通信技術在高速公路管理和控制中的應用研究論文

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1、 計算機論文：通信技術在高速公路管理和控制中的應用研究 摘　要　在高速公路的信息采集與發(fā)布過程當中，通信技術起著非常重要的作用。本文概略介紹了高速公路管理和控制中使用的先進通信技術，并分別列出了各種通信技術的應用場合；其中著重介紹了ＶＤＳＬ和現(xiàn)場總線技術，并以隧道監(jiān)控系統(tǒng)為例，論述了現(xiàn)場總線在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。 關鍵詞　高速公路　通信技術　管理和控制　監(jiān)控系統(tǒng) 高速公路收費站、監(jiān)控站、服務區(qū)、養(yǎng)護區(qū)、緊急電話等處均為管理控制現(xiàn)場。對于管理控制現(xiàn)場來說，一方面需要采集大量的信息，送至現(xiàn)場管理處；另一方面在管理處或更高一級的管理中心將得到的信息進行處理，然后傳送至現(xiàn)場完成管理或控

2、制功能。目前信息技術日新月異，使用先進實用的通信技術，對于控制和管理功能的實現(xiàn)及提高高速公路管理效率具有重要意義。 １　通信系統(tǒng)中的接入技術 １．１　光纖接入 光纖接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)、用戶駐地網(wǎng)（用戶端）之間的關系如圖１　所示。圖中，ＯＮＵ為光網(wǎng)絡單元，它是在用戶端將光信號變成電信號的設備 目前在光接入實現(xiàn)方案中廣泛使用ＡＰＯＮ技術。ＰＯＮ是指光接入網(wǎng)中不含有電源的設備，只含有無電源的光分路器等器件。ＡＰＯＮ是在ＰＯＮ上采用ＡＴＭ技術進行傳輸、復用的技術，它具有多業(yè)務、多比特率支持能力。這時帶寬統(tǒng)計復用，多個用戶可共享帶寬，動態(tài)分配帶寬，因而信道利用率高。由于ＰＯＮ中ＯＬＴ、ＯＤＮ是共用的

3、，加上采用ＡＴＭ后帶寬共享，因此ＡＰＯＮ的實現(xiàn)優(yōu)點是成本較低，標準化程度較高，能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，從而使成本大幅降低，因此ＡＰＯＮ的市場前景很好［１］ 應用場合：監(jiān)控系統(tǒng)設在沿線互通立交、大橋等特殊路段的遙控攝像機采集的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)的傳輸，緊急電話的接入，用于數(shù)據(jù)量大或要求實時傳輸?shù)膱龊稀? １．２　同軸電纜接入和雙絞線接入　　 光纖、同軸電纜和雙絞線技術在高速公路中應用較為普遍，例如交通監(jiān)控和隧道現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，也多使用以上技術［２］；另外電話業(yè)務的接入也屬于上述幾種接入技術的結合。目前的電話業(yè)務接入情況是，在通信分中心設置程控交換機，分別負責該分中心轄區(qū)的電話通信業(yè)務，為道路使

4、用者發(fā)生緊急情況時提供緊急呼叫的服務功能，為管理調度和緊急救援提供信息。在分中心一級設置綜合控制臺進行管理，可實時將緊急電話的各種數(shù)據(jù)輸入監(jiān)控計算機。每隔適當距離設置一套分插復用器將所轄路段的緊急電話信息通過光纖向分中心傳輸，如每隔ｌ?。耄碓O置一對緊急電話分機，每隔５０ｋｍ設置一套分插復用器，采用０．９ｍｍ的星絞四芯有線傳輸方式。　　 應用場合：監(jiān)控系統(tǒng)沿線布設的外場設備檢測數(shù)據(jù)的傳輸、音頻信號的采集與傳輸?shù)?。如收費站或監(jiān)控站的視頻傳輸常采用同軸電纜接入。 １．３　以太網(wǎng)接入　　 對于收費站或監(jiān)控站局域網(wǎng)來說，以太網(wǎng)接入是最流行的方法。以太網(wǎng)接入具有性價比好、可擴展性好、容易安裝開通及高

5、可靠性等優(yōu)點。以太網(wǎng)接入方式是通過一般的網(wǎng)絡設備，例如交換機，集線器等將同一幢樓內的用戶連成一個局域網(wǎng)，再直接或通過ＡＤＳＬ、ＶＤＳＬ等方式與外接光纖主干網(wǎng)相連?！　? 局域網(wǎng)接入應用場合：收費站、監(jiān)控站、服務站等以局域網(wǎng)方式工作的場合。 １．４?。郑模樱碳夹g　　 ＶＤＳＬ（甚高比特數(shù)字用戶線）技術利用電話雙絞線，提供高速的接入帶寬給用戶，而且可以支持原有的ＰＯＴＳ和ＩＳＤＮ應用。ＶＤＳＬ技術應用的距離較長，達ｌ．５ｋｍ（０．４ｍｍ線徑），一般情況下，從現(xiàn)場設備到監(jiān)控分中心的距離在這個范圍之內，若超出該距離，也可以使用ＡＰＯＮ＋ＶＤＳＬ或ＳＤＨ＋ＶＤＳＬ技術實現(xiàn)接入。ＶＤＳＬ的速率與以太網(wǎng)

6、速率非常接近，完全可以作為以太網(wǎng)的延伸，構成網(wǎng)絡節(jié)點之間距離在１ｋｍ以上的“大以太網(wǎng)”［１］?！　? 應用場合：收費站、監(jiān)控站等以局域網(wǎng)方式接入的場合，檢測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的采集等。 １．５　數(shù)據(jù)專線　　 數(shù)據(jù)專線技術包括數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（ＤＤＮ）、幀中繼（ＦＲ）及綜合業(yè)務數(shù)據(jù)（ＩＳＤＮ）。如果要實現(xiàn)一個地域內或城市內各站及系統(tǒng)之間的通信，可以借助城域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實現(xiàn)互連?！　? 應用場合：共享數(shù)據(jù)的廣域傳輸。例如在沒有建成ＳＤＨ骨干網(wǎng)時，可以使用數(shù)據(jù)專線技術來進行收費或監(jiān)控系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的傳輸。 １．６　衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路　　 衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信鏈路的建立，是利用地球同步衛(wèi)星與地面衛(wèi)星站之間建立的數(shù)據(jù)專線

7、通道進行的，無論是數(shù)據(jù)傳播或語音電話傳播都是租用了衛(wèi)星的專用通道，其最大的優(yōu)點是可以跨越廣泛的地域進行遠距離的信息傳送。在高速公路的應用中，基于ＧＰＳ收發(fā)機的應用是最常見的?！　? 應用場合：車輛定位、緊急信息的采集與發(fā)布、車輛自動駕駛等。 １．７　無線接入技術　　 無線接入網(wǎng)是由業(yè)務節(jié)點（交換機）接口和相關用戶網(wǎng)絡接口之間的系列傳送實體組成的，為傳送信息提供所需傳送承載能力的無線實施系統(tǒng)。一個無線系統(tǒng)一般由４　個基本模塊組成：用戶臺（ＳＳ）、基站（ＢＳ）、基站控制器（ＢＳＣ）、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（ＮＭＳ）。目前，在高速公路通信系統(tǒng)中常用的無線通信技術有專用短程通信協(xié)議（ＤＳＲＣ）、ＧＳＭ、蜂窩

8、數(shù)字分組數(shù)據(jù)（ｃｅｌｌｕｌａｒ?。洌椋纾椋簦幔臁。穑幔悖耄澹簟。洌幔簦?，ＣＤＰＤ）、通用分組交換業(yè)務（ｇｅｎｅｒａｌ?。穑幔悖耄澹簟。颍幔洌椋铩。螅澹颍觯椋悖?，ＧＰＲＳ）、碼分多址（ｃｏｄｅ?。洌椋觯椋螅椋铮睢。恚酰欤簦椋穑欤濉。幔悖悖澹螅?，ＣＤＭＡ）等［４］?！　脠龊希盒畔⒌牟杉c發(fā)布、電子收費系統(tǒng)、車輛自動駕駛等場合。 ２?。郑模樱碳夹g及應用 ２．１?。郑模樱痰年P鍵技術與研究現(xiàn)狀　　 ＶＤＳＬ中使用的主要關鍵技術是復用技術和調制技術。ＶＤＳＬ采用頻分復用方式進行通信，即上行和下行使用不同的頻率范圍。頻帶分配是一項關鍵技術，目前較常使用的是兩頻帶方案，頻譜分配如下（以ＱＡＭ為例）

9、：下行０．９～３．４ＭＨｚ；上行４．０～７．７５ＭＨｚ。其他常用的低頻業(yè)務，如ＩＳＤＮ、普通電話ＰＯＴＳ甚至ＡＤＳＬ，完全可以和ＶＤＳＬ同時在一對線上傳送。一般情況下，這兩個頻帶的中心頻率和帶寬都可以調整。這些數(shù)值與ＱＡＭ的星座數(shù)（又稱狀態(tài)數(shù)）及分割因數(shù)（指每碼元所含比特數(shù)）一起，一旦由設備配置確定，就可以決定ＶＤＳＬ系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。　　 ＶＤＳＬ之所以有更高的接入速率和抗干擾能力，主要應歸功于采用了先進的調制技術。目前，關于ＶＤＳＬ的標準有兩種，一種支持正交幅度調制（ＱＡＭ），另一種支持離散多音頻調制（ＤＭＴ）。　　 目前國外對于各種調制技術的ＶＤＳＬ都進行了廣泛研究，研究內容涉及到模擬

10、前端芯片、線路驅動器、信道估計／均衡算法以及ＶＤＳＬ的應用等各個方面。 ２．２?。郑模樱淘诟咚俟方尤刖W(wǎng)中的應用概述　　 ＶＤＳＬ不僅可以應用于有少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠直O(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)和部分收費系統(tǒng)局域網(wǎng)的接入，也適用于單一語音、數(shù)據(jù)或視頻終端的接入。ＶＤＳＬ可以傳輸１～５２Ｍ的可變帶寬數(shù)據(jù)，可以在通信中心或者通信分中心和現(xiàn)場設備之間同時傳輸語音、數(shù)據(jù)和視頻信號，使用雙絞線降低了成本，并且便于維護。對于現(xiàn)場設備比較分散的交通監(jiān)控系統(tǒng)來說，ＶＤＳＬ系統(tǒng)非常適合?，F(xiàn)場中的電話語音、數(shù)據(jù)或視頻使用ＶＤＳＬ技術通過電話線分別傳輸或同時傳輸至ＯＬＴ進行處理，一部分信息在分中心從傳輸線中分出，另一部分信息則

11、通過ＳＤＨ網(wǎng)絡傳輸至通信中心或通信總中心。對于視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)量及傳輸速率來確定ＯＮＵ與現(xiàn)場設備之間的距離，即確定ＯＮＵ的位置［３］。 ３　基于現(xiàn)場總線技術的隧道監(jiān)控系統(tǒng)　　 在交通監(jiān)控中，現(xiàn)場監(jiān)控設備一方面完成采集數(shù)據(jù)，另一方面完成控制任務。目前，在交通監(jiān)控中廣泛使用集散控制系統(tǒng)，這一方面使得監(jiān)控室內布線錯綜復雜，另一方面也會增大出錯的概率。事實上，因采集的數(shù)據(jù)不需一直保存，而是定期保存，所以把部分數(shù)據(jù)采集與控制任務交與現(xiàn)場設備來完成，則可以省卻大部分數(shù)據(jù)傳輸過程及由此帶來的傳輸錯誤而導致的一些不可預見的后果。因此，使用現(xiàn)場總線技術在監(jiān)控現(xiàn)場布設智能節(jié)點對交通監(jiān)控有著重要的意義

12、。 ３．１　現(xiàn)場總線技術及其發(fā)展趨勢　　 現(xiàn)場總線技術將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字通信和數(shù)字計算能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換［５］?！　? 現(xiàn)場總線技術的特點主要在于信號傳輸?shù)臄?shù)字化、控制功能的分散化以及現(xiàn)場總線標準的開放性，有利于信息管理系統(tǒng)的集成，它的發(fā)展對于面向底層自動化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡技術起到了巨大的推動作用。然而現(xiàn)場總線技術的發(fā)展仍有些不盡如人意的地方，其根本原因在于現(xiàn)場總線技術標準的多樣性和開放的不徹底性

13、。關于全球現(xiàn)場總線統(tǒng)一標準的爭論已經(jīng)有十幾年了，但到目前仍未有結果。各種類型的現(xiàn)場總線采用完全不同的通信協(xié)議，要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作幾乎是不可能的。工業(yè)以太控制網(wǎng)則是未來現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢。 ３．２　基于現(xiàn)場總線的隧道監(jiān)控系統(tǒng)　　 京珠南（甘唐一甕城段）隧道群主要包括３　個隧道，自北向南依次是寶林山隧道、大寶山隧道、靠椅山隧道。目前已實現(xiàn)集散控制系統(tǒng)，控制方案如下：隧道本地控制系統(tǒng)對寶林山、大寶山和靠椅山３　條長隧道的交通信號燈、車道控制標志、光強檢測器、通風設備、照明設備、能見度／ＣＯ濃度檢測器和車輛檢測器等設備進行集中監(jiān)控，同時接收隧道火災報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。本地控制系統(tǒng)把隧

14、道所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)收集后送至隧道監(jiān)控室統(tǒng)一處理，再通過光纖通信系統(tǒng)上傳至沙溪管理站的監(jiān)控系統(tǒng)，并接收管理站的控制命令，對本地設備實施控制?！　? 下面以現(xiàn)場總線控制技術對其進行重新設計。因每個隧道獨立成一個子系統(tǒng)，可以獨立使用現(xiàn)場總線進行設計。現(xiàn)場總線技術分為ＦＦ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、ＣＡＮ、Ｌｏｎ　ｗｏｒｋｓ　等幾種，因隧道一般是成對出現(xiàn)的，Ｌｏｎ?。祝铮颍耄蟆”绕渌麕追N總線較適合隧道監(jiān)控系統(tǒng)，以構成環(huán)形拓撲結構的現(xiàn)場總線。本文以靠椅山為例，進行基于Ｌｏｎ　Ｗｏｒｋｓ　的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設計。 ３．２．１　硬件設計　　 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標是保證隧道行車安全，隧道監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務是對與行車

15、安全密切相關的隧道車速車流量參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、通風、照明以及其他運行參數(shù)進行監(jiān)測與控制。本隧道監(jiān)控系統(tǒng)采用環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構，通信介質采用雙絞線，監(jiān)控中心的主備機和左線、右線隧道通過雙絞線連接成一個環(huán)型，可以節(jié)省大量的材料費用和安裝費用?！　? 整個系統(tǒng)配置主要是監(jiān)控計算機和智能節(jié)點。智能節(jié)點或監(jiān)控計算機根據(jù)各種交通狀態(tài)，綜合各種檢測信息制定相應的信號反應方案（控制隧道入口、車行橫洞車道控制標志、入口交通信號燈）來整理各種各樣的交通流，對交通進行實時自動控制。交通流包括正常交通、雙向交通、波動交通、事故、火災等各種情況［６］?！　? 除了監(jiān)控計算機外，其他Ｌｏｎ?。祝铮颍耄蟆≈悄芄?jié)點中只有一個單獨

16、的Ｎｅｕｒｏｎ處理器，這些節(jié)點通過相配套的收發(fā)器直接掛接到雙絞線通信介質上，即可實現(xiàn)和控制網(wǎng)絡交換信息。由于各個智能節(jié)點的信息交換可以直接通過輸入網(wǎng)絡變量來完成，并且各個智能節(jié)點是掛在通信介質上，因此任何一個Ｌｏｎ?。祝铮颍耄蟆≈悄芄?jié)點出現(xiàn)故障只影響其本身而不會危及整個系統(tǒng)，這種徹底的分散型控制體系提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。特別是監(jiān)控計算機出故障時，整個系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作，保證隧道的正常運行，這和以往的控制系統(tǒng)相比，體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。 ３．２．２　軟件設計　　 整個監(jiān)控系統(tǒng)的應用軟件可劃分為：現(xiàn)場控制系統(tǒng)（智能節(jié)點）、分中心監(jiān)控計算機（主機）和中央監(jiān)控３　個子系統(tǒng)?！　? 分中心

17、監(jiān)控計算機作為操作站要對各智能節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)進行處理、顯示和對智能節(jié)點進行管理、維護，此外還要向備機發(fā)送數(shù)據(jù)。智能節(jié)點的主要功能是數(shù)據(jù)采集、處理，過程監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)通信等，主要由智能節(jié)點的應用程序決定。每個現(xiàn)場的交通狀態(tài)信號，包括交通流、能見度（ＶＩ）／一氧化碳（ＣＯ）、風向（ＷＤ）／風速（ＷＶ）和光強ＬＩ　等。一方面經(jīng)相應的智能節(jié)點采集處理并產(chǎn)生相應的控制信號，同時也按照預定時間傳送到本地分中心監(jiān)控計算機及中央管理系統(tǒng)，并在中心進行相應的處理與控制。　　 整個過程如下：首先，由分中心監(jiān)控計算機從現(xiàn)場控制系統(tǒng)獲取前端設備數(shù)據(jù)，經(jīng)分中心監(jiān)控計算機進行適當處理后，再傳送到通信／交通監(jiān)控計算機

18、，接收的數(shù)據(jù)按一定格式封裝后，通過ＬＡＮ（局域網(wǎng)）傳送到中央監(jiān)控站的服務器，服務器將所收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。通信／交通監(jiān)控計算機對所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理后，產(chǎn)生控制現(xiàn)場設備動作的指令經(jīng)ＬＡＮ傳送到分中心監(jiān)控計算機，然后再由分中心監(jiān)控計算機傳達給現(xiàn)場有關的本地控制器，從而完成對特定設備動作的控制。需要時，通信／交通監(jiān)控計算機從服務器獲得交通方案等數(shù)據(jù)［６］。 ４　結語　　 先的進控制和通信技術的應用，必將提高高速公路控制和管理的效率，更大程度地發(fā)揮高速公路的功能。目前基于ＶＤＳＬ技術在高速公路通信系統(tǒng)中還沒有使用，但ＶＤＳＬ以其簡單的配置、優(yōu)越的性能，多種接入方式及其傳輸距離和傳速速率

19、的優(yōu)勢，足以滿足語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)男枰虼嗽诮煌ūO(jiān)控中有著良好的應用前景?；诂F(xiàn)場總線技術的自動化監(jiān)控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)難于實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換的弊端，采用計算機通信披術，把自控系統(tǒng)與設備加入到監(jiān)控信息網(wǎng)絡，成為信息網(wǎng)絡底層，使信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到現(xiàn)場設備。因此，在交通監(jiān)控中使用現(xiàn)場總線技術將成為發(fā)展方向。 參考文獻 ［１］　李令舉，田　錦，張熠華．目前我國高速公路通信系統(tǒng)現(xiàn)狀［Ｊ］．云南交通科技，２０００（２）：３５－３８． ［２］　聶明新，陳　偉．ＩＴＳ通信網(wǎng)絡的一種改進方案［Ｊ］．交通與計算機，２００ｌ（４）：１４－１６． ［３］　金炳榮．基于ＡＰＯＮ／ＶＤＳＬ技術的接入網(wǎng)結構［Ｊ］．廣東通信技術。２００１（１２）：４１－４４． ［４］　張　利，曾連蓀，秦正田．基于ＧＰＲＳ網(wǎng)絡的智能交通系統(tǒng)［Ｊ］．電信快報．２００１（１２）：１７－１９． ［５］　鄒益仁，馬增良，蒲　維．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)［Ｍ］．北京：國防工業(yè)出版社，２００３． ［６］　于建林．基于ＨＭＩ／ＳＣＡＤＡ的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)［Ｄ］．廣州：華南理工大學，２００１．