高速公路收费、监控及通信系统新思路

高速公路收费、监控及通信系统新思路

随着我国高速公路建设的飞跃发展，全国及许多省的高速公路骨干网正在逐步形成，交通的运营管理现代化与信息化也愈来愈重要，作为智能交通、信息化基础直接为高速公路运营及运行管理服务的监控、收费、通信系统，也取得了很大的发展。各省联网收费、联网监控、构架三网合一的通信网络也稳步健康地推进、扩展，现代信息、计算机、通信技术也逐渐在高速公路中得到应用，经过交通行业工作者的科技创新，大力推动了高速公路信息技术的发展。

泰克所在江苏省交通厅、省高速公路建设指挥部、省高速公路经营管理中心的支持和帮助下，在扬州西北绕城和南通至启东高速公路交通工程（机电系统）设计和招标中，积极而慎重地采用了一些新技术，本文以扬州西北绕城高速公路监控、收费、通信为例，说明主要技术特点与创新。

1、收费系统采用集中管理方式根据扬州西北绕城高速公路绕城的特点，省高指提出建立高效率、高效益的收费管理机构的需求，我所根据相关路段收费集中管理的成功经验，推荐本路段采用收费系统集中管理的方式。将江都北、扬州北、西湖及扬州西4个匝道收费站都纳入扬州西收费分中心集中管理。在每个收费站处不单独设收费监控值班员，由扬州分中心集中设收费监控值班员，统一管理本路的收费业务。

集中模式与每站控制室设值班人员相比，其优点是减少了收费站

控制室的值班人员，简化了收费系统的网络结构，降低了运营管理费用，便于分中心集中监督管理。但是，当管理多站的控制室或分中心某些设备或传输通道出现故障时，影响收费系统运行的范围要广一些。因此，要求分中心的服务器必须是高可靠性的双机冗余，在网络的设计上要有冗余及可靠措施，此外，在每个收费站局域网上还设置服务器，保存收费数据等措施，提高系统的可靠性和安全性。。

2、用千兆以太网构架语音、数据、视频合一传输系统考虑到江苏省联网通信规划的要求，本路的干线传输系统仍采用了STM-4级同步数字体系（SDH）。而传统的SDH综合业务接入网，是基于语音业务为主发展起来的，传送数据业务时效率不高，而高速公路运行和运营管理中，除了话音通信以外，更多的是数据和视频图像业务，尤其是视频图像占用大量的带宽。而收费站、服务区、监控收费分中心等本地信息处理都是采用以太网方式的局域网，因此，如何减少网络层次、降低投资、满足运营管理需要，提供一个性价比好的合适的网络，是从事交通工程机电系统技术与管理人员不断探索追求的目标。

因为本路段管理范围较短，收费采用集中管理的方式，各收费站只是收费广场，语音需求除了正事的运营管理的语音通信外，还包括收费对讲电话，总的来看，话音需求不多，所以在本路的设计招标中取消传统SDH综合业务接入网，改用千兆以太网作为本路段内的传输及接入方式，使路段内话音、数据、视频图像真正统一到千兆以太网传输平台上。其系统构成图见图二。即在本路扬州西通信分中心与沿线的双沟停车区、江都北收费站、扬州北收费站、西湖收费站各设一

台三层千兆以太网交换机，他们之间通过光纤以太网的方式进行连接，为沿线各站与中心之间的语音通信以及监控、收费系统的数据、视频、图像等提供传输通道。

在扬州西分中心设一台1000M三层以太网交换机，分别采用2芯光纤与4个站点、双沟停车区的1000M以太网交换机相联，构成光纤网状以太网网络系统。考虑到网络的可靠性，分别将相邻2个站点的交换机光纤互连做为备份通道。采用本方案具有以下特点：

①符合国际标准的技术以太网技术是符合IEEE802国际标准充满生机活力的技术，20年来以太网技术作为局域网数据链路层标准战胜了令牌总线、令牌环等技术，成为局域网技术事实上的标准。由于以太网具有简单、低成本、可扩展性强、与IP网能够很好结合等优点，使以太网技术迅速推广应用，近期又得到了迅速的发展，随着IEEE802.3z、IEEE802.3ab千兆以太网标准的确立，以太网技术的应用也逐渐向公用电信网、城域网扩展，用于高速公路交通信息的广域网也是合理的发展。

②千兆以太网摆脱了传统载波侦听/冲突监测（CSMA/CD）访问控制方式的束缚，双全工的工作方式可以同时发送和接收数据，具有全双工功能的交换机可以获得两倍单工模式的通信吞吐量，并且不会发生数据碰撞。在双工方式下，千兆以太网的通信距离只受传输介质造成信号损失的限制，当采用光纤传输时以太网的通信距离可达到70KM。因此，采用三层千兆以太网可将分散在高速公路沿线的收费站等LAN连接成一个广域网（城域网），局域以太网送出数据链路层的

MAC帧可以原样不动地到达分中心局域网和网络内其他地点的LAN，不像在使用SDH综合业务接入网时，以太网链路层数据帧的传输需要经SDH的装拆处理，需多协议的转换。因此不经SDH接入网联网不需要多协议的转换，能减少传输延迟、简化网络层次、提高效率。

③利用局域网交换机支持虚拟局域网技术，可以将局域网按端口、MAC地址、按协议等划分虚拟网段（VLAN），可以实现按管理功能或数据性质来划分虚拟网段，分割网络流量、控制广播风暴，加强了网络管理和网络安全，保障高速公路运营管理的需要。

④利用收费、监控既有的网络设施、降低造价目前，无论通信系统采用何种传输方式，高速公路监控、收费系统中，每个收费站、收费、监控分中心等节点都使用快速以太网，都有局域网交换机或者路由器，利用这些交换机构架千兆以太网的广域网，只要适当提高交换机部分性能要求和做局部扩展，就可以构成路段内传输网络，满足运营管理的需要，采用此方案投资增加很少，并且可以取消传统SDH 接入网中的光线路终端OLT和光网络端装置ONU（为了语音系统还需要每站增加语音网关设备），能明显降低工程投资。如果以扬州西北绕城路为例，分析比较增建设施的情况，可以节约投资约50多万元。

此外，千兆以太网较STM-1/4（155/622Mbps）接入网提高了通信的带宽，系统的扩展性较好，与IP业务能够很好地结合，今后也较易升级为10G以太网。但是，以太网不能像SDH那样提供物理层低于50微秒的环冗余保护恢复功能。随着IEEE802.1s和802.1w标准的建立，千兆以太网组成的网络拓扑结构中，网络重新融合的延迟将

会大大缩短。

3、采用先进的视频数字监控系统本路收费分中心视频监视和监控分中心视频监视采用同址合建联合监视方式，以降低工程投资、减少人员节约运营费用。本路监控、收费分中心、收费站都取消了视频切换控制矩阵，监控系统的沿线遥控摄像机采取在邻近收费（通信）站经标准MPEG2编码器压缩后用数字方式进行传输，在监控分中心用MPEG2解码器、视频服务器、工作站、视频监视器组等组成监控系统，实现视频数字监控。视频监视子系统构成见图三。

本高速公路监控系统共设9台遥控摄像机，用于监视各立交区域和停车区的交通状况和设备状况，遥控摄像机与分中心处设视频数字复用光端机，一对视频数字复用光端机间用光纤连接，用于传输图像信号和反向控制信号。沿线每台遥控摄像机的视频图像先传到附近的通信站，每台摄像机分别占用一芯光纤，再通过MPEG2视频编码器接千兆以太网传输到监控分中心，由接在监控分中心千兆以太网交换机上的MPEG2解码器，还原成模拟视频信号，在大屏幕投影屏和监视器组上进行显示。在扬州西监控收费分中心设有视频监视器组、视频控制工作站、视频服务器等，对视频图像进行存贮和管理，监控分中心局域网上的视频服务器和多台工作站，只要加上相应的解压软件，就可以自由地调看分中心LAN及系统中的视频图像。

收费站视频监视子系统采用本站就地数字化录像、存储和传输。

收费系统、视频监视范围包括收费车道监视+收费广场监视+收费亭监视，结合管理需求采用收费分中心集中监控模式，即各收费站所

有摄像机图像均上传监控收费分中心，由监控收费分中心值班员集中监视、控制。考虑广场监视的遥控摄像视频图像还要服务于交通监控，将收费广场摄像机视频图像采用MPEG-II（或者MPEG-IV）压缩标准，该编码器连至收费站的千兆以太网交换机，收费车道和亭内视频图像通过MPEG-IV编码器连到收费站的千兆以太网交换机，将收费站全部视频图像通过千兆以太网网络传输到本路扬州西监控收费分中心。为了防止因传输网络故障对视频数字监控系统的影响，以及保证收费站视频监控的可靠性，在每个收费站局域网上设16路MPEG4数字录像机，对全站视频图像进行实时录像，要求数字录像机采用嵌入式，并且对录像图像不能进行修改的，以满足稽查及审查视频录像的需要。

由上可见，本路的视频监控采用了数字监控系统，扬州西监控收费分中心能对视频图像进行实时的显示、录像、回放、查询、检索等，同样具有视频数字监控系统的优点，系统还具有较强的网络视频监视功能，只要通信网络支持，网络上的计算机都可以方便地调看图像，就能很容易地实现上级主管、相关业务部门对视频图像查询、调用浏览等，达到视频图像信息的网上共享，为高速公路运营管理的信息化提供有力支持。要保证上述功能的实现，必须要求局域网交换机、编解码器等网络设备提供组播功能，交换器、路由器等网络设备应提供区分服务保证服务质量（Qos）的支持。

4、采用VOIP技术的语音系统根据话音通信的需求分析，除了满足本路内外运营管理与要的话音服务以外，还要为收费系统提供内部对讲功能。内部对讲电话是用于收费亭内、收费员和收费分中心控制

值班员的直通对讲通话，进行收费出入口车道收费业务的管理。本路的收费对讲功能是用程控交换机的热线电话和会议电话功能来实现。为了管理方便本路在扬州通信分中心设程控交换机系统，利用收费站、服务区的千兆以太网交换机，设置话音网关，由话音网关接入收费站、停车区的多台电话机，构成本路的语音系统，为本路扬州西北分中心、停车区、收费站、养护工区的用户提供电话服务，同时本话音系统还接入江苏省的高速公路数字程控交换机网、实现与本路外部的话音通信。采用各站加语音网关的网络IP话音方案，是基于收费系统既有的千兆以太网络，利用扬州西分中心数字程控交换机（本路也可利用淮江路分中心的交换机）作为话音业务的提供点，不需要单独建设接入网来完成话音的综合接入。这在一条路的话音系统设计中也是首例。

本路语音系统采用VOIP技术，能完全继承原有PSTN系统的话音业务，对于现有的网络也不产生任何影响，利用V5协议可透传PSTN 业务，并支持调制解调器的透传功能；基于IP分组的技术基础能给语音系统带来更多的业务特性，便于话音业务向软交换机过渡。

5、监控外场设备采用以太网传输。

本路全线设有环形线圈车辆检测器6套、可变限速标志5套、可变信息标志3套、信息发布屏6套、遥控摄像机9台等外场设备，设备布设详见外场设备布设图。各监控外场设施，是采用低速数据口在邻近收费站处转换成以太网接口接入收费站以太网交换机，然后经网络传至监控分中心的方案。也就是说，外场设备到监控分中心之间的

数据传输，采用光纤传输方式，两端增加相应的数据光端机，连接到附近收费（通信）站，通过接口适配器（RS232C或RS485转以太网口）连接到收费站以太网交换机上，通过千兆以太网进行数据传输。如果外场设备提供以太网口，则可以不用接口适配器转换接入收费站以太网交换机；对于无以太网接口的外场设备，采用以太网接口适配器转换，能借助千兆以太网传输。随着自动控制及以太网技术的发展，监控外场设备提供以太网接口也是较易做到的，当外场设备都具有以太网接口时，则能够将外场设备与监控分中心之间通信传输规约统一到TCP/IP，其优点是简化了监控网络的层次，有利于系统的标准化、开放性和维护管理。

外场设备采用光纤传输，有利于提高系统的防雷电过电压水平，有利于提高监控系统的可靠性。

本文以扬州西绕城高速公路机电系统工程为例，论述了一些机电系统的新思路，希望对高速公路监控、收费及通信系统的建设能有所借鉴，促进交通工程机电技术发展。随着该工程的实施，系统还会不断地改进和完善。作者相信随着我国计算机、信息、通信和自动控制技术的发展，高速公路的机电系统将会越来越现代化、智能化、信息化。