智慧高速公路服务区的网络优化方案

黄 豪，张建华，彭 颖

(西南民族大学计算机科学与技术学院，四川 成都 610041)

随着经济高速发展，截止2016年我国已建成高速公路13万公里，近40%的货物通过高速公路实现流转.全国高速公路车流构成中平均客车占比77%，货车占比23%，但云南、贵州、四川、广东等旅游和人口大省高速公路客车占比超过80%[1]，随着客货运量猛增以及乡村旅游业的蓬勃发展，对高速公路服务区是挑战也是机遇.转变交通运输发展方式、加快构建综合交通运输体系的要求，扩大覆盖范围、增强通道能力、加强方式衔接、提高运输效率，合理布局国家公路网[2].交通部《公路水路交通运输信息化“十三五”发展规划》明确指出，“互联网+”成为经济发展新引擎，“连接一切、跨界融合”将持续催生交通运输新模式、新业态；打造全新的交通运输服务升级版[3].长期以来，高速公路的基础网络建设仅局限于监控和收费系统，随着“智慧高速服务区”及客运接驳系统的建设和服务区经营的实际需要，对网络提出了更高，更快的要求[4]，目前，国内主流研究还停留在传统网络专线组网，未能利用企业私有云和运营商公众网混合组网.本文针对传统型服务区向智慧型服务区转变时基础网络的优化改造方案进行了探索研究.

1 高速路服务区网络现状

1.1 传统服务区设计的历史局限性

我国的高速公路按国家战略目标分期分段建设，在1996～1999年左右开始进入“收费、监控、通信”三大系统建设阶段[5].各年代建设的通信标准不一，效率不一，现有网络制约了高速路网的智能应用发展.原有设计因投资、技术风险等不能过度超前的因素有一定的历史局限性，其主要表现在三个方面:

一是信息化投资受摩尔定律的影响，设备更新快系统性能却落后.虽然早期设计规划信息化系统时考虑到了技术变革问题，但是随时间变化却很快落后.主因是当时设计不能过于超前，超前会超额投资预算，甚至带来技术风险，其次是“摩尔定律”在信息化系统及设施运行中明显显现[6].

二是原数据专网的单一性问题导致网络无法满足运营管理.以四川高速为例，最初按DDN专线2M铜缆，后续按4-20M光纤专网标准建设，仅满足收费等管理；开建之初未曾考虑信息高速网络，也未考虑服务区左右对(称)站的网络互联互通[7，17].后期为了安全性考虑，服务区也未能和收费站的网络合并使用.

三是服务区的功能日趋丰富，网络急需升级换代满足承载.最初的服务区设计为高速公路附属配套设施，“三大系统”并未包含服务区的信息网络.近年来，以休闲购物、主题文化、乡村旅游为代表的“智慧服务区”油然而生.服务区各功能的提升必然对信息网络提出了更高的要求，而传统低带宽非面向公众网络无法解决.

1.2 智慧型服务区提出的的新需求

智慧服务区以“数据挖掘、智慧服务”为核心理念，其顶层设计形态通过精准化的智能终端，借助信息化的物联网平台，以大数据分析为手段，以无处不在的云服务为环境，为公众提供高速公路全过程智能服务.目前，主流专家学者的观点认为其具备以下四个基本特征:①全面透彻的感知；②宽带泛在的互联；③智能融合的应用；④以人为本的可持续创新[8].原有的服务区仅满足“停车、如厕、加油”三大功能，而与之对比的智慧型服务区增加至几十项功能.如图1所示，智慧服务区信息系统设计上采用云计算进行IaaS、PaaS和SaaS的部署，搭建了基础设施端的云数据采集方式，将基础信息、商贸信息和路况信息等数据进行统一的大数据管理与深度学习[9]，然后以旅途行为分析、商业经营分析、车流人流分析、能耗分析等不同业务需求为导向，通过建模和大数据分析，借助智慧服务区云服务应用平台向公众、服务区经营管理者和行业主管部门提供公众服务、商业服务和经营管理服务[10].智慧化云应用功能的丰富使得量变导致质变，网络质量提升也迫在眉睫.

图1 智慧服务区云应用的架构图Fig.1 The cloud application architecture of smart service area

1.3 智慧服务区的发展促使网络升级换代

未来的智慧服务区将以人为本做好“吃喝玩行游购娱”的服务，尤其以乡村一体化接驳客运为代表的交通出行服务和移动支付为基础的消费服务[11]为重点.这两类服务构成了管理的新模式，涵盖了网络传输、技术标准、系统运行、安全保障构建的四大支撑体系，而基于网络的企业服务总线(ESB)始终贯穿于其中[12].随着先进的信息技术、通信技术、控制与传感技术的不断融合，司乘人员可随时查询沿途路况、周边消费信息和气象信息等情况.微信公众服务平台等互联网应用已经逐渐取代了传统的交通广播，通过APP即可查询到路况信息，司乘人员可以自主地选择个性化的出行路线.在服务区、酒店等人员密集的公共场所，Wi-Fi网络的架设[13]，大大减轻了人们在等待过程中的烦闷，人像识别、人流热力、Wi-Fi探针等新技术也日趋进入物联网应用及用户大数据采集[14].

经过项目现场问卷调查与查阅国内主流智慧服务区建设目标，我们分析得出智慧型服务区网络需要实现:100M以上高带宽通信、能实现公众上互联网、能解决服务区内各建筑之间的通信互联互通实现微网管理.

2 智慧服务区的基础网络优化方案

2.1 传统型服务区的网络结构

经过实地调研，高速公路旧网络的缺陷为图2所示:服务区内部(如加油站和休闲消费区)、服务区和收费站之间，高速专线和运营商互联网干线之间均未联通，形成信息孤岛.特点是资源复用少，投资过大，网络承载效率不高.

图2 高速路与服务区最初网络结构Fig.2 The original network structure of service area

2.2 升级转型面临的问题和解决思路

如前所述，传统型服务区设计之初没有统筹规划，网络设施已经跟不上智慧服务区的发展需要.网络要满足转型发展，还要解决如下问题:①高带宽低成本，②站内各单元互联，③实现内外网安全访问，④南北站互联，⑤性能可靠运维简单.经过调研形成解决思路为:构建服务区微网络(服务区左右站基础网络构成一张微网)①利用运营商网络干线连接互联网，②站内各单元采用多芯光纤互联，③采用VPN技术兼顾内外网，④南北站采用骨干自建光缆互联，⑤南北站设计接入点，采用ODF架跳纤，光纤组网采用闭合自愈环网结构.

2.3 优化后的基础网络改造方案

对传统网络进行优化改造，采用的新型网络结构形成如图3所示.

图3 高速路与服务区优化后的网络结构Fig.3 The optimized structure of service area

服务区(单)站内的改造:服务区主要功能区为加油/气站区、充电站区、商超区、综合办公区、停车休息区等.这些建筑区域原设计无网络规划，现新增楼宇之间光缆连接，标准按照CECS89-97《建筑与建筑群综合布线系统工程施工及验收规范》，光缆宜采用GYTA-8B1或GYTA-8B2系列，根据光纤收发器及现场实际距离确定.

服务区左右单站互通改造:为构建服务区的微网络，建立各系统管控平台，新设计左右站互通工程.具体为靠近高速路两端站互通涵洞处建筑选择一个机房，由两边站机房内机架ODF引出光缆互联.因左右对站互通距离为3 km-6 km，光缆宜采用GYTA-12B1系列，符合IEC和GB/T标准，设计使用四芯(2对)，备用四芯，预留四芯.

服务区之间内外网互联互通:服务区和服务区之间，服务区和各级管理单位之间原设计无网络规划.曾经部分试点沿高速路网组建光缆环网，但成本高昂，没有推广.此处的“内外网”分别指全省内部数据组网(内部网)和接入互联网(外部网).经过现场勘查调研，高速路沿线有国家骨干通信网，其中可用部分为通信运营商的城际骨干网络(长途数据光缆).经过与运营商沟通，骨干网络无法单独开设节点，但各移动通信基站已经建成光纤通信网.为达到蜂窝通信覆盖的目的(公路两侧500米距离，间隔1公里)会建设一个无线信号基站；这些基站由长途数据光缆链接.经过多次协商，各服务区可充分利用“搭便车”方式接入这些基站内的长途光缆进行数据交换，实现长途光缆数据通信.

服务区的公众外网和经营外网的实现:智慧服务区不仅要收集各业务板块的数据，同时，它作为一个现代化公共服务窗口，还要为公众提供相应的无线上网服务.但两种不同的网络服务对象需要同时实现，这对服务区的信息化安全运营提出了更高的要求.数据线路组合方案:目前采用的是业务数据和公共数据线路分开的方式，其中运营商的MPLS VPN专线作为业务数据的传输通道，普通线路为公众提供服务，同时提供Wi-Fi和4G基站服务.未来半开放式智慧服务区还将设立接驳客运站，与乡村客运站短途联程，服务区微网络将随之延伸拓展.

全省服务区统筹规划实现内网管理:通过与运营商网络的整体构造，利用全省长途数据光缆，实现网络整体架构；各管理系统借用运营商云服务器实现虚拟化服务器组，采用SaaS混合组成分布式并行系统，利用运营商提供的1G带宽互联网物理光纤，采用MPLS VPN实现内部组网.在路由设备上应用MPLS技术，利用IP虚拟专用网络(IPsec VPN)，可用来构造高宽带的Intranet、Extranet，满足多种灵活的业务需求[15].传统的专网建设不仅价格高，而且运维难，可用性较差.通过运营商网络建立私有数据传输通道(VPN虚拟专网)，将远程的系统终端等连接起来，并且可提供安全的端到端的数据通讯方式[16].经本文方案网络优化改造后，全省服务区的内网建设可形成一个相对安全可靠的网络，为其业务系统的互联互通和后续智慧云建设提供有力的硬件基础.

2.4 智慧服务区微网络的整体构造

结合实际，对旧服务区升级智慧服务区进行整体改造，其结构如图4所示.运营商数据光纤接入到B点综合楼ODF1架，再由ODF1跳至ODF2一次，由ODF2接入加油站机房机柜内防火墙，防火墙后为三层汇聚交换机负责管理整个服务区微网络.由三层交换机一对跳到ODF2，ODF2跳回ODF1并依次跳转至ODF3、ODF4.经过几次跳线后可形成图4右下角小图“微网络节点自运维”所示效果.其原理是采用“四纤双向复用共享保护环”自愈光纤环网，形成BACD四个环结构，再利用跳线和ODF架连接四层环，形成了如图所示的Bx4，Ax3，Cx2，D的光纤结构.其特点是在各层光纤自愈的基础上，再增加人工现场即时检测并任意节点跳线，从而避免ABCD中任一区域网络故障造成整体系统故障.跳线简单实用，现有工作人员稍加培训经远程指导即可实现.

图4 优化后的服务区网络接入拓扑图Fig.4 The topology of optimized network

总之，本方案极大减少了全省各地长途光缆投资建设.充分利用运营商的现有资源，利用省际长途光纤骨干网线路，以最短距离接入服务区，从而形成局域组网最优方案，同时还解决了高速路两侧左右对站服务区互联互通问题；国有资源实现复用，实现运营商和服务区公司双赢.

3 基础网络改造的试点

3.1 智慧服务区微网络的测试

经过业主方试点项目的升级改造实施，我们对旧服务区升级智慧服务区网络进行了整体构造.构造后实现了如图4的网络结构，整体工艺规范符合IEC和GB/T标准.在服务区站微网内用ODTR(光时域反射器)检测，因OTDR测试仪表本身所存在的因抽样间隔产生的固有偏差，我们采取对所有参数进行多次测量并取“辛普生平均值法”，即 “Z＝1/6散布Min+1/6散布Max+4/6平均散布”.式中Z为平均值，参照设计和施工光缆的距离判断是否有故障点.同时按“微网络自运维”要求，拔除某区域ODF跳纤后检测，实现了故障查找和快速跳线简单维护处理，实现了网络结构的设计要求.经过测试各点的互联网接入和Wi-Fi接入正常.

3.2 VPN组网的测试过程与结果分析

服务区基础网络实现后，我们进行了全省VPN组网测试.经研究，选择“DX州服务区”、“BLX服务区”两个站进行优化试点.测试要确认优化方案是否能确保监控图像、视频会议等大流量数据在VPN网络环境下的稳定运行.测试的方法(1)分别在远端站和省中心机房进行互ping，包的大小为默认包、1000和2000(不同的包用于测试连接的稳定性).(2)通过平台调用远端图像.

测试准备:现场采用笔记本虚拟终端仿真调试远程ping包方法，笔记本为工程测试专用笔记本电脑，经卡巴斯基和360网络杀毒检查无病毒.

表1 测试点：四川北部某地BLX服务区Table 1 Test point：northern Sichuan BLX service area

测试过程记录:如表1所示，通过3种不同大小包的ping测试，可以看出网络连接基本是稳定的.远程图像调用:测试失败，分析原因:在VPN连接状态下，“BLX服务区”所采用的汉邦高科的监控平台无法进行设备的远程管理和图像的远程调用.为确保测试结果可信，反向在“BLX服务区”调用成都公司本部的海康威视NVR，测试成功，连接速度和占用情况如图5:

图5 反向在“BLX服务区”调用Fig.5 Reverse test"BLX"service data

图6 测试-视频大数据Fig.6 Test video with large data

图6是通过"BLX"服务区实时下载中心机房监控图像的截图，从图中可以看出，下载速度达到986361B/S(即接近1MB/S)，“BLX”服务区开通带宽12Mb，实际带宽12Mb(1B＝8b)，带宽基本被占完，防火墙的CPU占用和内存占用基本处于正常.

3.3 测试结论和效益分析

经过升级试点，费用同传统模式对比效果显著.我们通过调阅高速路各服务区或收费站最近三年的数据得出采用传统方式建设运营的费用一览表如表2所示；采用本文建议的方式如表3所示；两种方式的一次性投资和一年的运营使用费用对比表如表4所示.一次投入主要是指设计、网络设备采购、调试以及敷设从收费站到服务区的光缆施工等费用.

表2 采用传统的方式(xx服务区)费用一览表Table 2 The traditional way of fee schedule(xx service area)

表3 本文建议的方式(试点服务区)费用一览表Table 3 This article suggested fee schedule(pilot service area)

表4 两种方式的对比表(单站)(单位：万元)Table 4 Two ways of comparison table(single station) ：(Unit：Ten thousand RMB ¥ )

从表4可以看出，单站初次投资节省33万元、运营费年节省8.8万元，分别占比78%、48%，按五年期计算，优化方案节省费用为:一次性投入节省费用+单站运行节省费用×座数×周期＝33+5.8∗38∗5，共约1102万，效费比提升明显；内网速率由8Mb/s提升为30-200Mb/s，效率提升可高达300%.

4 结论

通过对传统方式(沿高速路长途专线节点，收费站到服务区网络接入)和优化改进方式(利用运营商长途骨干SDH数据网上节点，4G基站到服务区的网络接入)在带宽扩容、建设成本、运行可靠性上进行对比，在满足原建设需求的同时，采取服务区内单元内网光纤链接冗余改造，利用MPLS VPN技术实现了内网大数据专线和公众互联网大数据网络.通过业主在营38座服务区的项目测试结果优化改进方案，在功能完善、运营可靠性、资源复用及效费比上有创新性改进，具有推广价值.优化方案不仅实现了可供公众使用的互联网服务，还可实现大数据采集和商超数据、监控视频实时传输，使得经营管理水平全面提升，满足了智慧服务区未来五年内基于云应用的大数据规划要求，为后续接驳客运及面向公众的更多智慧出行服务、大数据服务奠定了较好的研究和实践基础.

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