基于5G技术智慧交通的研发应用

杨 轩

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510507)

0 引言

以科技创新与5G技术应用场景探索为指导，结合国家五大发展理念，深入贯彻落实交通运输部《数字交通发展规划纲要》、《广东省加快5G产业发展行动计划(2019～2022年)》以及广东省交通运输厅《推进全省高速公路项目5G网络覆盖和应用示范工作的实施方案》等，推动高速公路传统机电三大系统与新一代5G通信技术融合。在此基础上，完成一系列新系统的研究、设计、开发，并在从埔高速公路运营后正式使用，探索数字交通新模式下机电系统的建设、应用经验，在助力智慧运营、提升建设品质、提高运行效率等方面取得新突破。

本文通过研究在高速公路收费广场、服务区、隧道、管理中心等场景下，应用基于5G无线设备数据传输模式，确定新传输方式的可行性和稳定性，并探索在新传输模式下的通信系统传输架构。

1 研发应用背景

高速公路监控系统利用布设在高速公路沿线的设施，起到车辆监控、环境监测、发布信息等作用，在高速公路安全运营中扮演着重要的角色。通信系统实现监控系统和收费系统的数据、语音和图像等信息的传输，同时保证高速公路管理部门之间业务联络通讯的通畅，并为高速公路内部各部门与外界建立必要的联系。

当前高速公路通信为有线通信，通信系统通过在高速公路沿线铺设专用的通信管道自建闭环的通信网络，以光纤和交换机通过存储转发和分级传输的方式传递信息。

目前高速公路的通信传输方式能基本满足高速公路通信的需求，但也存在着不足：

(1)通信系统通过光纤形成闭环网络，具有较强的安全性和独立性，但在覆盖率、成本控制、传输速率以及灵活性方面能力不足。

(2)通信传输链路长，监控视频质量会随着传输距离的增加而降低。

(3)现有的外场终端设备通信协议不统一，导致数据格式混乱，容易形成信息孤岛，海量的数据管理及治理成本较高，不利于数据挖掘及应用。

(4)随着道路长度和电子设备数量的增加，对于三大系统的维护难度也随之增加。如道路沿线需要新增摄像机时，需要开挖道路，并敷设新的分岐光缆至分岐手孔处与原有辅助光缆或主干光缆熔接，施工复杂、工程量大、造价较高，且施工期间可能会对现有通信通道造成损坏，存在整个通信链路中断的风险。

(5)一旦高速公路发生事故，可能会对沿线通信基础设施造成损坏，影响监控系统和收费系统的正常运作，甚至导致整个系统瘫痪，造成经济损失和不良的社会影响。

因此，随着社会发展和科技进步，传统的机电设施通信体系与当今时代的服务和需求存在一定的差距。

2 需求分析

2020年7月，5G第一个演进标准R16(Release 16)冻结，标志着5G网络已具备真正的系统级低时延高可靠性能力，实现了网络切片应用背景下的4G—5G互操作问题，以满足智慧车联网、工业互联网等行业应用，为高速公路基础机电设施信息化带来了新的契机。与传统的通信技术相比，5G技术具有许多优点，充分利用这些优点，可以建设全新的高速公路基础机电设施通信体系。

(1)利用5G技术超宽带、速率快等特点，通过在外场设备增加5G链路，无需在通信中心设交换机，从而将现有的外场视频链路接入5G网络，提高视频监控和语音通信质量。

(2)5G网络利用切片技术，保证通信的安全、可靠和低延时等特性。

(3)设备间通过5G网络通信，可以减少电缆敷设，节省建设及维护成本，也可保证通信的实时性。

(4)5G通信技术备份保障。研究、设计一套有线通信与无线通信相结合的新通信模式，两种通信模式互补，可保证通信的可靠性。同时，无线与有线通信的结合，可以为终端设备提供多样化的通信手段，优化通信链路建设方案。

(5)通过构建数据仓库，建设多元数据融合的综合交通数据仓库，进行数据挖掘及应用。

(6)5G技术可实现车辆、道路、私有云平台之间的实时通信，为高速公路后期建设自动驾驶、车辆协同等新型智能交通体系提供传输通道。

3 研发应用的内容

3.1 基于5G的无线外场设备传输

无线传输已经应用在生活的各个角落，在5G拥有高速率、低延时、大容量等优势下，应用5G无线传输可以极大简化收费广场、服务区等设备密集处的外场通信传输问题，减少外场线缆布设与连接，同时降低了新增外场设备的施工难度，为将来新增5G应用、智慧交通设备提供有力的数据传输方式。

本研发应用需确定基于5G的无线外场设备传输模式是否可行，稳定性是否满足需求。

3.2 扁平化通信管理系统研究

区别于传统的点对点、逐级汇聚的通信模式，探索由通信中心直接对接各终端的扁平化通信管理系统，研究开发新通信模式的应用潜力，为智慧交通开拓更多的应用场景。

3.3 新通信模式的研究、设计、建设、运维

新的通信模式采用的各子技术本身已较成熟，本研究主要工作在于系统性集成，针对高速公路通信需求的特点进行研究、设计，并通过试点工程的建设、运维，积累经验，通过边研究边调整的思路，最终摸索出切实可行的高速公路新通信模式。

3.4 新传输模式下的相关软硬件应用

在有线通信模式改变到无线传输模式的框架下，对相关硬件设备及软件进行探索、研发并投入使用，实现“软、硬无线一体化”。

4 拟解决的技术问题

(1)现有收费广场地下通信管线较多，改扩建项目还涉及到管线破坏及恢复，工程量较大，易对现有监控、收费业务产生影响。在新的无线传输模式下，对于类似的扩建工程，仅需要对现有收费广场设备及机房设备进行翻新更换即可，替换时间快、效率高。

(2)隧道内部属于密闭空间，发生危害将危及作业人员，现有紧急电话在多种危害(如火灾、有毒有害气体泄漏等)情况下，无法发挥作用，将对隧道本身及司乘人员造成极大的隐患。面临大范围的灾害，持可移动紧急电话灵活方便，沟通报告灾情更加便捷，指挥救援更加安全，人身安全可得到较大的保障。

(3)目前广东省高速公路较多路段正在进行改扩建工程，外场监控设备均使用有线传输的模式，改扩建期间需涉及到外场监控的迁改以及临时施工监控的搭建，采用有线传输加大了施工的难度及复杂度。若采用无线外场监控设备，仅需考虑安装位置即可，节省工程造价，保证主线的扩建工程顺利进行。

5 技术路线

5.1 收费站的应用

收费站内的设备可通过5G通信系统与收费中心相连接，进行数据的上传与下发。收费中心计算机系统由超融合服务器、分布式存储服务器、远程控制服务器、管理计算机(车道监视及收费管理工作站、财务工作站、CPC卡管理工作站、交接班管理工作站)、激光、喷墨、以太网交换机等设备构成。它们通过5G网络直接连到收费中心以太网交换机上。收费中心与收费站通过5G通信系统提供的数据传输通道，进行数据通信。收费中心计算机系统通过通信系统提供的数据传输通道，进行数据通信。

所有收费站的设备可基于5G网络进行数据传输，提高了收费广场的建设速度，简化后期维护，设备仅需供电即可使用，具有设备安装便捷、可扩展性强等优点，随时可以基于技术要求与未来发展趋势，便捷新增各种设备。

在试验初期可基于原来的收费、通信网络架构，搭建传统的通信系统，并在部分收费站设立5G试点；后期可通过电信现有5G通信网络，或者建设交通运输专属的5G切片专用通信网络。

5.2 服务区的应用

对于现有的服务区，可使用5G作为设备通信渠道，并通过5G链接到一个共通的通信网内，便捷收集服务区各个终端的信息，大数据分析服务区的经营与管理情况，及时提供更好的经营策略。服务区可采用全景摄像机技术，实现GIS 地图、三维地图、视频的无缝融合，构建服务区数字孪生视觉计算引擎，自动生成流量监测、设备监测、营运监测、视频数字化分析的数据等；通过车位检测摄像机，监测服务区内车位占有率、车辆饱和度数据以及乱停乱放情况；利用客流量检测摄像机，监测服务区客流数据、服务区饱和度情况，并根据数据采取相关的服务措施。

服务区所有设备均通过5G网络回传数据，提高数据传输的可靠性。服务区采用的5G通信架构，各项数据不再是存储在一个独立的局域网内，结合全域视频监控，可以将整个公路与服务区结合在一起，打造全数字化公路，实时为司乘人员提供服务区车位情况、人流情况、厕所位置、服务区售卖食品(可以提前预定)等各种人性化服务，实现智慧交通中人性化的一面。

5.3 管理中心的应用

旧有通信系统为多层级系统，上级单位想要获取外场设备等数据，需经过上级单位系统-管理中心-收费站-外场设备等多个层级，结构复杂，且限制于旧有通信系统架构无法优化。

5G技术可以不受现有网络限制，获取更多设备本身信息，如使用情况、功耗情况、覆盖情况等，快速得知设备使用率与覆盖率等，且无需再重新建设通信网络即可根据需要、技术发展趋势、突发情况与使用需要增减外场设备。

利用5G技术超宽带、速率快等特点，通过在外场设备增加5G链路，无需在通信中心设交换机，从而将现有的语音通信和外场视频链路接入5G网络，提高视频监控和语音通信的效率。基于专用的5G通信系统，可以打造互联网时代的通信架构，打造扁平化管理系统，所有有权限的中心可直接连接终端设备，进行数据的获取、指挥；所有外场设备将具有部署灵活、监控大厅可实时感知与控制的优势，管理人员可及时获取设备使用情况、获知设备功耗情况、目前温度是否过热等多种运行状况等，便于优化设备部署与使用。除此之外，可及时获取设备自身的状况，如突发离线或者其他故障，可及时在系统显示故障地点、设备、原因，彻底改变维护模式，减少巡检耗费的人力物力，直达问题所在，实现快速修复，有力支撑未来智慧交通所必须的大量复杂设备的使用环境。

5.4 结合5G与北斗高精度定位技术的设施状态监测系统

高速公路基础机电设施是采集交通信息、监控交通状态、发布交通信息的前沿阵地，是与道路使用者直接交互的存在，其数字化程度直接决定了高速公路的运营质量和服务水平。但是当前高速公路基础机电设施数字化程度不高，主要体现在以下几方面：

(1)通信系统通过光纤形成闭环网络，具有较强的安全性和独立性，但在覆盖率、成本控制、传输速率以及灵活性上能力不足。

(2)现有的外场终端设备通信协议不统一，导致数据格式混乱，容易形成信息孤岛，海量的数据管理及治理成本高，不利于数据的挖掘及应用。

(3)随着道路长度和电子设备数量的增加，对于三大系统的维护难度也随之增大，且部分电子设备损坏时无外观变化，在一定程度上也增加了维护的难度。随着物联网的发展及人们思维的转变，高速公路基础机电设施数字化的需求越来越迫切。

5G技术的快速发展，为高速公路基础机电设施信息化带来了新的契机，与传统通信技术相比，5G技术具有许多优点，充分利用这些优点可以建设全新的高速公路基础机电设施通信体系。5G网络利用切片技术保证了通信的可靠和低延时特性，设备间通过5G网络通信可以减少甚至取消电缆敷设，降低建设及维护成本，也可以保证通信的实时性。在此基础上，通过构建数据仓库，建设多元数据融合的综合交通数据仓库进行数据挖掘及应用。结合北斗高精度定位技术与5G通信模块，打造所有设备在线、及时感知设备位置和状况的未来设施状态监测系统。

6 技术创新

(1)外场设备使用5G网络进行数据备份，并逐步替换为5G数据传输为主。

(2)收费站的设备可基于5G进行数据传输，提高收费广场建设速度，简化后期维护项目，设备仅需供电即可使用。具有设备安装便捷、可扩展性强等优点，随时可以基于技术要求与未来发展趋势，便捷新增各种设备；对于现有服务区，可使用5G作为设备通信渠道，并通过5G链接到一个共通的通信网内，可以便捷收集服务区各个终端的信息，大数据分析服务区的经营情况与管理情况，及时提供更好的经营策略；管理中心基于交通运输5G通信系统，可以打造互联网时代的通信架构，打造扁平化管理系统，所有有权限的中心可直接连接终端设备，进行数据的获取、指挥。

(3)结合北斗高精度定位技术与5G通信模块，打造所有设备在线、及时感知设备位置和状况的未来设施状态监测系统。

(4)所有外场设备将具有部署灵活、监控大厅实时感知与控制的优势；可及时获取设备的使用情况以及设备功耗及运行状况，便于优化设备部署与使用情况；可及时获取设备自身的状况，在系统显示故障地点、设备、原因，实现快速修复，有力支撑未来智慧交通所必须的大量复杂设备的使用环境。

7 结语

在高速公路设计中创新性地融合5G技术，可将当前高速公路行业主流的有线传输通信改变为无线传输通信，较大地降低建设难度与维护成本；结合现有太阳能供电，可简化外场设备安装布设方式；通过基于5G切片技术的扁平化组网方式，实现无线通信安全与多业务并发保障。在此基础上，实现高速公路智慧管理与车路协同技术新突破，大幅提升高速公路管理效率，减少交通事故，提高高速公路通行效率。

本项目面向智慧高速公路的应用场景，聚焦5G通信技术与传统机电三大系统的融合应用，探索5G新通信模式的设计、建设与运维，可以提高高速公路的通信传输效率与安全，具有良好的应用价值和社会意义。