高速公路融合通信方案

概述

融合通信定义

在探讨高速公路信息化发展的背景下，融合通信应运而生。 融合通信是一种将多种通信技术和资源有机结合的新型通信方式 ，旨在实现不同通信系统间的无缝连接和资源共享。在高速公路领域，它通过整合5G、物联网、人工智能等先进技术，构建了一个覆盖广泛、功能强大的通信网络。
这种网络不仅能够实时采集和处理海量交通数据，还能为用户提供全方位的信息服务，显著提升了高速公路的安全性、效率和服务质量[1][2]。融合通信的重要性体现在其能够打破传统通信孤岛，实现跨系统协作，从而优化整体运营效果。

技术背景

在高速公路信息化建设的大背景下，融合通信技术正迎来快速发展期。 新一代通信信息技术与现代公路工程技术的深度融合 成为行业发展的重要方向。以5G为代表的新一代通信技术为高速公路提供了高速、低延迟的网络环境，为实现“人—车—路—云”的信息交互奠定了坚实基础]。
同时， 北斗高精度定位、大数据分析和人工智能等技术的应用 进一步增强了高速公路的智能化管理水平，推动了智慧高速公路的快速发展[1]。这些技术的融合应用不仅提高了高速公路的运营效率，也为未来的自动驾驶和智能交通系统奠定了技术基础。

系统架构

网络层

高速公路融合通信的网络架构是一个多层次、高可靠性的系统，旨在满足高速公路运营管理的各种通信需求。在网络层面上，主要包括骨干网和接入网两个关键部分:

骨干网

高速公路融合通信的骨干网通常采用 OTN（Optical Transport Network）技术 构建，这是一种先进的光传输网络技术。OTN骨干网具有以下特点：
高带宽 ：支持10G、20G、40G等多种速率，满足大量数据传输需求

1. 环型拓扑结构 ：提高网络的可靠性和容错能力
2. 子网连接保护 ：基于ODUk（Optical Channel Data Unit k）的保护机制，保护倒换时间不超过50ms
3. 统一网管平台 ：实现对全区所有干线设备的有效监控和管理  

接入网

接入网是连接骨干网和末端设备的关键层级。近年来， SPN（Slicing Packet Network）技术 在高速公路接入网建设中得到了广泛应用。SPN接入网具有以下优势：

1. 大带宽 ：将收费站路段分中心、路段分中心省联网中心之间的带宽升级到10GE
2. 网络切片 ：实现收费、监测、语音、视频会议等业务的隔离承载
3. 灵活联接 ：支持任意两个站点间建立灵活连接，最小化网络时延
4. 简易运维 ：采用SDN控制器和iMaster NCE实现分权分域管理，提高运维效率

通过这种多层次、高可靠性的网络架构设计，高速公路融合通信系统能够有效支撑各类业务应用，为智慧高速公路的建设和运营提供坚实的网络基础。
业务层
在高速公路融合通信系统的业务层面，实现了多种先进功能的集成，极大地提升了道路运营效率和安全性。这些功能主要涵盖以下几个方面：

1. 双向免提通话：在高速公路或收费站工作人员遇到紧急情况时，可以一键求助，与监控中心实现快速的双向通话，确保及时得到援助。
2. 监视监控及威慑喊话：系统可以实时监视 、监视高速公路各求助点的现场情况。在遇到破坏行为或其他不法行为时，可以主动发起广播喊话，起到威慑作用。
3. 分区广播：通过控制台管理软件，可以实现对高速公路不同区域进行分区广播和喊话，以便在特定区域发布紧急信息或通知。
4. 呼叫转移：当监控中心忙碌时，系统可以自动转移到其他分机，确保紧急呼叫不会被忽视。
5. 背景音乐播放：在非紧急情况下，系统可以定时播放背景音乐，营造轻松的工作环境，缓解工作人员的压力。
6. 应急广播：在紧急情况下，如火灾、交通事故等，系统可以迅速进行应急广播，及时通知相关人员采取应对措施。
7. 指令快速传达和沟通：系统的智能化功能，如强拆、强插、监听、禁话、通播、组播、会议等，使得指令传达和沟通变得快速且便捷。
8. 数字传输：利用数字音频技术，对讲和广播的信息通过数据包在网络上传送，增强了传输的稳定性和安全性。
9. 自动开关广播点功放电源：系统可以自动控制广播点的功放电源开关，实现无人值守的自动化管理。
10. 模块化部署和分层式架构：系统的部署和后期扩容相对简单，支持模块化部署和分层式架构，可根据需要增加许可和终端。
11. 二次开发接口：系统提供二次开发接口，便于与用户原有的第三方系统集成，实现业务系统的协同工作，避免信息孤岛。

高可用性（HA）：系统支持双机热备份技术，确保在主机出现故障时，从机可以迅速接替主机继续提供服务，保证系统的高可用性。
这些功能的综合应用，使高速公路管理人员能够全面掌握道路状况，快速应对突发事件，同时为公众提供高质量的出行信息服务，体现了融合通信系统在提升高速公路运营效率和用户体验方面的巨大潜力。

管理层

在高速公路融合通信系统的管理层中， 复杂网络牵制同步方法 的应用为实现主线和多匝道的融合协调控制提供了新的思路[12]。这种方法通过建立改进的元胞传输模型和节点耦合模型，设计出了一种高效的协调控制器。控制器的核心设计理念如下：
1. 控制目标 ：以总旅行时间最小化为优化目标
2. 控制手段 ：基于预测模块优化限速值
3. 系统稳定性 ：通过牵制同步实现
4. 控制参数 ：确定最优的控制信号施加范围和匝道调节参数
这种方法的优势在于能够综合考虑速度限制和流量控制的优点，充分利用交通流时空分布不均衡的特性，以最小的控制成本达到最大限度抑制交通拥堵、提高道路通行效率的目的。
为了进一步提升系统的管理效率，高速公路融合通信系统还采用了 “端—网—平台”一体化 的设计理念。这种设计使得系统能够在断电、断网、断路等极端情况下仍能保持通信畅通，实现了从理论到实践的跨越。具体而言，该系统包含以下关键组件：

组件	功能
应急通信指挥车系统	提供移动指挥中心功能
卫星通信系统	确保远程和特殊环境下的通信
无人机应急通信系统	支持空中监控和通信中继
便携式单兵指挥系统	用于一线工作人员的现场指挥
单兵终端	为个体用户提供通信工具
应急指挥中心终端	集中管理和调度整个系统

通过这些组件的有机组合，系统实现了“集团公司—路段分公司—现场指挥”三个层级的通信畅通，大大提高了应急响应能力和日常管理效率。
值得注意的是，高速公路融合通信系统的管理层还注重 节能减排和绿色出行 。例如，通过智能控制高速公路上的照明、通风等设备，系统可以根据实际交通情况自动调节能耗，实现节能减排的目标。同时，系统还鼓励使用新能源汽车，通过建设充电桩等基础设施，为绿色出行提供有力保障[14]。这种环保理念的融入，体现了高速公路融合通信系统在追求高效管理的同时，也关注可持续发展的长远目标。

关键技术

全光网络技术

在高速公路融合通信系统中，全光网络技术扮演着至关重要的角色。作为一种先进的通信基础设施，全光网络为高速公路提供了强大而稳定的网络支持，满足了日益增长的数据传输需求。
全光网络技术在高速公路融合通信中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 超大带宽 ：全光网络能够提供高达96Tbps的单纤传输容量，这远远超过了传统网络的带宽极限。如此巨大的带宽不仅可以轻松应对高速公路海量高清摄像机等设备的接入需求，还为未来可能出现的新业务预留了充足的扩展空间。
2. 高安全性 ：全光网络采用原生硬管道(NHP)技术，将不同业务分配在独立的物理通道上进行承载。这种物理隔离的设计确保了各个业务系统之间的互不干扰，大大提高了网络的整体安全性。特别是在高速公路领域，这种高安全性的网络架构对于保护关键业务数据、防止信息泄露具有重要意义。
3. 高可靠性 ：全光网络在传送层使用OTN（Optical Transport Network）技术组环网，在接入层则利用无源光网络的天然优势，展现出卓越的抗网络风暴和抗多点失效能力。这种高度可靠的网络架构能够有效减少网络故障的发生频率，即使在发生故障时也能迅速恢复，确保高速公路各项业务的连续性和稳定性。
4. 确定性低时延 ：全光网络能够实现云化业务的一光直达指挥中心，无需经过中间节点的转发，从而实现了端到端的确定性低时延。这对于高速公路的实时监控、应急指挥等业务来说尤为重要，能够显著提升业务的响应速度和执行效率。
通过全光网络技术的应用，高速公路融合通信系统不仅能够满足当前的业务需求，还为未来的发展预留了充足的空间。这种前瞻性的技术选择，为高速公路的智能化、数字化转型奠定了坚实的网络基础。

5G技术应用

在高速公路融合通信系统中，5G技术的应用带来了革命性的变革。作为新一代移动通信技术，5G以其 高带宽、低时延、大连接 的特性，完美契合了高速公路融合通信的需求，为智慧高速公路的建设提供了强有力的技术支撑。
5G技术在高速公路融合通信中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 车路协同
5G技术为车路协同提供了理想的通信环境。通过5G网络，车辆与道路基础设施之间可以实现 实时、可靠的双向通信 [8]。这种通信能力使得车辆能够及时接收到来自路侧单元(RSU)的交通信息，如前方路况、交通信号灯状态等，从而做出更加准确的驾驶决策。同时，路侧单元也能实时获取车辆的位置、速度等信息，为交通管理提供精准的数据支持。
2. 高清视频监控
5G技术的应用使得高速公路监控系统能够支持 大规模高清视频的实时传输 。这不仅提高了监控画面的质量，还大幅增加了可同时传输的视频路数。例如：在某高速公路路段，通过5G网络支持，实现了同时传输100路4K高清视频，相比传统的1080p视频，画质提升近4倍，覆盖范围扩大3倍。
这种高清晰度、大容量的视频监控能力，极大地提升了交通管理部门对路况的掌控能力，有助于及时发现和处理交通异常情况。
3. 应急通信保障
5G技术为高速公路应急通信提供了强有力的保障。在发生交通事故或其他紧急情况时，5G网络能够 快速建立高带宽、低时延的通信链路 ，为救援队伍提供实时的通信保障[10]。这种高效的应急通信能力，显著提高了救援效率，减少了事故对交通的影响。
4. 自动驾驶支持
5G技术为高速公路自动驾驶提供了关键支持。通过5G网络，自动驾驶车辆能够实现 高精度的地图更新和车辆定位 ，这对自动驾驶的安全性至关重要]。同时，5G网络的大连接特性允许自动驾驶车辆与其他车辆、路侧设施进行实时通信，实现车车/车路协同感知，进一步提高了自动驾驶的决策准确性。
5. 个性化信息服务
5G技术的应用使得高速公路能够为用户提供更加丰富和个性化的信息服务。通过5G网络，系统能够实时收集和处理大量的交通数据，为驾驶员提供 实时路况、天气预报、附近服务设施 等信息[11]。这种基于5G的个性化信息服务不仅提高了用户的出行体验，还有助于优化交通流量，减少拥堵。
通过这些应用，5G技术正在深刻改变高速公路的运营和管理模式，推动高速公路向更加智能化、精细化的方向发展。随着5G技术的不断完善和应用范围的扩大，我们可以期待看到更多创新应用在高速公路融合通信领域的出现，进一步提升高速公路的安全性、效率和服务质量。

数据融合技术

在高速公路融合通信系统中，数据融合技术扮演着至关重要的角色。面对来自不同来源、格式和语义的海量异构数据，有效的数据融合方法成为了提升系统性能的关键所在。
一种值得关注的多源异构数据融合方法是 基于联邦学习的融合算法 。这种方法巧妙地解决了边缘计算中因数据隐私而导致的“数据通信壁垒”问题。其核心思想是在无交互条件下，通过引入张量Tucker分解理论来实现异构数据的融合。具体而言，该算法构建了一个具有异构空间维度特性的高阶张量，以此来捕捉异构数据的高维特征。
在高速公路应用场景中，这种基于联邦学习的融合算法可以应用于多个方面：
1. 交通流量预测 ：整合来自车辆GPS、卡口摄像头和气象站等多元数据源的信息，提高预测的准确性和全面性。
2. 路况实时监测 ：融合视频图像、雷达数据和社交媒体舆情等多模态数据，实现对路面状况的全面感知和智能分析。
3. 应急响应决策 ：结合事故报告、交通流量、天气预报和周边环境等多源数据，为应急指挥提供全面、准确的情报支持。
除了联邦学习方法， 基于ETL技术的多源异构数据融合方法 也在高速公路领域有着广泛应用。ETL（ExtractTransformLoad）技术通过数据抽取、转换和加载的过程，有效地整合来自不同数据源的信息。在高速公路管理中，ETL技术可以用于整合收费系统、监控系统、气象信息系统等多个独立系统的数据，形成统一的数据视图，为决策支持提供全面的信息基础。
为进一步提升数据融合的效果，高速公路融合通信系统还采用了 数据对齐技术 。这一技术通过识别和匹配来自不同数据源的实体，解决了数据异构性和不一致性带来的挑战。例如，在整合不同路段的交通流量数据时，数据对齐技术可以帮助识别和匹配相同的地理位置，确保数据的一致性和可比性。
通过这些先进的数据融合技术，高速公路融合通信系统能够更有效地整合和利用多源异构数据，为交通管理、应急响应和决策支持提供更加全面、准确和及时的信息支持，从而显著提升高速公路的运营效率和安全性。

应用场景

智能监控

在高速公路融合通信系统的应用场景中，智能监控作为一个关键组成部分，正经历着前所未有的革新。融合通信技术的应用不仅提升了监控系统的性能，还为其赋予了智能化的能力，使其能够更精准、高效地服务于高速公路的运营管理。
融合通信技术在高速公路智能监控中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 全要素、全路域实时感知
通过在高速公路沿线布设 毫米波、激光雷达、边缘装备等多种新型基础设施 ，系统实现了对全路域范围内“人车路环物事”全要素对象运行状态的实时监测[4]。这种全方位的感知能力为后续的智能分析和决策提供了丰富的数据基础。
2. 实时交通流动态数字孪生场景构建
系统通过对多源融合感知和车辆级轨迹分析、路段运行体征评估和车辆画像等创新技术的研发应用，构建出了实时交通流动态数字孪生场景[4]。这一技术突破使得系统能够对高速公路的运行状态进行精确的虚拟再现，为交通管理者提供了直观、全面的决策支持工具。
3. 交通异常事件的秒级自动识别和亚米级定位
基于构建的数字孪生场景，系统实现了 高速公路24小时全覆盖、无人化、全方位扫描巡检和交通异常事件的秒级自动识别和亚米级定位 [4]。这种高精度、高效率的异常事件检测能力极大提升了高速公路的安全管理水平，能够及时发现并响应潜在的风险。
4. 重点车辆的实时监管和视频跟踪
系统通过融合收费、治超、两客一危等行业数据，实现了对危化品、非机动车等重点车辆的实时监管和视频跟踪[4]。这种基于大数据分析的智能监管方式不仅提高了监管的精准度，还降低了人力成本，实现了监管效率的大幅提升。
5. 全时空车道级主动交通管控体系
面对不同的交通场景和天气条件，系统构建了 全时空车道级主动交通管控体系 ，形成了一个集 综合监控、集成指挥、高效协同 于一体的运营管理系统[4]。这种智能化的管控体系能够根据实时交通状况和天气条件，自动调整车道开放状态、限速等参数，有效提升了高速公路的通行效率和安全性。
通过这些创新应用，融合通信技术正在彻底改变高速公路智能监控的方式，使其变得更加智能、高效和全面。这种智能化的监控系统不仅能够提高高速公路的安全性和运营效率，还为未来的智慧交通发展奠定了坚实的基础。

应急指挥

在高速公路应急管理体系中，融合通信技术的应用正在发挥越来越重要的作用。通过构建“端—网—平台”一体化的应急融合保障系统，高速公路管理部门显著提升了应急响应能力，实现了从理论到实践的重大突破。
该系统的核心组件包括：

1. 应急通信指挥车系统 ：作为移动指挥中心，配备先进通信设备
2. 卫星通信系统 ：确保远程和特殊环境下的通信
3. 无人机应急通信系统 ：支持空中监控和通信中继
4. 便携式单兵指挥系统 ：用于一线工作人员的现场指挥
5. 单兵终端 ：为个体用户提供通信工具
6. 应急指挥中心终端 ：集中管理和调度整个系统

这些组件的有机结合实现了“集团公司—路段分公司—现场指挥”三个层级的通信畅通，大大提高了应急响应的速度和效率。

系统的一个突出特点是其在极端条件下的表现。通过高通量卫星通信、专网通信、窄带集群通信、宽带自组网通信的互联互通，系统能够在公网中断的情况下仍然保持通信畅通。这意味着在自然灾害导致常规通信中断时，应急指挥人员依然能够保持对外联系，及时获取和发送关键信息。
系统的另一个亮点是其多功能性。例如，配备的30公斤负载能力的大载重无人机不仅可以用于空中监控，还可以用于投放照明、通讯、食品、药品、饮用水等应急物资。这种多功能设计大大提高了系统的实用性和灵活性，能够适应各种复杂的应急场景。
通过这种先进的融合通信系统，高速公路管理部门能够实现：
1. 更快的信息传递
2. 更精准的态势感知
3. 更高效的资源调配
4. 更科学的决策制定
这不仅提高了应急响应的效率，还显著增强了应对各种突发事件的能力，为保障高速公路的安全运营提供了强有力的支持。

收费管理

在高速公路融合通信系统的应用场景中，收费管理无疑是最具变革性的领域之一。融合通信技术的应用不仅简化了收费流程，还显著提升了收费效率和准确性，为高速公路运营带来了质的飞跃。
融合通信技术在高速公路收费管理中的应用主要体现在以下几个方面：
1. ETC（电子不停车收费）系统的普及
ETC系统利用无线通信技术，实现了车辆在高速行驶状态下自动扣费，无需停车。这一技术的应用极大地提高了收费站的通行效率，减少了排队等候的时间。据统计，ETC车道的通行能力是非ETC车道的35倍，有效缓解了收费站的拥堵问题。
2. CPC卡预计费系统的创新应用
CPC卡预计费系统是一种基于云计算和大数据分析的新型收费技术。该系统通过预先分析车辆行驶路径和历史数据，能在车辆到达收费站之前就完成计费工作。这样做的好处是：

1. 缩短车道交易时间
2. 平均每辆车节省23秒
3. 显著提升整体通行效率

3. 智慧云收费系统的引入
智慧云收费系统是一种基于云计算和人工智能技术的新型收费模式。该系统的特点包括：

1. “后台云服务 + 站级边缘计算节点 + 车道智能终端和智能节点”的协同架构
2. 支持ETC专用车道、无人混合车道和有人混合车道的灵活切换
3. 根据车流量变化自动调整车道开启数量
4. 这种智能化的收费系统不仅提高了收费效率，还显著降低了运营成本。

4. 融合ETC及无感支付技术的创新尝试
这种融合系统在保留ETC系统优点的基础上，引入了无感支付技术。无感支付利用高清夜视镜头、四线圈车辆检测器等设备，实现在车辆未安装ETC设备的情况下也能自动识别和扣费。这种技术的应用进一步扩大了自动化收费的覆盖面，提高了收费系统的普适性。
通过这些创新应用，融合通信技术正在彻底改变高速公路的收费管理模式，使其变得更加智能、高效和人性化。这种智能化的收费系统不仅提高了收费效率，还显著改善了用户的出行体验，为高速公路的可持续发展提供了强有力的技术支撑。