论高速公路通信系统在收费和监控中的运用

陈 作

（湖北省交通运输厅通信信息中心（湖北省交通科学研究所），湖北 武汉 430000）

1 高速公路通信系统的现状分析

1.1 高速公路通信系统现状

高速公路通信系统一般采用三级管理机构：省通信中心—路段通信中心—基层通信站；由主干层骨干通信网和路段本地接入网两级网络构成。系统总体框架如下图。

省通信中心设在联网中心内；各路段设置路段通信中心；在收费站、服务区、养护工区、停车区和隧道管理所设基层通信站。

省通信中心管理各路段通信中心及各基层通信站，路段通信中心管理所辖路段内的各基层通信站。

1.2 高速公路干线通信系统现状

目前，我国大部分高速公路采用基于同步数字传输体系（SDH）的光纤数字通信系统。高速公路各路段多采用SDH内置式综合业务接入网系统，在分中心设置1套光线路终端OLT设备，在收费站设置光网络单元ONU设备，通过4芯光纤，采用通道保护方式，构成STM-4或STM-16等级二纤通道自愈保护环，完成高速公路内的话音、数据等业务接入。

自1980年以来，数字同步系统（SDH）技术问世以来，它的优势已比准同步数字传输（PDH）技术迅速提高，并且已广泛用于高速公路通信系统中。但是，随着时间的流逝和信息革命的加速，SDH技术已不能满足人们的需求。

1.3 SDH技术及局限

SDH是一种性广泛使用的光传输技术，已在一般道路通信系统中广泛采用了许多年。但是，随着通信技术的发展和业务需求的增长，特别是视频监控和其他服务的增长，对网络传输速度的性能提出了更为严格的要求，这使得SDH技术得以发挥作用，更加严格的体现在以下几点：

（1）控制流量和网络拥塞的容量小。使用了大型软件控制，并且大部分业务都集中在几个高速连接和跨节点上。因此，如果这些关键节点发生故障，将导致大规模网络故障或整个网络瘫痪。

（2）无法提供良好的服务质量（QoS）。

（3）扩建成本高，规模不尽人意。如今，高吞吐量的基于以太网的高带宽服务和执行此功能的SDH设备（例如光板和以太网版本）已成为昂贵的设备。

1.4 OTN技术的优势

在传输网络系统中，省级中继传输网络（例如，中继网络）可以使用OTN设备，而分段接入网络（即，接入网络）可以由包含SDH的传输和接入设备组成。区域骨干网使用OTN技术直接连接到区域骨干网。分区接入网络由位于通信子中心的光终端（OLT）和分布在每个通信站中的光网络单元（ONU）组成。接入网使用SDH技术形成光纤链路网络，以确保为公路相关服务提供足够的传输带宽。远程数据通过光纤接入连接到通信系统的高速公路和隧道沿线（例如视频监控数据和收费数据），采用OTN技术的道路通信系统具有以下特点：

（1）具备在SDH和波分复用（WDM）的基础上完善的标准。

（2）OTN系统增强了数字监听能力，有益于对光通道进管理，且具有监视的功能，可以实现光通道的自我监控；OTN系统在维护信号和故障告警上配置了特殊的设置，系统可实现的自管功能。

（3）OTN系统能够开展多层次信号传输及封装，OTN系统能够通过多角度映射，对（以太网）Ethernet、SDH、PDH和ATM等在信息传输时完成标准形式的封装与全过程监督控制传输。对承载道路收费、监控（视频监控通道、电力监控通道、消防控制通道等）、办公通道等不同的Ethernet、SDH、PDH和ATM等信号均可以实现在OTN系统上传输。

2 高速公路通信系统在收费和监控中的应用

2.1 高速公路通信系统在收费中的应用

2.1.1 高速公路收费数据的传输

高速公路收费系统一般分为三级，即联网收费中心、路段收费分中心和收费站，且联网收费路网中的高速公路，纳入联网收费统一清分结算。目前大多数高速公路采用以半自动收费方式和不停车收费方式结合的收费方式。

收费站的局域网控制系统的构成部分主要包括控制室计算机、广场车道控制计算机。车道计算机通过网线接入收费广场计算机、路段收费交换机组成了独立的局域网，收费站再通过光纤与收费机房的以太网交换机构成树型+星型拓扑的局域网，通信系统为收费站与收费中心局域网之间的收费系统数据传输提供传输通道。收费站把收费站收费数据从以太网交换机送入本站的ONU设备，通过综合业务接入网中OLT设备直接上传路段分中心。路段收费中心与联网之间的收费系统数据传输也通过高速公路主干通信系统提供的传输通道进行传输。

2.1.2 高速公路收费图像的传输

收费视音频监视系统主要由外场视频采集设备、视频传输设备及收费站机房视频存储和视频传输设备构成。

通信系统用于将外场视频采集设备包括：各收费车道的车道编码视频图像、亭内摄像机图像、监听音频、报警信号等采集到的收费监控数据汇聚到视频交换机或者光纤交换机的；通过网线或光纤传输至收费站或监控室；再利用路段通信系统传输至联网收费中心。

2.1.3 射频识别技术在收费系统中的应用

目前，比较广泛研究及推广的用于高速公路电子不停车收费系统，我们简称为（ETC），ETC不停车收费系统所利用射频识别技术（RFID）是以射频方式为基础，进行的与传统的接触式识别技术不同的，通过RFID射频卡与读写器之间达到非接触式的双向通信技术，从而做到目标识别的数据交换。

（1）RFID是什么。RFID是以射频方式为基础的双向通信技术。RFID最基本包括阅读器、射频卡、天线、主机等。RFID技术让射频卡与读写器即使没有接触，也能实现双方的数据传输、数据通信，从而识别目标车辆。和传统的接触式识别方式如磁卡、IC卡相比，RFID技术拥有不用接触、高效阅读、耐磨损、抗干扰、长寿命、便捷高效的优点外，还可以识别多个目标。

（2）RFID工作原理。RFID工作原理是：无线射频信号以特定的频率由阅读器的发射天线发出，感应进入发射天线覆盖的信号范围内的射频卡，使射频卡产生能过够为自身供能的感应电流，从而让自身激活；然后通过内嵌天线将自身的身份信息传输到主机；当射频卡发出的信号被主机接收到后，再由天线发送到阅读器，阅读器将收到的信息进行处理，并发送给后台主机；射频卡是否有否有效、是否合法，都由主机通过相应的逻辑算法进行判定和处理，并且主机且通过同样的信息传输途径，传输相应的命令或指令。

2.2 高速公路通信系统在监控中应用

2.2.1 高速公路监控信息收集高速公路每个站和路段都会安装摄像头，以获得有关高速公路的信息。在接收大量图像、车辆、道路等信息之后，并由通信系统将其传输到监控中心，再由监控中心有效地分析该信息，并基于该信息确定处理措施，以避免交通事故或降低交通事故所带来的更大的损失。道路视频监控对高速公路路面、车流量、事故的情况进行实时监控，使得高速公路能够高效的实现各个专项的实时监控，可以快速的、高效的收集高速公路路面及其他方面的实时信息并及时处理，为高速公路的应急指挥、管理决策提供了良好的支撑，为高速公路的安全运营提供了良好保证，为高速公路的投资方带来了良好的经济及社会效益。

2.2.2 高速公路监控数据的传输

高速公路监控系统一般由五个子系统构成：闭路电视监视子系统、交通监控子系统、场区监控子系统，指令电话子系统和有线广播子系统。

高速公路外场监控图像和数据的传输采用以太网环网方式，在每处外场设备处设置以太网交换机，所有以太网交换机通过光纤环网将外场数据和图像上传至收费站监控中心。收费站通过高速公路通信系统的传输通道通道将监控数据和监控收费图像上传路段分中心。

高速公路通信系统是监控系统数据收集、传输及路段中心进行实时监测、指挥调度的基础。高速公路实时的监控图像、交通流量数据、高速公路实际运行情况、指挥调度决策信息都需要通过通信系统来进行传输。

2.2.3 通信系统在车辆监控中的应用

车辆监控系统可以分为定位系统、通信系统、显示系统，其中所使用的通信方式主要为常规的通信、集群通信、GSM短信息。

利用GPS接收机、无线通信、地理位置信息对移动车辆进行监控、指挥、调度的车辆监控管理系统为GPS车辆监控系统。

常规的用于车辆监控的通信系统的组网方式、使用方式都较为简单，利用GSM短信息业务来定位监控车辆位置数据的交换传输使用较为广泛，使用覆盖面积大，可以漫游全国，但与集群系统相比，它的延时、和呼叫功能都是其发展的限制因素。专用的指挥调度系统在集群通信方式下，将在车辆监控中使用更加得心应手。

在自动共同享有若干个信道的多信道中继转发的基础上集小群为大群，并可以实现呼叫、故障检测、处理等功能的无线通信系统为无线集群系统。

集群通信系统具有高的信道利用率、好的通话质量、低的童话阻塞，且可以实现高智能化、交换功能。

基于集群通信的GPS车辆通信系统，主要是利用集群网、矢量化电子地图、监控软件等实现车辆信息的监控。

其中集群网可以提供用于语音、数据传输的无线通信链路，矢量化电子地图可以供全面而准确的地理信息，监控软件可以对移动车辆信息进行实时的信息查询监控。各个移动车辆用户主要是通过集群电台、GPS接收机、逻辑控制电路实现数据传输、数据处理。

在集中控制的集群系统中，可以实现同一控制信道管理各个不同的信道。移动车辆用户的在呼叫的发起或者呼叫的接受都可以在用户守候的控制信道上实现。为避免申请不到信道时造成的车辆信息丢失，应为传输数据的用户设置优先级。

3 未来高速公路信息化发展趋势

3.1 智能管控系统

高速公路的通信系统对高速公路运营的整体稳定性和管理时间具有重大影响。改善和更新交通通信技术和大数据等信息技术是其通信系统的技术保证，这将有助于交通信息化的发展等。

与其他无线通信技术的相比，5G技术的数据传输的更加稳定、速度更快，高速公路数据传输更加高效，高速公路路面、车流量、事故的情况的实施监控数据可直接传输至数据库或者数据中心进行共享，数据共享的实时性对于高速公路管理人员及时获得道路信息并进行相关决策显得尤为重要。只有保证了精准高效的决策，才能保证高速公路运营的稳定性和安全性。

高速公路5G智能管理和控制系统主要包括对高速公路弯道，高架桥，隧道，收费站和服务区的管理和控制。在高速公路隧道区域，由于光线等问题，该场景中的道路事故数量很高，并且事故报告不正确。而5G智能管控以获得摄像头设备的管理和转向模式从而帮助管理人员获得包括：地图、监控视频等实时道路数据，并数据可直接传输至数据库及路段管理中心进行共享及决策。

3.2 通信系统、收费系统、监控系统三网合一

我们在实现高速公路在三大系统的融合时，需要在网络层面上实现通信、监控、收费系统在高速公路上的统一；需要在业务层面上实现、音频、数据、视频这三类业务的在高速公路应用上的融合。

我们可以利用新一代的网络技术、全新的综合业务接入技术、全新的光传输技术以及视频信息压缩、解压等实现的视频监控技术，可以将高速公路通信、监控、收费系统三大系统融合起来。信息网络所涉及的点都可以接收到监控系统的视频信息、音频信息以及告警信号、控制信号，可以实现移动图像的测试、警报信息的上报、指令的远程下达，也可以在高速公路的网络在不同位置的实时监控、操控远距离场所。

高速公路通信、监控、收费系统的融合，可以有效利用通信系统的丰富高效的传输及容量的资源，并对过去监控系统中网络不灵活的组网方式、稳定性不高、不方便维护、扩容困难的缺陷进行有效解决，并发挥各个系统的优势，对高速公路监控系统网络进行创新。

高速公路通信、监控、收费系统的融合，需要在设备和系统的设计理念上达到供应商级别，充分考虑到系统的新能时候可靠、组网能力的强弱；且需要其网络构架是基于流媒体的大型的组网要求，并在系统的硬件上对是否可靠、是否安全、是否稳定、认证及测试是否严格进行充分的考虑，最后必须是符合国际、国家行业相关规范的。

4 结束语

总之，高速公路的稳定运行需要通信系统作为基础，且在高速公路收费和监控中起着重要的作用，高速公路其他系统的稳定运行是以通信系统的稳定运行作为支撑的。通信系统在高速公路其他系统的应用，提高了高速公路的通行效率，并帮助管理人员及时获得道路信息进行分析，并快速、精准的作出相关决策，这为高速公路信息化发展提供了非常有利的条件。