基于5G技術(shù)智慧交通的研發(fā)應(yīng)用

楊 軒

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507)

0 引言

以科技創(chuàng)新與5G技術(shù)應(yīng)用場景探索為指導(dǎo)，結(jié)合國家五大發(fā)展理念，深入貫徹落實交通運輸部《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》、《廣東省加快5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2019～2022年)》以及廣東省交通運輸廳《推進(jìn)全省高速公路項目5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和應(yīng)用示范工作的實施方案》等，推動高速公路傳統(tǒng)機電三大系統(tǒng)與新一代5G通信技術(shù)融合。在此基礎(chǔ)上，完成一系列新系統(tǒng)的研究、設(shè)計、開發(fā)，并在從埔高速公路運營后正式使用，探索數(shù)字交通新模式下機電系統(tǒng)的建設(shè)、應(yīng)用經(jīng)驗，在助力智慧運營、提升建設(shè)品質(zhì)、提高運行效率等方面取得新突破。

本文通過研究在高速公路收費廣場、服務(wù)區(qū)、隧道、管理中心等場景下，應(yīng)用基于5G無線設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸模式，確定新傳輸方式的可行性和穩(wěn)定性，并探索在新傳輸模式下的通信系統(tǒng)傳輸架構(gòu)。

1 研發(fā)應(yīng)用背景

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)利用布設(shè)在高速公路沿線的設(shè)施，起到車輛監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)布信息等作用，在高速公路安全運營中扮演著重要的角色。通信系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和收費系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、語音和圖像等信息的傳輸，同時保證高速公路管理部門之間業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)通訊的通暢，并為高速公路內(nèi)部各部門與外界建立必要的聯(lián)系。

當(dāng)前高速公路通信為有線通信，通信系統(tǒng)通過在高速公路沿線鋪設(shè)專用的通信管道自建閉環(huán)的通信網(wǎng)絡(luò)，以光纖和交換機通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)和分級傳輸?shù)姆绞絺鬟f信息。

目前高速公路的通信傳輸方式能基本滿足高速公路通信的需求，但也存在著不足：

(1)通信系統(tǒng)通過光纖形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，具有較強的安全性和獨立性，但在覆蓋率、成本控制、傳輸速率以及靈活性方面能力不足。

(2)通信傳輸鏈路長，監(jiān)控視頻質(zhì)量會隨著傳輸距離的增加而降低。

(3)現(xiàn)有的外場終端設(shè)備通信協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式混亂，容易形成信息孤島，海量的數(shù)據(jù)管理及治理成本較高，不利于數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用。

(4)隨著道路長度和電子設(shè)備數(shù)量的增加，對于三大系統(tǒng)的維護(hù)難度也隨之增加。如道路沿線需要新增攝像機時，需要開挖道路，并敷設(shè)新的分岐光纜至分岐手孔處與原有輔助光纜或主干光纜熔接，施工復(fù)雜、工程量大、造價較高，且施工期間可能會對現(xiàn)有通信通道造成損壞，存在整個通信鏈路中斷的風(fēng)險。

(5)一旦高速公路發(fā)生事故，可能會對沿線通信基礎(chǔ)設(shè)施造成損壞，影響監(jiān)控系統(tǒng)和收費系統(tǒng)的正常運作，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，造成經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。

因此，隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，傳統(tǒng)的機電設(shè)施通信體系與當(dāng)今時代的服務(wù)和需求存在一定的差距。

2 需求分析

2020年7月，5G第一個演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)R16(Release 16)凍結(jié)，標(biāo)志著5G網(wǎng)絡(luò)已具備真正的系統(tǒng)級低時延高可靠性能力，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用背景下的4G—5G互操作問題，以滿足智慧車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用，為高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施信息化帶來了新的契機。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，5G技術(shù)具有許多優(yōu)點，充分利用這些優(yōu)點，可以建設(shè)全新的高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施通信體系。

(1)利用5G技術(shù)超寬帶、速率快等特點，通過在外場設(shè)備增加5G鏈路，無需在通信中心設(shè)交換機，從而將現(xiàn)有的外場視頻鏈路接入5G網(wǎng)絡(luò)，提高視頻監(jiān)控和語音通信質(zhì)量。

(2)5G網(wǎng)絡(luò)利用切片技術(shù)，保證通信的安全、可靠和低延時等特性。

(3)設(shè)備間通過5G網(wǎng)絡(luò)通信，可以減少電纜敷設(shè)，節(jié)省建設(shè)及維護(hù)成本，也可保證通信的實時性。

(4)5G通信技術(shù)備份保障。研究、設(shè)計一套有線通信與無線通信相結(jié)合的新通信模式，兩種通信模式互補，可保證通信的可靠性。同時，無線與有線通信的結(jié)合，可以為終端設(shè)備提供多樣化的通信手段，優(yōu)化通信鏈路建設(shè)方案。

(5)通過構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，建設(shè)多元數(shù)據(jù)融合的綜合交通數(shù)據(jù)倉庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用。

(6)5G技術(shù)可實現(xiàn)車輛、道路、私有云平臺之間的實時通信，為高速公路后期建設(shè)自動駕駛、車輛協(xié)同等新型智能交通體系提供傳輸通道。

3 研發(fā)應(yīng)用的內(nèi)容

3.1 基于5G的無線外場設(shè)備傳輸

無線傳輸已經(jīng)應(yīng)用在生活的各個角落，在5G擁有高速率、低延時、大容量等優(yōu)勢下，應(yīng)用5G無線傳輸可以極大簡化收費廣場、服務(wù)區(qū)等設(shè)備密集處的外場通信傳輸問題，減少外場線纜布設(shè)與連接，同時降低了新增外場設(shè)備的施工難度，為將來新增5G應(yīng)用、智慧交通設(shè)備提供有力的數(shù)據(jù)傳輸方式。

本研發(fā)應(yīng)用需確定基于5G的無線外場設(shè)備傳輸模式是否可行，穩(wěn)定性是否滿足需求。

3.2 扁平化通信管理系統(tǒng)研究

區(qū)別于傳統(tǒng)的點對點、逐級匯聚的通信模式，探索由通信中心直接對接各終端的扁平化通信管理系統(tǒng)，研究開發(fā)新通信模式的應(yīng)用潛力，為智慧交通開拓更多的應(yīng)用場景。

3.3 新通信模式的研究、設(shè)計、建設(shè)、運維

新的通信模式采用的各子技術(shù)本身已較成熟，本研究主要工作在于系統(tǒng)性集成，針對高速公路通信需求的特點進(jìn)行研究、設(shè)計，并通過試點工程的建設(shè)、運維，積累經(jīng)驗，通過邊研究邊調(diào)整的思路，最終摸索出切實可行的高速公路新通信模式。

3.4 新傳輸模式下的相關(guān)軟硬件應(yīng)用

在有線通信模式改變到無線傳輸模式的框架下，對相關(guān)硬件設(shè)備及軟件進(jìn)行探索、研發(fā)并投入使用，實現(xiàn)“軟、硬無線一體化”。

4 擬解決的技術(shù)問題

(1)現(xiàn)有收費廣場地下通信管線較多，改擴建項目還涉及到管線破壞及恢復(fù)，工程量較大，易對現(xiàn)有監(jiān)控、收費業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。在新的無線傳輸模式下，對于類似的擴建工程，僅需要對現(xiàn)有收費廣場設(shè)備及機房設(shè)備進(jìn)行翻新更換即可，替換時間快、效率高。

(2)隧道內(nèi)部屬于密閉空間，發(fā)生危害將危及作業(yè)人員，現(xiàn)有緊急電話在多種危害(如火災(zāi)、有毒有害氣體泄漏等)情況下，無法發(fā)揮作用，將對隧道本身及司乘人員造成極大的隱患。面臨大范圍的災(zāi)害，持可移動緊急電話靈活方便，溝通報告災(zāi)情更加便捷，指揮救援更加安全，人身安全可得到較大的保障。

(3)目前廣東省高速公路較多路段正在進(jìn)行改擴建工程，外場監(jiān)控設(shè)備均使用有線傳輸?shù)哪Ｊ?，改擴建期間需涉及到外場監(jiān)控的遷改以及臨時施工監(jiān)控的搭建，采用有線傳輸加大了施工的難度及復(fù)雜度。若采用無線外場監(jiān)控設(shè)備，僅需考慮安裝位置即可，節(jié)省工程造價，保證主線的擴建工程順利進(jìn)行。

5 技術(shù)路線

5.1 收費站的應(yīng)用

收費站內(nèi)的設(shè)備可通過5G通信系統(tǒng)與收費中心相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。收費中心計算機系統(tǒng)由超融合服務(wù)器、分布式存儲服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、管理計算機(車道監(jiān)視及收費管理工作站、財務(wù)工作站、CPC卡管理工作站、交接班管理工作站)、激光、噴墨、以太網(wǎng)交換機等設(shè)備構(gòu)成。它們通過5G網(wǎng)絡(luò)直接連到收費中心以太網(wǎng)交換機上。收費中心與收費站通過5G通信系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。收費中心計算機系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

所有收費站的設(shè)備可基于5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了收費廣場的建設(shè)速度，簡化后期維護(hù)，設(shè)備僅需供電即可使用，具有設(shè)備安裝便捷、可擴展性強等優(yōu)點，隨時可以基于技術(shù)要求與未來發(fā)展趨勢，便捷新增各種設(shè)備。

在試驗初期可基于原來的收費、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，搭建傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，并在部分收費站設(shè)立5G試點；后期可通過電信現(xiàn)有5G通信網(wǎng)絡(luò)，或者建設(shè)交通運輸專屬的5G切片專用通信網(wǎng)絡(luò)。

5.2 服務(wù)區(qū)的應(yīng)用

對于現(xiàn)有的服務(wù)區(qū)，可使用5G作為設(shè)備通信渠道，并通過5G鏈接到一個共通的通信網(wǎng)內(nèi)，便捷收集服務(wù)區(qū)各個終端的信息，大數(shù)據(jù)分析服務(wù)區(qū)的經(jīng)營與管理情況，及時提供更好的經(jīng)營策略。服務(wù)區(qū)可采用全景攝像機技術(shù)，實現(xiàn)GIS 地圖、三維地圖、視頻的無縫融合，構(gòu)建服務(wù)區(qū)數(shù)字孿生視覺計算引擎，自動生成流量監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、營運監(jiān)測、視頻數(shù)字化分析的數(shù)據(jù)等；通過車位檢測攝像機，監(jiān)測服務(wù)區(qū)內(nèi)車位占有率、車輛飽和度數(shù)據(jù)以及亂停亂放情況；利用客流量檢測攝像機，監(jiān)測服務(wù)區(qū)客流數(shù)據(jù)、服務(wù)區(qū)飽和度情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)采取相關(guān)的服務(wù)措施。

服務(wù)區(qū)所有設(shè)備均通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴７?wù)區(qū)采用的5G通信架構(gòu)，各項數(shù)據(jù)不再是存儲在一個獨立的局域網(wǎng)內(nèi)，結(jié)合全域視頻監(jiān)控，可以將整個公路與服務(wù)區(qū)結(jié)合在一起，打造全數(shù)字化公路，實時為司乘人員提供服務(wù)區(qū)車位情況、人流情況、廁所位置、服務(wù)區(qū)售賣食品(可以提前預(yù)定)等各種人性化服務(wù)，實現(xiàn)智慧交通中人性化的一面。

5.3 管理中心的應(yīng)用

舊有通信系統(tǒng)為多層級系統(tǒng)，上級單位想要獲取外場設(shè)備等數(shù)據(jù)，需經(jīng)過上級單位系統(tǒng)-管理中心-收費站-外場設(shè)備等多個層級，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且限制于舊有通信系統(tǒng)架構(gòu)無法優(yōu)化。

5G技術(shù)可以不受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)限制，獲取更多設(shè)備本身信息，如使用情況、功耗情況、覆蓋情況等，快速得知設(shè)備使用率與覆蓋率等，且無需再重新建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)即可根據(jù)需要、技術(shù)發(fā)展趨勢、突發(fā)情況與使用需要增減外場設(shè)備。

利用5G技術(shù)超寬帶、速率快等特點，通過在外場設(shè)備增加5G鏈路，無需在通信中心設(shè)交換機，從而將現(xiàn)有的語音通信和外場視頻鏈路接入5G網(wǎng)絡(luò)，提高視頻監(jiān)控和語音通信的效率。基于專用的5G通信系統(tǒng)，可以打造互聯(lián)網(wǎng)時代的通信架構(gòu)，打造扁平化管理系統(tǒng)，所有有權(quán)限的中心可直接連接終端設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、指揮；所有外場設(shè)備將具有部署靈活、監(jiān)控大廳可實時感知與控制的優(yōu)勢，管理人員可及時獲取設(shè)備使用情況、獲知設(shè)備功耗情況、目前溫度是否過熱等多種運行狀況等，便于優(yōu)化設(shè)備部署與使用。除此之外，可及時獲取設(shè)備自身的狀況，如突發(fā)離線或者其他故障，可及時在系統(tǒng)顯示故障地點、設(shè)備、原因，徹底改變維護(hù)模式，減少巡檢耗費的人力物力，直達(dá)問題所在，實現(xiàn)快速修復(fù)，有力支撐未來智慧交通所必須的大量復(fù)雜設(shè)備的使用環(huán)境。

5.4 結(jié)合5G與北斗高精度定位技術(shù)的設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施是采集交通信息、監(jiān)控交通狀態(tài)、發(fā)布交通信息的前沿陣地，是與道路使用者直接交互的存在，其數(shù)字化程度直接決定了高速公路的運營質(zhì)量和服務(wù)水平。但是當(dāng)前高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施數(shù)字化程度不高，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)通信系統(tǒng)通過光纖形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，具有較強的安全性和獨立性，但在覆蓋率、成本控制、傳輸速率以及靈活性上能力不足。

(2)現(xiàn)有的外場終端設(shè)備通信協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式混亂，容易形成信息孤島，海量的數(shù)據(jù)管理及治理成本高，不利于數(shù)據(jù)的挖掘及應(yīng)用。

(3)隨著道路長度和電子設(shè)備數(shù)量的增加，對于三大系統(tǒng)的維護(hù)難度也隨之增大，且部分電子設(shè)備損壞時無外觀變化，在一定程度上也增加了維護(hù)的難度。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及人們思維的轉(zhuǎn)變，高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施數(shù)字化的需求越來越迫切。

5G技術(shù)的快速發(fā)展，為高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施信息化帶來了新的契機，與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，5G技術(shù)具有許多優(yōu)點，充分利用這些優(yōu)點可以建設(shè)全新的高速公路基礎(chǔ)機電設(shè)施通信體系。5G網(wǎng)絡(luò)利用切片技術(shù)保證了通信的可靠和低延時特性，設(shè)備間通過5G網(wǎng)絡(luò)通信可以減少甚至取消電纜敷設(shè)，降低建設(shè)及維護(hù)成本，也可以保證通信的實時性。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，建設(shè)多元數(shù)據(jù)融合的綜合交通數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用。結(jié)合北斗高精度定位技術(shù)與5G通信模塊，打造所有設(shè)備在線、及時感知設(shè)備位置和狀況的未來設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

6 技術(shù)創(chuàng)新

(1)外場設(shè)備使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，并逐步替換為5G數(shù)據(jù)傳輸為主。

(2)收費站的設(shè)備可基于5G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高收費廣場建設(shè)速度，簡化后期維護(hù)項目，設(shè)備僅需供電即可使用。具有設(shè)備安裝便捷、可擴展性強等優(yōu)點，隨時可以基于技術(shù)要求與未來發(fā)展趨勢，便捷新增各種設(shè)備；對于現(xiàn)有服務(wù)區(qū)，可使用5G作為設(shè)備通信渠道，并通過5G鏈接到一個共通的通信網(wǎng)內(nèi)，可以便捷收集服務(wù)區(qū)各個終端的信息，大數(shù)據(jù)分析服務(wù)區(qū)的經(jīng)營情況與管理情況，及時提供更好的經(jīng)營策略；管理中心基于交通運輸5G通信系統(tǒng)，可以打造互聯(lián)網(wǎng)時代的通信架構(gòu)，打造扁平化管理系統(tǒng)，所有有權(quán)限的中心可直接連接終端設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、指揮。

(3)結(jié)合北斗高精度定位技術(shù)與5G通信模塊，打造所有設(shè)備在線、及時感知設(shè)備位置和狀況的未來設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

(4)所有外場設(shè)備將具有部署靈活、監(jiān)控大廳實時感知與控制的優(yōu)勢；可及時獲取設(shè)備的使用情況以及設(shè)備功耗及運行狀況，便于優(yōu)化設(shè)備部署與使用情況；可及時獲取設(shè)備自身的狀況，在系統(tǒng)顯示故障地點、設(shè)備、原因，實現(xiàn)快速修復(fù)，有力支撐未來智慧交通所必須的大量復(fù)雜設(shè)備的使用環(huán)境。

7 結(jié)語

在高速公路設(shè)計中創(chuàng)新性地融合5G技術(shù)，可將當(dāng)前高速公路行業(yè)主流的有線傳輸通信改變?yōu)闊o線傳輸通信，較大地降低建設(shè)難度與維護(hù)成本；結(jié)合現(xiàn)有太陽能供電，可簡化外場設(shè)備安裝布設(shè)方式；通過基于5G切片技術(shù)的扁平化組網(wǎng)方式，實現(xiàn)無線通信安全與多業(yè)務(wù)并發(fā)保障。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高速公路智慧管理與車路協(xié)同技術(shù)新突破，大幅提升高速公路管理效率，減少交通事故，提高高速公路通行效率。

本項目面向智慧高速公路的應(yīng)用場景，聚焦5G通信技術(shù)與傳統(tǒng)機電三大系統(tǒng)的融合應(yīng)用，探索5G新通信模式的設(shè)計、建設(shè)與運維，可以提高高速公路的通信傳輸效率與安全，具有良好的應(yīng)用價值和社會意義。