通信技术在高速公路管理和控制中的应用研究论文

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1、 计算机论文：通信技术在高速公路管理和控制中的应用研究 摘　要　在高速公路的信息采集与发布过程当中，通信技术起着非常重要的作用。本文概略介绍了高速公路管理和控制中使用的先进通信技术，并分别列出了各种通信技术的应用场合；其中着重介绍了ＶＤＳＬ和现场总线技术，并以隧道监控系统为例，论述了现场总线在隧道监控系统中的应用。 关键词　高速公路　通信技术　管理和控制　监控系统 高速公路收费站、监控站、服务区、养护区、紧急电话等处均为管理控制现场。对于管理控制现场来说，一方面需要采集大量的信息，送至现场管理处；另一方面在管理处或更高一级的管理中心将得到的信息进行处理，然后传送至现场完成管理或控

2、制功能。目前信息技术日新月异，使用先进实用的通信技术，对于控制和管理功能的实现及提高高速公路管理效率具有重要意义。 １　通信系统中的接入技术 １．１　光纤接入 光纤接入网与骨干网、用户驻地网（用户端）之间的关系如图１　所示。图中，ＯＮＵ为光网络单元，它是在用户端将光信号变成电信号的设备 目前在光接入实现方案中广泛使用ＡＰＯＮ技术。ＰＯＮ是指光接入网中不含有电源的设备，只含有无电源的光分路器等器件。ＡＰＯＮ是在ＰＯＮ上采用ＡＴＭ技术进行传输、复用的技术，它具有多业务、多比特率支持能力。这时带宽统计复用，多个用户可共享带宽，动态分配带宽，因而信道利用率高。由于ＰＯＮ中ＯＬＴ、ＯＤＮ是共用的

3、，加上采用ＡＴＭ后带宽共享，因此ＡＰＯＮ的实现优点是成本较低，标准化程度较高，能实现大规模生产，从而使成本大幅降低，因此ＡＰＯＮ的市场前景很好［１］ 应用场合：监控系统设在沿线互通立交、大桥等特殊路段的遥控摄像机采集的监控视频数据、检测数据的传输，紧急电话的接入，用于数据量大或要求实时传输的场合。 １．２　同轴电缆接入和双绞线接入　　 光纤、同轴电缆和双绞线技术在高速公路中应用较为普遍，例如交通监控和隧道现场控制系统中，也多使用以上技术［２］；另外电话业务的接入也属于上述几种接入技术的结合。目前的电话业务接入情况是，在通信分中心设置程控交换机，分别负责该分中心辖区的电话通信业务，为道路使

4、用者发生紧急情况时提供紧急呼叫的服务功能，为管理调度和紧急救援提供信息。在分中心一级设置综合控制台进行管理，可实时将紧急电话的各种数据输入监控计算机。每隔适当距离设置一套分插复用器将所辖路段的紧急电话信息通过光纤向分中心传输，如每隔ｌ　ｋｍ设置一对紧急电话分机，每隔５０ｋｍ设置一套分插复用器，采用０．９ｍｍ的星绞四芯有线传输方式。　　 应用场合：监控系统沿线布设的外场设备检测数据的传输、音频信号的采集与传输等。如收费站或监控站的视频传输常采用同轴电缆接入。 １．３　以太网接入　　 对于收费站或监控站局域网来说，以太网接入是最流行的方法。以太网接入具有性价比好、可扩展性好、容易安装开通及高

5、可靠性等优点。以太网接入方式是通过一般的网络设备，例如交换机，集线器等将同一幢楼内的用户连成一个局域网，再直接或通过ＡＤＳＬ、ＶＤＳＬ等方式与外接光纤主干网相连。　　 局域网接入应用场合：收费站、监控站、服务站等以局域网方式工作的场合。 １．４　ＶＤＳＬ技术　　 ＶＤＳＬ（甚高比特数字用户线）技术利用电话双绞线，提供高速的接入带宽给用户，而且可以支持原有的ＰＯＴＳ和ＩＳＤＮ应用。ＶＤＳＬ技术应用的距离较长，达ｌ．５ｋｍ（０．４ｍｍ线径），一般情况下，从现场设备到监控分中心的距离在这个范围之内，若超出该距离，也可以使用ＡＰＯＮ＋ＶＤＳＬ或ＳＤＨ＋ＶＤＳＬ技术实现接入。ＶＤＳＬ的速率与以太网

6、速率非常接近，完全可以作为以太网的延伸，构成网络节点之间距离在１ｋｍ以上的“大以太网”［１］。　　 应用场合：收费站、监控站等以局域网方式接入的场合，检测数据、视频数据的采集等。 １．５　数据专线　　 数据专线技术包括数字数据网络（ＤＤＮ）、帧中继（ＦＲ）及综合业务数据（ＩＳＤＮ）。如果要实现一个地域内或城市内各站及系统之间的通信，可以借助城域网或广域网实现互连。　　 应用场合：共享数据的广域传输。例如在没有建成ＳＤＨ骨干网时，可以使用数据专线技术来进行收费或监控系统共享数据的传输。 １．６　卫星数据链路　　 卫星数据通信链路的建立，是利用地球同步卫星与地面卫星站之间建立的数据专线

7、通道进行的，无论是数据传播或语音电话传播都是租用了卫星的专用通道，其最大的优点是可以跨越广泛的地域进行远距离的信息传送。在高速公路的应用中，基于ＧＰＳ收发机的应用是最常见的。　　 应用场合：车辆定位、紧急信息的采集与发布、车辆自动驾驶等。 １．７　无线接入技术　　 无线接入网是由业务节点（交换机）接口和相关用户网络接口之间的系列传送实体组成的，为传送信息提供所需传送承载能力的无线实施系统。一个无线系统一般由４　个基本模块组成：用户台（ＳＳ）、基站（ＢＳ）、基站控制器（ＢＳＣ）、网络管理系统（ＮＭＳ）。目前，在高速公路通信系统中常用的无线通信技术有专用短程通信协议（ＤＳＲＣ）、ＧＳＭ、蜂窝

8、数字分组数据（ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｄｉｇ－ｉｔａｌ　ｐａｃｋｅｔ　ｄａｔａ，ＣＤＰＤ）、通用分组交换业务（ｇｅｎｅｒａｌ　ｐａｃｋｅｔ　ｒａｄｉｏ　ｓｅｒｖｉｃｅ，ＧＰＲＳ）、码分多址（ｃｏｄｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ，ＣＤＭＡ）等［４］。　　应用场合：信息的采集与发布、电子收费系统、车辆自动驾驶等场合。 ２　ＶＤＳＬ技术及应用 ２．１　ＶＤＳＬ的关键技术与研究现状　　 ＶＤＳＬ中使用的主要关键技术是复用技术和调制技术。ＶＤＳＬ采用频分复用方式进行通信，即上行和下行使用不同的频率范围。频带分配是一项关键技术，目前较常使用的是两频带方案，频谱分配如下（以ＱＡＭ为例）

9、：下行０．９～３．４ＭＨｚ；上行４．０～７．７５ＭＨｚ。其他常用的低频业务，如ＩＳＤＮ、普通电话ＰＯＴＳ甚至ＡＤＳＬ，完全可以和ＶＤＳＬ同时在一对线上传送。一般情况下，这两个频带的中心频率和带宽都可以调整。这些数值与ＱＡＭ的星座数（又称状态数）及分割因数（指每码元所含比特数）一起，一旦由设备配置确定，就可以决定ＶＤＳＬ系统的数据速率。　　 ＶＤＳＬ之所以有更高的接入速率和抗干扰能力，主要应归功于采用了先进的调制技术。目前，关于ＶＤＳＬ的标准有两种，一种支持正交幅度调制（ＱＡＭ），另一种支持离散多音频调制（ＤＭＴ）。　　 目前国外对于各种调制技术的ＶＤＳＬ都进行了广泛研究，研究内容涉及到模拟

10、前端芯片、线路驱动器、信道估计／均衡算法以及ＶＤＳＬ的应用等各个方面。 ２．２　ＶＤＳＬ在高速公路接入网中的应用概述　　 ＶＤＳＬ不仅可以应用于有少量数据传输的部分监控系统局域网和部分收费系统局域网的接入，也适用于单一语音、数据或视频终端的接入。ＶＤＳＬ可以传输１～５２Ｍ的可变带宽数据，可以在通信中心或者通信分中心和现场设备之间同时传输语音、数据和视频信号，使用双绞线降低了成本，并且便于维护。对于现场设备比较分散的交通监控系统来说，ＶＤＳＬ系统非常适合。现场中的电话语音、数据或视频使用ＶＤＳＬ技术通过电话线分别传输或同时传输至ＯＬＴ进行处理，一部分信息在分中心从传输线中分出，另一部分信息则

11、通过ＳＤＨ网络传输至通信中心或通信总中心。对于视频数据，根据压缩后的数据量及传输速率来确定ＯＮＵ与现场设备之间的距离，即确定ＯＮＵ的位置［３］。 ３　基于现场总线技术的隧道监控系统　　 在交通监控中，现场监控设备一方面完成采集数据，另一方面完成控制任务。目前，在交通监控中广泛使用集散控制系统，这一方面使得监控室内布线错综复杂，另一方面也会增大出错的概率。事实上，因采集的数据不需一直保存，而是定期保存，所以把部分数据采集与控制任务交与现场设备来完成，则可以省却大部分数据传输过程及由此带来的传输错误而导致的一些不可预见的后果。因此，使用现场总线技术在监控现场布设智能节点对交通监控有着重要的意义

12、。 ３．１　现场总线技术及其发展趋势　　 现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字通信和数字计算能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间实现数据传输与信息交换［５］。　　 现场总线技术的特点主要在于信号传输的数字化、控制功能的分散化以及现场总线标准的开放性，有利于信息管理系统的集成，它的发展对于面向底层自动化及信息集成的数字化网络技术起到了巨大的推动作用。然而现场总线技术的发展仍有些不尽如人意的地方，其根本原因在于现场总线技术标准的多样性和开放的不彻底性

13、。关于全球现场总线统一标准的争论已经有十几年了，但到目前仍未有结果。各种类型的现场总线采用完全不同的通信协议，要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的。工业以太控制网则是未来现场总线技术的发展趋势。 ３．２　基于现场总线的隧道监控系统　　 京珠南（甘唐一瓮城段）隧道群主要包括３　个隧道，自北向南依次是宝林山隧道、大宝山隧道、靠椅山隧道。目前已实现集散控制系统，控制方案如下：隧道本地控制系统对宝林山、大宝山和靠椅山３　条长隧道的交通信号灯、车道控制标志、光强检测器、通风设备、照明设备、能见度／ＣＯ浓度检测器和车辆检测器等设备进行集中监控，同时接收隧道火灾报警系统的数据。本地控制系统把隧

14、道所有的监控数据收集后送至隧道监控室统一处理，再通过光纤通信系统上传至沙溪管理站的监控系统，并接收管理站的控制命令，对本地设备实施控制。　　 下面以现场总线控制技术对其进行重新设计。因每个隧道独立成一个子系统，可以独立使用现场总线进行设计。现场总线技术分为ＦＦ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、ＣＡＮ、Ｌｏｎ　ｗｏｒｋｓ　等几种，因隧道一般是成对出现的，Ｌｏｎ　Ｗｏｒｋｓ　比其他几种总线较适合隧道监控系统，以构成环形拓扑结构的现场总线。本文以靠椅山为例，进行基于Ｌｏｎ　Ｗｏｒｋｓ　的隧道监控系统的设计。 ３．２．１　硬件设计　　 隧道监控系统的主要目标是保证隧道行车安全，隧道监控系统的主要任务是对与行车

15、安全密切相关的隧道车速车流量参数、环境参数、通风、照明以及其他运行参数进行监测与控制。本隧道监控系统采用环形网络拓扑结构，通信介质采用双绞线，监控中心的主备机和左线、右线隧道通过双绞线连接成一个环型，可以节省大量的材料费用和安装费用。　　 整个系统配置主要是监控计算机和智能节点。智能节点或监控计算机根据各种交通状态，综合各种检测信息制定相应的信号反应方案（控制隧道入口、车行横洞车道控制标志、入口交通信号灯）来整理各种各样的交通流，对交通进行实时自动控制。交通流包括正常交通、双向交通、波动交通、事故、火灾等各种情况［６］。　　 除了监控计算机外，其他Ｌｏｎ　Ｗｏｒｋｓ　智能节点中只有一个单独

16、的Ｎｅｕｒｏｎ处理器，这些节点通过相配套的收发器直接挂接到双绞线通信介质上，即可实现和控制网络交换信息。由于各个智能节点的信息交换可以直接通过输入网络变量来完成，并且各个智能节点是挂在通信介质上，因此任何一个Ｌｏｎ　Ｗｏｒｋｓ　智能节点出现故障只影响其本身而不会危及整个系统，这种彻底的分散型控制体系提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。特别是监控计算机出故障时，整个系统仍可继续工作，保证隧道的正常运行，这和以往的控制系统相比，体现出极大的优越性。 ３．２．２　软件设计　　 整个监控系统的应用软件可划分为：现场控制系统（智能节点）、分中心监控计算机（主机）和中央监控３　个子系统。　　 分中心

17、监控计算机作为操作站要对各智能节点所采集的数据进行处理、显示和对智能节点进行管理、维护，此外还要向备机发送数据。智能节点的主要功能是数据采集、处理，过程监视、控制及数据通信等，主要由智能节点的应用程序决定。每个现场的交通状态信号，包括交通流、能见度（ＶＩ）／一氧化碳（ＣＯ）、风向（ＷＤ）／风速（ＷＶ）和光强ＬＩ　等。一方面经相应的智能节点采集处理并产生相应的控制信号，同时也按照预定时间传送到本地分中心监控计算机及中央管理系统，并在中心进行相应的处理与控制。　　 整个过程如下：首先，由分中心监控计算机从现场控制系统获取前端设备数据，经分中心监控计算机进行适当处理后，再传送到通信／交通监控计算机

18、，接收的数据按一定格式封装后，通过ＬＡＮ（局域网）传送到中央监控站的服务器，服务器将所收到的数据保存到数据库中。通信／交通监控计算机对所采集的数据进行分析处理后，产生控制现场设备动作的指令经ＬＡＮ传送到分中心监控计算机，然后再由分中心监控计算机传达给现场有关的本地控制器，从而完成对特定设备动作的控制。需要时，通信／交通监控计算机从服务器获得交通方案等数据［６］。 ４　结语　　 先的进控制和通信技术的应用，必将提高高速公路控制和管理的效率，更大程度地发挥高速公路的功能。目前基于ＶＤＳＬ技术在高速公路通信系统中还没有使用，但ＶＤＳＬ以其简单的配置、优越的性能，多种接入方式及其传输距离和传速速率

19、的优势，足以满足语音、数据和视频传输的需要，因此在交通监控中有着良好的应用前景。基于现场总线技术的自动化监控系统克服了传统自动化监控系统难于实现设备之间及系统与外界之间的信息交换的弊端，采用计算机通信披术，把自控系统与设备加入到监控信息网络，成为信息网络底层，使信息沟通的覆盖范围一直延伸到现场设备。因此，在交通监控中使用现场总线技术将成为发展方向。 参考文献 ［１］　李令举，田　锦，张熠华．目前我国高速公路通信系统现状［Ｊ］．云南交通科技，２０００（２）：３５－３８． ［２］　聂明新，陈　伟．ＩＴＳ通信网络的一种改进方案［Ｊ］．交通与计算机，２００ｌ（４）：１４－１６． ［３］　金炳荣．基于ＡＰＯＮ／ＶＤＳＬ技术的接入网结构［Ｊ］．广东通信技术。２００１（１２）：４１－４４． ［４］　张　利，曾连荪，秦正田．基于ＧＰＲＳ网络的智能交通系统［Ｊ］．电信快报．２００１（１２）：１７－１９． ［５］　邹益仁，马增良，蒲　维．现场总线控制系统的设计与开发［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００３． ［６］　于建林．基于ＨＭＩ／ＳＣＡＤＡ的高速公路隧道监控系统［Ｄ］．广州：华南理工大学，２００１．