智慧地下道路系統(tǒng)總體平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

張海城

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

城市地下道路是指地表以下供機(jī)動(dòng)車或兼有非機(jī)動(dòng)車、行人通行的城市道路[1]。近年來(lái)，土地資源緊缺，出于對(duì)生態(tài)保護(hù)、改善環(huán)境、提升區(qū)域功能以及提高城市綜合競(jìng)爭(zhēng)力等多重因素的考慮，城市地下道路數(shù)量越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)發(fā)展，為長(zhǎng)大地下道路運(yùn)營(yíng)安全和效率提升提供了更多智慧化手段，新技術(shù)與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合，發(fā)展智慧地下道路是未來(lái)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。智慧交通作為信息技術(shù)與基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展的融合，近年來(lái)炙手可熱。2014 年，交通運(yùn)輸部部長(zhǎng)楊傳堂做了《深化改革務(wù)實(shí)創(chuàng)新加快推進(jìn)“四個(gè)交通”發(fā)展》的報(bào)告，提出將“四個(gè)交通”（即綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通）作為當(dāng)前和今后一段時(shí)期交通運(yùn)輸發(fā)展的主旋律，并指出智慧交通是實(shí)現(xiàn)“四個(gè)交通”的關(guān)鍵。2019 年9 月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，發(fā)展先進(jìn)智慧交通，通過(guò)集成應(yīng)用先進(jìn)的信息、通信、傳感、控制等技術(shù)，使人、車、路相互作用關(guān)系以新的方式呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、安全、節(jié)能的目標(biāo)。

1 地下道路信息化應(yīng)用現(xiàn)狀與問(wèn)題

信息化智能化水平是衡量隧道管理現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要標(biāo)志。經(jīng)過(guò)約20 a 的建設(shè)和發(fā)展，地下道路信息化取得了一定進(jìn)展，信息技術(shù)應(yīng)用達(dá)到一定的水平。但從總體上看，信息化發(fā)展水平還較低，遠(yuǎn)不能滿足建設(shè)現(xiàn)代隧道管理體系的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 基礎(chǔ)薄弱

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范弱：雖然出臺(tái)了部分標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），能夠解決某些點(diǎn)和線上（例如機(jī)電系統(tǒng)）的業(yè)務(wù)信息化問(wèn)題，但總體上覆蓋的范圍有限，缺乏機(jī)電新系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化制定（例如地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)、智慧交通管控系統(tǒng)），不能為智慧地下道路系統(tǒng)建設(shè)提供全局的指導(dǎo)。

硬件設(shè)施弱：目前已經(jīng)建成的信息系統(tǒng)，大都采用了“煙囪式”架構(gòu)，每一個(gè)IT 系統(tǒng)都有自己的存儲(chǔ)和IT 設(shè)備，以及獨(dú)立的管理工具和數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)之間基本無(wú)法共享數(shù)據(jù)和信息，利用率較低，維護(hù)成本高，總體上硬件設(shè)施比較薄弱，無(wú)法滿足現(xiàn)代隧道運(yùn)營(yíng)管理的需求。

應(yīng)用軟件弱：首先是應(yīng)用軟件覆蓋的業(yè)務(wù)范圍非常有限；其次是應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)化程度低。

保障措施弱：一方面，專業(yè)人才隊(duì)伍缺乏；另一方面，信息系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理制度不盡完善，配套資金常常不能滿足實(shí)際需要，缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。

由于信息化基礎(chǔ)整體薄弱，隧道行業(yè)監(jiān)管嚴(yán)重地依賴于人工工作，自動(dòng)化水平整體不高，影響了業(yè)務(wù)效率和業(yè)務(wù)水平，影響到智慧地下道路系統(tǒng)的發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)資源化水平低

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低：除個(gè)別業(yè)務(wù)領(lǐng)域外，在隧道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)、辦公和公眾服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，都沒(méi)有形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化所需的標(biāo)準(zhǔn)體系。

數(shù)據(jù)可共享水平低：由于“煙囪式”架構(gòu)在已建成信息系統(tǒng)中的廣泛采用，導(dǎo)致不同的信息系統(tǒng)各自使用獨(dú)立的信息資源，包括各類數(shù)據(jù)資源。系統(tǒng)之間沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，缺乏數(shù)據(jù)交換與共享，難以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的協(xié)同。

數(shù)據(jù)整合水平低：數(shù)據(jù)由不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生、管理和維護(hù)，且“煙囪式”架構(gòu)導(dǎo)致不同業(yè)務(wù)應(yīng)用的資源難以共享，從而影響了數(shù)據(jù)資源的整合水平。

數(shù)據(jù)深度分析和利用水平低：已開(kāi)展的數(shù)據(jù)深度分析和利用工作總體上深度不足，對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)作用有限，尚不具備有效支撐交通運(yùn)輸管理決策的能力。

總體上看，目前隧道領(lǐng)域的“信息孤島”現(xiàn)象較為嚴(yán)重，數(shù)據(jù)和信息的資源化水平總體不高，給交通數(shù)據(jù)的綜合利用構(gòu)成了障礙。

2 與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)系分析

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，智慧地下道路系統(tǒng)建設(shè)將以隧道綜合管控和道路保暢為導(dǎo)向，提供環(huán)境監(jiān)測(cè)、事件預(yù)防、事故處置、誘導(dǎo)指揮、機(jī)電運(yùn)維的綜合能力。從預(yù)防角度實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控自動(dòng)化，從處置角度實(shí)現(xiàn)事件處置智能化，從運(yùn)維角度實(shí)現(xiàn)隧道資產(chǎn)管理數(shù)字化。

在保證數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)一致性的前提下，充分利用隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的交通流數(shù)據(jù)、視頻信息以及原有隧道綜合監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，打通兩大系統(tǒng)，建立公共的信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

新增全息感知智能化設(shè)備，采用大數(shù)據(jù)算法模型分析提升預(yù)測(cè)預(yù)警、狀態(tài)研判能力，提升交通運(yùn)行管控效率，實(shí)現(xiàn)更智能的決策功能，采用領(lǐng)先的定位導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧交通引導(dǎo)，采用AI 視頻分析技術(shù)提升隧道防災(zāi)應(yīng)急處置能力，采用聯(lián)控動(dòng)控制管控技術(shù)實(shí)現(xiàn)全壽命周期的智慧養(yǎng)護(hù)管理，見(jiàn)圖1。

圖1 與隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)系

3 智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

發(fā)展智慧地下道路系統(tǒng)，促進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通發(fā)展，讓人民群眾出行更便捷。打破傳統(tǒng)的“煙囪式”條塊分割，在系統(tǒng)層面做到隧道行業(yè)信息系統(tǒng)整合和交通數(shù)據(jù)開(kāi)放共享。

結(jié)合隧道行業(yè)信息化、智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)及規(guī)劃項(xiàng)目現(xiàn)狀，基于現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，特別是云計(jì)算/ 大數(shù)據(jù)、云邊端的參考架構(gòu)，本文提出了智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)的總體框架體系，可以概括為“五層三體系”[3]。系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

“五層”分為數(shù)據(jù)感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、邊緣計(jì)算層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

“三體系”分別是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、信息安全體系及管理制度體系。

3.1 數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)采集和感知設(shè)施主要分為自采和共享兩個(gè)方面。

（1）自采：主要依靠數(shù)據(jù)采集設(shè)施來(lái)采集隧道里的數(shù)字化信息，包括基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化信息、交通視頻、氣象信息、交通流狀態(tài)、交通事件、交通環(huán)境、交通運(yùn)行管控等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）共享：是指從其他系統(tǒng)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。

信息發(fā)布及執(zhí)行設(shè)施：包括情報(bào)板、廣播、電子指示標(biāo)志、微信/微博等公眾號(hào)以及互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站服務(wù)等。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層，依托云平臺(tái)資源和本地專用硬件設(shè)備等，用于承載數(shù)據(jù)、公共信息平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的正常運(yùn)行。包括計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全、云服務(wù)等IT 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備；通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò)通信能力實(shí)現(xiàn)終端、設(shè)備、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等互聯(lián)互通，涉及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)以及其他專網(wǎng)等，讓隧道各業(yè)務(wù)部門(mén)協(xié)同互通。

虛擬化資源池的基礎(chǔ)設(shè)施包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源以及配套的機(jī)房、機(jī)架或機(jī)柜、供配電、空調(diào)、門(mén)禁等。貫徹基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）的設(shè)計(jì)思想，將包括主機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)及其他硬件在內(nèi)的硬件設(shè)備虛擬化、云化、池化，形成一個(gè)彈性的基礎(chǔ)設(shè)施資源池，并通過(guò)云管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控。

智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)需要的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是高度智能化、具有高度柔性和適應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)，包括專用網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，覆蓋有線和無(wú)線網(wǎng)。滿足可擴(kuò)充性和靈活性、具備高安全性、確保服務(wù)質(zhì)量保證（QoS）以及高效的可管理性。

3.3 數(shù)據(jù)資源層

支持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全局統(tǒng)一的采集、存儲(chǔ)和服務(wù)，包括數(shù)據(jù)抽?。ㄇ逑? 轉(zhuǎn)換/ 加載）、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)集市，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、主題數(shù)據(jù)庫(kù)等，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括視頻、圖片、文檔等，建立起元數(shù)據(jù)管理。

建成全面、完善、權(quán)威的隧道行業(yè)公共信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)之間信息共享與交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合管理和綜合應(yīng)用，為各級(jí)管理機(jī)構(gòu)提供輔助決策支持、為公眾交通信息服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持，提供了打破傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的煙囪式布局的有效途徑。

建立規(guī)范可行的數(shù)據(jù)采集機(jī)制、數(shù)據(jù)更新機(jī)制、數(shù)據(jù)共享機(jī)制，從根本上保證交通數(shù)據(jù)資源的全面規(guī)范采集、及時(shí)有效更新、合理共享與交換。

3.4 邊緣計(jì)算層

可實(shí)現(xiàn)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自數(shù)據(jù)感知層的數(shù)據(jù)流，提供智能感知、安全隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)分析、智能計(jì)算、過(guò)程優(yōu)化和實(shí)時(shí)控制等服務(wù)。邊緣計(jì)算層包括邊緣網(wǎng)關(guān)/ 邊緣控制器/ 邊緣云/ 邊緣傳感器等設(shè)備，封裝邊緣側(cè)的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。此外，還包括邊緣管理器軟件，主要是提供業(yè)務(wù)編排或直接調(diào)用的能力，操作邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成任務(wù)。

3.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括隧道管理的主要業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)。業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)是對(duì)業(yè)務(wù)處理過(guò)程進(jìn)行針對(duì)性支持的信息系統(tǒng)，是完成具體工作的工具。工作人員能夠使用信息化工具，將交通基礎(chǔ)設(shè)施作為一種資源進(jìn)行全方位的管理，也能對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)的全過(guò)程提供信息化支撐。

智慧應(yīng)用系統(tǒng)基于融合的交通大數(shù)據(jù)和統(tǒng)一的支撐工具，提供交通運(yùn)行管控、交通引導(dǎo)、節(jié)能控制、隧道消防、養(yǎng)護(hù)管理及可視化等業(yè)務(wù)應(yīng)用，形成業(yè)務(wù)覆蓋全面、重點(diǎn)突出、兼具分析廣度和深度的體系化、自動(dòng)化、智能化的分析應(yīng)用體系，為隧道運(yùn)營(yíng)管理者提供科學(xué)規(guī)劃與決策的依據(jù)。

3.6 渠道層

渠道層面向終端用戶提供訪問(wèn)智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)的用戶界面，包括內(nèi)部用戶和公眾用戶。支持包括個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）和移動(dòng)終端（智能手機(jī)、平板電腦等）的多種手段，以及客戶端（Client）、瀏覽器和移動(dòng)應(yīng)用（APP）等形式。

信息發(fā)布設(shè)備包括：設(shè)置在交通基礎(chǔ)設(shè)施沿線現(xiàn)場(chǎng)的情報(bào)板、控制中心/ 服務(wù)區(qū)的大屏、信息發(fā)布網(wǎng)站、移動(dòng)APP、微信/ 微博公共號(hào)、短信、廣播、電子指示標(biāo)識(shí)以及導(dǎo)航地圖類第三方互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件。

3.7 信息安全體系

信息安全體系是智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障和必要條件。依據(jù)《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》、《信息安全等級(jí)保護(hù)管理辦法》（公通字[2007]43 號(hào)）和最新的網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全要求，全面評(píng)估系統(tǒng)安全威脅對(duì)三類受侵害客體的侵害程度，綜合確定系統(tǒng)的安全保護(hù)等級(jí)，在此基礎(chǔ)上制定智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)的信息安全策略，確保信息系統(tǒng)的安全，特別是數(shù)據(jù)安全。

構(gòu)建統(tǒng)一的安全平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一入口、統(tǒng)一認(rèn)證和統(tǒng)一授權(quán)等功能，使智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)生產(chǎn)流程在受控和受保護(hù)的情況下進(jìn)行，為平安智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)、有效的安全服務(wù)，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

根據(jù)《大數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)》，保障數(shù)據(jù)不被竊取、破壞和濫用，以及系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，需要構(gòu)建包括系統(tǒng)層面、數(shù)據(jù)層面和服務(wù)層面的大數(shù)據(jù)安全框架，從技術(shù)、管理和運(yùn)行等方面多維度保障應(yīng)用和數(shù)據(jù)安全。

3.8 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

隧道行業(yè)智慧化信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系主要包括以下幾方面：

（1）充分利用現(xiàn)有的ICT（信息通信技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，包括但不限于通信工程、系統(tǒng)與軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

（2）在充分利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)隧道行業(yè)特點(diǎn)和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系的不足，加以必然的完善，并補(bǔ)充必要的新標(biāo)準(zhǔn)。

3.9 管理制度體系

建立完善的管理制度體系，包括管理制度、管理機(jī)構(gòu)、人員管理、系統(tǒng)建設(shè)管理和系統(tǒng)運(yùn)維管理。安全管理和服務(wù)應(yīng)滿足網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0 對(duì)管理方面的要求。

以云計(jì)算平臺(tái)上線正式運(yùn)行后的常態(tài)化安全保障工作為目標(biāo)，針對(duì)自評(píng)、測(cè)評(píng)、審計(jì)、檢查、加固等各服務(wù)環(huán)節(jié)，建立適合智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)管理運(yùn)維的常態(tài)化檢測(cè)和安全服務(wù)機(jī)制。

4 結(jié) 語(yǔ)

智慧地下道路系統(tǒng)系統(tǒng)的建設(shè)不是傳統(tǒng)系統(tǒng)那樣的“煙囪式”布局，不能依靠設(shè)備堆砌方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是需要有統(tǒng)一的、開(kāi)放的、適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的系統(tǒng)架構(gòu)。在新興技術(shù)的推動(dòng)發(fā)展下，智慧地下道路系統(tǒng)的發(fā)展前景廣闊，潛力巨大，將有效的提升隧道體驗(yàn)者的服務(wù)水平和隧道運(yùn)營(yíng)管理者的管理水平。