論高速公路通信系統在收費和監控中的運用

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 高速公路通信系統的現狀分析

1.1 高速公路通信系統現狀

高速公路通信系統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和路段本地接入網兩級網絡構成。系統總體框架如下圖。

省通信中心設在聯網中心內；各路段設置路段通信中心；在收費站、服務區、養護工區、停車區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的各基層通信站。

1.2 高速公路干線通信系統現狀

目前，我國大部分高速公路采用基于同步數字傳輸體系（SDH）的光纖數字通信系統。高速公路各路段多采用SDH內置式綜合業務接入網系統，在分中心設置1套光線路終端OLT設備，在收費站設置光網絡單元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，完成高速公路內的話音、數據等業務接入。

自1980年以來，數字同步系統（SDH）技術問世以來，它的優勢已比準同步數字傳輸（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中廣泛采用了許多年。但是，隨著通信技術的發展和業務需求的增長，特別是視頻監控和其他服務的增長，對網絡傳輸速度的性能提出了更為嚴格的要求，這使得SDH技術得以發揮作用，更加嚴格的體現在以下幾點：

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

（2）無法提供良好的服務質量（QoS）。

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

1.4 OTN技術的優勢

在傳輸網絡系統中，省級中繼傳輸網絡（例如，中繼網絡）可以使用OTN設備，而分段接入網絡（即，接入網絡）可以由包含SDH的傳輸和接入設備組成。區域骨干網使用OTN技術直接連接到區域骨干網。分區接入網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絡單元（ONU）組成。接入網使用SDH技術形成光纖鏈路網絡，以確保為公路相關服務提供足夠的傳輸帶寬。遠程數據通過光纖接入連接到通信系統的高速公路和隧道沿線（例如視頻監控數據和收費數據），采用OTN技術的道路通信系統具有以下特點：

（1）具備在SDH和波分復用（WDM）的基礎上完善的標準。

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

（3）OTN系統能夠開展多層次信號傳輸及封裝，OTN系統能夠通過多角度映射，對（以太網）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督控制傳輸。對承載道路收費、監控（視頻監控通道、電力監控通道、消防控制通道等）、辦公通道等不同的Ethernet、SDH、PDH和ATM等信號均可以實現在OTN系統上傳輸。

2 高速公路通信系統在收費和監控中的應用

2.1 高速公路通信系統在收費中的應用

2.1.1 高速公路收費數據的傳輸

高速公路收費系統一般分為三級，即聯網收費中心、路段收費分中心和收費站，且聯網收費路網中的高速公路，納入聯網收費統一清分結算。目前大多數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。

收費站的局域網控制系統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，收費站再通過光纖與收費機房的以太網交換機構成樹型+星型拓撲的局域網，通信系統為收費站與收費中心局域網之間的收費系統數據傳輸提供傳輸通道。收費站把收費站收費數據從以太網交換機送入本站的ONU設備，通過綜合業務接入網中OLT設備直接上傳路段分中心。路段收費中心與聯網之間的收費系統數據傳輸也通過高速公路主干通信系統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

收費視音頻監視系統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、亭內攝像機圖像、監聽音頻、報警信號等采集到的收費監控數據匯聚到視頻交換機或者光纖交換機的；通過網線或光纖傳輸至收費站或監控室；再利用路段通信系統傳輸至聯網收費中心。

2.1.3 射頻識別技術在收費系統中的應用

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，我們簡稱為（ETC），ETC不停車收費系統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據交換。

（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，也能實現雙方的數據傳輸、數據通信，從而識別目標車輛。和傳統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射天線發出，感應進入發射天線覆蓋的信號范圍內的射頻卡，使射頻卡產生能過夠為自身供能的感應電流，從而讓自身激活；然后通過內嵌天線將自身的身份信息傳輸到主機；當射頻卡發出的信號被主機接收到后，再由天線發送到閱讀器，閱讀器將收到的信息進行處理，并發送給后臺主機；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 高速公路通信系統在監控中應用

2.2.1 高速公路監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，并由通信系統將其傳輸到監控中心，再由監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。道路視頻監控對高速公路路面、車流量、事故的情況進行實時監控，使得高速公路能夠高效的實現各個專項的實時監控，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濟及社會效益。

2.2.2 高速公路監控數據的傳輸

高速公路監控系統一般由五個子系統構成：閉路電視監視子系統、交通監控子系統、場區監控子系統，指令電話子系統和有線廣播子系統。

高速公路外場監控圖像和數據的傳輸采用以太網環網方式，在每處外場設備處設置以太網交換機，所有以太網交換機通過光纖環網將外場數據和圖像上傳至收費站監控中心。收費站通過高速公路通信系統的傳輸通道通道將監控數據和監控收費圖像上傳路段分中心。

高速公路通信系統是監控系統數據收集、傳輸及路段中心進行實時監測、指揮調度的基礎。高速公路實時的監控圖像、交通流量數據、高速公路實際運行情況、指揮調度決策信息都需要通過通信系統來進行傳輸。

2.2.3 通信系統在車輛監控中的應用

車輛監控系統可以分為定位系統、通信系統、顯示系統，其中所使用的通信方式主要為常規的通信、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控、指揮、調度的車輛監控管理系統為GPS車輛監控系統。

常規的用于車輛監控的通信系統的組網方式、使用方式都較為簡單，利用GSM短信息業務來定位監控車輛位置數據的交換傳輸使用較為廣泛，使用覆蓋面積大，可以漫游全國，但與集群系統相比，它的延時、和呼叫功能都是其發展的限制因素。專用的指揮調度系統在集群通信方式下，將在車輛監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的基礎上集小群為大群，并可以實現呼叫、故障檢測、處理等功能的無線通信系統為無線集群系統。

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

基于集群通信的GPS車輛通信系統，主要是利用集群網、矢量化電子地圖、監控軟件等實現車輛信息的監控。

其中集群網可以提供用于語音、數據傳輸的無線通信鏈路，矢量化電子地圖可以供全面而準確的地理信息，監控軟件可以對移動車輛信息進行實時的信息查詢監控。各個移動車輛用戶主要是通過集群電臺、GPS接收機、邏輯控制電路實現數據傳輸、數據處理。

在集中控制的集群系統中，可以實現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起或者呼叫的接受都可以在用戶守候的控制信道上實現。為避免申請不到信道時造成的車輛信息丟失，應為傳輸數據的用戶設置優先級。

3 未來高速公路信息化發展趨勢

3.1 智能管控系統

高速公路的通信系統對高速公路運營的整體穩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據等信息技術是其通信系統的技術保證，這將有助于交通信息化的發展等。

與其他無線通信技術的相比，5G技術的數據傳輸的更加穩定、速度更快，高速公路數據傳輸更加高效，高速公路路面、車流量、事故的情況的實施監控數據可直接傳輸至數據庫或者數據中心進行共享，數據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定性和安全性。

高速公路5G智能管理和控制系統主要包括對高速公路彎道，高架橋，隧道，收費站和服務區的管理和控制。在高速公路隧道區域，由于光線等問題，該場景中的道路事故數量很高，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、監控視頻等實時道路數據，并數據可直接傳輸至數據庫及路段管理中心進行共享及決策。

3.2 通信系統、收費系統、監控系統三網合一

我們在實現高速公路在三大系統的融合時，需要在網絡層面上實現通信、監控、收費系統在高速公路上的統一；需要在業務層面上實現、音頻、數據、視頻這三類業務的在高速公路應用上的融合。

我們可以利用新一代的網絡技術、全新的綜合業務接入技術、全新的光傳輸技術以及視頻信息壓縮、解壓等實現的視頻監控技術，可以將高速公路通信、監控、收費系統三大系統融合起來。信息網絡所涉及的點都可以接收到監控系統的視頻信息、音頻信息以及告警信號、控制信號，可以實現移動圖像的測試、警報信息的上報、指令的遠程下達，也可以在高速公路的網絡在不同位置的實時監控、操控遠距離場所。

高速公路通信、監控、收費系統的融合，可以有效利用通信系統的豐富高效的傳輸及容量的資源，并對過去監控系統中網絡不靈活的組網方式、穩定性不高、不方便維護、擴容困難的缺陷進行有效解決，并發揮各個系統的優勢，對高速公路監控系統網絡進行創新。

高速公路通信、監控、收費系統的融合，需要在設備和系統的設計理念上達到供應商級別，充分考慮到系統的新能時候可靠、組網能力的強弱；且需要其網絡構架是基于流媒體的大型的組網要求，并在系統的硬件上對是否可靠、是否安全、是否穩定、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、國家行業相關規范的。

4 結束語

總之，高速公路的穩定運行需要通信系統作為基礎，且在高速公路收費和監控中起著重要的作用，高速公路其他系統的穩定運行是以通信系統的穩定運行作為支撐的。通信系統在高速公路其他系統的應用，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展提供了非常有利的條件。