5G、大数据、人工智能、边缘计算等新一代信息技术的涌现与发展，为智慧高速带来了机遇和挑战。结合交通运输部和江苏省交通运输厅的相关规划与要求，推进新技术与交通运输行业融合发展，使交通运输在数字化、网络化、智能化方面取得新突破势在必行。为适应“一张网”下新收费管理形势和新技术发展趋势，提升高速公路“快速畅行体验感、品质服务体验感”，满足人民群众的多样化、个性化、高品质的出行需求，开展基于5G的高速公路ETC无杆准自由流收费系统建设是适应行业发展的必然趋势。当前高速公路收费站数据传输基本依赖光纤，大多数收费站缺少备份链路或仅使用无线路由器提供Wi-Fi信号作为备份链路。这样的网络条件无法满足当前收费业务在线化、移动化、标准化的发展需求，且存在以下问题。1、光纤损坏以后维护难、影响大。当路段内光缆因施工、事故、人为破坏或其他因素等导致光纤中断时，收费车道、门架等数据将无法及时传输至收费站机房，致使收费系统相关数据采集、数据上传、通行记录查询等功能受到严重影响，且光缆中断后无法快速定位故障点，不能及时恢复线路。2、Wi-Fi传输稳定性差、网络时延高。当前，收费站现场处理特情业务时存在网络信号不稳定、时延高等问题，为用户提供服务时存在系统卡顿、响应时间长等现象，严重影响车道通行效率，造成用户体验感差。3、Wi-Fi网络安全防护能力不足。当Wi-Fi作为收费站数据传输备份链路时，需要通过Wi-Fi接入收费内网，存在黑客攻击、信息泄露等安全隐患。4、收费站设备受线缆束缚，移动性差。不利于收费站新建/改扩建时引入新设备和设备动态调整，线缆敷设施工周期长，系统上线速度慢。5、网络架构不先进。难以支撑联网收费业务云端化、在线化、移动性发展等需求。5G网络技术先进，可以从及时性、稳定性、安全性等方面对收费站网络进行网络架构优化。将5G作为站级通信链路冗余方式，实现网络稳定可靠接入，以及网络故障时主备链路及时切换。统一车道外设接入标准，采用高度集成化、智能化、IP化的设备接入站级5G网络；通过5G网络可以高效实时地对车道外设进行一体化实时监测与远程运维。新建/改扩建时，减少线缆敷设施工周期，保障系统快速上线；5G组网方式灵活，网络建设可采用以租代建模式，节省建设成本；可随时增加终端设备接入，便于拓展业务。利用5G特性，拓展现场移动业务、特情处置等业务，提高车道应急处置能力；实现智能化收发卡/缴费设备的远程值守，提升收费车道自助服务能力。根据准自由流收费通行特点，在润扬大桥世业洲收费站搭建5G专网，通过对收费平台的逻辑架构、车道布局及收费系统进行优化，制定了多车道协同和特情处置机制，充分响应了收费站少人化管理的发展趋势。开展基于5G的ETC无杆准自由流收费系统的建设与应用，形成新的收费管理模式，推进智慧高速公路建设。在互通匝道上部署ETC设备，将出口ETC收费由收费车道提前至匝道进行，即对经过匝道的ETC车辆进行提前交易，形成收费站、主线ETC门架、匝道预交易门架、ETC车道之间的数据交换和共享。收费广场的ETC和MTC车道只需要进行交易车辆名单核对和补充交易，即可完成车辆快速放行。同时建立数据模型，在收费站入口采用“出口漏收、入口追缴”的收费闭环模式，根据模型算法研判出待追缴通行费的车辆，在入口对车辆开展通行费追缴。“匝道门架预交易+出口验证+入口追缴”的新收费逻辑构建，实现了ETC车辆无杆准自由流通行。根据准自由流收费通行特点，以实现少人值守为目标，优化传统收费车道布局，取消ETC车道收费亭和出口栏杆，拓宽车道，并将道口设备集约化和一体化，提升公众过站视觉体验。建立基于5G的“云网边端”架构，利用边缘计算实现在线交易，发挥5G高速率、低时延及大带宽优势，解决云计算对网络带宽与计算吞吐量高要求的性能问题，满足海量数据计算实时性要求，保障数据传输及时性、完整性和可靠性。实现自助服务终端/设备接入5G、适配与测试，通过“现场自助服务+云端远程协助”的模式，构建收费管理新流程，使现场管理走向后端化、智能化，实现收费车道少人/无人值守，助力收费管理降本增效，提升客户通行体验感。当前，“5G+工业互联网”的建网模式主要包括基于5G切片技术的虚拟专网模式、基于UPF/MEC下沉部署的混合组网模式以及基于频谱资源专享的独立专网模式等。由于世业洲是长江中的独岛，考虑到其独特的地理环境因素，选择基于频谱资源专享的独立专网模式搭建5G专网。基于5G专网的收费站准自由流收费系统包含预交易门架系统、收费站预交易ETC系统和手持终端收费系统。5G网络下，收费站要实现设备终端的网络化、高速率的网络连接，主要有两种方式：一是设备自身携带5G通信模组，直接接入收费站5G网络，但此方式对设备终端的智能化要求较高；二是设备通过5G网关等设备进行数据传输，其自身不携带5G通信模组，需要通过部署5G CPE（Customer Premise Equipment）等设备进行数据的传输。5G通信模组作为终端的核心器件，以直接嵌入设备或作为附加设备重要器件两种形式实现设备的5G通信，是行业企业现场设备5G联网的重要载体。由于不同行业、不同场景的终端对5G模组的要求千差万别，在尺寸、封装、频段、功耗、定位能力、授时精度、上行带宽、接口、管脚定义、天线设计等方面都有不同的要求，当前5G模组应用受限，尚不能完全满足行业客户的实际需求，产品多样性亟待进一步提升。目前，5G模组规模化部署仍面临诸多挑战：（1）定制化5G模组标准缺失，无法充分适配行业需求。行业定制化5G模组需兼顾行业业务特性，在频段、功能、性能、环境适应性上进行定制化。受限于行业5G融合业务落地节奏，行业定制化5G模组标准体系尚未建立。目前市面上的模组都属于通用模组，行业适配性不足，无法适应行业终端开发及应用需求，因此亟需在模组尺寸、功耗、定位、带宽、增强功能支持等方面重新制定行业5G模组标准。定制化模组的缺失进一步延缓定制化终端的研发进程，5G行业特色终端品类不足，难以实现5G深度赋能。（2）市场碎片化属性凸出，行业需求尚待细化。5G应用多处于“样板间”阶段，定制化程度高，不具备大规模商用和复制推广的条件。5G CPE称为5G客户前置设备，是一种将高速5G信号转换成有线信号的无线终端设备，CPE在通用5G系统中作为5G终端，为下游业务终端提供5G网络接入服务，具备路由、桥接、NAT网络功能。综上分析，第二种方式相对于第一种方式来说较容易实现，搭建也更灵活，更适合现阶段收费站场景，可以满足收费站准自由流收费系统的数据传输需求。因此，本方案通过部署现场级MEC、5G一体化微站和5G工业CPE设备，为预交易门架系统、收费站预交易ETC系统和手持5G终端提供5G独立专网接入服务，保证数据安全及运营管理需求，并可随时增加5G终端设备接入便于后续用户使用，同时考虑将调度中心数据以5G方式接入基站。5G设备点位布设需满足收费数据、视频的接入，在收费站提供专用5G基站、频率设备，5G覆盖范围包括世业洲收费站端、匝道预交易门架、收费ETC车道和混合车道，在收费站专网网络资源支持专用的5G通信设备接入使用，实现与收费站内收费系统互通，通过5G网络的大带宽、低时延、高可靠性对收费站的视频数据及收费数据进行备份和转发，保证收费数据安全及运营管理需求。基于频谱资源专享的独立专网模式架构如图1所示。基于5G的ETC无杆准自由流收费系统组网架构如图2所示。图2 基于5G的ETC无杆准自由流收费系统组网架构图在预交易门架桥下智能机柜和收费广场侧智能机柜处放置5G终端设备，将收费数据、视频通过5G信号传输至高处安装的5G基站设备中。预交易门架桥下智能机柜放置于匝道桥梁伸缩缝正下方地面处，其中放置5G终端设备、工业交换机等设备，5G核心网设备放置于收费站机房，自由流设备数据可通过工业交换机接入至5G终端设备，通过5G基站将信号接入核心网。
5G信号覆盖主要为收费站区域，验证主要内容为：完成需求区域5G信号覆盖、5G信号吞吐满足现场业务需求，5G系统到网络各个节点联通。登录到5G CPE管理界面，观察5G信号强度参数，测试结果显示桥下智能机柜的5G信号强度RSRP值为-97dBm，SINR值为18；靠近车道位置的广场侧智能机柜5G信号强度RSRP值为-60dBm，SINR值为27。现场进行无线信号灌包测试，上下行平均速率为：570Mbps/375Mbps。结合收费站数据上传的实际使用场景，此次采用上行大带宽的策略并在配置上做了针对性的优化，测试5G信号覆盖强度满足业务需求，上传下载速率分别为570Mbps/375Mbps，接近理论值，满足业务需求；现场和各个节点联调完成，运行稳定。匝道ETC预交易设备安装位置原则上需在互通立交、入/出口之间设立L型/T型立柱或龙门架，世业洲收费站互通匝道均为桥梁段，且出口收费广场渐变端距离收费站较近，无法满足预交易ETC系统直线段的布设要求。 结合现场情况，将预交易门架设置于距离出口合流端桥梁伸缩缝28m处，同时为了保证预交易失败或异常的车辆在进入收费车道前告知司机交易情况，在收费广场前设置一套LED诱导屏，可通过号牌进行文字显示或通过图形化方式诱导至对应的收费车道。当ETC车辆途经匝道预交易门架时，匝道预交易系统会提前对该车进行计费、扣费的整个交易过程，在电子标签内记录交易状态，并通过5G网络将交易流水实时保存到收费站收费系统，当车辆到达出口车道时直接无杆放行。在世业洲收费站出口1号车道设置自由流试点，取消自动栏杆机，其他外设设备不变，对原有ETC车道软件和入口收费软件进行定制化改造，增加入口追缴功能。无论ETC交易成功或失败或CPC卡的用户行驶至该车道，一律抬杆正常放行。系统后台自动将ETC交易失败或持CPC卡通行该车道的车辆进行记录，在下次驶入入口时，收费系统自动拦截报警，人工干预进行通行费补缴。车辆驶离主线进入匝道，由匝道预交易天线识别相关车辆信息。匝道预交易系统对ETC及CPC卡车辆提取车牌、车型、卡号、入口时间、入口站等信息并记录。ETC车辆由预交易系统自动扣费，并将交易车辆信息进行记录。车辆通过出口车道时，由车道ETC判别该车是否已交易，并记录相关车辆信息。车辆驶入入口车道时，入口车道对车辆进行判别，若判断为入口追缴车辆，则收费系统将拦截并自动报警，提示收费人员干预并进行追缴操作。入口自助发卡系统支持全车型自助通行、ETC快速过车交易、车型和车牌智能比对校验、特情车辆自动拦截、入口车型识别放行，两客一危，超限自动拦截，ETC牵引车货车自动轴数确认等，同时也支持自助发卡系统和人工模式一键切换。移动式便携终端主要处理现场移动业务、特情等，可以通过收费广场的5G网络进行数据传输，提供车道应急处置能力。其具备车牌图片信息采集、介质信息采集、入口操作、收费、车道外设控制、数据共享等多种功能，可以与自助/ETC混合车道、MTC/ETC混合车道、匝道门架、邻近的ETC门架系统共享交易数据；同时与收费云平台对接，完成在线交易并生成交易数据，返回交易信息，实现对车道栏杆机、费显等设备的控制。选取世业洲收费站2022年8月29号至9月4号一周的入口自由流流量数据进行分析，如下表所示。通过分析异常过车数据与通行流量可得出，采用“出口无杆+入口追缴”模式可以有效筛查出异常车辆，且筛查、拦截率可达100%（不考虑因出口交易数据质量影响拦截准确率的因素），验证了系统的稳定性和可靠性。同时，经试运行验证，车辆通行时间由原来平均2.5秒/辆缩短为1.8～2.0秒/辆，单车次通行效率提升了18%～25%，有效提高了收费站通行效率。
项目成功探索了5G通信传输网络条件下的准自由流收费模式，基于5G专网促进了架构和业务的融合，保障了系统快速上线，精简了现场收费人员，重构了“一张网”下新的收费、监控、稽核管理模式，大大提升了收费站用户通行效率、出行体验感，以及管理者的运营管理水平。参考文献
[1] 王亚峰,梁春花,朱兰兰,等.5G银行行业专网解决方案研究[J].电信科学,2022,38(5):45-53.
[2] 于青民,黄颖,汪卫国,等.“5G+工业互联网”行业应用综述[J].电信科学,2022,38(Z1):36-42.
[3] 5G应用产业方阵.5G行业模组分级分类白皮书[EB/OL].[2021-12-07].http://ht.5gaia.org.cn/UploadFile/ueditor/file/211207/6377451531889362501296841.pdf.
[4] 张丽.5G网络在钢铁行业设备数据快速接入平台中的应用[J].冶金自动化,2021,45(04):6.
文章转载自：中国交通信息化 公众号
当前位置：