广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心连英管理处510101
摘要：高速公路通信系统主要是为高速公路运营管理及监控、收费系统实施提供必要的语音业务及数据、图像传输通道，本文从高速公路通信系统的基本组成出发，分析了当前高速公路通信系统应用技术及管理要求，提出在宽带化、智能化的发展需求下，基于IP路由交换通信技术的高速公路通信系统演进方案。
关键词：智能交通；宽带信息化；高速公路通信；网络演进；
一、引言
根据国家交通部信息发展的目标，在全行业建立一个以计算机技术、通信技术和网络技术为基础的现代化信息网络，发展和应用各种信息系统，为各级部门提供支持决策，为交通行业提供现代化的经营管理手段及为社会提供准确及时的信息服务，从而达到决策科学化、办公自动化和经济管理现代化，并为实现我国交通运输智能化典型良好基础。目前高速公路现有的通信系统和计算机系统即沿高速公路铺设的光缆形成全国光缆网支持的传输通道和未来“五纵七横”的高速公路计算机联网收费及计算机系统，已为实现这个目标奠定了一定的基础，利用该网络对外服务，将产生巨大的经济效益和社会效益。
因此，作为高速公路重要组成部分的通信系统，如何结合通信技术的发展，以及国家建设绿色交通、智能交通的信息化要求，寻求低碳、经济、有效的解决方案，成为当前交通行业研究的重要内容。
二、高速公路通信系统构成
高速公路通信系统主要是基于高速公路监控系统和收费系统建立起来的，该通信系统目前主要是由光纤数字传输系统、数字程控交换机、光电缆线路工程及通信电源系统等部分构成。监控、收费等系统的业务基于通信系统而进行连接，来保障高速公路各管理部门之间的信息交流，使高速公路实现安全、舒适、快捷、高效运营。
1、管理要求
目前高速公路的通信设施采用三级管理体制，即省通信中心-路段通信中心（有人站）-沿线通信站（无人站），因此相应的通信网络结构一般如下图1所示：
（1）通信网采用三级网络结构：第一级为省中心，第二级为各路段通信分中心，第三级为各路段内通信无人站。
（2）光传输系统由干线传输系统和用户接入网系统组成；
（3）交换系统采用二级网络结构：一级交换中心设在省通信中心，二级交换中心设在各路段通信分中心。
2、通信系统主要组成部分
（1）光纤数字传输系统
光纤数字传输系统分为干线传输系统和接入网传输系统。干线传输系统承载路段通信分中心之间、路段分中心至省通信中心之间的传输业务，目前多采用光同步数字传输系统（SDH）作为干线传输平台，部分系统考虑到下一代通信网络技术的发展，干线传输系统采用兼容传统SDH系统的ASON（自动交换光网络）设备。接入网传输系统承载路段内通信站至路段通信分中心的语音、数据、监控、收费等综合业务，一般是采用光传输网络技术。
（2）数字程控交换机系统
高速公路程控数字交换系统作为整个路网的语音传输平台，包括了高速公路业务电话系统、与电信连接的对外电话系统、指令电话系统，以及移动通信的接入系统。数字程控交换机系统主要为高速公路沿线各管理部门提供业务电话、指令电话、对讲通话等通信业务，同时也实现高速公路内部与公网市话的联络。
（3）路侧光纤紧急电话系统
光纤紧急电话系统主要是为行驶在高速公路上的汽车驾驶员提供救助而设置的。当高速公路上发生事故或遇到其它紧急情况时，使用者可以利用道路两侧的紧急电话分机向高速公路监控中心发出呼叫，提出求救、报告事故情况，让值班人员能够及时调度排障车、救护车和事故处理人员前往事故现场实施救援。
（4）数据和视频传输系统
高速公路的数据数据和视频传输通路包括路段（包括隧道区段）监控数据传输通路、收费数据传输通路、视频传输通路。
路段监控数据传输通路分为三级，第一级为监控外场设备（FCMS、CMS、VD等）至就近无人通信站的数据传输通路，第二级为无人通信站传至监控分中心的监控数据传输通路，第三级为监控中心至省监控中心监控数据传输通路。
收费数据传输通路分也为三级，第一级为收费车道至收费站，第二级为收费站至路段收费分中心（通信分中心），第三级为路段收费分中心至省收费中心（省通信中心）。
视频传输通路主要是完成视频图像（包括广场和车道摄像机）和监控外场图像的传输，采用类似路段监控数据传输通路的三级管理模式。
三、基于SDH传输技术的通信方案分析
目前高速公路通信系统一般是采用基于SDH传输技术的专网建设方案，光纤数字传输系统、数字程控交换系统以及覆盖全线的光电缆线路，构成一套全数字综合业务通信系统，其通信网络结构如图2所示。该方案一般是采用纯电路交换技术，各种业务占用固定时隙，服务质量能够得到较好保证，即QOS方面有一定的优势，是目前高速公路通信系统采用的主流方案。
（1）光纤数字传输系统方案
干线传输网络采用MSTP设备组建，一般根据容量需求在高速公路通信分中心设置一套STM-4/16ADM分插复用器，通信分中心至省通信中心段采用STM-4/16等级的干线传输，利用光纤组建1+1型保护的传输网络。
接入传输网一般在通信分中心设置可传输语音、高速数据和视频服务的光线路终端OLT，在路段通信站设置用户侧设备光网络单元ONU，OLT汇聚所有ONU的业务后，经干线传输系统传送至省中心或者其他通信分中心。各站的综合业务接入网设备用光纤采用隔站相接的方式构成一个自愈保护环。
光纤数字传输系统可提供如下通路的传输：
标准的STM-1/STM-4/STM-16数字通路；
2Mbit/s数字通路；
音频信道，包括远端用户信道、紧急电话系统的远端分支信道；
数据信道，包括收费网络数据信道、监控网络数据信道、监控外场设备的视频信道等。
（2）数字程控交换机系统方案
在通信分中心设置一台数字程控交换主机，为全线各管理部门提供自动拨号电话。通信分中心至省中心、相邻通信分中心之间采用中继汇接，实现全省高速公路综合通信网。
交换主机选用新一代大容量数字程控交换系统，符合ITU-T和ETSI标准，具有完整的中国NO.7信令系统，并可通过V5.2接口与接入设备（OLT）连接，完成电话业务的向下延伸。业务电话分机一般设置在收费站、服务区、集中居住区和停车区等处，远端用户电路由综合业务接入网提供。
指令电话系统为管理部门工作人员提供指挥和调度功能，可由交换主机的“热线”和“会议电话”功能经软件设置实现，采用多媒体数字录音终端系统，一般在通信分中心设指令电话主机，分机设在高速公路沿线收费站、服务区和停车区等。
内部对讲电话是供各收费站的收费亭内工作人员与收费中心监控室值班员之间联系的收费对讲电话，主要用于收费员及时向收费中心的值班员报告收费业务中遇到的问题，或用于收费中心向收费员下达指示等，同样可采用交换主机的“热线”和“会议电话”功能和软件设置实现。
（3）光纤紧急电话系统方案
紧急电话系统是收集道路上车辆故障及事故信息的主要工具，它既为道路使用者和公路管理人员提供了便利的通信条件，同时也为监控系统提供道路上的各种相关信息，以使监控系统更准确、更有效地工作。光纤紧急电话一般由光纤收发模块、数字/音频处理模块、噪声抑制模块、防雷模块、喇叭、麦克、按钮、太阳能板、后备电池、充电控制器、钢制紧急电话分机外壳等组成。为避免使用者穿越道路而造成二次事故，在高速公路上的紧急电话分机均为对称布设。
（4）数据和视频传输系统方案
数据传输的介质采用电缆或光缆，近距离采用实线传输，长距离则利用ADM或ONU信道传输。
对于监控数据，监控外场设备（VD、CMS、CSLS、LC、VISID等）至路段监控分中心的数据传输采用金属电缆或利用ONU、OLT提供的音频信道。监控外场设备数据先经MODEM，再经实线（电缆）直接至路段监控分中心；当监控外场设备至路段监控分中心距离较远时，监控外场设备数据先经MODEM传至就近的光通信站，利用ONU的2/4线音频接口传到相应的路段监控分中心，再经MODEM解调后，传至路段监控分中心的通信控制器。路段监控分中心至省监控中心数据由ADM系统完成。
对于收费数据，收费车道至收费站数据传输由收费系统负责，各收费站至路段收费中心的收费数据，由通信系统ONU、OLT提供的10/100/1000M以太网接口实现路段内收费数据传输，路段收费分中心至省收费中心由ADM完成数据传输。
对于视频数据，由于目前多采用MPEG-II视频数字压缩编解码的IP网络摄像机，所有路段监控外场图像可采用工业级千兆以太网交换机与就近通信站内视频以太网交换机组成光纤环网接入，然后经接入站内视频以太网交换机环网通道全部上传至路段通信分中心，最后由ADM系统以通过组播方式将本路段图像传输至省级管理中心。
（5）网络同步系统方案
光网络全网的同步采用主从同步方式。接入网内低等级的网元设备（ONU）从等级较高的网元设备（OLT）或同一等级的网元设备（ONU）信息流中提取时钟同步信息，OLT设备从程控交换机抽取时钟。在全网系统联网后，干线传输系统及程控交换系统以及综合业务接入网系统均同步于省中心的时钟。
四、基于IP网络的通信系统演进方案
基于SDH传输建设的高速公路通信系统是专网建设，无法利用公网如电信运营商的传输资源来实现远距离传输，重复建设投资较大；其次，由于采用SDH传输技术，业务时隙固定，利用率较低，带宽受限问题容易产生，当业务需求量增大时需持续扩容，工程操作频繁。
随着目前公用通信网络飞速发展，采用基于路由器和交换机的纯IP交换网络越来越得到广泛运用，就连与人们生活息息相关的语音、视频通话也已IP化。同时，在交通行业发展方面，一方面要求发展低碳经济，绿色交通，减少重复性投资带来的浪费，另一方面高速公路智能化带来的业务数据量持续增大，如监控视频图像高清化、车联网的发展落地、道路能量收集系统建设等业务要求高速公路通信网的带宽足够大才能完成。因此，考虑高速公路通信系统如何利用公网资源实现宽带化、智能化交通管理，成为当前研究和发展趋势。
基于IP路由和交换技术的高速公路通信网络结构如图3所示。
该方案将网络分为三层，即接入层、汇聚层、骨干层。
接入层主要由每个通信站内的设备构成，可以是路段的无人通信站，也可以是有人的小型通信站，主要是完成电话分机、监控设备、视频录像设备、收费站设备等接入，每个通信站部署一台交换机上联汇聚层路由器，可采用线性1+1组网结构形成冗余。
汇聚层主要是针对大型收费站，每个收费站部署一台路由器，汇聚所管辖下的接入设备业务，与监控分中心组成环网结构。
骨干层主要针对路段通信分中心与省通信中心，每个中心设置路由器组成环网结构，并且在路段通信分中心、省通信中心都可直接连接公网运营商，可以实现高速公路通信网与公用网络的互联，也可利用公网的传输网络实现路段通信分中心与省通信中心业务数据的传送。
该方案通过各个通信站设置节点交换机，实现数据、语音、图像的综合传输（三网合一），同样可以利用光纤形成自愈环网。由于网络带宽够大，可以把视频模拟信号和语音电话等数字化后接入网络传输，可减少传输中的接口，可靠性提高，且和电信、公网有比较好的兼容性，扩展性较好，可能是以后高速公路通信网实现宽带化、智能化发展的趋势。
五、结束语
随着社会的不断进步、科学技术的不断发展，高速公路的管理信息化、智能化已经成为高速公路发展建设不可或缺的一部分，其发展的好坏直接影响着高速公路的运营状况。尽管我国在高速公路通信系统方面已取得了不小的成就，但还是难以满足时代快速发展的需求。基于IP路由交换技术的高速公路通信网络方案作为一种顺应社会信息发展的趋势，必然会吸引相关技术人员不断的探索和研究，为促进我国高速公路的快速发展做出应有的贡献。
参考文献：
[1]方洪流，钟由彬.高速公路机电设备的应用现状及管理建议[J].智能交通管理，2013，373（7）：84-86.
[2]北京交科公路勘察设计研究院有限公司.《广佛肇高速公路通信系统设计》，2016.
[3]海信网络科技股份有限公司.高速公路通信系统解决方案.