高速公系统业务传输方式及发展

  摘要:随着我国高速公的飞速发展,网正从原来单一的线状朝着环状和面的方向转变,由各省高速公联网正各个大区域的联网,高速公系统的传输平台,也从简单到复杂,并逐步完善,文章分析了目前应用于高速公系统传输的各种方法,以及这些方法在各种场合下的具体应用,并提出了系统未来发展方向的。

  系统是高速公机电三大系统中的一个重要成部分,其主要功能是针对高速公特殊区域,如互通立交、特大桥、隧道及事故多发地段交通状态进行,完成信息数据采集、分析、发布,为车辆的安全快捷运行提供服务。

  在系统的构成上,系统主要可划分为三个主要部分,一是分散位于段上的设备,主要的设备有:道摄像机,可变情报板、车辆检测器、能见度检测仪、气象检测仪等,在山区高速公中,还有着大量的隧道和隧道群,隧道作为高速公特殊构造物,是公运行的关键,隧道内的设施除了上述设备之外,还设置有照明、通风,消防等检测控制设备;二是中心控制/显示设备,主要完成信息数据的分析处理及发布;三是传输网络平台,主要在设备和中心之间提供信息数据的传输通道。

  在道系统中,随着高速公网的扩大,对系统传输网络平台的要求越来越高,如何采用便捷有效的手段,实现对设施的有效控制,是高速公系统传输的关键所在。

  早期的业务传输中,由于道网比较简单,设置的设施不太复杂,对管理的要求也不是太高,一般在分段建成通车的各个段上行设置道监设备,各自设立为本段服务的分中心,负责本段的交通管理,视频及数据传输方式是主要采用点对点视频传输光端机将外场的图像直接传输至段中心,段中心根据图像数量的多少和中心规模可以对上传的图像全部在墙上显示,对图像数量多,不宜全部图像同时显示的段,可将图像输入矩阵切换器,由切换器根据需要控制输出部分图像在墙上显示,同时矩阵可输出部分图像再上传到上一级管理中心,而视频矩阵具有的联网功能可以使上一级管理中心很方便的地直接调用下一级中心、段的任意图像。而对中需对可变情报板、可变云台摄影机所需的反向控制信号等数据,则可以通过视频数据光端机同步实现。

  所谓点对点传输,就是在设备的输出端和接收点输入端设置一台发射机,发射机由光源、驱动器和调制器等组成。接收端设置接收机,主要由光检测器和光放大器等组成,设备的模拟信号视频、音频或控制数据等从发射机输入,电信号通过光源发出的光波进行调制成为已调光波,然后再将已调的光信号耦合到光纤去传输,在接收光端机接收到的光信号,经光检测器转变为电信号(视频、音频或控制数据等),然后,再将这些微弱的电信号经放大电放大到足够的电平,送到用户接收端去。可见光端机的功能主要是完成光电信号的转换和传输。由于这种传输方式网络结构简单,图像无需压缩,能可靠地图像质量,工程造价较低,性价比方面有明显的优势,因此在交通行业及其他行业的中都得到广泛的应用。图1为点对点光端机传输的网络结构图。

  但点对点传输方式需要每个点配置一对发射~接收光端机,占用1芯光纤,随着高速公里程的增长,规模的扩大,需要控制的设备越来越多,若仍采用这种点对点的方式传输,需要配置大量的光端机,占用大量的光纤资源,工程造价也随之增高,并且系统在正向联网的方向发展,要求在总中心、段中心实现基本的切换和调用;总中心可对所有图像进行集中管理和控制,段中心对所管辖段的图像进行管理和控制,当发生事故或事件报警时,系统能自动切换和调度视频,要实现这些功能,都是单纯使用点对点光端机难以完成的。

  而节点式光端机的出现,则可以相对克服点对点光端机的弱点。多节点的模拟视频传输是近年出现的新技术,它应用了非压缩数字视频传输方式,是TDM(时分复用)技术和ADM(电分插复用)技术相结合的产物,在ADM节点上,可以提取一个或几个时隙的信号,同时插入相应的信号,其它时隙的信号在此节点进行了一次再生中继。如果节点只插入信号,则它相当于除插入信号外,还对前面的信号进行了一次再生中继。为了解决ADM技术的链式光端机在传输容量上受到较大,可以将ADM与TDM结合使用。节点式光端机是采用单/双纤链式组网形式的图像传输系统,支持多个节点数同时上传。

  节点式光端机可以根据需要在若干个传输结点接入一到多视频信号,在单芯光纤上将前端多个点的视频等信号通过一芯光纤传输到中心,不仅大大地提高了光纤的利用率,而且在图像质量的前提下延长的视频图像的传输距离,而且每个节点机上能支持一的双向数据/双向音频/以太网,同时每个节点上还支持l公共总线数据,远端设备可以选配光链机盘(也就是光开关),能自动隔离故障节点确保其他节点机正常工作。图2为节点式光端机传输的网络结构图。

  节点式光端机在高速公上的应用,带来了全新的传输平台,为高速公的提供了一个高效、可靠的传输通道,节点式光机采用全程数字非压缩视频传输,视频质量高, 完全实时传输,没有压缩图像传输的延时问题,可扩展性好,可随时根据需要对图像数增减对集中图像、分散图像的传输都能很好的适应。

  但对于包含有长大隧道或隧道群的高速公,由于隧道内须进行全段的,且隧道还存在着照明、通风、火灾报警等大量设备,需要传输、控制的业务量非常大,如国道主干线渝湛公的遵义至崇溪河段全长仅117里的段中,有18座隧道,隧道单洞长度超过36公,由于采用的是由设在遵义的中心对全段进行统一管理,全段隧道中需要传输至遵义中心的隧道图像就多达242,因此,采用传统的点对点或节点式光端机的传输方式就难以满足要求,其他在城市地铁、机场等也有类似需要大容量业务传输需求。

  面对这种情况,国内外的研究机构及设备厂商进行了大量的研发,开发出了多种可以适用这种需求的专用传输网,其中比较有代表性的如西门子公司开发的OTN(Open Transport Network)光传输网络系统,蛙视数字公司开发的VOX多业务传输平台,杭州中威电子技术有限公司开发的VAR数字视频综合多业务光传输交换平台,都可以较好地满足这些需求。

  环网传输的方式多选取若干个传输业务量比较集中的地方和中心作为组成环网的结点,例如隧道洞口,或地铁火车站作为传输节点,由每个结节由位于节点环网设备采用跳转连接的方式组成构成两个互为反向循环的的,下端需传输的视频、语音,控制信号等先在该节点汇集后直接输入环网设备中。以崇遵公隧道为例,在六个长度超过一公里的隧道和遵义中心为节点组成环网,图3为该节点传输系统网络图

  环网节点设备主要由节点机、接口模块、BORA(宽带光纤环适配器)和网络管理系统组成。

  节点机是系统完成接入和传输的基本设备,所有的接口模块和光收发器都在节点机中完成信息交换和传输工作,接口模块将各种应用子系统接入环网系统,以及实现应用系统之间相互联系的重要设备,接口几乎涵盖了目前所有的物理接口,如语音、数据、局域网和视频使各种业务接入无需通过各种协议转换器、放大器等中间设备。

  BORA主要将各种业务模块的信息置入光信号,并将从网络上取得的信息,并将网络上取得的信息送达各个接口模块,是系统传输的关键连接枢纽,对所有的业务采用一步复用,即一次把业务复用到系统的帧结构中,光纤网适配器上集成了符合各种传输距离的光收发器模块,可以很方便地进行更换。

  如图像传输,在各节点设备上配置图像视频编码卡,从前端摄像来的模拟图像直接接入编码卡,中心终端的接口卡,系统将各隧道的图像按M-JPEG模式压缩,利用系统内置的视频交换矩阵传输到中心,还原成模拟图像时行输出,通过系统配置的图像管理软件和环网提供的通道,采用内嵌视频切换方式,具有视频全交叉切换功能,中心任一解码器的视频输出可显示全线的任一个摄像机的图像,不同解码器输出同一编码器输入的图像时,由于各图像传输通道的隔离,因此没有图像静止现象,并保持图像正常显示。在中心可用鼠标拖曳完成图像的切换和控制,将上传图像中的任意一在指定显示器上显示,也可以按事先编制的方案进行定时和轮循显示。

  同时节点机上提供音频、数据、以太网、电线爱峰对讲等各种接口,所有业务均采用插卡式的单元结构,即插即用,可以很方便地根据需要实现业务的按需配备。

  采用这种方式进行传输,系统结构简单,只占用2芯光纤,节省了光缆资源,从传输距离来说,这种光传输方式可以覆盖上千公里的范围,完全能满足距离上的需求,并且这种双环结构具有双光纤双回通道的方式,为环上的每个节点提供了“热备份”自愈,在出现故障时,由于光纤传输径自动重新配置,使系统仍能工作,由于输入光信号或同步丢失的而造成的所有故障可由节点立刻检测出来。所有节点均可在故障(或光纤断裂,或节点退出服务)发生后决定将信号传输到换到另一个环上。此机制所有节点的业务倒换到另一个环上,或是它们中的两个同时环回,每个、节点基于其本身的状态和从其它节点接收的信息来判断,以地进行重新配置。

  介绍的几种传输方式都是对图像采用非压缩方式进行传输,需要占用较宽的带宽,近年来随着通讯技术的快速发展,各种新技术不断出现,除了外,其他多种基于IP数字化的传输网络在高速公系统中得到了广泛的应用。

  数字视频传输是将信号经过抽样、量化和编码成二进制数字信号,再进行传输、存贮和记录,视频编解码器则是完成视频图像的编解码工作,具有级的视频编码和解码功能,视频传输方式则是采用视频编解码器将模拟视频信号按视频压缩标准(M--JPEG、H.263,H.264、MPEGl、MPEG2,MPEG4等)在视频编解码器进行压缩码后在光网络进行图像传输,接收端接收到数据流后,进行解码可以输出视频图像,通过接口对视频的编解码参数进行控制,视频编解码器支持基于宽带I P网的图像上传方式和基于SDH的E1专线图像上传方式。通过分配l P地址、连接IP网络。视频编码器即可自动开始以组播或者单播的方式将MPEG码流送往网络上指定的目标IP地址,根据目前编解码器产品的特点及高速公通信系统预留的通信接口,点至段中心、省中心普遍采用视频编解码器的压缩数字视频传输方案传输各收费站、道沿线各摄像机的视频图像。

  数字信号在传输过程中通过再生技术和纠错编解码技术使噪声无法逐步积累,基本不产生噪声,保持信噪比基本不变,收端图像质量基本与发端一致,适合多环节、长距离传输,这一特点常符合高速公联网和扩展的基本特征和需求。

  数字视频设备输入信号稳定可靠,能够避免在模拟系统中非线性失真的影响,消除了DG(差分增益)和DP(差分相位)失真引起的图像畸变,易于实现信号的存贮和检索,可采用非线性搜索方式高效快速搜索出各种所需类型文件,避免了使用模拟信号近乎强制性的顺序搜索方法,数字技术与计算机配合,可以实现CCTV数字设备的自动控制和操作。这对高速公CCTV系统实现自动化有着十分重要的意义;由于采用时分多数字技术,可以实现信道多工复用,利用数字编码方法,便于视频的保密。

  数字视频信号具有可扩展性、可分极性和互操作性,便于在各类通信系统中传输。数字化系统可实现基于数字平台上的扩展和,这对高速公所要实现的各种功能来讲常重要的,避免了模拟系统的过程中因设备的全部淘汰更新而造成的巨大浪费。以通信为例,目前高速公较为普及使用的容量为155M/STM-1或622M/STM-4通信平台,随着技术发展和需求日增,今后完全可在数字化平台上利用WDM/DWDM等技术对其进行扩展和升级。

  从以上几点来看,数字系统不仅较模拟系统性能优越、功能强大,而且无论是在当前还是在今后的完全数字化时代,都会使投资者在竞争中占据主动地位。

  目前我国高速公收费、上的传输数字网络存在着多样性和复杂性,从得到广泛应用的SDH网络传输系统到各种纯IP网络及智能光交换网络,千兆以太网等都得到了相当的应用。

  传统的SDH因在传输视频时无法动态分配带宽,由于高速度上传输图图像量大,目前在高速公收费系统中常用的STM-4 622Mbit/s系统只适应于收费业务数据及少量收费图像的传输,不适合于系统大量图像的传输及管理。

  以太网是以带宽资源共享作为传输方式的,传统是上主要应用在变化数据流的传输,近年来高速千兆以太网(1000M)技术的兴起,可以提供价格低廉近带宽,使以太网用于视频传输的技术应用于视频传输成为可能。采用三层千兆以太网可将高速公沿线集中点LAN连成一个广域网,由局域网送出的数据可以原样不动地到达上级分中心局域网以及网络内部的其他LAN。

  目前采用IP over ATM网络实现了面向连接的ATM与无连接的IP的统一,综合利用了ATM速度快、容量大、多业务支持能力等优点以及IP的简单灵活、易扩充和统一性的特点,达到优势互补。这种传输容量:2根光纤传送2×622Mbit/s,双向环,视频压缩方式,MPEG-2多级分辨率可选。这种传输方式接口为8×STM-1, 1-2G的环网可传输相当于超过100的实时视频全质量通道,利用WDM/DWDM可轻松扩展20倍,使容量达到20Gbit/s。

  在传输协议方面,IP技术最早用于以太网数据的载送,但随着IP技术的发展和与其它技术相互不断的融合,使之成为最有实际意义的协议之一,一方面是everything over IP:作为今后三网合一的发展基石,各种业务包括语音、视频、数据及多都可以加载到IP上进行传输;另一方面是所谓的anything over IP:IP的业务可以通过ATM、SDH、Ethernet和SDL等方式最终加载到光网络上进行传输。

  在高速公具体应用上,首先可以通过点对点光端机或节点式光端机将需传输的图像及其他业务汇集到通信站,对视频图像道先须接入视频编码器统一数字化后,输入以太网光端机的10/100M接口,再通过以太网光端机接入IP主干通信网,在需要输出图像数据的通信站用10/100M通信口输出到解码器进行解码,还原后的图像输入到视频分配器和切换矩阵对图像进行、显示或向上一级管理机构上传。图4为高速公系统采用千兆以太网传输的网络系统构成图。

  以上对高速公管理图像及数据的传输的几种方式进行了分析,具体应用上,可能根据段的业务量,管理要求对传输方式进行合理选择,也可以不同的层次上选用不同的传输方式或进行组合,以达到实用、安全、经济、可靠的目的,需要着重强调的是,目前可以选用的传输方式有多种多样,面临目前需实现一个省乃至大区和全国的联网需求,因此,数字化是这种要求发展的大方向,主管理部门也应针对目前这种状况出台高速公相关的视频传输标准、协议、和接口相关指导性文件,以利于高速公管理的顺利实施。

  [1]刘千新 节点光端机在道视频带传输上的应用[J].中国公共安全,2006,(4):46-47.

  [2]李立东 浅谈高等级公通信系统长距离传输解决方案[J].中国交通信息产业,2006,(1) :104-106 .

  [3]徐维科,史春光.论高速公机电工程发展与应用[J].信息技术,2004,28(11):34-36.

  [4]付怀珀,施强.高速公视频传输解决方案[J].公交通科技,2003,20(3):82-86.