論高速公路通信系統(tǒng)在收費和監(jiān)控中的運用

陳 作

（湖北省交通運輸廳通信信息中心（湖北省交通科學研究所），湖北 武漢 430000）

1 高速公路通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

1.1 高速公路通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

高速公路通信系統(tǒng)一般采用三級管理機構：省通信中心—路段通信中心—基層通信站；由主干層骨干通信網(wǎng)和路段本地接入網(wǎng)兩級網(wǎng)絡構成。系統(tǒng)總體框架如下圖。

省通信中心設在聯(lián)網(wǎng)中心內(nèi)；各路段設置路段通信中心；在收費站、服務區(qū)、養(yǎng)護工區(qū)、停車區(qū)和隧道管理所設基層通信站。

省通信中心管理各路段通信中心及各基層通信站，路段通信中心管理所轄路段內(nèi)的各基層通信站。

1.2 高速公路干線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，我國大部分高速公路采用基于同步數(shù)字傳輸體系（SDH）的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。高速公路各路段多采用SDH內(nèi)置式綜合業(yè)務接入網(wǎng)系統(tǒng)，在分中心設置1套光線路終端OLT設備，在收費站設置光網(wǎng)絡單元ONU設備，通過4芯光纖，采用通道保護方式，構成STM-4或STM-16等級二纖通道自愈保護環(huán)，完成高速公路內(nèi)的話音、數(shù)據(jù)等業(yè)務接入。

自1980年以來，數(shù)字同步系統(tǒng)（SDH）技術問世以來，它的優(yōu)勢已比準同步數(shù)字傳輸（PDH）技術迅速提高，并且已廣泛用于高速公路通信系統(tǒng)中。但是，隨著時間的流逝和信息革命的加速，SDH技術已不能滿足人們的需求。

1.3 SDH技術及局限

SDH是一種性廣泛使用的光傳輸技術，已在一般道路通信系統(tǒng)中廣泛采用了許多年。但是，隨著通信技術的發(fā)展和業(yè)務需求的增長，特別是視頻監(jiān)控和其他服務的增長，對網(wǎng)絡傳輸速度的性能提出了更為嚴格的要求，這使得SDH技術得以發(fā)揮作用，更加嚴格的體現(xiàn)在以下幾點：

（1）控制流量和網(wǎng)絡擁塞的容量小。使用了大型軟件控制，并且大部分業(yè)務都集中在幾個高速連接和跨節(jié)點上。因此，如果這些關鍵節(jié)點發(fā)生故障，將導致大規(guī)模網(wǎng)絡故障或整個網(wǎng)絡癱瘓。

（2）無法提供良好的服務質量（QoS）。

（3）擴建成本高，規(guī)模不盡人意。如今，高吞吐量的基于以太網(wǎng)的高帶寬服務和執(zhí)行此功能的SDH設備（例如光板和以太網(wǎng)版本）已成為昂貴的設備。

1.4 OTN技術的優(yōu)勢

在傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)中，省級中繼傳輸網(wǎng)絡（例如，中繼網(wǎng)絡）可以使用OTN設備，而分段接入網(wǎng)絡（即，接入網(wǎng)絡）可以由包含SDH的傳輸和接入設備組成。區(qū)域骨干網(wǎng)使用OTN技術直接連接到區(qū)域骨干網(wǎng)。分區(qū)接入網(wǎng)絡由位于通信子中心的光終端（OLT）和分布在每個通信站中的光網(wǎng)絡單元（ONU）組成。接入網(wǎng)使用SDH技術形成光纖鏈路網(wǎng)絡，以確保為公路相關服務提供足夠的傳輸帶寬。遠程數(shù)據(jù)通過光纖接入連接到通信系統(tǒng)的高速公路和隧道沿線（例如視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)和收費數(shù)據(jù)），采用OTN技術的道路通信系統(tǒng)具有以下特點：

（1）具備在SDH和波分復用（WDM）的基礎上完善的標準。

（2）OTN系統(tǒng)增強了數(shù)字監(jiān)聽能力，有益于對光通道進管理，且具有監(jiān)視的功能，可以實現(xiàn)光通道的自我監(jiān)控；OTN系統(tǒng)在維護信號和故障告警上配置了特殊的設置，系統(tǒng)可實現(xiàn)的自管功能。

（3）OTN系統(tǒng)能夠開展多層次信號傳輸及封裝，OTN系統(tǒng)能夠通過多角度映射，對（以太網(wǎng)）Ethernet、SDH、PDH和ATM等在信息傳輸時完成標準形式的封裝與全過程監(jiān)督控制傳輸。對承載道路收費、監(jiān)控（視頻監(jiān)控通道、電力監(jiān)控通道、消防控制通道等）、辦公通道等不同的Ethernet、SDH、PDH和ATM等信號均可以實現(xiàn)在OTN系統(tǒng)上傳輸。

2 高速公路通信系統(tǒng)在收費和監(jiān)控中的應用

2.1 高速公路通信系統(tǒng)在收費中的應用

2.1.1 高速公路收費數(shù)據(jù)的傳輸

高速公路收費系統(tǒng)一般分為三級，即聯(lián)網(wǎng)收費中心、路段收費分中心和收費站，且聯(lián)網(wǎng)收費路網(wǎng)中的高速公路，納入聯(lián)網(wǎng)收費統(tǒng)一清分結算。目前大多數(shù)高速公路采用以半自動收費方式和不停車收費方式結合的收費方式。

收費站的局域網(wǎng)控制系統(tǒng)的構成部分主要包括控制室計算機、廣場車道控制計算機。車道計算機通過網(wǎng)線接入收費廣場計算機、路段收費交換機組成了獨立的局域網(wǎng)，收費站再通過光纖與收費機房的以太網(wǎng)交換機構成樹型+星型拓撲的局域網(wǎng)，通信系統(tǒng)為收費站與收費中心局域網(wǎng)之間的收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸提供傳輸通道。收費站把收費站收費數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)交換機送入本站的ONU設備，通過綜合業(yè)務接入網(wǎng)中OLT設備直接上傳路段分中心。路段收費中心與聯(lián)網(wǎng)之間的收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸也通過高速公路主干通信系統(tǒng)提供的傳輸通道進行傳輸。

2.1.2 高速公路收費圖像的傳輸

收費視音頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由外場視頻采集設備、視頻傳輸設備及收費站機房視頻存儲和視頻傳輸設備構成。

通信系統(tǒng)用于將外場視頻采集設備包括：各收費車道的車道編碼視頻圖像、亭內(nèi)攝像機圖像、監(jiān)聽音頻、報警信號等采集到的收費監(jiān)控數(shù)據(jù)匯聚到視頻交換機或者光纖交換機的；通過網(wǎng)線或光纖傳輸至收費站或監(jiān)控室；再利用路段通信系統(tǒng)傳輸至聯(lián)網(wǎng)收費中心。

2.1.3 射頻識別技術在收費系統(tǒng)中的應用

目前，比較廣泛研究及推廣的用于高速公路電子不停車收費系統(tǒng)，我們簡稱為（ETC），ETC不停車收費系統(tǒng)所利用射頻識別技術（RFID）是以射頻方式為基礎，進行的與傳統(tǒng)的接觸式識別技術不同的，通過RFID射頻卡與讀寫器之間達到非接觸式的雙向通信技術，從而做到目標識別的數(shù)據(jù)交換。

（1）RFID是什么。RFID是以射頻方式為基礎的雙向通信技術。RFID最基本包括閱讀器、射頻卡、天線、主機等。RFID技術讓射頻卡與讀寫器即使沒有接觸，也能實現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)通信，從而識別目標車輛。和傳統(tǒng)的接觸式識別方式如磁卡、IC卡相比，RFID技術擁有不用接觸、高效閱讀、耐磨損、抗干擾、長壽命、便捷高效的優(yōu)點外，還可以識別多個目標。

（2）RFID工作原理。RFID工作原理是：無線射頻信號以特定的頻率由閱讀器的發(fā)射天線發(fā)出，感應進入發(fā)射天線覆蓋的信號范圍內(nèi)的射頻卡，使射頻卡產(chǎn)生能過夠為自身供能的感應電流，從而讓自身激活；然后通過內(nèi)嵌天線將自身的身份信息傳輸?shù)街鳈C；當射頻卡發(fā)出的信號被主機接收到后，再由天線發(fā)送到閱讀器，閱讀器將收到的信息進行處理，并發(fā)送給后臺主機；射頻卡是否有否有效、是否合法，都由主機通過相應的邏輯算法進行判定和處理，并且主機且通過同樣的信息傳輸途徑，傳輸相應的命令或指令。

2.2 高速公路通信系統(tǒng)在監(jiān)控中應用

2.2.1 高速公路監(jiān)控信息收集高速公路每個站和路段都會安裝攝像頭，以獲得有關高速公路的信息。在接收大量圖像、車輛、道路等信息之后，并由通信系統(tǒng)將其傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，再由監(jiān)控中心有效地分析該信息，并基于該信息確定處理措施，以避免交通事故或降低交通事故所帶來的更大的損失。道路視頻監(jiān)控對高速公路路面、車流量、事故的情況進行實時監(jiān)控，使得高速公路能夠高效的實現(xiàn)各個專項的實時監(jiān)控，可以快速的、高效的收集高速公路路面及其他方面的實時信息并及時處理，為高速公路的應急指揮、管理決策提供了良好的支撐，為高速公路的安全運營提供了良好保證，為高速公路的投資方帶來了良好的經(jīng)濟及社會效益。

2.2.2 高速公路監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)一般由五個子系統(tǒng)構成：閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)、交通監(jiān)控子系統(tǒng)、場區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)，指令電話子系統(tǒng)和有線廣播子系統(tǒng)。

高速公路外場監(jiān)控圖像和數(shù)據(jù)的傳輸采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)方式，在每處外場設備處設置以太網(wǎng)交換機，所有以太網(wǎng)交換機通過光纖環(huán)網(wǎng)將外場數(shù)據(jù)和圖像上傳至收費站監(jiān)控中心。收費站通過高速公路通信系統(tǒng)的傳輸通道通道將監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)控收費圖像上傳路段分中心。

高速公路通信系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集、傳輸及路段中心進行實時監(jiān)測、指揮調(diào)度的基礎。高速公路實時的監(jiān)控圖像、交通流量數(shù)據(jù)、高速公路實際運行情況、指揮調(diào)度決策信息都需要通過通信系統(tǒng)來進行傳輸。

2.2.3 通信系統(tǒng)在車輛監(jiān)控中的應用

車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以分為定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)，其中所使用的通信方式主要為常規(guī)的通信、集群通信、GSM短信息。

利用GPS接收機、無線通信、地理位置信息對移動車輛進行監(jiān)控、指揮、調(diào)度的車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)為GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)。

常規(guī)的用于車輛監(jiān)控的通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式、使用方式都較為簡單，利用GSM短信息業(yè)務來定位監(jiān)控車輛位置數(shù)據(jù)的交換傳輸使用較為廣泛，使用覆蓋面積大，可以漫游全國，但與集群系統(tǒng)相比，它的延時、和呼叫功能都是其發(fā)展的限制因素。專用的指揮調(diào)度系統(tǒng)在集群通信方式下，將在車輛監(jiān)控中使用更加得心應手。

在自動共同享有若干個信道的多信道中繼轉發(fā)的基礎上集小群為大群，并可以實現(xiàn)呼叫、故障檢測、處理等功能的無線通信系統(tǒng)為無線集群系統(tǒng)。

集群通信系統(tǒng)具有高的信道利用率、好的通話質量、低的童話阻塞，且可以實現(xiàn)高智能化、交換功能。

基于集群通信的GPS車輛通信系統(tǒng)，主要是利用集群網(wǎng)、矢量化電子地圖、監(jiān)控軟件等實現(xiàn)車輛信息的監(jiān)控。

其中集群網(wǎng)可以提供用于語音、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信鏈路，矢量化電子地圖可以供全面而準確的地理信息，監(jiān)控軟件可以對移動車輛信息進行實時的信息查詢監(jiān)控。各個移動車輛用戶主要是通過集群電臺、GPS接收機、邏輯控制電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理。

在集中控制的集群系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)同一控制信道管理各個不同的信道。移動車輛用戶的在呼叫的發(fā)起或者呼叫的接受都可以在用戶守候的控制信道上實現(xiàn)。為避免申請不到信道時造成的車輛信息丟失，應為傳輸數(shù)據(jù)的用戶設置優(yōu)先級。

3 未來高速公路信息化發(fā)展趨勢

3.1 智能管控系統(tǒng)

高速公路的通信系統(tǒng)對高速公路運營的整體穩(wěn)定性和管理時間具有重大影響。改善和更新交通通信技術和大數(shù)據(jù)等信息技術是其通信系統(tǒng)的技術保證，這將有助于交通信息化的發(fā)展等。

與其他無線通信技術的相比，5G技術的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母臃€(wěn)定、速度更快，高速公路數(shù)據(jù)傳輸更加高效，高速公路路面、車流量、事故的情況的實施監(jiān)控數(shù)據(jù)可直接傳輸至數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)中心進行共享，數(shù)據(jù)共享的實時性對于高速公路管理人員及時獲得道路信息并進行相關決策顯得尤為重要。只有保證了精準高效的決策，才能保證高速公路運營的穩(wěn)定性和安全性。

高速公路5G智能管理和控制系統(tǒng)主要包括對高速公路彎道，高架橋，隧道，收費站和服務區(qū)的管理和控制。在高速公路隧道區(qū)域，由于光線等問題，該場景中的道路事故數(shù)量很高，并且事故報告不正確。而5G智能管控以獲得攝像頭設備的管理和轉向模式從而幫助管理人員獲得包括：地圖、監(jiān)控視頻等實時道路數(shù)據(jù)，并數(shù)據(jù)可直接傳輸至數(shù)據(jù)庫及路段管理中心進行共享及決策。

3.2 通信系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)三網(wǎng)合一

我們在實現(xiàn)高速公路在三大系統(tǒng)的融合時，需要在網(wǎng)絡層面上實現(xiàn)通信、監(jiān)控、收費系統(tǒng)在高速公路上的統(tǒng)一；需要在業(yè)務層面上實現(xiàn)、音頻、數(shù)據(jù)、視頻這三類業(yè)務的在高速公路應用上的融合。

我們可以利用新一代的網(wǎng)絡技術、全新的綜合業(yè)務接入技術、全新的光傳輸技術以及視頻信息壓縮、解壓等實現(xiàn)的視頻監(jiān)控技術，可以將高速公路通信、監(jiān)控、收費系統(tǒng)三大系統(tǒng)融合起來。信息網(wǎng)絡所涉及的點都可以接收到監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息、音頻信息以及告警信號、控制信號，可以實現(xiàn)移動圖像的測試、警報信息的上報、指令的遠程下達，也可以在高速公路的網(wǎng)絡在不同位置的實時監(jiān)控、操控遠距離場所。

高速公路通信、監(jiān)控、收費系統(tǒng)的融合，可以有效利用通信系統(tǒng)的豐富高效的傳輸及容量的資源，并對過去監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡不靈活的組網(wǎng)方式、穩(wěn)定性不高、不方便維護、擴容困難的缺陷進行有效解決，并發(fā)揮各個系統(tǒng)的優(yōu)勢，對高速公路監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡進行創(chuàng)新。

高速公路通信、監(jiān)控、收費系統(tǒng)的融合，需要在設備和系統(tǒng)的設計理念上達到供應商級別，充分考慮到系統(tǒng)的新能時候可靠、組網(wǎng)能力的強弱；且需要其網(wǎng)絡構架是基于流媒體的大型的組網(wǎng)要求，并在系統(tǒng)的硬件上對是否可靠、是否安全、是否穩(wěn)定、認證及測試是否嚴格進行充分的考慮，最后必須是符合國際、國家行業(yè)相關規(guī)范的。

4 結束語

總之，高速公路的穩(wěn)定運行需要通信系統(tǒng)作為基礎，且在高速公路收費和監(jiān)控中起著重要的作用，高速公路其他系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是以通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行作為支撐的。通信系統(tǒng)在高速公路其他系統(tǒng)的應用，提高了高速公路的通行效率，并幫助管理人員及時獲得道路信息進行分析，并快速、精準的作出相關決策，這為高速公路信息化發(fā)展提供了非常有利的條件。