東海大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)是一個集計算機技術、通信技術、圖像技術、光纖網絡等高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程，對于保障大橋正常的運行管理，保障進出深水港的交通安全暢通，有著重要意義。

文 /上海交技發(fā)展股份有限公司 李寧、陳建飛

        東海大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)工程旨在提供一套完整，并具有現代化監(jiān)控和管理水平的交通監(jiān)控系統(tǒng)及應急指揮的子平臺。本工程由以下三個部分所組成：
·監(jiān)控系統(tǒng)，由動態(tài)全線攝像系統(tǒng)、交通流檢測系統(tǒng)、可變信息板系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、氣象檢測系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)等組成；
·收費系統(tǒng)，由半自動化收費設施系統(tǒng)、攝像監(jiān)視系統(tǒng)、車道系統(tǒng)、對講系統(tǒng)等組成；
·通信系統(tǒng)，由緊急電話系統(tǒng)、集群無線通信系統(tǒng)、光纖傳輸網絡系統(tǒng)等組成。

工程目標

       本系統(tǒng)工程的目標是提供一套質量優(yōu)良、技術先進、操作方便實用、運行穩(wěn)定可靠的大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)，為提高大橋日常交通管理、大橋的交通組織水平以及保障大橋車輛、大橋運行安全發(fā)揮作用。

       系統(tǒng)的核心任務是建立大橋交通監(jiān)控模式，充分結合交通監(jiān)視信息、交通檢測信息和交通控制信息，建立大橋交通日常管理模式和突發(fā)事件交通管理模式，充分考慮大橋的各種交通狀態(tài)，在確保安全的前提下，進一步提高大橋的通車能力。
     

        另外，值得關注的是，東海大橋是上海連接洋山深水港唯一通道，而且，橋梁處于海關檢查口外，因此，對大橋的視頻監(jiān)控要求是全覆蓋、所有監(jiān)控信息均與區(qū)域內的海關、邊檢、公安、檢驗檢疫、港口等管理部門共享。

方案概述

       東海大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)包括了大橋通信骨干網絡、電視監(jiān)視與交通信息采集、交通信息處理與信息發(fā)布、大橋收費系統(tǒng)等建設工程，同時與諸多系統(tǒng)，如主體工程、房建、供配電、照明工程、電力及照明監(jiān)控、電信、航道監(jiān)測VTS、大橋結構健康監(jiān)測、深水港區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)等組成有機的整體，與海關、邊防、公安、深水港區(qū)、上海市高速公路管理中心等單位進行相關信息交換。因此無論是大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)本身，還是與其它系統(tǒng)的聯系，均體現了監(jiān)控系統(tǒng)的復雜性和信息交換的多樣性。
 

        本工程主要技術特點是采用基于IP的千兆冗余光環(huán)網傳輸系統(tǒng)，為監(jiān)控中心及外場各設備提供了高速、統(tǒng)一、可靠的信息傳輸界面。與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有先進性和高可靠性的優(yōu)勢。

方案特點

        傳統(tǒng)的交通監(jiān)控系統(tǒng)一般采用各分系統(tǒng)獨立傳輸的方式，在整個監(jiān)控系統(tǒng)內多種傳輸方式并存，包括低速串行數據電纜調制解調方式、光載波方式；高速數據的光載波方式、IP交換方式；低速模擬信號的電路交換方式；高速模擬信號的電纜基帶傳輸方式等多種傳輸方式。

        多種傳輸方式的并存導致系統(tǒng)復雜性增加。首先，從施工角度來講，系統(tǒng)的布線數量眾多，路由復雜，增加了施工量和施工難度。其次，從系統(tǒng)結構角度來講，各分系統(tǒng)互相獨立，傳輸界面多樣，電氣接口眾多直接增大了系統(tǒng)的復雜程度。再次，從系統(tǒng)運行角度來講，過多的傳輸節(jié)點意味著系統(tǒng)的故障可能性增大，維護工作量也相應增加，一旦發(fā)生故障，則故障難于定位，難于檢修。另外，從工程投資角度來說，
大量經費用于不同系統(tǒng)的通信傳輸設備與線纜，而傳輸系統(tǒng)僅作為整個系統(tǒng)的數據通道，并不能為整個系統(tǒng)增加功能；并且，多種傳輸系統(tǒng)的獨立性也不利于系統(tǒng)日后的擴容，可能造成工程后續(xù)投資增加。

         由于本工程主體是長達34.2公里的長線大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)，工程范圍廣，設備分散，傳統(tǒng)傳輸方式的不足尤其突出，因此，打破傳統(tǒng)，建立一個高速、大容量、界面統(tǒng)一、穩(wěn)定可靠的傳輸系統(tǒng)成為工程的重中之重。

        為此，考慮到上海高速公路交通通信網的現狀和系統(tǒng)的兼容性，結合目前國際上相近技術的發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)采用基于IP交換技術的千兆光纖冗余傳輸系統(tǒng)。傳輸網絡設備采用光纖路由交換機和光纜，骨干網為千兆以太網，用于各主干節(jié)點通信，區(qū)域路由交換機為百兆以太網，用于區(qū)域通信局域網的組織，整個系統(tǒng)實現數據、圖像、語音的綜合傳輸三網合一（考慮到電話系統(tǒng)的外部兼容，系統(tǒng)仍使用了電話交換機），將交通監(jiān)控系統(tǒng)所需的接入端口標準化。

       本綜合傳輸系統(tǒng)主干達到千兆容量，通信鏈路冗余配置，主干鏈路僅使用四芯光纖，具有結構簡單，穩(wěn)定可靠、高速度高容量的特點，并統(tǒng)一了多種系統(tǒng)的傳輸方式，簡化了系統(tǒng)結構。

高速度、大容量的網絡技術

       本工程骨干網使用千兆交換式以太網，在全雙工模式下骨干網上可以提供兩千兆的帶寬。這不僅可以滿足目前數據的帶寬需求，而且可以滿足未來網絡擴容的需求。整個網絡可劃分為網絡核心部分和網絡邊緣部分。

       網絡核心——將網絡的邊緣設備和服務器組群進行匯聚，起到網絡的中央傳輸和控制作用。具有提供高密度的高帶寬接口和高性能的多層交換能力，同時根據用戶需求的不同實現網絡的冗余、控制和服務功能。

      網絡邊緣——連接外場設備、音頻、圖像等終端設備，提供較高密度的100M接入接口，并可通過高帶寬接口連接入網絡的骨干。

      網絡核心由千兆核心交換設備組成，可以提供高密度的(一般在24個千兆端口以上)、支持各種傳輸媒介接口的千兆以太網絡交換機，同時支持多協(xié)議多層交換、流量控制、質量服務、安全控制等網絡核心所需的控制和服務功能。交換機則多采用模塊化機箱，以提供靈活度、可擴展能力以及設備本身的冗余配置設計，并提供電源和風扇冗余以提高系統(tǒng)本身的可靠性。

兼收并蓄的三網合一技術

       高速、高容量的網絡使數據、語音、圖像的傳輸系統(tǒng)三網合一成為可能，然而單純的帶寬增加并不能使以太網這種基于載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）的介質訪問機制的網絡從本質上保證傳輸的實時性。在多媒體數據量較大的請況下，如何避免網絡的沖突增加是一個難題，本系統(tǒng)采用的設備具有領先的QoS技術和802.1Q技術，使得在交換以太網網絡上能夠有效地傳送實時多媒體信息。本系統(tǒng)還可以通過將對應圖像數據的端口劃分為一個虛擬網絡，將多媒體數據包限定在相應范圍內，
不但避免了網絡競爭，而且提高了網絡的可靠性。

       虛擬網絡的實現是基于具有交換能力的模板能夠支持802.1Q標準的VLAN以及基于端口、MAC地址的VLAN，其三層能力包括對協(xié)議級、網絡級VLAN的支持。模板支持所有端口同時到線速（第二層和第三層），還具有相當強的交通管理功能，如Cos/QoS，以及網絡控制能力。

         VLAN通過觀察其進入端口接收報文中出現的源 MAC(Medium AccessControl，媒體訪問控制)，一個交換機能了解站點的位置。MAC地址-端口號的關聯(Association)可以登錄在其篩選數據庫內。然后，所有指定存儲在交換機篩選數據庫中的某一個 MAC地址的發(fā)送，只能導向到與該MAC地址關聯的端口。如果接收到一個沒有關聯的MAC地址，則發(fā)送將涌向所有端口（除該接收的端口外），也就是說，這時交換機的功能如同一個中繼式集線器。以上對組播或廣播報文均適用。由于交換
機限制單播報文只能到有關的站，因此，其性能比中繼式集線器有明顯的改進。

         另外，系統(tǒng)使用端口VLAN，通過配置交換機來完成。例如，在一個有16
個端口的交換機中，我們需要建立編號為1到3的3個分隔的VLAN。在配置時，
我們將交換機上的每個端口關聯到與之相應的VLAN。然后，每一個VLAN分配
(Assignment)，即分隔的VLAN中的通信業(yè)務則被限制于那些關聯到此VLAN
分配的端口。以該3個VLAN的交換機為例，我們建立和VLAN1關聯的端口為
1、2、3和4，一個在端口1的廣播或組播報文只能發(fā)送到端口2、3和4而不能發(fā)送到其它端口。其它2個VLAN的運作方式與此類似，一個單播報文允許轉發(fā)，這和任何其它類型的交換機相同，存在一個MAC地址一端口號的關聯表，但是對端口VLAN添加到這個關聯表的是VLAN的約束條件。因此，對一個目標地址，如存儲器中沒有與之對應的MAC地址-端口關聯，則過濾(flooding)只限于該VLAN的端口組。

        全面支持IEEE802.1QVLAN（虛擬局域網）技術，允許管理員把數據限制
在本地流動，保證數據流安全，隔離廣播域，提高網絡性能。VLAN的劃分大
大提高了網絡的控制能力與性能，虛網之間的通信通過核心交換機的第三層功
能進行，同時通過在第三層對網絡分段管理，提供第三層各網段間數據傳輸
的安全控制，同時支持基于數據包中的MAC地址、IP地址、端口號等信息設置
包過濾器，完成對數據流的安全管理和控制。

        綜上所述，本系統(tǒng)通過高帶寬的網絡和有效的網絡控制技術保證了語音、
圖像、計算機數據傳輸三網合一，統(tǒng)一了傳輸系統(tǒng)的界面。

穩(wěn)定可靠的冗余環(huán)網技術

       本系統(tǒng)采用環(huán)形冗余方案，骨干網采用千兆冗余環(huán)網，作為系統(tǒng)的核心
交換層，匯聚層采用與骨干環(huán)網相切的百兆冗余環(huán)網，從多個層面保證了系統(tǒng)
的可靠性。

       隨著以太網和交換技術的發(fā)展使得建立冗余環(huán)網成為可能，在同樣冗余度
的情況下，冗余環(huán)比雙總線方式減小了風險的集中和降低了實現成本。如果系
統(tǒng)中大環(huán)或小環(huán)的光纖發(fā)生故障，環(huán)形結構將在小于500ms時間內切換成具
有全部傳輸能力的總線結構。在大環(huán)和小環(huán)之間有兩條雙絞線通道，一條作為
主線，一條作為備用線，實現冗余連接。當主線發(fā)生故障時，備用線在500ms內
自動啟用，從而確保了環(huán)與環(huán)之間的可靠通信。

系統(tǒng)架構

        東海大橋交通監(jiān)控通信系統(tǒng)由工業(yè)以太網交換機構成，通信的主干IP環(huán)
傳輸系統(tǒng)覆蓋整個跨海橋。在主干傳輸系統(tǒng)上設置一個中心交換機和5個外場
區(qū)域交換機。五個覆蓋全橋監(jiān)控設備的外場IP相切環(huán)與各自所轄范圍內的監(jiān)
控外場設備相連，通過相切環(huán)將外場監(jiān)控數據上傳中心。視頻信號通過視頻光
端機匯集到外場區(qū)域交換機，再通過編解碼器轉換成IP包上傳中心。

        干線IP通信網絡使用4芯光纖，組成自愈環(huán)保護結構。通信線路簡單，
具有高度的可靠性，接入層工業(yè)以太網網絡采用環(huán)型結構，站點布設和區(qū)域接
入的通信系統(tǒng)結構圖參見圖1。

傳輸部分——采用基于光纖的IP傳輸技術

      東海大橋通信平臺采用基于光纖的IP傳輸技術。由于干線通信網絡節(jié)點間
距較大（為7公里左右），外場設備向干線節(jié)點機信息匯集時距離過長，設備匯
集的線纜較多，因此本工程在各個干線節(jié)點區(qū)域接入層采用工業(yè)100M以太IP網絡，采用環(huán)網或鏈狀網等多種形式，工業(yè)以太IP網絡直接提供10M以太網接口和各種接口的轉換，以有利于各個外場設備的數據信息就近接入，綜合實現數據傳輸的平臺。

       本IP光纖網絡在監(jiān)控中心設置第2/3層線速交換能力≥32Gbps的IP路由交換機，具有1個通信距離≥30km的遠程千兆光纖端口及1個通信距離≥10km的單模千兆光纖端口，用于與本系統(tǒng)內其它IP路由交換機環(huán)型相連，端口配置不少于48個10/100BaseTX以太網端口。

       全線設置5臺外場IP區(qū)域路由交換機，第2/3層線速交換能力≥10Gbps，
端口配置不少于24個10/100BaseTX以太網端口，用于本地各種圖像、數據信
息的接入。其中4臺配備1對通信距離≥10km的單模千兆光纖端口，用于本網
絡間的環(huán)型連接；1臺配備1個通信距離≥30km的遠程千兆光纖端口及1個通
信距離≥10km的單模千兆光纖端口。

        通信中心配置框架式板卡結構的MACH 3005路由交換機，具有較大的
背板交換能力，較強的配置靈活性，便于系統(tǒng)的擴充和功能的重新調整。具體
技術性能如下：
·第2/3層線速交換能力≥32Gbps；
·1個遠程千兆光纖端口，通信距離≥30km；
·1個單模千兆光纖端口，通信距離≥10km；
·不少于48個10/100BaseTX以太網端口。

       外場交換機采用小型堆棧式MACH 3002路由交換機，結構較為簡單。布
設于中央分隔帶的獨立基礎上，配置獨立外場空調箱體，具體技術指標如下：
·第2/3層線速交換能力≥10Gbps；
·其中4臺配備1對單模千兆光纖端口，
通信距離≥10km；1臺配備1個通信距
離≥30km的遠程千兆光纖端口及1個
通信距離≥10km的單模千兆光纖端口；

·不少于24個10/100BaseTX以太網端口。

終端部分——采用網絡管理平臺

         在監(jiān)控通信中心設置獨立傳輸系統(tǒng)的網管終端，以管理網絡的運行和維護。配備專用網管軟件，利用Windows 2003 Server計算機作為網管平臺，方便地安裝和使用網管軟件。

        該網管軟件使得可以從網管中心集中管理通信中心站和外場通信站設備，簡化日復一日的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、數據分析等工作，有效和方便地對IP網絡等信息系統(tǒng)進行全面的設備管理和功能管理。網絡管理功能包括：
·信息圖形化顯示方式；
·多協(xié)議支持；
·分布式網絡管理；
·查詢和配置；
·性能監(jiān)測（包括端口流量統(tǒng)計、端口性能統(tǒng)計、以太網總線流量統(tǒng)計、以太
網總線性能統(tǒng)計、端口多指標列表等）；
·安全性設定；
·高速信元交換總線管理工具（保護管理、總線監(jiān)控、流量矩陣、TopN視圖等）。

總結

       綜上所述，東海大橋交通監(jiān)控系統(tǒng)綜合體現了目前智能交通及工業(yè)控制領
域的成熟理念及先進技術，其中通信分系統(tǒng)采用的骨干網集中體現了當前業(yè)界
前沿技術，在國內交通控制系統(tǒng)中屬于最早應用的項目之一。系統(tǒng)在千兆工業(yè)
級以太網的基礎上集成了氣象子系統(tǒng)、車輛檢測子系統(tǒng)、廣播子系統(tǒng)、CCTV
子系統(tǒng)和海面監(jiān)測字系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)等交通監(jiān)控內容，因此，東海大橋
監(jiān)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)完備、技術先進、信息發(fā)布廣泛的特點。目前，此系統(tǒng)運行
安全、穩(wěn)定，效果良好。