智慧高速數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

(1.鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450052; 2.河南交通投資集團(tuán)有限公司，鄭州 450016; 3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

“智慧高速”以高速公路出行者為最終服務(wù)對(duì)象，立足路段范圍內(nèi)的主動(dòng)化管理和精細(xì)化服務(wù)。同時(shí)，兼顧路網(wǎng)層面的信息服務(wù)，逐步實(shí)現(xiàn)與交通運(yùn)輸部、所在省份路網(wǎng)中心、周邊省份高速路網(wǎng)、地方道路管理部門、氣象部門等之間的數(shù)據(jù)共享與交換。在日常管理方面，能夠?yàn)橥厩?、途中出行者提供銜接路網(wǎng)的交通運(yùn)行信息[1]。在應(yīng)急救援方面，能夠面向銜接路網(wǎng)提供統(tǒng)一的救援服務(wù)等。在服務(wù)過程中產(chǎn)生了一系列多源異構(gòu)的信息數(shù)據(jù)。如何消除信息孤島現(xiàn)象，打通各種數(shù)據(jù)源之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)潛在事件鏈。為“智慧高速”的安全運(yùn)行與指揮管理提供決策支持，提升高速公路運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化配置是目前亟待解決的問題[2]。

為更好地探討、解決智慧高速數(shù)據(jù)挖掘問題，以京港澳高速駐馬店至信陽(yáng)段(以下簡(jiǎn)稱“駐信段”)為例，在較完善的京港澳高速公路基礎(chǔ)設(shè)施之上，將先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及系統(tǒng)綜合技術(shù)有效集成并應(yīng)用于高速公路地面交通數(shù)據(jù)服務(wù)，從而建立起發(fā)揮作用的、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)共享挖掘機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 規(guī)劃思路和內(nèi)容

1.1.1 統(tǒng)一規(guī)劃，建立科學(xué)、完整的數(shù)據(jù)資源體系結(jié)構(gòu)

“智慧高速”建設(shè)除滿足所在路段現(xiàn)有業(yè)務(wù)管理、領(lǐng)導(dǎo)決策的需求之外，須著眼于上級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)變革的需要，建設(shè)基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性交通行業(yè)數(shù)據(jù)資源。

1.1.2 采用分布采集、集中處理、集中交換、集中管理、全局應(yīng)用的建設(shè)模式

“智慧高速”的數(shù)據(jù)采集既涉及到所在路段現(xiàn)有及后期新建的高速公路管控系統(tǒng)，也涉及到省級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)機(jī)構(gòu)共享的相關(guān)系統(tǒng)，各類信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式、數(shù)據(jù)質(zhì)量不盡相同[3]。項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)利用數(shù)據(jù)交換和共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)交換與共享，通過建立所在路段“智慧高速”的云數(shù)據(jù)中心，對(duì)形成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理維護(hù)，滿足各級(jí)相關(guān)管理部門和社會(huì)公眾對(duì)不同層次數(shù)據(jù)的需求。

1.2 數(shù)據(jù)資源規(guī)劃工程化方法模型

“智慧高速”管控系統(tǒng)的信息化建設(shè)規(guī)劃應(yīng)包括需求分析、系統(tǒng)建模、通信-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃等方面，與常規(guī)方法相同，在此不再贅述。

2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源分類

通常情況下，所在路段管理機(jī)構(gòu)及上級(jí)單位應(yīng)在早期建設(shè)了若干業(yè)務(wù)系統(tǒng)，具有一定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但由于分布于不同應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，不便于統(tǒng)一管理與維護(hù)，難于保證數(shù)據(jù)的完整性、實(shí)時(shí)性，也無法滿足共享信息資源的需求，對(duì)業(yè)務(wù)管理十分不利[4]。為了合理規(guī)劃現(xiàn)有的信息資源，需要梳理并分類各相關(guān)單位現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源。通常情況下現(xiàn)有公路管理數(shù)據(jù)資源，包括但不限于：

1)高速公路基本屬性數(shù)據(jù)

高速公路基本屬性數(shù)據(jù)包括但不限于：公路地理數(shù)據(jù)、環(huán)境情況數(shù)據(jù)、技術(shù)狀況等相關(guān)描述數(shù)據(jù)，它包括路線概況、路基、路面、主要構(gòu)筑物、沿線設(shè)施、交通量和沿線環(huán)境等基礎(chǔ)信息資源[5]。

2)所在省份交通地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)

包括但不限于：基礎(chǔ)地形圖空間數(shù)據(jù)、省高速公路及其結(jié)構(gòu)建筑物的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)、省國(guó)、道骨干交通網(wǎng)及其附屬設(shè)施的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

3)高速公路養(yǎng)護(hù)、路政系統(tǒng)數(shù)據(jù)

高速公路養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括但不限于：大修、中小修過程管理數(shù)據(jù)、生態(tài)綠化工程數(shù)據(jù)、交通工程建設(shè)工程數(shù)據(jù)、雨雪應(yīng)急保障工程數(shù)據(jù)等、養(yǎng)護(hù)人員上報(bào)數(shù)據(jù)等。

高速公路路政系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括：路政巡查車GPS數(shù)據(jù)、路政巡查車視頻信息、路政人員上報(bào)數(shù)據(jù)等。

4)高速公路交通流檢測(cè)、氣象檢測(cè)系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)

高速公路交通流檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括：微波交通流檢測(cè)器采集的交通流量、密度、速度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

高速公路氣象檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括：能見度、路面狀況、大氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向、大氣濕度等。

高速公路收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括：依托所在路段全線收費(fèi)站，采集獲取收費(fèi)車型、行程時(shí)間等信息。

5)高速公路應(yīng)急資源數(shù)據(jù)

高速公路應(yīng)急資源數(shù)據(jù)主要依托養(yǎng)護(hù)路政巡查道班獲取的國(guó)家投資撥付的高速公路應(yīng)急資源名稱、位置、保管機(jī)構(gòu)、維護(hù)人員等。

數(shù)據(jù)共享的核心思想是通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各參與數(shù)據(jù)交換的接入節(jié)點(diǎn)則分別建立起內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間映射關(guān)系，通過數(shù)據(jù)交換服務(wù)平臺(tái)與遠(yuǎn)端適配器之間自動(dòng)的交換任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)在兩點(diǎn)之間的端對(duì)端數(shù)據(jù)共享[6]。

3 數(shù)據(jù)資源架構(gòu)

通常情況下，“智慧高速”管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源庫(kù)可以劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、專題數(shù)據(jù)庫(kù)三類，形成全線數(shù)據(jù)集聚、跨業(yè)務(wù)共享、跨部門服務(wù)的數(shù)據(jù)資源架構(gòu)(見圖1)。

圖1 “智慧高速”數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)資源總體架構(gòu)圖

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是支撐“智慧高速”系統(tǒng)內(nèi)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的具有共性特征的數(shù)據(jù)集合，通過對(duì)全線數(shù)據(jù)資源的管理對(duì)象和數(shù)據(jù)共享需求分析，確定若干滿足于各類業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的、具有基礎(chǔ)性、全局性的數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。通過與省級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)機(jī)構(gòu)、公安、氣象等單位進(jìn)行數(shù)據(jù)行抽取轉(zhuǎn)換等一系列操作，在“智慧高速”云數(shù)據(jù)中心形成開放的全線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，供所在路段、上級(jí)管理部門、省級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)機(jī)構(gòu)等單位共享使用。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)來源于省級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)機(jī)構(gòu)的公路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、交通地理空間數(shù)據(jù)，省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)公司、公安、氣象等上傳下達(dá)的信息，以及所在路段等產(chǎn)生的文本資料數(shù)據(jù)、視頻多媒體數(shù)據(jù)等(見表1)。

3.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)來源于所在路段監(jiān)控中心、省級(jí)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過對(duì)全線業(yè)務(wù)系統(tǒng)的結(jié)果數(shù)據(jù)提煉，形成與各應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于支撐全線各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用[8]。主要包括但不限于：路網(wǎng)相關(guān)管理數(shù)據(jù)、事件發(fā)生的相關(guān)信息、養(yǎng)護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)、路政數(shù)據(jù)、收費(fèi)數(shù)據(jù)、應(yīng)急數(shù)據(jù)等(見表2)。

4 數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)流程總圖

目前通行的“智慧高速”管控軟件系統(tǒng)，一般包括高速公路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)、高速公路運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)估與決策支持系統(tǒng)、高速公路主線交通均衡控制系統(tǒng)、高速公路應(yīng)急指揮調(diào)度和處置系統(tǒng)、高速公路一體化出行信息發(fā)布系統(tǒng)、高速公路數(shù)據(jù)交換與共享平臺(tái)等分系統(tǒng)[9]。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

通過京港澳高速駐馬店至信陽(yáng)段為例，以數(shù)據(jù)為原始驅(qū)動(dòng)，以系統(tǒng)為業(yè)務(wù)流導(dǎo)向，構(gòu)建了一套應(yīng)用系統(tǒng)和兩大應(yīng)用支撐平臺(tái)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程總圖(見圖2)。

圖2 智能高速數(shù)據(jù)流程總圖(以京港澳高速公路駐信段為例)

4.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

以京港澳高速駐馬店至信陽(yáng)段為例，利用信息路由的先進(jìn)技術(shù)，建立數(shù)據(jù)智能采集模型(見圖3)，與高速相關(guān)行業(yè)的數(shù)據(jù)以及高速業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過相關(guān)應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行抽取、整合，根據(jù)數(shù)據(jù)采集映射規(guī)則與駐信段數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、聚合、挖掘和信息發(fā)布等[10]。

表2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)

圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)模型(以京港澳高速公路駐信段為例)

4.3 數(shù)據(jù)分析處理流程設(shè)計(jì)

以京港澳高速駐馬店至信陽(yáng)段為例，依照既定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，在源數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)中心前對(duì)其進(jìn)行分析處理，消除數(shù)據(jù)冗余和沖突(見圖4)。數(shù)據(jù)整合依照數(shù)據(jù)狀況不同而有不同的整合方法，首先從與京港澳高速駐信段示范工程建設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)源那里獲取原始數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，預(yù)處理的方法有很多，但主要包括數(shù)據(jù)的清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。其后，是數(shù)據(jù)分析階段[11]。

圖4 數(shù)據(jù)分析處理流程圖

這里主要采用數(shù)據(jù)分析中常用的數(shù)據(jù)挖掘方法來對(duì)預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，可以使用的數(shù)據(jù)挖掘方法很多，主要包括廣義知識(shí)挖掘、關(guān)聯(lián)知識(shí)挖掘、類知識(shí)挖掘、預(yù)測(cè)性知識(shí)挖掘、特異性數(shù)據(jù)挖掘和自定義挖掘算法等，將進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以后得到的模型和規(guī)則等內(nèi)容形成高速公路知識(shí)庫(kù)，為智能高速的運(yùn)營(yíng)提供決策支持。

5 數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)

5.1 數(shù)據(jù)共享機(jī)制框架

基于云平臺(tái)架構(gòu)，搭建數(shù)據(jù)交換與共享平臺(tái)，在整合所在路段監(jiān)控中心現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，接入本工程外場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，建設(shè)智能高速公路數(shù)據(jù)中心[12]。并將明確數(shù)據(jù)資源定義，建立完善公路基礎(chǔ)信息、交通阻斷、交通流量、公路氣象、視頻圖像、應(yīng)急資源、操作指令、高速公路運(yùn)行指標(biāo)等信息的采集、更新、交換與共享機(jī)制，制定高速公路運(yùn)行數(shù)據(jù)共享與交換技術(shù)規(guī)范，確定信息交換方式，實(shí)現(xiàn)信息交換共享與協(xié)同運(yùn)行。

基于以上設(shè)計(jì)目標(biāo)和對(duì)高速公路業(yè)務(wù)的分析，“智慧高速”信息共享機(jī)制框架(見圖5)，“智慧高速”數(shù)據(jù)共享模塊之間關(guān)聯(lián)為：共享平臺(tái)從所在路段各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備(主要為路段工程內(nèi)裝配的設(shè)備)獲取多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息；然后通過對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)、分析等發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)以及隱含的交通事件鏈；最后，通過平臺(tái)提供的各種發(fā)布手段及時(shí)發(fā)布信息，為所在路段的車流和交通事故處理能力的提供強(qiáng)有力的支持。

5.2 數(shù)據(jù)共享機(jī)制邏輯結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上具體的“智慧高速”信息共享框架圖所示。從高速公路現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，然后將采集后的數(shù)據(jù)發(fā)到信息共享平臺(tái)進(jìn)行整合分析，最后將分析報(bào)告發(fā)布或推送出去，進(jìn)而完成信息共享機(jī)制的各個(gè)環(huán)節(jié)[13]。數(shù)據(jù)交換與共享平臺(tái)由交通信息管理、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)管控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)接口、數(shù)據(jù)挖掘與綜合應(yīng)用等幾部分組成。(見圖6)。

圖6 智慧高速信息共享機(jī)制邏輯結(jié)構(gòu)

6 工程實(shí)例

通過對(duì)河南省高速信息化建設(shè)和京港澳高速駐信段現(xiàn)狀的調(diào)研，在現(xiàn)階段京港澳高速駐信段基礎(chǔ)設(shè)施改善的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決諸多信息系統(tǒng)的部署與采集設(shè)備的精準(zhǔn)度的提高。以京港澳高速駐信段擁有的大量交通流量數(shù)據(jù)，為“智慧高速”數(shù)據(jù)挖掘共享提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資源(見圖7)。解決現(xiàn)有系統(tǒng)沒有很好地挖掘分析這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息之間關(guān)聯(lián)的問題，促進(jìn)高速公路管理的精準(zhǔn)化、智慧化發(fā)展，為河南省高速公路信息化的建設(shè)提供了有力的保障。其成功實(shí)施后將對(duì)京港澳全段乃至全國(guó)高速公路的數(shù)據(jù)共享機(jī)制建設(shè)起到示范作用。

圖7 京港澳高速駐信段數(shù)據(jù)挖掘共享平臺(tái)

7 結(jié)論

數(shù)據(jù)挖掘共享平臺(tái)可以為“智慧高速”運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)提供充足的數(shù)據(jù)條件，可定期融合交通流量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及交通事件數(shù)據(jù)進(jìn)行交通運(yùn)行狀態(tài)的綜合展現(xiàn)和突發(fā)事件的預(yù)警。數(shù)據(jù)處理可以完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和融合處理，通過數(shù)據(jù)清洗與校驗(yàn)步驟，為原型系統(tǒng)功能展示提供規(guī)范、穩(wěn)定的基礎(chǔ)資料。

數(shù)據(jù)挖掘共享平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、合并、轉(zhuǎn)換、剔除無效數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)裝載等；完成對(duì)交通信息的優(yōu)化、分析、加工、挖掘等工作。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)具有海量數(shù)據(jù)處理能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、良好的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和先進(jìn)性。每個(gè)查詢分析功能可以提供定制的若干圖、表，以實(shí)現(xiàn)特定的統(tǒng)計(jì)分析需求，方便用戶直接使用。為管理者提供基于地理信息系統(tǒng)圖層展現(xiàn)手段，相關(guān)分析結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過地理信息系統(tǒng)展現(xiàn)。

數(shù)據(jù)挖掘共享平臺(tái)是“智能公路”的核心組成部分，可以有力提升高速公路運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化配置。全面提升通道型高速公路的智能化管理和服務(wù)水平，為下階段“智慧交通”的建設(shè)提供有益探索。