楊 軒
(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣州 510507)
以科技創(chuàng)新與5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景探索為指導(dǎo),結(jié)合國(guó)家五大發(fā)展理念,深入貫徹落實(shí)交通運(yùn)輸部《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》、《廣東省加快5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019~2022年)》以及廣東省交通運(yùn)輸廳《推進(jìn)全省高速公路項(xiàng)目5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和應(yīng)用示范工作的實(shí)施方案》等,推動(dòng)高速公路傳統(tǒng)機(jī)電三大系統(tǒng)與新一代5G通信技術(shù)融合。在此基礎(chǔ)上,完成一系列新系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā),并在從埔高速公路運(yùn)營(yíng)后正式使用,探索數(shù)字交通新模式下機(jī)電系統(tǒng)的建設(shè)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在助力智慧運(yùn)營(yíng)、提升建設(shè)品質(zhì)、提高運(yùn)行效率等方面取得新突破。
本文通過(guò)研究在高速公路收費(fèi)廣場(chǎng)、服務(wù)區(qū)、隧道、管理中心等場(chǎng)景下,應(yīng)用基于5G無(wú)線設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸模式,確定新傳輸方式的可行性和穩(wěn)定性,并探索在新傳輸模式下的通信系統(tǒng)傳輸架構(gòu)。
高速公路監(jiān)控系統(tǒng)利用布設(shè)在高速公路沿線的設(shè)施,起到車(chē)輛監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)布信息等作用,在高速公路安全運(yùn)營(yíng)中扮演著重要的角色。通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和收費(fèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等信息的傳輸,同時(shí)保證高速公路管理部門(mén)之間業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)通訊的通暢,并為高速公路內(nèi)部各部門(mén)與外界建立必要的聯(lián)系。
當(dāng)前高速公路通信為有線通信,通信系統(tǒng)通過(guò)在高速公路沿線鋪設(shè)專(zhuān)用的通信管道自建閉環(huán)的通信網(wǎng)絡(luò),以光纖和交換機(jī)通過(guò)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和分級(jí)傳輸?shù)姆绞絺鬟f信息。
目前高速公路的通信傳輸方式能基本滿(mǎn)足高速公路通信的需求,但也存在著不足:
(1)通信系統(tǒng)通過(guò)光纖形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò),具有較強(qiáng)的安全性和獨(dú)立性,但在覆蓋率、成本控制、傳輸速率以及靈活性方面能力不足。
(2)通信傳輸鏈路長(zhǎng),監(jiān)控視頻質(zhì)量會(huì)隨著傳輸距離的增加而降低。
(3)現(xiàn)有的外場(chǎng)終端設(shè)備通信協(xié)議不統(tǒng)一,導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式混亂,容易形成信息孤島,海量的數(shù)據(jù)管理及治理成本較高,不利于數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用。
(4)隨著道路長(zhǎng)度和電子設(shè)備數(shù)量的增加,對(duì)于三大系統(tǒng)的維護(hù)難度也隨之增加。如道路沿線需要新增攝像機(jī)時(shí),需要開(kāi)挖道路,并敷設(shè)新的分岐光纜至分岐手孔處與原有輔助光纜或主干光纜熔接,施工復(fù)雜、工程量大、造價(jià)較高,且施工期間可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有通信通道造成損壞,存在整個(gè)通信鏈路中斷的風(fēng)險(xiǎn)。
(5)一旦高速公路發(fā)生事故,可能會(huì)對(duì)沿線通信基礎(chǔ)設(shè)施造成損壞,影響監(jiān)控系統(tǒng)和收費(fèi)系統(tǒng)的正常運(yùn)作,甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,造成經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。
因此,隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步,傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)施通信體系與當(dāng)今時(shí)代的服務(wù)和需求存在一定的差距。
2020年7月,5G第一個(gè)演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)R16(Release 16)凍結(jié),標(biāo)志著5G網(wǎng)絡(luò)已具備真正的系統(tǒng)級(jí)低時(shí)延高可靠性能力,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用背景下的4G—5G互操作問(wèn)題,以滿(mǎn)足智慧車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用,為高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施信息化帶來(lái)了新的契機(jī)。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比,5G技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn),充分利用這些優(yōu)點(diǎn),可以建設(shè)全新的高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施通信體系。
(1)利用5G技術(shù)超寬帶、速率快等特點(diǎn),通過(guò)在外場(chǎng)設(shè)備增加5G鏈路,無(wú)需在通信中心設(shè)交換機(jī),從而將現(xiàn)有的外場(chǎng)視頻鏈路接入5G網(wǎng)絡(luò),提高視頻監(jiān)控和語(yǔ)音通信質(zhì)量。
(2)5G網(wǎng)絡(luò)利用切片技術(shù),保證通信的安全、可靠和低延時(shí)等特性。
(3)設(shè)備間通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)通信,可以減少電纜敷設(shè),節(jié)省建設(shè)及維護(hù)成本,也可保證通信的實(shí)時(shí)性。
(4)5G通信技術(shù)備份保障。研究、設(shè)計(jì)一套有線通信與無(wú)線通信相結(jié)合的新通信模式,兩種通信模式互補(bǔ),可保證通信的可靠性。同時(shí),無(wú)線與有線通信的結(jié)合,可以為終端設(shè)備提供多樣化的通信手段,優(yōu)化通信鏈路建設(shè)方案。
(5)通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),建設(shè)多元數(shù)據(jù)融合的綜合交通數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用。
(6)5G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、道路、私有云平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)通信,為高速公路后期建設(shè)自動(dòng)駕駛、車(chē)輛協(xié)同等新型智能交通體系提供傳輸通道。
無(wú)線傳輸已經(jīng)應(yīng)用在生活的各個(gè)角落,在5G擁有高速率、低延時(shí)、大容量等優(yōu)勢(shì)下,應(yīng)用5G無(wú)線傳輸可以極大簡(jiǎn)化收費(fèi)廣場(chǎng)、服務(wù)區(qū)等設(shè)備密集處的外場(chǎng)通信傳輸問(wèn)題,減少外場(chǎng)線纜布設(shè)與連接,同時(shí)降低了新增外場(chǎng)設(shè)備的施工難度,為將來(lái)新增5G應(yīng)用、智慧交通設(shè)備提供有力的數(shù)據(jù)傳輸方式。
本研發(fā)應(yīng)用需確定基于5G的無(wú)線外場(chǎng)設(shè)備傳輸模式是否可行,穩(wěn)定性是否滿(mǎn)足需求。
區(qū)別于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、逐級(jí)匯聚的通信模式,探索由通信中心直接對(duì)接各終端的扁平化通信管理系統(tǒng),研究開(kāi)發(fā)新通信模式的應(yīng)用潛力,為智慧交通開(kāi)拓更多的應(yīng)用場(chǎng)景。
新的通信模式采用的各子技術(shù)本身已較成熟,本研究主要工作在于系統(tǒng)性集成,針對(duì)高速公路通信需求的特點(diǎn)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì),并通過(guò)試點(diǎn)工程的建設(shè)、運(yùn)維,積累經(jīng)驗(yàn),通過(guò)邊研究邊調(diào)整的思路,最終摸索出切實(shí)可行的高速公路新通信模式。
在有線通信模式改變到無(wú)線傳輸模式的框架下,對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備及軟件進(jìn)行探索、研發(fā)并投入使用,實(shí)現(xiàn)“軟、硬無(wú)線一體化”。
(1)現(xiàn)有收費(fèi)廣場(chǎng)地下通信管線較多,改擴(kuò)建項(xiàng)目還涉及到管線破壞及恢復(fù),工程量較大,易對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控、收費(fèi)業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。在新的無(wú)線傳輸模式下,對(duì)于類(lèi)似的擴(kuò)建工程,僅需要對(duì)現(xiàn)有收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)備及機(jī)房設(shè)備進(jìn)行翻新更換即可,替換時(shí)間快、效率高。
(2)隧道內(nèi)部屬于密閉空間,發(fā)生危害將危及作業(yè)人員,現(xiàn)有緊急電話在多種危害(如火災(zāi)、有毒有害氣體泄漏等)情況下,無(wú)法發(fā)揮作用,將對(duì)隧道本身及司乘人員造成極大的隱患。面臨大范圍的災(zāi)害,持可移動(dòng)緊急電話靈活方便,溝通報(bào)告災(zāi)情更加便捷,指揮救援更加安全,人身安全可得到較大的保障。
(3)目前廣東省高速公路較多路段正在進(jìn)行改擴(kuò)建工程,外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備均使用有線傳輸?shù)哪J剑臄U(kuò)建期間需涉及到外場(chǎng)監(jiān)控的遷改以及臨時(shí)施工監(jiān)控的搭建,采用有線傳輸加大了施工的難度及復(fù)雜度。若采用無(wú)線外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備,僅需考慮安裝位置即可,節(jié)省工程造價(jià),保證主線的擴(kuò)建工程順利進(jìn)行。
收費(fèi)站內(nèi)的設(shè)備可通過(guò)5G通信系統(tǒng)與收費(fèi)中心相連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。收費(fèi)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由超融合服務(wù)器、分布式存儲(chǔ)服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)(車(chē)道監(jiān)視及收費(fèi)管理工作站、財(cái)務(wù)工作站、CPC卡管理工作站、交接班管理工作站)、激光、噴墨、以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。它們通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)直接連到收費(fèi)中心以太網(wǎng)交換機(jī)上。收費(fèi)中心與收費(fèi)站通過(guò)5G通信系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。收費(fèi)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)通信系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
所有收費(fèi)站的設(shè)備可基于5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,提高了收費(fèi)廣場(chǎng)的建設(shè)速度,簡(jiǎn)化后期維護(hù),設(shè)備僅需供電即可使用,具有設(shè)備安裝便捷、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),隨時(shí)可以基于技術(shù)要求與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),便捷新增各種設(shè)備。
在試驗(yàn)初期可基于原來(lái)的收費(fèi)、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),搭建傳統(tǒng)的通信系統(tǒng),并在部分收費(fèi)站設(shè)立5G試點(diǎn);后期可通過(guò)電信現(xiàn)有5G通信網(wǎng)絡(luò),或者建設(shè)交通運(yùn)輸專(zhuān)屬的5G切片專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)。
對(duì)于現(xiàn)有的服務(wù)區(qū),可使用5G作為設(shè)備通信渠道,并通過(guò)5G鏈接到一個(gè)共通的通信網(wǎng)內(nèi),便捷收集服務(wù)區(qū)各個(gè)終端的信息,大數(shù)據(jù)分析服務(wù)區(qū)的經(jīng)營(yíng)與管理情況,及時(shí)提供更好的經(jīng)營(yíng)策略。服務(wù)區(qū)可采用全景攝像機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)GIS 地圖、三維地圖、視頻的無(wú)縫融合,構(gòu)建服務(wù)區(qū)數(shù)字孿生視覺(jué)計(jì)算引擎,自動(dòng)生成流量監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、營(yíng)運(yùn)監(jiān)測(cè)、視頻數(shù)字化分析的數(shù)據(jù)等;通過(guò)車(chē)位檢測(cè)攝像機(jī),監(jiān)測(cè)服務(wù)區(qū)內(nèi)車(chē)位占有率、車(chē)輛飽和度數(shù)據(jù)以及亂停亂放情況;利用客流量檢測(cè)攝像機(jī),監(jiān)測(cè)服務(wù)區(qū)客流數(shù)據(jù)、服務(wù)區(qū)飽和度情況,并根據(jù)數(shù)據(jù)采取相關(guān)的服務(wù)措施。
服務(wù)區(qū)所有設(shè)備均通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴7?wù)區(qū)采用的5G通信架構(gòu),各項(xiàng)數(shù)據(jù)不再是存儲(chǔ)在一個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)內(nèi),結(jié)合全域視頻監(jiān)控,可以將整個(gè)公路與服務(wù)區(qū)結(jié)合在一起,打造全數(shù)字化公路,實(shí)時(shí)為司乘人員提供服務(wù)區(qū)車(chē)位情況、人流情況、廁所位置、服務(wù)區(qū)售賣(mài)食品(可以提前預(yù)定)等各種人性化服務(wù),實(shí)現(xiàn)智慧交通中人性化的一面。
舊有通信系統(tǒng)為多層級(jí)系統(tǒng),上級(jí)單位想要獲取外場(chǎng)設(shè)備等數(shù)據(jù),需經(jīng)過(guò)上級(jí)單位系統(tǒng)-管理中心-收費(fèi)站-外場(chǎng)設(shè)備等多個(gè)層級(jí),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且限制于舊有通信系統(tǒng)架構(gòu)無(wú)法優(yōu)化。
5G技術(shù)可以不受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)限制,獲取更多設(shè)備本身信息,如使用情況、功耗情況、覆蓋情況等,快速得知設(shè)備使用率與覆蓋率等,且無(wú)需再重新建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)即可根據(jù)需要、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、突發(fā)情況與使用需要增減外場(chǎng)設(shè)備。
利用5G技術(shù)超寬帶、速率快等特點(diǎn),通過(guò)在外場(chǎng)設(shè)備增加5G鏈路,無(wú)需在通信中心設(shè)交換機(jī),從而將現(xiàn)有的語(yǔ)音通信和外場(chǎng)視頻鏈路接入5G網(wǎng)絡(luò),提高視頻監(jiān)控和語(yǔ)音通信的效率?;趯?zhuān)用的5G通信系統(tǒng),可以打造互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的通信架構(gòu),打造扁平化管理系統(tǒng),所有有權(quán)限的中心可直接連接終端設(shè)備,進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、指揮;所有外場(chǎng)設(shè)備將具有部署靈活、監(jiān)控大廳可實(shí)時(shí)感知與控制的優(yōu)勢(shì),管理人員可及時(shí)獲取設(shè)備使用情況、獲知設(shè)備功耗情況、目前溫度是否過(guò)熱等多種運(yùn)行狀況等,便于優(yōu)化設(shè)備部署與使用。除此之外,可及時(shí)獲取設(shè)備自身的狀況,如突發(fā)離線或者其他故障,可及時(shí)在系統(tǒng)顯示故障地點(diǎn)、設(shè)備、原因,徹底改變維護(hù)模式,減少巡檢耗費(fèi)的人力物力,直達(dá)問(wèn)題所在,實(shí)現(xiàn)快速修復(fù),有力支撐未來(lái)智慧交通所必須的大量復(fù)雜設(shè)備的使用環(huán)境。
高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施是采集交通信息、監(jiān)控交通狀態(tài)、發(fā)布交通信息的前沿陣地,是與道路使用者直接交互的存在,其數(shù)字化程度直接決定了高速公路的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和服務(wù)水平。但是當(dāng)前高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施數(shù)字化程度不高,主要體現(xiàn)在以下幾方面:
(1)通信系統(tǒng)通過(guò)光纖形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò),具有較強(qiáng)的安全性和獨(dú)立性,但在覆蓋率、成本控制、傳輸速率以及靈活性上能力不足。
(2)現(xiàn)有的外場(chǎng)終端設(shè)備通信協(xié)議不統(tǒng)一,導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式混亂,容易形成信息孤島,海量的數(shù)據(jù)管理及治理成本高,不利于數(shù)據(jù)的挖掘及應(yīng)用。
(3)隨著道路長(zhǎng)度和電子設(shè)備數(shù)量的增加,對(duì)于三大系統(tǒng)的維護(hù)難度也隨之增大,且部分電子設(shè)備損壞時(shí)無(wú)外觀變化,在一定程度上也增加了維護(hù)的難度。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及人們思維的轉(zhuǎn)變,高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施數(shù)字化的需求越來(lái)越迫切。
5G技術(shù)的快速發(fā)展,為高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施信息化帶來(lái)了新的契機(jī),與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比,5G技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn),充分利用這些優(yōu)點(diǎn)可以建設(shè)全新的高速公路基礎(chǔ)機(jī)電設(shè)施通信體系。5G網(wǎng)絡(luò)利用切片技術(shù)保證了通信的可靠和低延時(shí)特性,設(shè)備間通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)通信可以減少甚至取消電纜敷設(shè),降低建設(shè)及維護(hù)成本,也可以保證通信的實(shí)時(shí)性。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),建設(shè)多元數(shù)據(jù)融合的綜合交通數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用。結(jié)合北斗高精度定位技術(shù)與5G通信模塊,打造所有設(shè)備在線、及時(shí)感知設(shè)備位置和狀況的未來(lái)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
(1)外場(chǎng)設(shè)備使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份,并逐步替換為5G數(shù)據(jù)傳輸為主。
(2)收費(fèi)站的設(shè)備可基于5G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,提高收費(fèi)廣場(chǎng)建設(shè)速度,簡(jiǎn)化后期維護(hù)項(xiàng)目,設(shè)備僅需供電即可使用。具有設(shè)備安裝便捷、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),隨時(shí)可以基于技術(shù)要求與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),便捷新增各種設(shè)備;對(duì)于現(xiàn)有服務(wù)區(qū),可使用5G作為設(shè)備通信渠道,并通過(guò)5G鏈接到一個(gè)共通的通信網(wǎng)內(nèi),可以便捷收集服務(wù)區(qū)各個(gè)終端的信息,大數(shù)據(jù)分析服務(wù)區(qū)的經(jīng)營(yíng)情況與管理情況,及時(shí)提供更好的經(jīng)營(yíng)策略;管理中心基于交通運(yùn)輸5G通信系統(tǒng),可以打造互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的通信架構(gòu),打造扁平化管理系統(tǒng),所有有權(quán)限的中心可直接連接終端設(shè)備,進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、指揮。
(3)結(jié)合北斗高精度定位技術(shù)與5G通信模塊,打造所有設(shè)備在線、及時(shí)感知設(shè)備位置和狀況的未來(lái)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
(4)所有外場(chǎng)設(shè)備將具有部署靈活、監(jiān)控大廳實(shí)時(shí)感知與控制的優(yōu)勢(shì);可及時(shí)獲取設(shè)備的使用情況以及設(shè)備功耗及運(yùn)行狀況,便于優(yōu)化設(shè)備部署與使用情況;可及時(shí)獲取設(shè)備自身的狀況,在系統(tǒng)顯示故障地點(diǎn)、設(shè)備、原因,實(shí)現(xiàn)快速修復(fù),有力支撐未來(lái)智慧交通所必須的大量復(fù)雜設(shè)備的使用環(huán)境。
在高速公路設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性地融合5G技術(shù),可將當(dāng)前高速公路行業(yè)主流的有線傳輸通信改變?yōu)闊o(wú)線傳輸通信,較大地降低建設(shè)難度與維護(hù)成本;結(jié)合現(xiàn)有太陽(yáng)能供電,可簡(jiǎn)化外場(chǎng)設(shè)備安裝布設(shè)方式;通過(guò)基于5G切片技術(shù)的扁平化組網(wǎng)方式,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信安全與多業(yè)務(wù)并發(fā)保障。在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)高速公路智慧管理與車(chē)路協(xié)同技術(shù)新突破,大幅提升高速公路管理效率,減少交通事故,提高高速公路通行效率。
本項(xiàng)目面向智慧高速公路的應(yīng)用場(chǎng)景,聚焦5G通信技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電三大系統(tǒng)的融合應(yīng)用,探索5G新通信模式的設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)維,可以提高高速公路的通信傳輸效率與安全,具有良好的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。