對無源光網絡技術構造智慧交通神經網絡的研究分析

文圖｜劉榮峰 岳志媛

北京作為全國的特大城市，車輛、駕駛人和交通需求多年來持續增長，進而帶來交通擁堵、通勤時間增加。為此，北京市公安局公安交通管理局積極開展交通科技化建設，尤其在2008年北京奧運會后，加快構建多個實戰科技系統，有效提升了交通管控能力。但隨著時代發展，路面網絡接入標準不統一、結構不合理、數據不互通等問題日益凸顯，不能適應未來科技應用的需求。在“十四五”期間內，北京交管局計劃新建路面感知設備5000套以上，功能上也從單一功能向多功能復用轉變。因此，需對原有通信組網方式進行更新改造。本文針對路面科技感知設備的網絡需求，進行組網技術的研究，重點解決大量交通路面感知設備接入網絡的合理性和經濟性，為今后交通科技應用提供基礎通信支撐。

一、主流網絡接入技術比較和選型

按照承載信號的傳輸介質種類，接入網可被劃分為有線接入網和無線接入網，其中有線接入網包括光纖和銅線接入兩種。目前，銅纜寬帶接入技術使用銅質的雙絞線作為傳輸介質，數據傳輸距離較短，需在100米內，網絡傳輸帶寬最高可以達到1G，適用于室內局域網場景。光纖作為回傳信號的承載材料，同等距離下傳輸的衰耗更低，因此信號能傳得更遠，覆蓋范圍更大。無線接入技術在實際應用場景中使用運營商提供的無線網絡服務，實現業務數據的傳輸，優點是入網方便快捷，缺點是數據帶寬較低，受自然因素影響較大。

隨著網絡技術的發展，光纖傳輸具有距離遠、抗干擾性強、數據容量大等優勢，成為組網介質的主流。無源光網絡（PassiveOptical Network，PON）技術就是采用光纖介質，以全光連接的方式實現端到端的通信互通，相比于其他方式，更能代表先進的網絡技術。

二、“十四五”期間的交通通信需求

在“十四五”期間，按照新一代智慧交通科技發展規劃，需要加強大數據、云計算、邊緣計算等新興技術的使用，對網絡整體架構、路面感知設備及通信管理能力都有大幅度的能力要求。

目前，北京市共有信號燈8000個左右，已經實現聯網控制的不足2000個，剩余的信號燈會全部進行聯網，同時電視監控系統、電子警察、卡口等設備預計增加3000個，全部路面感知設備聯網數量可達2萬余個。在點位分布方面，新建路面感知設備以視頻為主，以路口為單位，安裝1臺電視監控設備（宏觀路況）、1臺信號控制器（信號控制），4個方向分別部署2套視頻卡口（卡口、電子警察），同時在延伸的路段安裝違規占用公交車道、不禮讓行人等抓拍設備。后續隨著自動駕駛的發展，路側內還需要安裝與之相關設備。而且，電視監控設備性能越來越高，已經發展到900萬像素以上，數據傳輸帶寬需要20M。因此，整體路口數據傳輸帶寬大于100M，比原有的帶寬需求提升了6倍。

另外，在路口建設科技設施時，四個方向均需要布設大量的通信、電源、信號等過街線纜，建設、改造、搶修過程中施工難度大，維護成本高，因此需要有新的網絡接入架構，滿足線路簡單、清晰、可維護度高等要求，以提升管理水平。

網絡系統架構圖

三、交通感知網絡GPON接入方案

GPON（Gigabit Passive Optical Network）技術是PON技術中的一種，是由ITU-T G.984.x系列標準規范的千兆比特PON，具有高帶寬、高效率、大覆蓋范圍、用戶接口豐富等眾多優點，被視為實現接入網業務寬帶化、綜合化改造的理想技術。根據交管業務需求和通信技術發展方向，可制定主要由光網絡單元（ONU）、光線路終端（OLT）、無源分光器組成的路口接入網絡架構。

在路口四個方向分別配備ONU設備，安裝在信號機或電子警察機箱內，ONU下行為GE端口，可以支持POE+/POE++（30W/60W），與本側電視監控、電子警察等設備進行連接，實現高帶寬接入。每個方向的ONU設備鋪設光纖直接連接到路口信號機柜的分光器，再租用運營商光纖就近接入執勤大隊的OLT。OLT設備上行口采用多個10GE捆綁上行，通過智慧交通感知骨干網回傳至中心機房，OLT除了提供網絡集中和接入的功能外，還可以針對接入業務的服務質量與系統服務等級協議的不同要求進行帶寬分配、網絡安全和管理配置。分光器是無源設備，本方案采用1:16分光比，滿足路口側100M帶寬以上的數據傳輸。

該技術方案以光總線為核心，從當前痛點問題出發，用光纖通信技術代替傳統電纜通信技術，實現路口信號業務數字化，具有一定的先進性。獨有分層級HQoS機制可重點保障高優先級業務，滿足路口信號的高可靠、高效率回傳。采用AES-128加密算法對上下行數據進行加密，避免信息被非法截取，完全滿足電視監控回傳等業務安全要求。局端設備具備多重保護機制，光纖鏈路支持雙上行，在鏈路故障情況下支持0.05秒內快速倒換，不影響路口業務連續性。全光路口通過光纖傳輸，免于電磁干擾，避免單個終端設備故障影響其他終端設備的正常工作，進一步提升系統可靠性。在系統管理運維方面，路口四個方向分別設置網絡節點，通過總線型進行互聯互通，保障各個科技設備的高帶寬傳輸需求，路口環形管道內只有3條光纖、3條電源線和若干信號燈控制線，線路類型和數量均大幅度減少，提高了系統的可維護性。

四、應用效果及效益分析

利用PON技術對路口進行全光改造，可達到投資回報比最優。一是集中式管理節省機房成本。PON技術采用二層架構（光線路終端OLT和光網絡單元ONU）替代傳統交換機方案三層架構（接入交換機、匯聚交換機、核心交換機），極大節省了機房空間和功耗。二是網絡設備投資較少。PON網絡為樹狀增長的網絡，局端可實現大容量匯聚，隨著監控點數增加，局端匯聚設備成本變動較小，只需添加對應監控點光網絡單元，并建設對應的無源光網絡。三是網絡資源復用率高。傳統的網絡接入模式是按系統需要租用通信光纜，造成同一個路口會租用多條通信光纜，造成光纜租金逐年增高。采用PON技術的路口接入網絡，其光總線的架構將傳統路口多條過街線纜簡化為一根光纜，將路口所有業務承載在光纖上，一個路口只需租用1條通信光纖，大幅度降低通信租用成本。

目前，北京市交管局按照上述方案已完成390個全光路口建設，初步實現電子警察、信號控制、電視監控等交通感知設備統一匯聚、統一傳輸的目標。經過測試，網絡運行穩定，各項指標都優于預定數值，能較好地滿足業務需求