新组网模式助力信号路口雷达大联网

沈孚?王微微?黄青松?徐衍

一、项目概述

随着城市经济的快速发展，带动了人口的增长，也让主城核心区不断往周围区域辐射，大规模的车辆进入到家庭，提高了人民生活水平、改善了交通出行，但带来的交通拥堵和环境污染的压力问题也日益显著。城市交通供需不平衡，城市、车辆、交通之间的矛盾严重凸显，人多车多路少的状态在长期一段时间内不会有所变化。为了改善城市道路交通的拥堵情况，就需要从服务和管理上进行优化。

近几年科技飞速发展，网络与现代通信技术的结合也越来越紧密，智慧城市中的智能交通系统建设迈入新阶段，视频监控、智能交通信号、人车流量采集等信息规模也越来越大，数据也越来越多，就需要将这些海量信息进行不断地采集、存储、分析、共享和管理，为上层数据及业务应用提供能力底座。

道路交叉口作为城市交通的关键点，由于汇聚了多个方向的交通流量，加上车辆等待红灯的时间损失、机非混行等因素，成为城市路网中交通拥堵发生的重点地段。将前端的感知设备检测到实际交通流量信息并以物联网的模式进行组网，通过交通智能控制系统将不断变化的交通及时响应，实时调整路口信号控制的周期、绿信比和相位差，确保采取最合适的交通信号控制策略让交通更安全、高效，因此基于前端的感知设备对数据的采集的真实性、有效性尤为重要。

二、政策导向

市公安局交通管理局（原“市公安局交通警察支队”）作为市人民政府工作部门之一，具备的主要职能是研究制定全市道路交通管理的规范性文件并组织实施，维护道路交通安全与秩序，参与城市道路和公路交通安全设施的规划与设计等，主要负责道路电子警察（卡口）系统、视频监控系统、信号实时控制系统、交通流量采集等道路科技设施的建设和管理工作。预防交通事故、保障民生安全，服务经济社会交通管理，有效治堵是当前智慧交通建设面临的巨大挑战。SCATS信号控制系统是一种用感应控制对交通信号配时方案作局部调整的方案选择系统，作为当前国际最为先进的信号控制系统之一，并且该系统已在上海、广州、杭州等多个大型城市投入建设和运行，技术上完全可行。

《省交通数字化改革行动方案》中指出当前主要任务要聚焦提高政务服务质量，从更大范围、更多场所谋划交通政务数字化改革，加快推进全省交通数字政府建设，助力高水平交通强省建设。为实现公安交警综合管控信息化为目标，以交通指挥总控中心、分控制中心、交通信号系统为核心重点，立足交警工作实际，坚持统一领导、统一规划、统一标准、分步实施，从整治市区“六纵六横”等重点道路逐步形成“一环八线”的规划布建方向，逐步推进SCATS智能信号控制系统的建设，并采用地磁检测器和线圈检测器相结合的流量采集设备，实现管控路口间信号的协同配合，城市交通环境得到明显改善和提升，为交通的管理者提供指挥调度、行为决策提供可视化的数据支持。

三、建设依据

公安部交管局《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021—2025年）》；《道路交通事故现场图形符号》（GB11797）；《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》（GB50169-2016）；《建设工程项目管理规范》（GB/T50326-2017）；《综合布线系统工程验收规范》（GB/T50312-2016）；《道路交通流量调查》（GA299）；《道路交通堵塞度及评价方法》（GA/T115）；《城市道路交通秩序评价方法》（GA/T175）；《道路交通信号控制机安装规范》（GA/T489-2016）；《城市警用地理信息系统分类与代码》（GA/T491）；《城市警用地理信息系统图形符号》（GA/T492）；《城市警用地理信息系统建设规范》（GA/T493）；《城市交通信号控制系统术语》（GA/T509-2004）；《城市道路交通信号控制方式适用规范》（GA/T527-2005）；《公安交通指挥系统工程建设程序与要求》GA/T651-2014）；《公安交通管理外场设备基础设施施工通用要求》（GA/T652-2017）；《安全防范工程建设与维护保养费用预算编制办法》（GA70-2014）；《安全防范系统通用图形符号》（GA/T74-2017）；《信息技术开放系统互连网络层安全协议》（GB/T 17963-2000）；《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》（GB-T 22239-2019）；《信息安全技术 网络安全等级保护实施指南》（GB_T 25058-2019）；《信息安全技术 网络安全等级保护测评要求》（GB/T 28448-2019）；《信息安全技术 信息系统通用安全技术要求》（GB/T20271 -2006）；其他相关建设国家、地方、行业的相关标准。

四、发展趋势

据市公安局交通管理局数据表明，2022年2月份机动车保有量车辆达90万多辆，与去年同期相比增加3%以上，机动车驾驶人实际人数300多万，车辆的不断增多给交管部门日常工作带来了挑战，也给市民出行带来了不便，不利于城市的和谐稳定发展，影响国家、省市政府的数字化规划建设。智能信号控制系统为城市交通的行人车辆出行提供相对畅通的环境，同时也减少交警指挥调度压力，可大幅度降低人力资源成本，提高对突发事件的快速响应和科学处置能力，缓解城市交通拥堵，提升通行效率。

市交管部门从2010年就开始分批推进建设SCATS智能交通信号控制系统，并在市经信委、发改委、财政局等部门的大力支持下，指挥中心控制一期、交通指挥控制中心核心二期信号控制系统扩建、SCATS系統三期扩建等几个项目建设的SCATS信号路口200多个，均是采用地磁检测器和线圈检测器相结合的流量采集检测系统，通过自动协调和区域控制交通信号配时，均衡路网内交通流的运行，达到了疏导交通和提高车辆行驶速度，最大地发挥其道路交通系统的通行效益。

但随着整体系统使用年限的增加，投资建设的地磁检测器和线圈检测器等检测系统已处于过保，配套材料也存在老化，维护成本逐年提高，其缺点也很明显，如新装或维护检修时需要关闭道路相关车道，开挖路面，阻断交通，并对已建成的道路应用比较困难，特别是地感线圈容易被重型工程车辆、道路面修整等因素损坏，而更换感应线圈时必须开挖路面，影响道路交通和增加维修成本。

基于全天候的广域雷达微波智能感知系统在智能交通信息采集、检测等应用的出现，市交管局经过3年多的不断摸索和测试，并在重点路口、路段进行试点应用和点位升级改造的推进，实现了雷达统计精度在95%以上。流量数据与线圈数据基本上无差异，并且为保障信号专网内的信号系统的独立运作及低延迟性的要求，采用一种有业务保护且支持掉电断纤告警区分能力，能实现故障快速定位的IPRAN、PTN等专用网络的大系统组网方式，整套系统部署在信号专网，具备与互联网完全隔离，对路口到机房的接入网络上进行线路保护，业务正常使用情况下由主用路径传送，主用路径出现故障时，可换到备用路径，保证业务正常传送，最终汇聚到交管局机房，机房平台与交警现有平台的对接方式保持不变。新系统则以“信号专网+微波雷达检测器”逐步替代了传统的线圈和地磁检测器的检测模式，解决了非破坏路面、非接触式，无需阻断交通的建设和维护成本，在一定程度上实现了交通指挥现代化、管理数字化、信息网络化，有力地提升了城市道路交通科技化管理水平。

五、建设难点

广域雷达微波智能感知系统采用主动扫描式广域雷达技术，建立交通信息采集系统，能在路口进行多车道、高准确度检测，采集路口和路段实时、全面、准确的交通流信息。可借用现有的信号灯杆件实现正装的方式进行检测，实时跟踪监测区域内道路上的所有目标，提供包括：实时位置、即时速度、车型分类等即时信息。自动统计获得车流量、平均速度、时间占有率、车头时距、车间距、车辆存在信息等基础交通流统计数据，最远可检测200米的有效距离目标。因此为方便、快捷获取并实时分析路网交通状态，需要建立全路网、全车道覆盖的广域雷达微波智能感知系统，若在布建范围内存在一定且非连续的管控点位，那么就无法实现远程控制及流量管控，对均衡路网内交通流的运行就会存在偏差，故要求单路口现场对安装在各方向红绿灯杆上的微波雷达检测设备先进行范围内组网，再通过链接到路口信号机上的信号专网汇聚到交管局核心机房。

由于早期布建的SCATS智能交通信号控制路口的路口大部分位于老城区，路口管线的原有规划无法满足现有的建设实施要求，特别是下面敷设的各跨街老线没有预留多余的过路管，需进行额外的破路开挖、顶管、拉管等施工工程，不仅影响项目施工进度，还因临时占道对部分周边环境和交通造成一定的影响，且破路开挖和顶管施工需要执法等相关主管部门审批，审批时间较长，有些路口路面刚刚提升，这些路口三年内主管部门不予审批道路开挖和顶管施工。为了加快施工进度和节省建设投入资金，迫切需要解决跨街工程的组网方式是当前遇到的最大问题。

六、解决方案

为有效解决单路口的跨街工程组网方式可采用开挖、拉管、顶管等施工，建设施工单位通过对路口现场进行勘点、施工设计及估算，包括人行道和车行道挖、填、运、修复以及PE110穿线管、镀锌钢管 SC100、KPC波纹管等各类配管的敷设、手孔井制作等费用，单路口预计成本在8万左右，实施工程至少需要15天，还需要属地交管大队、中队临时投入多名警员配合路口的交通管理等，费时耗力，周期长。

通过技术沟通和讨论，除此之外组网模式还可以用网桥传输、WIFI组网以及5G/4G等无线技术。

①数字无线网桥具有高带宽、成本低等特征，广泛适用于建筑工地、厂区、森林等行业的网络传输应用上，例如江苏某地级市有近百路口都是通过无线网桥组网的，但其缺点也很明显，网桥设备本身的传输稳定性问题，数据流量包一旦过大会存在网络传输延迟的情况，影响数据拥堵，而且很多网桥在使用1-2年之后故障率明显提高，后期整改投入的维护成本非常高。

②路口若采用WiFi组网，作为目前使用最多的产品之一，其灵活性、可移动性大，且减少布线，安装快捷得到无线局域网应用解决方案的热爱，特别是当下最热门的WiFi6在调制，编码，多用户并发等方面进行了技术改进和优化。在传输速率和延时率更得到了大幅度的提升，只要安装一个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络，在视频类、图片类等应用场景更加普及，但WiFi的稳定性、安全性相对比较差，是最容易受到网络攻击的设备之一。其二一些大型十字路口寬度超过50米，通过公式A2 + B2 = C2，估算得70.7米，再结合前端信号机落地机箱、红绿灯杆等距离路口的长度，实际距离大约在80米左右，虽然WiFi 6在空旷环境下能实现200米以上的传输，但直线传输过程中容易受到周边树木、过往车辆及其他障碍物的影响，因此传输数据是存在一定的风险，更有可能在传输过程中受到丢失。

③选用5G/4G的数据传输模式，若采用自建宏基站的成本太高，故可选择通过借助运营商搭建的VPN（APN）专网，在运营商无线专网内部署数据汇聚节点，数据汇聚节点既要能够支持接收前端路口广域雷达的数据，又要求同时支持控制向路口雷达下发指令。又或采用由运营商提供5G UPF下沉至公安机房，作为公安独享UPF的用户面，在借助专用的防火墙和公安的业务专网打通，在本地即可实现信息数据与公网数据的分离，确保警务数据的保密性和专有性。但在向公安网摆渡数据时就必须在两个网络边界部署安全隔离网闸，保障网络安全，且考虑到跨网传输安全性，数据仅支持从低安全级别域（VPN（APN））向高安全级别域（公安网）单向传输，因此作为市公安的直属单位，且在同网内的交管指挥部门在业务实际应用上就无法从高安全级别域向低安全级别域下发控制指令，且无法将指令传递给前端的广域雷达。综上所述，无线组网普遍存在易干扰等问题，存在安全隐患，跨网络传输也无法进行双向数据传输，不能满足应用需求，因此几种非有线的组网模式都被排除，不做施工考虑。

为避免盲目性追求最新技术，导致配套设备跟不上，项目团队通过深入勘察路口的实际情况，综合考虑通讯、取电、成本等因素，发现每个路口的交通信号灯都具备外接电源，并在同一个电表侧，通过多次测试发现宽带电力载波透传器能够很好地解决该问题，而电力线通信技术发展也有多年历史。宽带电力载波透传器作为高速电力线通信设备的类型之一，能够很好利用现有的低压配电网络基础设施，借助现有电力线作为信息传输媒介进行数据高速传输，而且单路口投入设备、人工等施工成本仅是开挖、修复工程的十分之一，并且在设备、配套辅材、登高车等工具齐全的情况下，仅需4个小时就可以完成一个4方向的大型交叉路口施工、安装、调测等工作，大幅度加快施工进度。

通过宽带电力载波透传器应用于跨街网广域雷达微波智能感知系统，能够快速推进施工进度，如图所示，除汇聚方向可以通过网线直接接入到信号路口的SCATS智能信号机箱外，其他各个方向均可以利用电力线进行数据传输，并且施工效率快、通信速率高、传输稳定性好、可扩展性强，还可以躲避了大量的干扰噪声，为智慧交通系统提供完善的数据支持。

七、效益分析

目前在规划布建范围内的交通路口按新组网模式的广域雷达检测系统已成功上线100多个路口，系统平台在用数量超400套。本案通过一种新组网模式助力信号路口雷达大联网，路口信号机箱通过到机房以IP光纤组网和单路口采用电力通信模式组网的相结合，既解决了破路开挖埋管带来高额施工成本的问题，大幅减少政府部门的资金投入，又有效满足了非有线组网带来的网络安全问题，能够快速、便捷地应用到智慧交通中去。通过重点交叉口微观的大数据系统，精细化判断路口交通流量，依靠道路智能交通信号系统能够均衡路网内交通流运行，使停车次数、延误时间及环境污染等减至最小，节约出行时间，充分发挥道路系统的交通效益，并可以对未来发展进行预测，获取实时路网状态，通过控制系统的优化提升路网的服务水平并快速应对突发交通问题，为城市交通规划和交通管理部门的正确决策提供科学依据。

作者单位：沈孚 王微微 黄青松 徐衍 中国电信股份有限公司温州分公司

沈孚（1979.09-） ，男，汉族，浙江温州，本科，研究方向：智能交通信息化。