新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)研究與設(shè)計

摘要：文章基于對現(xiàn)有系統(tǒng)局限性的分析，提出了新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)的設(shè)計。該設(shè)計不僅解決了通信范圍限制、數(shù)據(jù)集成能力不足和軟件電話應(yīng)用的缺乏等問題，還通過應(yīng)用WebRTC、Nat穿透以及流媒體傳輸?shù)认冗M技術(shù)，有效提升系統(tǒng)的通信效率和質(zhì)量。新一代系統(tǒng)目前已經(jīng)試運行，盡管在某些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的穩(wěn)定性有待提高，但整體上表現(xiàn)出色，極大提高了運營管理效率和應(yīng)急響應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：高速公路；IP語音對講；軟件電話；NAT穿透；SIP

中圖分類號：U412.6

0 引言

近年來，隨著高速公路路網(wǎng)的持續(xù)擴展和交通流量的不斷增長，中國的高速公路建設(shè)取得了顯著的發(fā)展，但高速公路的管理和運營也面臨著更為嚴峻和復(fù)雜的挑戰(zhàn)。尤其是在《公路“十四五”發(fā)展規(guī)劃》出臺后，更加強調(diào)了創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要性，同時倡導(dǎo)交通產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化和智能化的轉(zhuǎn)型。這進一步對交通基礎(chǔ)設(shè)施的運營效率、服務(wù)質(zhì)量和安全水平提出了更高標準的要求。作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，IP語音對講系統(tǒng)在高速公路的管理和運營中扮演著關(guān)鍵角色。但面對“十四五”規(guī)劃的新要求以及實際的運營管理需求，現(xiàn)有的IP語音對講系統(tǒng)存在諸多局限性。因此，研究和設(shè)計新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)十分重要。新一代系統(tǒng)應(yīng)具備區(qū)域協(xié)同的能力，通過整合對講調(diào)度管理、廣播管理、報警管理、音視頻聯(lián)動管理等功能［1］，確保在高速路網(wǎng)中全面且有效地傳遞信息和響應(yīng)緊急情況，從而提升整體運營效率和服務(wù)質(zhì)量。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 高速公路語音對講系統(tǒng)的發(fā)展

早期的高速公路語音對講系統(tǒng)是基于模擬通信技術(shù)。受限于模擬通信的信號衰減和噪音干擾，早期的系統(tǒng)存在傳輸距離有限、不能多級管理、易受干擾、穩(wěn)定性差、語音效果不清晰、系統(tǒng)不能聯(lián)動等問題，僅適用于簡單的點對點通信場景，無法滿足越來越復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求。隨著技術(shù)的進步，高速公路語音對講系統(tǒng)已逐漸發(fā)展為基于數(shù)字化的IP語音對講系統(tǒng)。IP系統(tǒng)的引入不僅大幅提高了通信質(zhì)量和可靠性，而且增加了系統(tǒng)的可伸縮性和靈活性，使高速公路的語音對講系統(tǒng)更容易進行擴展和維護。

1.2 當(dāng)前高速公路管理體系

目前，高速公路管理體制為省監(jiān)控中心、路段中心、收費站三級管理體系，每一級都承擔(dān)著獨特且關(guān)鍵的角色。省監(jiān)控中心負責(zé)全省范圍內(nèi)的高速公路監(jiān)控與管理，路段中心關(guān)注于特定路段的運維，而收費站則作為基層單位，負責(zé)本站的管理工作。這種分層的管理體系在高速公路日常運營中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1.3 IP語音對講系統(tǒng)的應(yīng)用及其局限性

語音對講在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中極其重要，監(jiān)控、收費及通信等三大系統(tǒng)中都涉及語音對講業(yè)務(wù)。例如監(jiān)控系統(tǒng)中的道路廣播、隧道緊急電話；收費系統(tǒng)中的對講報警；通信系統(tǒng)中的內(nèi)線及外線業(yè)務(wù)電話［2］。目前，基于IP的語音對講系統(tǒng)已在高速公路中得到廣泛應(yīng)用，但隨著高速公路業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展和需求的增加，現(xiàn)有的IP語音對講系統(tǒng)正面臨著新的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）通信范圍限制：當(dāng)前的IP語音對講系統(tǒng)主要局限于單個路段中心的內(nèi)部通信，缺乏跨路段中心的通信能力。這在跨區(qū)域協(xié)調(diào)和管理上形成了顯著的短板，限制了系統(tǒng)在大規(guī)模應(yīng)急響應(yīng)和區(qū)域協(xié)同方面的能力，阻礙了高速公路運營管理的進一步優(yōu)化。同時，近年來一些高速公路運營公司提出了路段去中心化的想法，計劃將原本路段中心的職能上移至省監(jiān)控中心，這一轉(zhuǎn)變對IP語音對講系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域協(xié)同的需求更為迫切。

（2）數(shù)據(jù)集成和分析功能不足：當(dāng)前的IP語音對講系統(tǒng)可能沒有充分利用高級數(shù)據(jù)分析和集成的潛力。這意味著系統(tǒng)可能無法有效地集成不同來源的數(shù)據(jù)，如監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、AI事件檢測數(shù)據(jù)、氣象信息、交通流量數(shù)據(jù)等，難以提供更全面的運營洞察。此外，缺乏對這些數(shù)據(jù)的深入分析可能導(dǎo)致在應(yīng)急響應(yīng)和日常運維決策中缺乏足夠的信息支持。這在高速公路的智能化和自動化管理中是一個重要的短板。

（3）缺乏軟件電話的應(yīng)用：現(xiàn)有的系統(tǒng)基本上未應(yīng)用軟件電話，而是完全依賴于物理話機。這限制了系統(tǒng)的靈活性和擴展性，增加了成本和維護難度，同時在緊急情況和快速調(diào)度方面成為一個限制因素。

這些挑戰(zhàn)和局限的存在對高速公路的運營管理優(yōu)化以及緊急情況下的通信效率產(chǎn)生了顯著影響。因此，為滿足現(xiàn)代高速公路的通信需求，研究和設(shè)計一個全新的IP語音對講系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所提出的新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)的設(shè)計旨在解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在通信范圍限制、數(shù)據(jù)集成與分析能力的不足、缺乏軟件電話的應(yīng)用等核心問題，并融入創(chuàng)新技術(shù)以提升系統(tǒng)性能和可用性。如圖1所示展示了系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，直觀呈現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的全貌。

設(shè)備接入層：設(shè)備接入層是系統(tǒng)與外界通信設(shè)備的接口?？紤]到目前SIP通信協(xié)議已經(jīng)逐漸成為IP電話系統(tǒng)的主流標準，設(shè)備接入層設(shè)計為主要用于接入支持SIP協(xié)議的各類通信設(shè)備，包括軟件電話、緊急電話、亭內(nèi)對講機以及服務(wù)區(qū)廣播等。對于不支持SIP協(xié)議的設(shè)備，將采用協(xié)議轉(zhuǎn)換器的方式進行接入。通過這樣的接入機制，設(shè)備接入層為系統(tǒng)提供良好的兼容性、靈活性，同時確保系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

基礎(chǔ)設(shè)施層：基礎(chǔ)設(shè)施層為系統(tǒng)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施組件，包括Mysql數(shù)據(jù)庫、文件存儲和消息隊列。Mysql數(shù)據(jù)庫主要用于關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲，如設(shè)備信息、用戶信息、系統(tǒng)配置信息、通話詳情日志等。文件存儲主要用于音頻文件的存儲，如錄音文件、廣播的播放文件等。而消息隊列則用于系統(tǒng)內(nèi)部不同組件間的消息傳遞，確保數(shù)據(jù)的一致性和系統(tǒng)的高可用性。

通信引擎層：通信引擎層是新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)的核心，負責(zé)音視頻數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。此層融合了SIP音視頻網(wǎng)關(guān)、SIP云上中轉(zhuǎn)服務(wù)、ICE（Interactive Connectivity Establishment）服務(wù)以及流媒體服務(wù)，共同構(gòu)成了系統(tǒng)通信的基礎(chǔ)。SIP音視頻網(wǎng)關(guān)和SIP云上中轉(zhuǎn)服務(wù)提供了系統(tǒng)與外界通信的接口，支持高效的內(nèi)外網(wǎng)通信，并確保通信的安全性和私密性。ICE服務(wù)處理了NAT穿透問題，保障了即使在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，音視頻通信也能穩(wěn)定進行。此外，流媒體服務(wù)負責(zé)音視頻內(nèi)容的實時傳輸，確保了通信過程中的流暢性和低延遲。通信引擎層的設(shè)計專注于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，旨在降低延遲、防止數(shù)據(jù)丟失，并提高音視頻數(shù)據(jù)的清晰度，同時也考慮了系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

業(yè)務(wù)集成層：業(yè)務(wù)集成層是利用先進的數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和智能分析。該層整合不同來源的數(shù)據(jù)，如監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、AI事件檢測數(shù)據(jù)、氣象信息、交通流量數(shù)據(jù)等。通過深入學(xué)習(xí)和分析這些數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)集成層能迅速識別潛在的問題和模式，制定出有效的緊急響應(yīng)方案，大大提高了緊急情況下的響應(yīng)速度，增強了不同系統(tǒng)間的協(xié)同和互動效率，同時優(yōu)化了日常運營工作流程，使高速公路管理更加智能化和自動化。

業(yè)務(wù)服務(wù)層：業(yè)務(wù)服務(wù)層是系統(tǒng)的重要組成部分，是連接用戶與系統(tǒng)其他層的紐帶，主要負責(zé)提供系統(tǒng)運行所需的一系列基礎(chǔ)服務(wù)，從而確保系統(tǒng)的高效運行和用戶體驗的優(yōu)化。這些服務(wù)包括但不限于包括設(shè)備管理、用戶管理、狀態(tài)監(jiān)測、通話管理以及應(yīng)急響應(yīng)方案。

2.2 系統(tǒng)部署圖

在介紹新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)的整體架構(gòu)之后，本節(jié)將著重分析系統(tǒng)的部署。如下頁圖2所示，系統(tǒng)的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括省級監(jiān)控中心和路段中心兩個關(guān)鍵層級的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。在此結(jié)構(gòu)中，省級監(jiān)控中心節(jié)點作為云上節(jié)點，是其他路段節(jié)點實現(xiàn)跨區(qū)域通信的基礎(chǔ)，省級監(jiān)控中心節(jié)點與路段中心節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，而路段中心節(jié)點間則需通過省級監(jiān)控中心節(jié)點進行中繼通信。節(jié)點間的通信數(shù)據(jù)主要包括管理信令、SIP信令和媒體流等3種類型，其中管理信令需要借助于消息隊列來完成，部署圖中已明確地標注了各類通信數(shù)據(jù)的流動。

系統(tǒng)的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)涉及內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)交互以及跨區(qū)域通信，為了保證這種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下音視頻通信的穩(wěn)定性，系統(tǒng)綜合應(yīng)用了WebRTC、NAT穿透和流媒體技術(shù)等先進技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用保障了音視頻通信的實時性和流暢性，是系統(tǒng)在各種網(wǎng)絡(luò)條件下高效運作的重要保障。

2.3 系統(tǒng)主要功能

2.3.1 全域?qū)崟r音視頻通信

系統(tǒng)提供全區(qū)域的實時音視頻通信功能，實現(xiàn)路段中心與省級監(jiān)控中心、路段中心與路段中心的清晰、可靠的實時音視頻通信。系統(tǒng)支持主流的音視頻編解碼格式，如h264、h265、pcm、alaw，ulaw等；支持多種通信方式，如tcp、udp和websocket等。根據(jù)實際的設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)條件，系統(tǒng)可靈活選擇合適的編碼格式以及通信方式。

2.3.2 全域音頻廣播

系統(tǒng)提供全區(qū)域的音頻廣播功能，支持多種廣播類型，包括音頻文件廣播、實時喊話廣播以及文字信息廣播，支持跨路段的多設(shè)備實時音頻廣播。同時，系統(tǒng)提供了十分靈活且便捷的廣播配置，實現(xiàn)廣播任務(wù)的迅速創(chuàng)建，確保廣播信息快速且準確地傳達到每個目標設(shè)備，以應(yīng)對各種緊急情況。

2.3.3 遠程管理與維護

遠程管理與維護功能包括兩部分：設(shè)備管理和服務(wù)節(jié)點管理。其中設(shè)備管理涉及接入設(shè)備的基礎(chǔ)信息配置、分組管理以及狀態(tài)的實時監(jiān)控；服務(wù)節(jié)點管理則涉及路段中心、省級監(jiān)控中心各節(jié)點中不同服務(wù)的配置管理、狀態(tài)監(jiān)控以及維護操作管理。系統(tǒng)還提供了完善的日志事件功能，用于記錄設(shè)備管理和服務(wù)節(jié)點管理中所有相關(guān)的關(guān)鍵事件和操作，為系統(tǒng)的持續(xù)維護和問題追蹤提供必要的信息支持。

2.3.4 通話管理

系統(tǒng)提供全面的通話管理功能，包括通話錄音、通話詳情記錄以及通話控制。其中，通話錄音用于記錄準確的通話音頻數(shù)據(jù)，并以文件的格式進行存儲；通話詳情記錄保存每次通話的具體信息，如通話時長、通話時間、通話參與者等；通話控制則對權(quán)限內(nèi)的通話進行實時監(jiān)控和控制，如通話的發(fā)起、接聽、掛斷和轉(zhuǎn)移等。根據(jù)不同的通話場景，歸納并設(shè)計出多種通話類型，包括但不限于點對點撥號、分組撥號、無呼入廣播、喊話廣播，每一種類型的通話都有獨立的通話管理。

2.3.5 系統(tǒng)聯(lián)動與應(yīng)急聯(lián)動

系統(tǒng)聯(lián)動功能確保不同服務(wù)和組件之間的協(xié)同工作，如數(shù)據(jù)服務(wù)、通信服務(wù)和用戶界面。應(yīng)急聯(lián)動機制則在緊急情況下啟動，自動觸發(fā)一系列響應(yīng)措施，如通知相關(guān)部門、激活特定通信通道等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

由廣西交科集團打造的智慧高速云控平臺（簡稱“智慧云控”）是一個在廣西范圍內(nèi)已經(jīng)廣泛運行的高速公路運營管理一體化平臺。而本文所探討的新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)作為第三方系統(tǒng)，已成功集成至智慧云控，并在部分高速公路上試運行。在試運行期間，系統(tǒng)憑借良好的音視頻通信質(zhì)量以及強大的跨路段通信能力，有效提升了運營管理效率和區(qū)域協(xié)同的應(yīng)急響應(yīng)能力。同時，通過軟電話和WebRTC技術(shù)的應(yīng)用，用戶的接入更加便利，通信體驗更加良好；而數(shù)據(jù)集成和智能分析的應(yīng)用，則大大提升了高速公路的智能化和自動化管理水平。當(dāng)然，在試運行期間，也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)在應(yīng)對某些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時仍存在不穩(wěn)定的問題，這也是系統(tǒng)未來進行優(yōu)化的一個重要方向。

4 結(jié)語

本文對新一代高速公路IP語音對講系統(tǒng)進行了全面的探討，從現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性出發(fā)，闡述了新一代系統(tǒng)設(shè)計的必要性和優(yōu)勢。新一代系統(tǒng)采用了全新的架構(gòu)設(shè)計，不僅成功克服了通信范圍限制、數(shù)據(jù)集成與分析能力的不足以及缺乏軟件電話的應(yīng)用等局限，而且通過引入創(chuàng)新技術(shù)，有效地提升了語音對講的通信效率、覆蓋范圍和通信質(zhì)量。在集成至智慧云控的試運行中，該系統(tǒng)已經(jīng)證明了其在實際應(yīng)用中的有效性。盡管在某些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的穩(wěn)定性仍有待提高，但該系統(tǒng)整體上表現(xiàn)出色，極大地提高了運營管理效率和應(yīng)急響應(yīng)能力，有助于促進高速公路向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。

參考文獻

［1］楊常華.基于IP的高速公路音視頻對講和報警系統(tǒng)應(yīng)用［J］.山西電子技術(shù)，2019（2）：11-13.

［2］尚建強.語音融合系統(tǒng)在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.公路，2020，65（6）：217-221.

收稿日期：2024-03-10

作者簡介：李 彬（1987—），工程師，主要從事軟件研發(fā)工作。