大交通量高速公路智能化建設(shè)研究與設(shè)計

吳宏伊，汪正勇

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都610041）

1 引言

傳統(tǒng)的高速公路機電工程僅完成路網(wǎng)營運所必需的收費、通信及基本監(jiān)控建設(shè)，未設(shè)置較為完善的感知、傳輸和分析處理系統(tǒng)工程，配以“煙囪”式數(shù)據(jù)管理模式，數(shù)據(jù)和應(yīng)用都相對獨立，難以實現(xiàn)跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用。相應(yīng)的路網(wǎng)管控，主要依靠傳統(tǒng)手段，發(fā)現(xiàn)和處理事故效率不高。隨著大數(shù)據(jù)、云計算和通信技術(shù)的發(fā)展，高速公路運營、養(yǎng)護智能化已經(jīng)成為高速公路建設(shè)發(fā)展的大趨勢。在公路主體條件難以短時間進行顯著提升的前提下，通過智慧交通管理措施，提升道路管理水平和道路使用者舒適度，是智慧交通的內(nèi)涵之一，也是現(xiàn)階段可實現(xiàn)的技術(shù)方案。

成都繞城高速是四川高速路網(wǎng)最重要的轉(zhuǎn)換中心，全線交通轉(zhuǎn)換節(jié)點密布；同時，繞城高速還兼具成都市交通快速通道功能，車流量密集。作為全省路網(wǎng)最核心一環(huán)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全線構(gòu)筑物密布，巨大的車流量要在短短85 km的路段上進行頻繁的交通轉(zhuǎn)換，一旦發(fā)生事故，易造成擁堵、二次事故等不良影響，管理難度極大。

高速公路的智能化建設(shè)，在不同區(qū)域、不同特點的路段具有不同的需求。路段特點可以簡單分為3類：（1）交通量大、區(qū)域影響大，主體工程線形條件較好路段；（2）交通量小、區(qū)域影響有限路段；（3）橋隧比高、地質(zhì)或氣象災(zāi)害頻發(fā)路段。針對第1類路段，即以成都繞城高速為典型代表的路段建立了成套技術(shù)方案，對現(xiàn)有高速公路的外場基礎(chǔ)設(shè)施、信息傳輸系統(tǒng)、后臺分析系統(tǒng)進行全面升級，配合大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)，實現(xiàn)高速智慧化提檔升級。

2 總體建設(shè)思路

綜合運用云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，構(gòu)建高速智慧管理系統(tǒng)，其體系架構(gòu)包括：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)融合層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層和門戶層[1]。基礎(chǔ)設(shè)施層通過研究高速公路不同場景的感知需求及監(jiān)控設(shè)備性能特點，通過多種點位形式，形成多維度高速公路外場感知及發(fā)布系統(tǒng)成套方案，并建立滿足智慧運營需求的高帶寬傳輸條件；數(shù)據(jù)融合層融合利用高速公路基礎(chǔ)信息，創(chuàng)建高速公路主題數(shù)據(jù)倉庫；應(yīng)用支撐層主要包括大數(shù)據(jù)工具、GIS平臺工具、數(shù)據(jù)共享及融合通信等支撐工具；應(yīng)用系統(tǒng)層拓展高速公路信息化新的應(yīng)用場景，對流量、出行、收費、養(yǎng)護、實時路況等可提供預(yù)測和預(yù)警服務(wù)；門戶層是各種管理平臺及公眾服務(wù)平臺。

3 基礎(chǔ)設(shè)施成套建設(shè)方案

為了建設(shè)全程、全面覆蓋的基礎(chǔ)設(shè)施點位，實現(xiàn)對道路車輛運行狀況的全面監(jiān)視和主動提示，應(yīng)針對公路不同場景，采取多種形式的點位創(chuàng)新。通過對感知和發(fā)布體系的全面提升，使傳統(tǒng)的機電外場設(shè)備真正成為公路的基礎(chǔ)設(shè)施。同時，應(yīng)盡可能采取“多能合一”的點位形式，既實現(xiàn)多種監(jiān)測手段有機結(jié)合以適應(yīng)公路需求，也有助于提高桿件、光電纜和傳輸設(shè)備的利用率，進而可提高點位設(shè)備的有效覆蓋范圍及使用效率。

4 組建高帶寬通信傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)是整體智能系統(tǒng)的骨架，對省級高速公路專用通信網(wǎng)，可以進行干線層和接入層建設(shè)，在干線層采用光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）技術(shù)體制，OTN光層可以采用先進的40波100 G級別；數(shù)據(jù)交換設(shè)備采用高性能路由器，路由器遠程通信端口帶寬按10 G配置。接入網(wǎng)為了支撐大量外場感知設(shè)施的信息傳輸，采用分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）或以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)，帶寬至少達到10G以上。通信系統(tǒng)面向智慧交通發(fā)展方向，能夠滿足未來一段時間高速路網(wǎng)信息傳輸需求。

對具體路段的接入網(wǎng)建設(shè)還可以采用合理規(guī)劃、適度超前的思路，分2個階段建設(shè)雙機虛擬化傳輸節(jié)點，第一階段采用萬兆光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建環(huán)網(wǎng)，滿足第1階段外場接入需求；第2階段建設(shè)雙機虛擬化傳輸節(jié)點，利用第1階段建成的光纖資源，建成雙環(huán)網(wǎng)，將帶寬擴展到20 G。

5 數(shù)據(jù)資源建設(shè)

5.1 數(shù)據(jù)匯聚

建設(shè)不同層級的高速公路數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)運營、養(yǎng)護、應(yīng)急處置、辦公和公眾服務(wù)各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全面匯聚，解決高速業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的資源化問題。數(shù)據(jù)中心的建立可以以區(qū)域路網(wǎng)為單位，集成區(qū)域路網(wǎng)的全量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，直接支撐路網(wǎng)級別的管控和服務(wù)；也可以以路段為單位，建設(shè)小型數(shù)據(jù)中心完成數(shù)據(jù)的采集和清洗，并依托上級路網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，完成數(shù)據(jù)融合，形成路網(wǎng)數(shù)據(jù)資源。

數(shù)據(jù)總體上可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)2類。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括管理公司資產(chǎn)數(shù)據(jù)、路產(chǎn)資源、人力數(shù)據(jù)等，也包括公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化生成的數(shù)據(jù)，例如，電子地圖、公路設(shè)計數(shù)據(jù)等。動態(tài)數(shù)據(jù)主要是在系統(tǒng)運行過程中不斷產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)，比如高速公路過車數(shù)據(jù)、收費數(shù)據(jù)、各項監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)、信息發(fā)布數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)的匯集應(yīng)當聚焦高速公路運營管理業(yè)務(wù)，有針對性地收集交通管控、養(yǎng)護、應(yīng)急處置及公眾服務(wù)所需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，建設(shè)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如，郵件、超文本標記語言（Hyper Text Markup Language，HTML）、報表等；以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如，視頻、音頻、圖片、圖像、文檔、文本等形式數(shù)據(jù)庫。另外，還需配置數(shù)據(jù)挖掘工具，從半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)和信息，完成半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化。

另外，考慮到高速公路的聯(lián)網(wǎng)管控需求，還應(yīng)當實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的采集，例如，公路行業(yè)數(shù)據(jù)、公安交警管理數(shù)據(jù)、旅游及氣象等其他相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)和行業(yè)企業(yè)提供的外部數(shù)據(jù)。

5.2 數(shù)據(jù)管理

對不同來源的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)籌管理，打破“煙囪式”的信息系統(tǒng)，在保障數(shù)據(jù)完整性、一致性和正確性的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用。

在實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理的基礎(chǔ)上，建設(shè)數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫的建設(shè)應(yīng)針對業(yè)務(wù)應(yīng)用進行建設(shè)。例如，可以劃分交通運行數(shù)據(jù)、營收數(shù)據(jù)、稽核數(shù)據(jù)、應(yīng)急指揮調(diào)度數(shù)據(jù)等主題倉庫，向上級應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)，供決策輔助、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測使用。

5.3 大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)

要形成數(shù)據(jù)資源，還應(yīng)當配置大數(shù)據(jù)應(yīng)用工具，以大數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)平臺為基礎(chǔ)，面向道路運行綜合監(jiān)測、應(yīng)急處置、管理業(yè)務(wù)及可視化等方面，通過數(shù)據(jù)深度分析和挖掘，例如，聚類、回歸、因子分析、算法函數(shù)等工具，形成面向業(yè)務(wù)的分析應(yīng)用體系。

針對區(qū)域數(shù)據(jù)中心和路段小型數(shù)據(jù)中心，可以配置不同的大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。區(qū)域數(shù)據(jù)中心可以支持各路段的數(shù)據(jù)需求，通過在各路段配置邊緣計算資源，完成路段級數(shù)據(jù)處理，而將路網(wǎng)層面的大數(shù)據(jù)分析放在區(qū)域數(shù)據(jù)中心完成，可以有效節(jié)約計算資源，并滿足路網(wǎng)聯(lián)合管控的數(shù)據(jù)需求。

6 高速公路場景創(chuàng)新應(yīng)用

在數(shù)據(jù)支撐的前提下，可以針對高速公路應(yīng)用場景開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用功能，并通過多種門戶形式實現(xiàn)，包括監(jiān)控中心、廣播、網(wǎng)站、電腦終端、手機App、工作平板等。

針對大交通量的重要路段，緩堵保暢、應(yīng)急調(diào)度和養(yǎng)護調(diào)度是最重要的運營業(yè)務(wù)。因此，其應(yīng)用開發(fā)可以包括（但不限于）以下服務(wù)：

1）交通組織協(xié)助。本項業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件應(yīng)包括以下功能模塊：交通運行監(jiān)測模塊、資源調(diào)度模塊、交通組織決策支持模塊等。其功能是綜合歷史數(shù)據(jù)、實時采集數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，開展可視化分析和展示、路網(wǎng)運行狀態(tài)評估、路網(wǎng)運行態(tài)勢分析和預(yù)測、惡劣氣象預(yù)測等大數(shù)據(jù)分析；協(xié)助公安交警部門，調(diào)動人力物力資源，執(zhí)行交通管理決策，并對具體的執(zhí)行過程進行全程監(jiān)控和記錄。綜合歷史數(shù)據(jù)、實時采集數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析手段，分析并提供可行的交通組織措施，并以圖形化的方式，預(yù)測具體措施的時間效應(yīng)和對路網(wǎng)交通情況的影響，以供決策參考。

2）信息報送服務(wù)。軟件應(yīng)能綜合歷史數(shù)據(jù)、實時采集數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)定制和配送服務(wù)；并利用大數(shù)據(jù)分析手段進行數(shù)據(jù)挖掘，根據(jù)用戶的需求生成各種信息統(tǒng)計和分析報表，提供信息定制和配送服務(wù)。

3）公眾服務(wù)。主要包括路況、指路、氣象及地方特色信息發(fā)布；提供個性化路網(wǎng)信息查詢；選擇性提供多種支付手段、服務(wù)區(qū)銀行服務(wù)等金融服務(wù)；還能夠提供報警、救援人員與車輛調(diào)度等救援服務(wù)。

4）應(yīng)急響應(yīng)配合。軟件應(yīng)能實現(xiàn)應(yīng)急值守、風(fēng)險監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警、指揮調(diào)度、應(yīng)急資源管理及應(yīng)急處置評估等功能。能夠綜合利用實時數(shù)據(jù)資源、歷史數(shù)據(jù)及氣象等外部數(shù)據(jù)進行風(fēng)險評估和預(yù)測預(yù)警，同時在發(fā)現(xiàn)風(fēng)險后能夠提供應(yīng)急人員和資源的調(diào)度方案供輔助決策，還能對應(yīng)急處置進行后評估。

7 結(jié)論與分析

針對以緩堵保暢為主要管理需求的大交通量高速公路，提出了一套智能化管理系統(tǒng)建設(shè)方案。部分研究成果已在成都繞城高速公路上應(yīng)用并取得良好成效。

建設(shè)方案結(jié)合科技進步及行業(yè)需求，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)等新一代技術(shù)+人工智能技術(shù)，實現(xiàn)透徹全面、實時準確的智慧感知；寬帶泛在、穩(wěn)定可靠的智能傳輸；協(xié)同共享、強大高效的智慧管理；跨界融合、及時精準的智能服務(wù)。

針對其他類型高速路段的應(yīng)用場景，仍在持續(xù)研究中。例如，以四川藏區(qū)高速公路為典型代表的山區(qū)路段，將進行復(fù)雜地址條件下高橋隧比場景綜合管控試點。同樣可以應(yīng)用本文提出的框架體系、感知和傳輸系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)需求補充需要的感知系統(tǒng)和開發(fā)不同的應(yīng)用場景。

針對不同類型高速公路，需要通過悉心分析、精心設(shè)計，解決海量數(shù)據(jù)帶來的網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲等問題；在系統(tǒng)平臺設(shè)計方面，應(yīng)深入調(diào)研管理需求，分析業(yè)務(wù)流程，解決管理痛點，使系統(tǒng)建成后能夠極大改變高速公路管理業(yè)務(wù)模式，提升管理效率。全面的智慧高速建設(shè)，能夠為廣大出行者提供全面的、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)體驗，吸引公眾更多地選擇高速公路出行，具有對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟內(nèi)循環(huán)的促進作用。相關(guān)應(yīng)用項目，還有利于促進我國電子設(shè)備智能化、當代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用、高速公路智能化管理水平與時俱進以及助力內(nèi)向經(jīng)濟發(fā)展。