公路运行状态监测信息接入网技术研究
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通过实际调研分析我国高速公路和国省干线公路运行状态监测网信息接入网现状，基于公路运行状态监测网应用的需求分析，比较可用的接入网技术，提出高速公路信息接入网解决方案、国省干线信息接入网解决方案以及智能物联网关的技术要求。最后采用MiWAVE技术，在重庆高速团山堡大桥状态监测数据传输示范应用中，验证了本方案的可行性和先进性。
公路 接入网 物联网
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
公路网运行状态各类监测需求多种多样，包括：路网监控、会议电视、公路广播、办公OA、电子收费、气象站、交通诱导、治超站、交调及拥堵信息系统、桥隧边坡等基础设施安全健康监测、联网联控、公众出行服务、高精度车辆驾驶安全监控、公路表面冰点监测、摩擦力等湿滑状态环境监测、大气/水土/植被生态环境监测。公路网运行状态监测节点类型多，覆盖“人、车、货、路、线”，节点分布“点多、线长、面广、移动”。
公路网运行状态监测系统结构如图1所示，分为无线传感自组网、信息接入网、信息骨干网和各级路网信息中心，分别对应于物联网的感知层、网络接入层、网络骨干层和应用层。
（1）无线传感自组网是指通过公路路侧各类前端采集设备实现交通数据采集，是交通动态数据的主要来源，覆盖范围一般在几十米至几百米以内。前端设备主要包括公路基础设施传感设备、公路运行状态传感器、公路环境监测设备等三大类，感知层设备采集公路网运行状态各类信息，如各类数据、图片、视频等信息将通过采集，经过物联网关汇总并传送到接入层。
（2）信息接入网是指从外场设备即信息监测点到最近的光传送网业务接入点之间的信息传输网，距离一般在100米到20公里之间。这里包括了两个接入部分：一是物联接入网关，完成对各种传感信息的汇总，物联接入网关可以单独存在，也可以与无线传感自组网网元合并为一个设备；二是物联接入网关至信息骨干网业务节点（即距离最近的路段通信站、收费站内可上下业务的光通信设备），此部分根据距离、成本、技术适应性等实际情况可选择不同的有线或无线接入技术。
（3）信息骨干网主要依托高速公路光纤通信网络，并按照目前高速公路光纤通信系统自身的网络层级结构，分为省级传输层和国家级骨干传输层，骨干传输层将国省干线以及来自各路段分中心的高速公路的运行状态监测信息进行汇集，并将公路网运行状态监测信息进行远距离传输的主干网络。
（4）各级路网信息中心（监控中心）是将整个公路网运行状态信息进行采集、处理、存储和展示的物联网应用系统。
本文对高速公路和国省干线公路网通信设施现状以及基于物联网技术的信息接入网展开研究，形成适用于我国基于物联网的信息接入网技术方案。首先，采取理论分析研究和实际调研相结合的方法，全面掌握我国现有高速公路和国省干线公路信息接入网通信设施现状；其次，基于高速公路和国省干线信息接入网的需求分析，以及可用的接入网技术，分别提出高速公路信息接入网解决方案和国省干线信息接入网解决方案；最后，基于上述无线接入技术方案，通过基于MiWAVE的宽带无线传输系统在重庆高速公路大桥状态监测数据传输的示范应用，验证了本文方案的可行性和先进性。
2 我国公路通信网络现状分析
2.1 高速公路通信网络现状
截止2012年底，我国高速公路总里程达到8.5万公里，高速公路光纤通信网的规模日益扩大，在各省级高速公路联网收费、交通监控和信息服务等方面发挥了重要作用。
高速公路通信管道一般与道路主体工程统一规划、同步实施。高速公路通常采用常规单模光纤，即G.652建议光纤、G.655建议光缆。截止目前，全国高速公路管道和光缆敷设率达总里程的99%，为7.3万公里。管道和光纤基本敷埋在高速公路绿化隔离带下，可有效遏制破坏和盗挖，较公网光纤安全性高，是优质的高速公路通信资源。
2.2 普通国省干线公路通信现状
交通运输部1997年起实施的《公路工程技术标准》将公路划分为五个等级，仅对高速公路提出明确要求，要求设置监控、收费、通信、配电、照明和管理养护等设施，对普通国省干线公路没有提出建设公路通信系统等管理设施的要求。因此，各省普通国省干线公路多没有建设自己的通信网络，在实际应用中，除少数租借城市光纤资源组建专用的通信网之外，大都采用租借无线公网的形式。
3 公路信息接入网需求
公路信息接入网是指骨干网络到采集设备之间的网络，实现公路网运行状态数据采集与骨干传输网的对接，通过有线和无线接入技术，实现数据向传输网的汇聚，本文中将该接入过程称为公路信息接入网。
公路信息接入网需求如下：
（1）满足公路运行状态监测的数据接入需求，既能满足静态节点的接入需求，也能够满足移动节点的接入需求。
（2）支持长距离公路沿线的接入。
（3）在重要位置能够具备大带宽、实时的接入能力，满足视频监控、抢险应急的需求。
（4）TCO（Total Cost of Ownership，总体拥有成本）低。
（5）安装部署方便，满足部分路段无电力供应、无机房等部署要求。
4 高速公路信息接入网解决方案
4.1 基于有线技术的公路信息接入网方案
（1）框架结构
图2为有线技术的公路信息接入网方案，其中光传送网业务接入点是指路段通信站、收费站内可上下业务的光通信设备，通常这些光传送网业务接入点间距为几公里到几十公里。
公路沿线的感知设备感知的信息经过若干各物联接入网关就近汇总后，需要通过接入网，进入光传送网业务接入点。如图2所示，可以直接重新铺设电缆或者光缆（也可利旧），将物联接入网关与光传送网业务接入点直接连接起来。
（2）有线接入技术比较
各种有线接入技术用于公路信息接入网，各有利弊和其适用场景，具体对比如表1所示。
4.2 基于无线技术的公路信息接入网方案
（1）框架结构
如图3所示，可以使用无线网络将物联接入网关与光传送网业务接入点直接连接起来，有多种无线网络技术可供选择，如：TD-LTE专网、WiMAX专网、MiWAVE专网、Mesh专网等。
这些专网都需要部署基站，可以在光传送网业务接入点所在位置直接部署基站，称为根基站。由于两个基站覆盖距离之和可能小于两个相邻光传送网业务接入点的间距，造成覆盖空挡，就需要在两个相邻光传送网业务接入点之间补充基站，这些基站与根基站之间可通过无线中继来解决，可以使用5.8G无线网桥，由于每一跳都有较大衰减，一般不能超过5跳。
（2）无线接入技术比较
各种无线接入技术用于公路信息接入网，各有利弊和其适用场景，具体对比如表2所示。
4.3 有线与无线技术的对比
有线和无线技术用于公路信息接入网，各有利弊和其适用场景，具体对比如表3所示。
4.4 专网与公网租用的对比
公路信息接入网是自建专网还是租用运营商公网的资源，各有利弊和其适用场景，具体对比如表4所示。
5 国省干线信息接入网方案
针对国省干线公路网没有建设自己的通信网络的现状，可以采取三种方法解决：一是租用公网光纤、带宽资源；二是无线公网租用；三是自建低成本的无线专网，建设方案采用无线技术的高速公路信息接入网方案。这三种方法的对比具体如表5所示。
表5 国省干线信息接入网技术对比
对比项目 租用公网有线资源 无线公网租用 自建低成本无线专网
建设成本 低 低 较高
使用成本 较高 较高 低
运维 对运维人员技术要求低 对运维人员
技术要求低 需建设专业
运维队伍
总体拥有成本 较高 较高 较低
适用区域 适用于分布相对集中、节点数量较少、带宽需求大的场所 适用于公网覆盖良好的路段和国省干线，但公路的大部分地区在人口密集区以外，公网覆盖差甚至没有 适用于无公网覆盖或者很差的地区；初期建设经费比较充裕
6 智能物联网关
6.1 智能物联网关的作用
物联网网关是连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与接入网以及不同类型感知网络之间的协议转换。既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外，物联网网关还需要具备设备管理功能，通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息并实现远程控制。
6.2 智能物联网关的技术要求
智能物联网关应满足相关技术要求，具体如下：
（1）广泛的接入能力：需要支持多种近程通信的技术标准，包括：LAN、Wi-Fi、开关量、模拟量、蓝牙、RF、ZigBee、232/485串口、视频接口等。
（2）协议转换能力：从不同的感知网络到无线接入网络的协议转换，将下层的标准格式的数据统一封装，保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。
（3）可管理能力：中心可以对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等以及远程唤醒、控制、诊断、升级和维护等。
（4）数据缓存能力：可根据预定义的策略，将最近一段时间内的感知数据存储起来。一是避免因信息接入网暂时故障而出现数据丢失；二是可以由中心平台根据需要来取必要的数据，从而避免上传多余数据，降低流量费用。
7 基于MiWAVE的公路信息接入网实验
通过与重庆高速公路集团合作，结合团山堡大桥实际情况，在桥梁结构状态监测过程中构建了宽带无线接入系统，按照高速公路基于无线技术的公路信息接入网方案，安装了MiWAVE宽带无线接入系统，克服了地理环境不利因素，顺利实现了传感数据的宽带无线传输，并可为用户提供数据、语音和图像等的传输手段，获得了用户好评。
8 结论
本文给出了适合我国高速公路和国省干线的公路信息接入网框架结构，提出了适合我国实际需求和技术特点的公路运行状态监测信息接入网技术方案。可供作为公路信息接入网的候选技术有多种，路网场景多样性决定业务传输需求的多样性，应根据实际传输需求并充分考虑现有各技术的适用性，选择适合的公路运行状态监测信息接入网技术。
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