对无源光网络技术构造智慧交通神经网络的研究分析

文图｜刘荣峰 岳志媛

北京作为全国的特大城市，车辆、驾驶人和交通需求多年来持续增长，进而带来交通拥堵、通勤时间增加。为此，北京市公安局公安交通管理局积极开展交通科技化建设，尤其在2008年北京奥运会后，加快构建多个实战科技系统，有效提升了交通管控能力。但随着时代发展，路面网络接入标准不统一、结构不合理、数据不互通等问题日益凸显，不能适应未来科技应用的需求。在“十四五”期间内，北京交管局计划新建路面感知设备5000套以上，功能上也从单一功能向多功能复用转变。因此，需对原有通信组网方式进行更新改造。本文针对路面科技感知设备的网络需求，进行组网技术的研究，重点解决大量交通路面感知设备接入网络的合理性和经济性，为今后交通科技应用提供基础通信支撑。

一、主流网络接入技术比较和选型

按照承载信号的传输介质种类，接入网可被划分为有线接入网和无线接入网，其中有线接入网包括光纤和铜线接入两种。目前，铜缆宽带接入技术使用铜质的双绞线作为传输介质，数据传输距离较短，需在100米内，网络传输带宽最高可以达到1G，适用于室内局域网场景。光纤作为回传信号的承载材料，同等距离下传输的衰耗更低，因此信号能传得更远，覆盖范围更大。无线接入技术在实际应用场景中使用运营商提供的无线网络服务，实现业务数据的传输，优点是入网方便快捷，缺点是数据带宽较低，受自然因素影响较大。

随着网络技术的发展，光纤传输具有距离远、抗干扰性强、数据容量大等优势，成为组网介质的主流。无源光网络（PassiveOptical Network，PON）技术就是采用光纤介质，以全光连接的方式实现端到端的通信互通，相比于其他方式，更能代表先进的网络技术。

二、“十四五”期间的交通通信需求

在“十四五”期间，按照新一代智慧交通科技发展规划，需要加强大数据、云计算、边缘计算等新兴技术的使用，对网络整体架构、路面感知设备及通信管理能力都有大幅度的能力要求。

目前，北京市共有信号灯8000个左右，已经实现联网控制的不足2000个，剩余的信号灯会全部进行联网，同时电视监控系统、电子警察、卡口等设备预计增加3000个，全部路面感知设备联网数量可达2万余个。在点位分布方面，新建路面感知设备以视频为主，以路口为单位，安装1台电视监控设备（宏观路况）、1台信号控制器（信号控制），4个方向分别部署2套视频卡口（卡口、电子警察），同时在延伸的路段安装违规占用公交车道、不礼让行人等抓拍设备。后续随着自动驾驶的发展，路侧内还需要安装与之相关设备。而且，电视监控设备性能越来越高，已经发展到900万像素以上，数据传输带宽需要20M。因此，整体路口数据传输带宽大于100M，比原有的带宽需求提升了6倍。

另外，在路口建设科技设施时，四个方向均需要布设大量的通信、电源、信号等过街线缆，建设、改造、抢修过程中施工难度大，维护成本高，因此需要有新的网络接入架构，满足线路简单、清晰、可维护度高等要求，以提升管理水平。

网络系统架构图

三、交通感知网络GPON接入方案

GPON（Gigabit Passive Optical Network）技术是PON技术中的一种，是由ITU-T G.984.x系列标准规范的千兆比特PON，具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，被视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。根据交管业务需求和通信技术发展方向，可制定主要由光网络单元（ONU）、光线路终端（OLT）、无源分光器组成的路口接入网络架构。

在路口四个方向分别配备ONU设备，安装在信号机或电子警察机箱内，ONU下行为GE端口，可以支持POE+/POE++（30W/60W），与本侧电视监控、电子警察等设备进行连接，实现高带宽接入。每个方向的ONU设备铺设光纤直接连接到路口信号机柜的分光器，再租用运营商光纤就近接入执勤大队的OLT。OLT设备上行口采用多个10GE捆绑上行，通过智慧交通感知骨干网回传至中心机房，OLT除了提供网络集中和接入的功能外，还可以针对接入业务的服务质量与系统服务等级协议的不同要求进行带宽分配、网络安全和管理配置。分光器是无源设备，本方案采用1:16分光比，满足路口侧100M带宽以上的数据传输。

该技术方案以光总线为核心，从当前痛点问题出发，用光纤通信技术代替传统电缆通信技术，实现路口信号业务数字化，具有一定的先进性。独有分层级HQoS机制可重点保障高优先级业务，满足路口信号的高可靠、高效率回传。采用AES-128加密算法对上下行数据进行加密，避免信息被非法截取，完全满足电视监控回传等业务安全要求。局端设备具备多重保护机制，光纤链路支持双上行，在链路故障情况下支持0.05秒内快速倒换，不影响路口业务连续性。全光路口通过光纤传输，免于电磁干扰，避免单个终端设备故障影响其他终端设备的正常工作，进一步提升系统可靠性。在系统管理运维方面，路口四个方向分别设置网络节点，通过总线型进行互联互通，保障各个科技设备的高带宽传输需求，路口环形管道内只有3条光纤、3条电源线和若干信号灯控制线，线路类型和数量均大幅度减少，提高了系统的可维护性。

四、应用效果及效益分析

利用PON技术对路口进行全光改造，可达到投资回报比最优。一是集中式管理节省机房成本。PON技术采用二层架构（光线路终端OLT和光网络单元ONU）替代传统交换机方案三层架构（接入交换机、汇聚交换机、核心交换机），极大节省了机房空间和功耗。二是网络设备投资较少。PON网络为树状增长的网络，局端可实现大容量汇聚，随着监控点数增加，局端汇聚设备成本变动较小，只需添加对应监控点光网络单元，并建设对应的无源光网络。三是网络资源复用率高。传统的网络接入模式是按系统需要租用通信光缆，造成同一个路口会租用多条通信光缆，造成光缆租金逐年增高。采用PON技术的路口接入网络，其光总线的架构将传统路口多条过街线缆简化为一根光缆，将路口所有业务承载在光纤上，一个路口只需租用1条通信光纤，大幅度降低通信租用成本。

目前，北京市交管局按照上述方案已完成390个全光路口建设，初步实现电子警察、信号控制、电视监控等交通感知设备统一汇聚、统一传输的目标。经过测试，网络运行稳定，各项指标都优于预定数值，能较好地满足业务需求