尚絳+李程+解悅

通過(guò)實(shí)際調(diào)研分析我國(guó)高速公路和國(guó)省干線(xiàn)公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)信息接入網(wǎng)現(xiàn)狀，基于公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)用的需求分析，比較可用的接入網(wǎng)技術(shù)，提出高速公路信息接入網(wǎng)解決方案、國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)解決方案以及智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)要求。最后采用MiWAVE技術(shù)，在重慶高速團(tuán)山堡大橋狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸示范應(yīng)用中，驗(yàn)證了本方案的可行性和先進(jìn)性。

公路 接入網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)

Research on Highway M2M Information Access Network Technology

SHANG Jiang， LI Cheng， XIE Yue

（China Transport Telecommunications & Information Center， Beijing 100011， China）

By investigating and analyzing the current highway access network information of things of both national and provincial trunk highways， based on the application demand analysis of highway access network information of things， available access network technologies are compared to propose the solutions to highway information access network and national and provincial roads information access network， as well as the technical requirements of intelligent M2M gateway. Finally， MiWave technology is adopted and the feasibility and advancement of the proposed solutions are validated in the status monitoring data transmission demonstrative application of Fort Hill Bridge in Chongqing.

highway access network Internet of things

1 引言

公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)各類(lèi)監(jiān)測(cè)需求多種多樣，包括：路網(wǎng)監(jiān)控、會(huì)議電視、公路廣播、辦公OA、電子收費(fèi)、氣象站、交通誘導(dǎo)、治超站、交調(diào)及擁堵信息系統(tǒng)、橋隧邊坡等基礎(chǔ)設(shè)施安全健康監(jiān)測(cè)、聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控、公眾出行服務(wù)、高精度車(chē)輛駕駛安全監(jiān)控、公路表面冰點(diǎn)監(jiān)測(cè)、摩擦力等濕滑狀態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣/水土/植被生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型多，覆蓋“人、車(chē)、貨、路、線(xiàn)”，節(jié)點(diǎn)分布“點(diǎn)多、線(xiàn)長(zhǎng)、面廣、移動(dòng)”。

公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)、信息接入網(wǎng)、信息骨干網(wǎng)和各級(jí)路網(wǎng)信息中心，分別對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)接入層、網(wǎng)絡(luò)骨干層和應(yīng)用層。

（1）無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)是指通過(guò)公路路側(cè)各類(lèi)前端采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)采集，是交通動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源，覆蓋范圍一般在幾十米至幾百米以?xún)?nèi)。前端設(shè)備主要包括公路基礎(chǔ)設(shè)施傳感設(shè)備、公路運(yùn)行狀態(tài)傳感器、公路環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等三大類(lèi)，感知層設(shè)備采集公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)各類(lèi)信息，如各類(lèi)數(shù)據(jù)、圖片、視頻等信息將通過(guò)采集，經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)匯總并傳送到接入層。

（2）信息接入網(wǎng)是指從外場(chǎng)設(shè)備即信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)到最近的光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)之間的信息傳輸網(wǎng)，距離一般在100米到20公里之間。這里包括了兩個(gè)接入部分：一是物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)，完成對(duì)各種傳感信息的匯總，物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)可以單獨(dú)存在，也可以與無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)網(wǎng)元合并為一個(gè)設(shè)備；二是物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)至信息骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)（即距離最近的路段通信站、收費(fèi)站內(nèi)可上下業(yè)務(wù)的光通信設(shè)備），此部分根據(jù)距離、成本、技術(shù)適應(yīng)性等實(shí)際情況可選擇不同的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)。

（3）信息骨干網(wǎng)主要依托高速公路光纖通信網(wǎng)絡(luò)，并按照目前高速公路光纖通信系統(tǒng)自身的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu)，分為省級(jí)傳輸層和國(guó)家級(jí)骨干傳輸層，骨干傳輸層將國(guó)省干線(xiàn)以及來(lái)自各路段分中心的高速公路的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行匯集，并將公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹鞲删W(wǎng)絡(luò)。

（4）各級(jí)路網(wǎng)信息中心（監(jiān)控中心）是將整個(gè)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和展示的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

本文對(duì)高速公路和國(guó)省干線(xiàn)公路網(wǎng)通信設(shè)施現(xiàn)狀以及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息接入網(wǎng)展開(kāi)研究，形成適用于我國(guó)基于物聯(lián)網(wǎng)的信息接入網(wǎng)技術(shù)方案。首先，采取理論分析研究和實(shí)際調(diào)研相結(jié)合的方法，全面掌握我國(guó)現(xiàn)有高速公路和國(guó)省干線(xiàn)公路信息接入網(wǎng)通信設(shè)施現(xiàn)狀；其次，基于高速公路和國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)的需求分析，以及可用的接入網(wǎng)技術(shù)，分別提出高速公路信息接入網(wǎng)解決方案和國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)解決方案；最后，基于上述無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)方案，通過(guò)基于MiWAVE的寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)在重慶高速公路大橋狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖痉稇?yīng)用，驗(yàn)證了本文方案的可行性和先進(jìn)性。

2 我國(guó)公路通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

2.1 高速公路通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

截止2012年底，我國(guó)高速公路總里程達(dá)到8.5萬(wàn)公里，高速公路光纖通信網(wǎng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，在各省級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)、交通監(jiān)控和信息服務(wù)等方面發(fā)揮了重要作用。

高速公路通信管道一般與道路主體工程統(tǒng)一規(guī)劃、同步實(shí)施。高速公路通常采用常規(guī)單模光纖，即G.652建議光纖、G.655建議光纜。截止目前，全國(guó)高速公路管道和光纜敷設(shè)率達(dá)總里程的99%，為7.3萬(wàn)公里。管道和光纖基本敷埋在高速公路綠化隔離帶下，可有效遏制破壞和盜挖，較公網(wǎng)光纖安全性高，是優(yōu)質(zhì)的高速公路通信資源。endprint

2.2 普通國(guó)省干線(xiàn)公路通信現(xiàn)狀

交通運(yùn)輸部1997年起發(fā)布實(shí)施的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》將公路劃分為五個(gè)等級(jí)，僅對(duì)高速公路提出明確要求，要求設(shè)置監(jiān)控、收費(fèi)、通信、配電、照明和管理養(yǎng)護(hù)等設(shè)施，對(duì)普通國(guó)省干線(xiàn)公路沒(méi)有提出建設(shè)公路通信系統(tǒng)等管理設(shè)施的要求。因此，各省普通國(guó)省干線(xiàn)公路多沒(méi)有建設(shè)自己的通信網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際應(yīng)用中，除少數(shù)租借城市光纖資源組建專(zhuān)用的通信網(wǎng)之外，大都采用租借無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)的形式。

3 公路信息接入網(wǎng)需求

公路信息接入網(wǎng)是指骨干網(wǎng)絡(luò)到采集設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與骨干傳輸網(wǎng)的對(duì)接，通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向傳輸網(wǎng)的匯聚，本文中將該接入過(guò)程稱(chēng)為公路信息接入網(wǎng)。

公路信息接入網(wǎng)需求如下：

（1）滿(mǎn)足公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)接入需求，既能滿(mǎn)足靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的接入需求，也能夠滿(mǎn)足移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入需求。

（2）支持長(zhǎng)距離公路沿線(xiàn)的接入。

（3）在重要位置能夠具備大帶寬、實(shí)時(shí)的接入能力，滿(mǎn)足視頻監(jiān)控、搶險(xiǎn)應(yīng)急的需求。

（4）TCO（Total Cost of Ownership，總體擁有成本）低。

（5）安裝部署方便，滿(mǎn)足部分路段無(wú)電力供應(yīng)、無(wú)機(jī)房等部署要求。

4 高速公路信息接入網(wǎng)解決方案

4.1 基于有線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案

（1）框架結(jié)構(gòu)

圖2為有線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案，其中光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)是指路段通信站、收費(fèi)站內(nèi)可上下業(yè)務(wù)的光通信設(shè)備，通常這些光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)間距為幾公里到幾十公里。

公路沿線(xiàn)的感知設(shè)備感知的信息經(jīng)過(guò)若干各物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)就近匯總后，需要通過(guò)接入網(wǎng)，進(jìn)入光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)。如圖2所示，可以直接重新鋪設(shè)電纜或者光纜（也可利舊），將物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)直接連接起來(lái)。

（2）有線(xiàn)接入技術(shù)比較

各種有線(xiàn)接入技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表1所示。

4.2 基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案

（1）框架結(jié)構(gòu)

如圖3所示，可以使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)直接連接起來(lái)，有多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可供選擇，如：TD-LTE專(zhuān)網(wǎng)、WiMAX專(zhuān)網(wǎng)、MiWAVE專(zhuān)網(wǎng)、Mesh專(zhuān)網(wǎng)等。

這些專(zhuān)網(wǎng)都需要部署基站，可以在光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)所在位置直接部署基站，稱(chēng)為根基站。由于兩個(gè)基站覆蓋距離之和可能小于兩個(gè)相鄰光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)的間距，造成覆蓋空擋，就需要在兩個(gè)相鄰光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)之間補(bǔ)充基站，這些基站與根基站之間可通過(guò)無(wú)線(xiàn)中繼來(lái)解決，可以使用5.8G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，由于每一跳都有較大衰減，一般不能超過(guò)5跳。

（2）無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)比較

各種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表2所示。

4.3 有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)技術(shù)的對(duì)比

有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表3所示。

4.4 專(zhuān)網(wǎng)與公網(wǎng)租用的對(duì)比

公路信息接入網(wǎng)是自建專(zhuān)網(wǎng)還是租用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)的資源，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表4所示。

5 國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)方案

針對(duì)國(guó)省干線(xiàn)公路網(wǎng)沒(méi)有建設(shè)自己的通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，可以采取三種方法解決：一是租用公網(wǎng)光纖、帶寬資源；二是無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)租用；三是自建低成本的無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，建設(shè)方案采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的高速公路信息接入網(wǎng)方案。這三種方法的對(duì)比具體如表5所示。

表5 國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

對(duì)比項(xiàng)目 租用公網(wǎng)有線(xiàn)資源 無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)租用 自建低成本無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)

建設(shè)成本 低 低 較高

使用成本 較高 較高 低

運(yùn)維 對(duì)運(yùn)維人員技術(shù)要求低 對(duì)運(yùn)維人員

技術(shù)要求低 需建設(shè)專(zhuān)業(yè)

運(yùn)維隊(duì)伍

總體擁有成本 較高 較高 較低

適用區(qū)域 適用于分布相對(duì)集中、節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少、帶寬需求大的場(chǎng)所 適用于公網(wǎng)覆蓋良好的路段和國(guó)省干線(xiàn)，但公路的大部分地區(qū)在人口密集區(qū)以外，公網(wǎng)覆蓋差甚至沒(méi)有 適用于無(wú)公網(wǎng)覆蓋或者很差的地區(qū)；初期建設(shè)經(jīng)費(fèi)比較充裕

6 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)

6.1 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的作用

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)以及不同類(lèi)型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。此外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

6.2 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)要求

智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求，具體如下：

（1）廣泛的接入能力：需要支持多種近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括：LAN、Wi-Fi、開(kāi)關(guān)量、模擬量、藍(lán)牙、RF、ZigBee、232/485串口、視頻接口等。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：從不同的感知網(wǎng)絡(luò)到無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識(shí)別的信令和控制指令。

（3）可管理能力：中心可以對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊(cè)管理、權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)等。

（4）數(shù)據(jù)緩存能力：可根據(jù)預(yù)定義的策略，將最近一段時(shí)間內(nèi)的感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。一是避免因信息接入網(wǎng)暫時(shí)故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失；二是可以由中心平臺(tái)根據(jù)需要來(lái)取必要的數(shù)據(jù)，從而避免上傳多余數(shù)據(jù)，降低流量費(fèi)用。

7 基于MiWAVE的公路信息接入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)與重慶高速公路集團(tuán)合作，結(jié)合團(tuán)山堡大橋?qū)嶋H情況，在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中構(gòu)建了寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，按照高速公路基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案，安裝了MiWAVE寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，克服了地理環(huán)境不利因素，順利實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸，并可為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等的傳輸手段，獲得了用戶(hù)好評(píng)。

8 結(jié)論

本文給出了適合我國(guó)高速公路和國(guó)省干線(xiàn)的公路信息接入網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)，提出了適合我國(guó)實(shí)際需求和技術(shù)特點(diǎn)的公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入網(wǎng)技術(shù)方案?？晒┳鳛楣沸畔⒔尤刖W(wǎng)的候選技術(shù)有多種，路網(wǎng)場(chǎng)景多樣性決定業(yè)務(wù)傳輸需求的多樣性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際傳輸需求并充分考慮現(xiàn)有各技術(shù)的適用性，選擇適合的公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入網(wǎng)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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2.2 普通國(guó)省干線(xiàn)公路通信現(xiàn)狀

交通運(yùn)輸部1997年起發(fā)布實(shí)施的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》將公路劃分為五個(gè)等級(jí)，僅對(duì)高速公路提出明確要求，要求設(shè)置監(jiān)控、收費(fèi)、通信、配電、照明和管理養(yǎng)護(hù)等設(shè)施，對(duì)普通國(guó)省干線(xiàn)公路沒(méi)有提出建設(shè)公路通信系統(tǒng)等管理設(shè)施的要求。因此，各省普通國(guó)省干線(xiàn)公路多沒(méi)有建設(shè)自己的通信網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際應(yīng)用中，除少數(shù)租借城市光纖資源組建專(zhuān)用的通信網(wǎng)之外，大都采用租借無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)的形式。

3 公路信息接入網(wǎng)需求

公路信息接入網(wǎng)是指骨干網(wǎng)絡(luò)到采集設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與骨干傳輸網(wǎng)的對(duì)接，通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向傳輸網(wǎng)的匯聚，本文中將該接入過(guò)程稱(chēng)為公路信息接入網(wǎng)。

公路信息接入網(wǎng)需求如下：

（1）滿(mǎn)足公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)接入需求，既能滿(mǎn)足靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的接入需求，也能夠滿(mǎn)足移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入需求。

（2）支持長(zhǎng)距離公路沿線(xiàn)的接入。

（3）在重要位置能夠具備大帶寬、實(shí)時(shí)的接入能力，滿(mǎn)足視頻監(jiān)控、搶險(xiǎn)應(yīng)急的需求。

（4）TCO（Total Cost of Ownership，總體擁有成本）低。

（5）安裝部署方便，滿(mǎn)足部分路段無(wú)電力供應(yīng)、無(wú)機(jī)房等部署要求。

4 高速公路信息接入網(wǎng)解決方案

4.1 基于有線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案

（1）框架結(jié)構(gòu)

圖2為有線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案，其中光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)是指路段通信站、收費(fèi)站內(nèi)可上下業(yè)務(wù)的光通信設(shè)備，通常這些光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)間距為幾公里到幾十公里。

公路沿線(xiàn)的感知設(shè)備感知的信息經(jīng)過(guò)若干各物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)就近匯總后，需要通過(guò)接入網(wǎng)，進(jìn)入光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)。如圖2所示，可以直接重新鋪設(shè)電纜或者光纜（也可利舊），將物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)直接連接起來(lái)。

（2）有線(xiàn)接入技術(shù)比較

各種有線(xiàn)接入技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表1所示。

4.2 基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案

（1）框架結(jié)構(gòu)

如圖3所示，可以使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)直接連接起來(lái)，有多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可供選擇，如：TD-LTE專(zhuān)網(wǎng)、WiMAX專(zhuān)網(wǎng)、MiWAVE專(zhuān)網(wǎng)、Mesh專(zhuān)網(wǎng)等。

這些專(zhuān)網(wǎng)都需要部署基站，可以在光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)所在位置直接部署基站，稱(chēng)為根基站。由于兩個(gè)基站覆蓋距離之和可能小于兩個(gè)相鄰光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)的間距，造成覆蓋空擋，就需要在兩個(gè)相鄰光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)之間補(bǔ)充基站，這些基站與根基站之間可通過(guò)無(wú)線(xiàn)中繼來(lái)解決，可以使用5.8G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，由于每一跳都有較大衰減，一般不能超過(guò)5跳。

（2）無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)比較

各種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表2所示。

4.3 有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)技術(shù)的對(duì)比

有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表3所示。

4.4 專(zhuān)網(wǎng)與公網(wǎng)租用的對(duì)比

公路信息接入網(wǎng)是自建專(zhuān)網(wǎng)還是租用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)的資源，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表4所示。

5 國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)方案

針對(duì)國(guó)省干線(xiàn)公路網(wǎng)沒(méi)有建設(shè)自己的通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，可以采取三種方法解決：一是租用公網(wǎng)光纖、帶寬資源；二是無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)租用；三是自建低成本的無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，建設(shè)方案采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的高速公路信息接入網(wǎng)方案。這三種方法的對(duì)比具體如表5所示。

表5 國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

對(duì)比項(xiàng)目 租用公網(wǎng)有線(xiàn)資源 無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)租用 自建低成本無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)

建設(shè)成本 低 低 較高

使用成本 較高 較高 低

運(yùn)維 對(duì)運(yùn)維人員技術(shù)要求低 對(duì)運(yùn)維人員

技術(shù)要求低 需建設(shè)專(zhuān)業(yè)

運(yùn)維隊(duì)伍

總體擁有成本 較高 較高 較低

適用區(qū)域 適用于分布相對(duì)集中、節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少、帶寬需求大的場(chǎng)所 適用于公網(wǎng)覆蓋良好的路段和國(guó)省干線(xiàn)，但公路的大部分地區(qū)在人口密集區(qū)以外，公網(wǎng)覆蓋差甚至沒(méi)有 適用于無(wú)公網(wǎng)覆蓋或者很差的地區(qū)；初期建設(shè)經(jīng)費(fèi)比較充裕

6 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)

6.1 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的作用

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)以及不同類(lèi)型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。此外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

6.2 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)要求

智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求，具體如下：

（1）廣泛的接入能力：需要支持多種近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括：LAN、Wi-Fi、開(kāi)關(guān)量、模擬量、藍(lán)牙、RF、ZigBee、232/485串口、視頻接口等。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：從不同的感知網(wǎng)絡(luò)到無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識(shí)別的信令和控制指令。

（3）可管理能力：中心可以對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊(cè)管理、權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)等。

（4）數(shù)據(jù)緩存能力：可根據(jù)預(yù)定義的策略，將最近一段時(shí)間內(nèi)的感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。一是避免因信息接入網(wǎng)暫時(shí)故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失；二是可以由中心平臺(tái)根據(jù)需要來(lái)取必要的數(shù)據(jù)，從而避免上傳多余數(shù)據(jù)，降低流量費(fèi)用。

7 基于MiWAVE的公路信息接入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)與重慶高速公路集團(tuán)合作，結(jié)合團(tuán)山堡大橋?qū)嶋H情況，在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中構(gòu)建了寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，按照高速公路基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案，安裝了MiWAVE寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，克服了地理環(huán)境不利因素，順利實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸，并可為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等的傳輸手段，獲得了用戶(hù)好評(píng)。

8 結(jié)論

本文給出了適合我國(guó)高速公路和國(guó)省干線(xiàn)的公路信息接入網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)，提出了適合我國(guó)實(shí)際需求和技術(shù)特點(diǎn)的公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入網(wǎng)技術(shù)方案?？晒┳鳛楣沸畔⒔尤刖W(wǎng)的候選技術(shù)有多種，路網(wǎng)場(chǎng)景多樣性決定業(yè)務(wù)傳輸需求的多樣性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際傳輸需求并充分考慮現(xiàn)有各技術(shù)的適用性，選擇適合的公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入網(wǎng)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. GB 50174-2008 電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2009.

[2] 武漢郵電科學(xué)研究院，中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院. GB/T 20187-2006 光傳送網(wǎng)體系設(shè)備的功能塊特性[S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2006.

[3] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院. JTG D80-2006 高速公路交通工程及沿線(xiàn)設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]. 北京： 人民交通出版社， 2006.

[4] 中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). YD/T 901-2009 層絞式通信用室外光纜[S]. 北京： 人民郵電出版社， 2009.

[5] 中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). YD/T 1990-2009 光傳送網(wǎng)（OTN）網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求[S]. 北京： 北京郵電大學(xué)出版社， 2010.

[6] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. YD/T 2571-2013 TD-LTE數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)[S]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[7] IEEE 802.16e. 2—6GHz固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2005.endprint

2.2 普通國(guó)省干線(xiàn)公路通信現(xiàn)狀

交通運(yùn)輸部1997年起發(fā)布實(shí)施的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》將公路劃分為五個(gè)等級(jí)，僅對(duì)高速公路提出明確要求，要求設(shè)置監(jiān)控、收費(fèi)、通信、配電、照明和管理養(yǎng)護(hù)等設(shè)施，對(duì)普通國(guó)省干線(xiàn)公路沒(méi)有提出建設(shè)公路通信系統(tǒng)等管理設(shè)施的要求。因此，各省普通國(guó)省干線(xiàn)公路多沒(méi)有建設(shè)自己的通信網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際應(yīng)用中，除少數(shù)租借城市光纖資源組建專(zhuān)用的通信網(wǎng)之外，大都采用租借無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)的形式。

3 公路信息接入網(wǎng)需求

公路信息接入網(wǎng)是指骨干網(wǎng)絡(luò)到采集設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與骨干傳輸網(wǎng)的對(duì)接，通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向傳輸網(wǎng)的匯聚，本文中將該接入過(guò)程稱(chēng)為公路信息接入網(wǎng)。

公路信息接入網(wǎng)需求如下：

（1）滿(mǎn)足公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)接入需求，既能滿(mǎn)足靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的接入需求，也能夠滿(mǎn)足移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入需求。

（2）支持長(zhǎng)距離公路沿線(xiàn)的接入。

（3）在重要位置能夠具備大帶寬、實(shí)時(shí)的接入能力，滿(mǎn)足視頻監(jiān)控、搶險(xiǎn)應(yīng)急的需求。

（4）TCO（Total Cost of Ownership，總體擁有成本）低。

（5）安裝部署方便，滿(mǎn)足部分路段無(wú)電力供應(yīng)、無(wú)機(jī)房等部署要求。

4 高速公路信息接入網(wǎng)解決方案

4.1 基于有線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案

（1）框架結(jié)構(gòu)

圖2為有線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案，其中光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)是指路段通信站、收費(fèi)站內(nèi)可上下業(yè)務(wù)的光通信設(shè)備，通常這些光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)間距為幾公里到幾十公里。

公路沿線(xiàn)的感知設(shè)備感知的信息經(jīng)過(guò)若干各物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)就近匯總后，需要通過(guò)接入網(wǎng)，進(jìn)入光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)。如圖2所示，可以直接重新鋪設(shè)電纜或者光纜（也可利舊），將物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)直接連接起來(lái)。

（2）有線(xiàn)接入技術(shù)比較

各種有線(xiàn)接入技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表1所示。

4.2 基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案

（1）框架結(jié)構(gòu)

如圖3所示，可以使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)直接連接起來(lái)，有多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可供選擇，如：TD-LTE專(zhuān)網(wǎng)、WiMAX專(zhuān)網(wǎng)、MiWAVE專(zhuān)網(wǎng)、Mesh專(zhuān)網(wǎng)等。

這些專(zhuān)網(wǎng)都需要部署基站，可以在光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)所在位置直接部署基站，稱(chēng)為根基站。由于兩個(gè)基站覆蓋距離之和可能小于兩個(gè)相鄰光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)的間距，造成覆蓋空擋，就需要在兩個(gè)相鄰光傳送網(wǎng)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)之間補(bǔ)充基站，這些基站與根基站之間可通過(guò)無(wú)線(xiàn)中繼來(lái)解決，可以使用5.8G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，由于每一跳都有較大衰減，一般不能超過(guò)5跳。

（2）無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)比較

各種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表2所示。

4.3 有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)技術(shù)的對(duì)比

有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)技術(shù)用于公路信息接入網(wǎng)，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表3所示。

4.4 專(zhuān)網(wǎng)與公網(wǎng)租用的對(duì)比

公路信息接入網(wǎng)是自建專(zhuān)網(wǎng)還是租用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)的資源，各有利弊和其適用場(chǎng)景，具體對(duì)比如表4所示。

5 國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)方案

針對(duì)國(guó)省干線(xiàn)公路網(wǎng)沒(méi)有建設(shè)自己的通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，可以采取三種方法解決：一是租用公網(wǎng)光纖、帶寬資源；二是無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)租用；三是自建低成本的無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)，建設(shè)方案采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的高速公路信息接入網(wǎng)方案。這三種方法的對(duì)比具體如表5所示。

表5 國(guó)省干線(xiàn)信息接入網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

對(duì)比項(xiàng)目 租用公網(wǎng)有線(xiàn)資源 無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)租用 自建低成本無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)

建設(shè)成本 低 低 較高

使用成本 較高 較高 低

運(yùn)維 對(duì)運(yùn)維人員技術(shù)要求低 對(duì)運(yùn)維人員

技術(shù)要求低 需建設(shè)專(zhuān)業(yè)

運(yùn)維隊(duì)伍

總體擁有成本 較高 較高 較低

適用區(qū)域 適用于分布相對(duì)集中、節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少、帶寬需求大的場(chǎng)所 適用于公網(wǎng)覆蓋良好的路段和國(guó)省干線(xiàn)，但公路的大部分地區(qū)在人口密集區(qū)以外，公網(wǎng)覆蓋差甚至沒(méi)有 適用于無(wú)公網(wǎng)覆蓋或者很差的地區(qū)；初期建設(shè)經(jīng)費(fèi)比較充裕

6 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)

6.1 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的作用

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)以及不同類(lèi)型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。此外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

6.2 智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)要求

智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求，具體如下：

（1）廣泛的接入能力：需要支持多種近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括：LAN、Wi-Fi、開(kāi)關(guān)量、模擬量、藍(lán)牙、RF、ZigBee、232/485串口、視頻接口等。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：從不同的感知網(wǎng)絡(luò)到無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識(shí)別的信令和控制指令。

（3）可管理能力：中心可以對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊(cè)管理、權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)等。

（4）數(shù)據(jù)緩存能力：可根據(jù)預(yù)定義的策略，將最近一段時(shí)間內(nèi)的感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。一是避免因信息接入網(wǎng)暫時(shí)故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失；二是可以由中心平臺(tái)根據(jù)需要來(lái)取必要的數(shù)據(jù)，從而避免上傳多余數(shù)據(jù)，降低流量費(fèi)用。

7 基于MiWAVE的公路信息接入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)與重慶高速公路集團(tuán)合作，結(jié)合團(tuán)山堡大橋?qū)嶋H情況，在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中構(gòu)建了寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，按照高速公路基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的公路信息接入網(wǎng)方案，安裝了MiWAVE寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，克服了地理環(huán)境不利因素，順利實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸，并可為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像等的傳輸手段，獲得了用戶(hù)好評(píng)。

8 結(jié)論

本文給出了適合我國(guó)高速公路和國(guó)省干線(xiàn)的公路信息接入網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)，提出了適合我國(guó)實(shí)際需求和技術(shù)特點(diǎn)的公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入網(wǎng)技術(shù)方案。可供作為公路信息接入網(wǎng)的候選技術(shù)有多種，路網(wǎng)場(chǎng)景多樣性決定業(yè)務(wù)傳輸需求的多樣性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際傳輸需求并充分考慮現(xiàn)有各技術(shù)的適用性，選擇適合的公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入網(wǎng)技術(shù)。

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