新一代高速公路IP語音對講系統研究與設計

摘要：文章基于對現有系統局限性的分析，提出了新一代高速公路IP語音對講系統的設計。該設計不僅解決了通信范圍限制、數據集成能力不足和軟件電話應用的缺乏等問題，還通過應用WebRTC、Nat穿透以及流媒體傳輸等先進技術，有效提升系統的通信效率和質量。新一代系統目前已經試運行，盡管在某些復雜網絡環境下的穩定性有待提高，但整體上表現出色，極大提高了運營管理效率和應急響應能力。

關鍵詞：高速公路；IP語音對講；軟件電話；NAT穿透；SIP

中圖分類號：U412.6

0 引言

近年來，隨著高速公路路網的持續擴展和交通流量的不斷增長，中國的高速公路建設取得了顯著的發展，但高速公路的管理和運營也面臨著更為嚴峻和復雜的挑戰。尤其是在《公路“十四五”發展規劃》出臺后，更加強調了創新驅動發展戰略的重要性，同時倡導交通產業的數字化和智能化的轉型。這進一步對交通基礎設施的運營效率、服務質量和安全水平提出了更高標準的要求。作為交通基礎設施的重要組成部分，IP語音對講系統在高速公路的管理和運營中扮演著關鍵角色。但面對“十四五”規劃的新要求以及實際的運營管理需求，現有的IP語音對講系統存在諸多局限性。因此，研究和設計新一代高速公路IP語音對講系統十分重要。新一代系統應具備區域協同的能力，通過整合對講調度管理、廣播管理、報警管理、音視頻聯動管理等功能［1］，確保在高速路網中全面且有效地傳遞信息和響應緊急情況，從而提升整體運營效率和服務質量。

1 現狀分析

1.1 高速公路語音對講系統的發展

早期的高速公路語音對講系統是基于模擬通信技術。受限于模擬通信的信號衰減和噪音干擾，早期的系統存在傳輸距離有限、不能多級管理、易受干擾、穩定性差、語音效果不清晰、系統不能聯動等問題，僅適用于簡單的點對點通信場景，無法滿足越來越復雜的業務需求。隨著技術的進步，高速公路語音對講系統已逐漸發展為基于數字化的IP語音對講系統。IP系統的引入不僅大幅提高了通信質量和可靠性，而且增加了系統的可伸縮性和靈活性，使高速公路的語音對講系統更容易進行擴展和維護。

1.2 當前高速公路管理體系

目前，高速公路管理體制為省監控中心、路段中心、收費站三級管理體系，每一級都承擔著獨特且關鍵的角色。省監控中心負責全省范圍內的高速公路監控與管理，路段中心關注于特定路段的運維，而收費站則作為基層單位，負責本站的管理工作。這種分層的管理體系在高速公路日常運營中發揮著至關重要的作用。

1.3 IP語音對講系統的應用及其局限性

語音對講在高速公路監控系統中極其重要，監控、收費及通信等三大系統中都涉及語音對講業務。例如監控系統中的道路廣播、隧道緊急電話；收費系統中的對講報警；通信系統中的內線及外線業務電話［2］。目前，基于IP的語音對講系統已在高速公路中得到廣泛應用，但隨著高速公路業務的持續發展和需求的增加，現有的IP語音對講系統正面臨著新的挑戰。這些挑戰主要體現在以下幾個方面：

（1）通信范圍限制：當前的IP語音對講系統主要局限于單個路段中心的內部通信，缺乏跨路段中心的通信能力。這在跨區域協調和管理上形成了顯著的短板，限制了系統在大規模應急響應和區域協同方面的能力，阻礙了高速公路運營管理的進一步優化。同時，近年來一些高速公路運營公司提出了路段去中心化的想法，計劃將原本路段中心的職能上移至省監控中心，這一轉變對IP語音對講系統實現區域協同的需求更為迫切。

（2）數據集成和分析功能不足：當前的IP語音對講系統可能沒有充分利用高級數據分析和集成的潛力。這意味著系統可能無法有效地集成不同來源的數據，如監控視頻數據、AI事件檢測數據、氣象信息、交通流量數據等，難以提供更全面的運營洞察。此外，缺乏對這些數據的深入分析可能導致在應急響應和日常運維決策中缺乏足夠的信息支持。這在高速公路的智能化和自動化管理中是一個重要的短板。

（3）缺乏軟件電話的應用：現有的系統基本上未應用軟件電話，而是完全依賴于物理話機。這限制了系統的靈活性和擴展性，增加了成本和維護難度，同時在緊急情況和快速調度方面成為一個限制因素。

這些挑戰和局限的存在對高速公路的運營管理優化以及緊急情況下的通信效率產生了顯著影響。因此，為滿足現代高速公路的通信需求，研究和設計一個全新的IP語音對講系統顯得尤為重要。

2 新一代高速公路IP語音對講系統設計

2.1 系統架構

本文所提出的新一代高速公路IP語音對講系統的設計旨在解決現有系統存在通信范圍限制、數據集成與分析能力的不足、缺乏軟件電話的應用等核心問題，并融入創新技術以提升系統性能和可用性。如圖1所示展示了系統的整體架構圖，直觀呈現系統設計的全貌。

設備接入層：設備接入層是系統與外界通信設備的接口。考慮到目前SIP通信協議已經逐漸成為IP電話系統的主流標準，設備接入層設計為主要用于接入支持SIP協議的各類通信設備，包括軟件電話、緊急電話、亭內對講機以及服務區廣播等。對于不支持SIP協議的設備，將采用協議轉換器的方式進行接入。通過這樣的接入機制，設備接入層為系統提供良好的兼容性、靈活性，同時確保系統的運行穩定性。

基礎設施層：基礎設施層為系統提供關鍵基礎設施組件，包括Mysql數據庫、文件存儲和消息隊列。Mysql數據庫主要用于關系型數據的存儲，如設備信息、用戶信息、系統配置信息、通話詳情日志等。文件存儲主要用于音頻文件的存儲，如錄音文件、廣播的播放文件等。而消息隊列則用于系統內部不同組件間的消息傳遞，確保數據的一致性和系統的高可用性。

通信引擎層：通信引擎層是新一代高速公路IP語音對講系統的核心，負責音視頻數據的處理和轉發。此層融合了SIP音視頻網關、SIP云上中轉服務、ICE（Interactive Connectivity Establishment）服務以及流媒體服務，共同構成了系統通信的基礎。SIP音視頻網關和SIP云上中轉服務提供了系統與外界通信的接口，支持高效的內外網通信，并確保通信的安全性和私密性。ICE服務處理了NAT穿透問題，保障了即使在復雜的網絡環境下，音視頻通信也能穩定進行。此外，流媒體服務負責音視頻內容的實時傳輸，確保了通信過程中的流暢性和低延遲。通信引擎層的設計專注于數據傳輸的效率和質量，旨在降低延遲、防止數據丟失，并提高音視頻數據的清晰度，同時也考慮了系統在不同網絡條件下的穩定性和適應性。

業務集成層：業務集成層是利用先進的數據挖掘和機器學習技術，實現數據融合和智能分析。該層整合不同來源的數據，如監控視頻數據、AI事件檢測數據、氣象信息、交通流量數據等。通過深入學習和分析這些數據，業務集成層能迅速識別潛在的問題和模式，制定出有效的緊急響應方案，大大提高了緊急情況下的響應速度，增強了不同系統間的協同和互動效率，同時優化了日常運營工作流程，使高速公路管理更加智能化和自動化。

業務服務層：業務服務層是系統的重要組成部分，是連接用戶與系統其他層的紐帶，主要負責提供系統運行所需的一系列基礎服務，從而確保系統的高效運行和用戶體驗的優化。這些服務包括但不限于包括設備管理、用戶管理、狀態監測、通話管理以及應急響應方案。

2.2 系統部署圖

在介紹新一代高速公路IP語音對講系統的整體架構之后，本節將著重分析系統的部署。如下頁圖2所示，系統的分層網絡結構主要包括省級監控中心和路段中心兩個關鍵層級的網絡節點。在此結構中，省級監控中心節點作為云上節點，是其他路段節點實現跨區域通信的基礎，省級監控中心節點與路段中心節點能夠實現直接通信，而路段中心節點間則需通過省級監控中心節點進行中繼通信。節點間的通信數據主要包括管理信令、SIP信令和媒體流等3種類型，其中管理信令需要借助于消息隊列來完成，部署圖中已明確地標注了各類通信數據的流動。

系統的分層網絡結構涉及內外網絡交互以及跨區域通信，為了保證這種復雜網絡下音視頻通信的穩定性，系統綜合應用了WebRTC、NAT穿透和流媒體技術等先進技術。這些技術的應用保障了音視頻通信的實時性和流暢性，是系統在各種網絡條件下高效運作的重要保障。

2.3 系統主要功能

2.3.1 全域實時音視頻通信

系統提供全區域的實時音視頻通信功能，實現路段中心與省級監控中心、路段中心與路段中心的清晰、可靠的實時音視頻通信。系統支持主流的音視頻編解碼格式，如h264、h265、pcm、alaw，ulaw等；支持多種通信方式，如tcp、udp和websocket等。根據實際的設備類型和網絡條件，系統可靈活選擇合適的編碼格式以及通信方式。

2.3.2 全域音頻廣播

系統提供全區域的音頻廣播功能，支持多種廣播類型，包括音頻文件廣播、實時喊話廣播以及文字信息廣播，支持跨路段的多設備實時音頻廣播。同時，系統提供了十分靈活且便捷的廣播配置，實現廣播任務的迅速創建，確保廣播信息快速且準確地傳達到每個目標設備，以應對各種緊急情況。

2.3.3 遠程管理與維護

遠程管理與維護功能包括兩部分：設備管理和服務節點管理。其中設備管理涉及接入設備的基礎信息配置、分組管理以及狀態的實時監控；服務節點管理則涉及路段中心、省級監控中心各節點中不同服務的配置管理、狀態監控以及維護操作管理。系統還提供了完善的日志事件功能，用于記錄設備管理和服務節點管理中所有相關的關鍵事件和操作，為系統的持續維護和問題追蹤提供必要的信息支持。

2.3.4 通話管理

系統提供全面的通話管理功能，包括通話錄音、通話詳情記錄以及通話控制。其中，通話錄音用于記錄準確的通話音頻數據，并以文件的格式進行存儲；通話詳情記錄保存每次通話的具體信息，如通話時長、通話時間、通話參與者等；通話控制則對權限內的通話進行實時監控和控制，如通話的發起、接聽、掛斷和轉移等。根據不同的通話場景，歸納并設計出多種通話類型，包括但不限于點對點撥號、分組撥號、無呼入廣播、喊話廣播，每一種類型的通話都有獨立的通話管理。

2.3.5 系統聯動與應急聯動

系統聯動功能確保不同服務和組件之間的協同工作，如數據服務、通信服務和用戶界面。應急聯動機制則在緊急情況下啟動，自動觸發一系列響應措施，如通知相關部門、激活特定通信通道等。

3 系統應用

由廣西交科集團打造的智慧高速云控平臺（簡稱“智慧云控”）是一個在廣西范圍內已經廣泛運行的高速公路運營管理一體化平臺。而本文所探討的新一代高速公路IP語音對講系統作為第三方系統，已成功集成至智慧云控，并在部分高速公路上試運行。在試運行期間，系統憑借良好的音視頻通信質量以及強大的跨路段通信能力，有效提升了運營管理效率和區域協同的應急響應能力。同時，通過軟電話和WebRTC技術的應用，用戶的接入更加便利，通信體驗更加良好；而數據集成和智能分析的應用，則大大提升了高速公路的智能化和自動化管理水平。當然，在試運行期間，也發現了系統在應對某些復雜網絡環境時仍存在不穩定的問題，這也是系統未來進行優化的一個重要方向。

4 結語

本文對新一代高速公路IP語音對講系統進行了全面的探討，從現有系統的局限性出發，闡述了新一代系統設計的必要性和優勢。新一代系統采用了全新的架構設計，不僅成功克服了通信范圍限制、數據集成與分析能力的不足以及缺乏軟件電話的應用等局限，而且通過引入創新技術，有效地提升了語音對講的通信效率、覆蓋范圍和通信質量。在集成至智慧云控的試運行中，該系統已經證明了其在實際應用中的有效性。盡管在某些復雜網絡環境下的穩定性仍有待提高，但該系統整體上表現出色，極大地提高了運營管理效率和應急響應能力，有助于促進高速公路向數字化和智能化轉型。

參考文獻

［1］楊常華.基于IP的高速公路音視頻對講和報警系統應用［J］.山西電子技術，2019（2）：11-13.

［2］尚建強.語音融合系統在高速公路監控系統中的應用［J］.公路，2020，65（6）：217-221.

收稿日期：2024-03-10

作者簡介：李 彬（1987—），工程師，主要從事軟件研發工作。