經濟發展實際需求，規范算網融合網絡架構和關鍵技術標準的制定，組織產業鏈各方共同參與，建立健全相關技術標準和測試評估體系。一方面國家應積極發展自主研發的生態體系，完善國內供應鏈與技術標準。另一方面要加強引入全球領先的軟件生態和技術，盡量參考國際領先標準，加速創新發展，同時為開拓“外循環”做好對接。

（2）行業與生態建設同步推進

算網融合涉及互聯網、通信、高性能計算等多個領域和多個專業，產業規模龐大且復雜多樣。因此，要依托行業領先的第三方平臺，凝聚產業共識，盡快打造服務于行業的合作平臺，鼓勵和發揮骨干龍頭企業的帶動作用和技術溢出效應，通過整合和發揮電信運營企業、制造企業、互聯網應用企業等產學研用各個環節的優勢，實現深度的結合，打造完善的產業鏈，培養良好的產業生態環境，提高國內企業的競爭力和國際影響力。

（3）監管與行業評測相輔相成

按照國家大力發展新興產業的要求，各級政府需要進行整體規劃，做好頂層設計，對信息產業進行合理布局，完善相關配套措施，避免出現重復投資；從政策法規、市場培育、產業引導、科技投入等方面推動算網融合新技術和產業的發展，鼓勵國內優勢企業分工協作，建立開放共贏、分工協作的信息技術和產業生態，提升產業協同創新能力。同時，產業界要結合產業發展要求，聚焦算網融合的熱點和難點，加速網絡升級轉型，豐富上層算力應用種類，助力行業數字化、智能化建設，并加速開展算網融合的復合性試驗、成熟度評價評估以及標準落地實施和產業應用推廣。

5 結語

自動駕駛車輛的應用對車輛的運行安全、網絡傳輸和實時算力提出了較高要求，本文首先介紹了自動駕駛的概念和內涵，針對自動駕駛車輛需求，設計了面向自動駕駛的算網融合技術體系架構。綜合剖析了當前算網融合技術面臨的挑戰，并提出了下一步的工作建議，為算網融合技術更好地支撐自動駕駛車輛的應用提供參考。