基于GIS可視化的高速公路監(jiān)控調度指揮系統(tǒng)應用研究

李 嘉 周 正 蔡洛森 吳光榮

(1.四川鐵投信息技術產業(yè)投資有限公司 成都 610041； 2.四川易利數字城市科技有限公司 成都 610041)

在2020年升級優(yōu)化高速公路收費及信息服務體系，全面實現(xiàn)了全國高速公路“一次通行、一次扣費、一次告知”的嶄新運營管理格局的“一張網”形勢下，調度指揮、應急處置等關鍵性的需求正在成為高速運行保障關注的焦點。相對于迅速擴大的路網規(guī)模，高速公路整體數字化水平仍顯落后，尤其是全國高速公路基本完成“視頻上云”工程之后，監(jiān)控系統(tǒng)直接服務廣大公眾用戶的技術能力尤為不足，究其原因主要在于三方面：①大量應用的傳統(tǒng)電子地圖難以解決橋梁、隧道或者復雜地形地貌場景下的交通信息立體化展示；②仍有相當規(guī)模的老舊、傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術性能不能有效支撐新型地理信息化應用；③現(xiàn)有系統(tǒng)信息要素集成度不夠全面，高速公路時空化大數據分析還不能充分開展。

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)以其二、三維融合建模的技術特點，輔之以高精度定位、空間對象立體化展示，在實現(xiàn)高級空間分析功能應用領域具有顯著的技術優(yōu)勢，隨著三維可視化技術日漸成熟、三維數據來源日益完善，高性能存儲計算環(huán)境建造成本日漸降低，二、三維一體的GIS可視化已成為高速公路監(jiān)控領域技術應用新趨勢[1]。

本次開發(fā)應用以四川省東北部某高速公路作為實踐場景，該高速公路全長約140 km，途經盆地、丘陵和山區(qū)，橋梁和隧道占路線總長比例為36%，其中有2個5 km以上的特長隧道，道路形態(tài)非常全面。

1 應用現(xiàn)狀

1.1 國外研究應用現(xiàn)狀

國外非常重視交通運輸信息技術的發(fā)展和應用，基本上形成了以美國、日本和歐洲等3大研發(fā)應用技術路線，主要體現(xiàn)為:對交通信息化、智能化建設給予明確、連續(xù)的政策支持，并針對自身特點和發(fā)展從國家戰(zhàn)略層面開展規(guī)劃設計；交通信息化應用領域不斷拓展，公路養(yǎng)護管理與安全管理效果明顯；積極、廣泛開展面向公眾的信息服務。

1.2 國內研究應用現(xiàn)狀

我國交通信息化起步于二十世紀九十年代，由交通部牽頭將衛(wèi)星定位技術應用于車輛管理領域的研究，開啟了衛(wèi)星定位的大規(guī)模應用潮流，交通信息化建設大幕由此拉開。近20年來,我國交通基礎設施建設和運輸裝備發(fā)展十分迅速,信息技術應用得到大力推廣，信息資源開發(fā)利用水平也不斷提高，交通信息采集與監(jiān)控、資源整合開發(fā)與利用、運行綜合分析和信息服務等方面已取得矚目成就[2]。交通信息化的發(fā)展以成熟技術的大規(guī)模應用和新技術開發(fā)為核心，以信息感知、車路協(xié)同、綠色交通等關鍵技術的開發(fā)、應用和推廣為重點[3]。以新的管理理念全面推進行業(yè)科技管理體制機制改革，以科技創(chuàng)新引領支撐行業(yè)提質增效、轉型升級，以信息化、智能化引領交通運輸現(xiàn)代化的發(fā)展。

在高速公路領域，語音、視頻監(jiān)控等傳統(tǒng)調度指揮方式，進入了基于GIS系統(tǒng)的“一張圖”應急指揮新模式[4]。

2 系統(tǒng)構成

二、三維一體的GIS可視化服務提供B/S結構的WebGIS開發(fā)框架，以及Android、iOS等移動客戶端開發(fā)框架。基于該服務可以輕松實現(xiàn)功能豐富的二、三維地圖一體化集成發(fā)布，實現(xiàn)在線、離線一體化應用，是政企開展空間信息可視化應用開發(fā)活動較為理想的技術選擇[5]。

2.1 技術路徑

二、三維一體的GIS可視化服務由數據庫、服務端和管理工具三部分組成。所有的空間數據和屬性數據都存放在數據庫中。其中空間數據以自定義格式編碼，存儲在數據表域段中。服務端向客戶端提供了對圖層、地圖的顯示配置，圖例庫等對象的創(chuàng)建、刪除、獲取、更新、枚舉等操作。管理工具則用于進行數據庫的常規(guī)管理，例如數據初始化、數據庫修復、狀態(tài)監(jiān)測及用戶權限管理。

在高速公路日常監(jiān)控管理業(yè)務中既有對整個路段全域的監(jiān)控可視化需求，還有對具體細節(jié)場景的可視化要求[6]。二維層面需要具備高速公路的平面信息，包括路段編號、公里樁號、樞紐及站點編號等；三維層面則實現(xiàn)對公路路體尤其是橋梁、隧道等重要結構體的細節(jié)掌控，可采用一些成熟的商用三維模擬工具(如BIM、3Dmax)對高速公路重點對象進行可視化展示，進而實現(xiàn)數字孿生場景應用，例如，在隧道中通過可編程控制系統(tǒng)對設備設施進行操控并將實時數據反饋到三維孿生場景。本次GIS可視化實踐研發(fā)基本技術操作路徑見圖1。

圖1 基本技術路徑

在云環(huán)境下，利用業(yè)務驅動執(zhí)行多層次可視化任務，采用OpenGL和DirectX作為底層渲染庫，二、三維一體的GIS可視化服務會根據自適應調度與適配機制選擇最優(yōu)底層渲染庫，將最好的硬件性能完全釋放。使用圖形處理(graphic processing，GPU)對三維場景渲染，由于GPU具有高并行結構(highly parallel structure)，因此GPU在圖形圖像處理和復雜數據運算方面比CPU更高效。使用計算處理(central processing，CPU)執(zhí)行空間查詢、分析、預測等算法。本次研究實踐的可視化服務調度管理方法見圖2。

圖2 可視化服務調度管理

靜態(tài)地圖可視化基本流程為：在GIS體系下的三維坐標內，以地圖輸出設備為視點，根據當前坐標及高度參數，對其視點畫面范圍內的三維物體進行數據抽取、裝載，給定光源、照明模式、紋理等其他參數，最終可將三維物體渲染為地圖形態(tài)。

動態(tài)地圖可視化基本流程為：矢量數據導入后可能存在數據位置不準確情況，需先進行圖元位置調整；其次，基于材質庫服務進行必要的圖元樣式調整；定義顯示級別并管理圖元顯示信息；針對數據關系，實現(xiàn)類別自動關聯(lián)；最后，實現(xiàn)業(yè)務數據的屬性掛接，以及圖元數據與物聯(lián)采集數據的實時掛接。

2.2 關鍵技術

2.2.1二、三維一體GIS支撐技術

通過使用二、三維一體化的GIS支撐引擎，實現(xiàn)數據存儲、數據管理、可視化分析等多功能，例如：二、三維場景構建、場景管理、模型樣式、模型視角、模型與屬性關聯(lián)；二、三維空間分析；二、三維呈現(xiàn)、渲染、控制、查詢、透視、動畫等。

2.2.2GIS可視化處理技術

通過優(yōu)化數據、計算與繪制資源，支撐多模態(tài)、全空間時空數據自適應可視化。實現(xiàn)基礎地理信息空間化和空間/非空間元素可視化，以良好形態(tài)展現(xiàn)給用戶。

2.2.3視頻整合技術

事先設計定義統(tǒng)一的應用框架內部服務接口，通過驅動模塊將需要接入的設備和平臺的各種不同視頻流協(xié)議轉為內部統(tǒng)一協(xié)議，并對多個品牌設備的視頻流進行統(tǒng)一標準化轉碼。良好的服務接口將能實現(xiàn)各功能模塊之間的松耦合，將前端設備抽象成設備驅動層，更易于接入新的前端設備，同時實現(xiàn)與第三方監(jiān)控平臺的必要聯(lián)動控制。

2.3 主要功能

高速公路監(jiān)控應急調度指揮應用系統(tǒng)的主要功能設置如下。

2.3.1地圖基本操作

基于二、三維一體化GIS支撐引擎，實現(xiàn)放大、縮小、平移、聚焦等基本操作。

2.3.2圖層接入與展示

通過業(yè)務應用數據接入業(yè)務應用系統(tǒng)數據，主要包括視頻監(jiān)控點位圖層、情報板、路政車輛、收費站、服務區(qū)、互通立交、物資倉庫、醫(yī)院、公安交管、施工或管制、應急突發(fā)事件、路況通阻等信息，將其在基礎路網上疊加展示。還應當實現(xiàn)各個專題圖層的顯示控制，例如切換某專題圖層的顯示和隱藏狀態(tài)，或同時疊加多個圖層，系統(tǒng)地圖界面見圖3。

圖3 疊加圖層后的實景效果

2.3.3空間查詢搜索

基于二、三維一體化GIS支撐引擎，在地理視圖下支持空間框選、圓形、多邊形、點選等空間查詢繪制，基于空間范圍條件進行二維數據的查詢，其結果在二維或三維視圖下展示。另外，應實現(xiàn)圖層上信息文字的搜索和快速定位。

空間查詢與搜索主要通過基于柵格數據的GIS空間分析算法來實現(xiàn)，GIS中許多數據都用柵格格式表示，包括數字高程數據、衛(wèi)星影像、數字正射影像、掃描地圖和圖形文件。二、三維一體化GIS支撐引擎能同時支持柵格數據和矢量數據，并可以在柵格數據和矢量數據之間相互轉換。柵格數據將許多空間數據分析方法引入到GIS中。矢量、棚格2種數據相結合是現(xiàn)代GIS應用的普遍趨勢。

由于其自身結構特點，在數據處理與分析中，通常使用線性代數的二維數字矩陣分析法作為數據分析處理基礎，其自動分析處理易用、高效，且分析處理模式化、自動化程度較強。通常對柵格數據可以進行局部運算、鄰域運算、分帶運算、距離、體積量測運算。伴隨空間分析方法的擴展，還可使用柵格數據開展空間自相關分析、路徑分析、神經網絡分析等。

2.3.4視頻播放應用

支持多種畫面分割方式，同時顯示播放多個攝像機點位視頻。具備視頻監(jiān)控畫面監(jiān)視、輪巡監(jiān)視、視頻回放和顯示大屏解碼上墻等功能。

2.3.5應急調度指揮

對路段內道路救援車輛、信息發(fā)布設備、視頻設備、廣播、語音通話設備、單兵設備、應急物資、處置力量等進行掌控，實現(xiàn)應急調度指揮功能的全流程可視化，包括應急事件從上報到處理直至完結歸檔的完整流程，實現(xiàn)事件回溯、任務定義、預案編制、事件分析，主要功能有：

1) 事件智能監(jiān)測。接入整合高速公路視頻監(jiān)控資源，并通過視頻AI分析，對追尾、違停、行人上高速等事件進行自動監(jiān)測分析，并告警。

2) 應急預案管理與調用。對應急事件指揮、交通暢通調度等預案進行管理，包括事件類型、處置流程、協(xié)同部門、通知方式等信息的管理，根據事件特征，自動調用相應預案，通知相應外場人員。

3) 指揮調度。通過整合信息發(fā)布設備、視頻設備、廣播設備、單兵通訊設備及其管理系統(tǒng)，形成融合通訊指揮系統(tǒng)，開展應急指揮、實時調度。

2.3.6監(jiān)測數據可視化

通過GIS地圖和高速業(yè)務數據的結合，實現(xiàn)高速公路運行監(jiān)測、業(yè)務開展等各類指標數據的綜合分析和可視化呈現(xiàn)。例如，多形態(tài)高速路網簡圖、車流量和趨向統(tǒng)計分析、特定OD出行時間分布統(tǒng)計分析、路段通阻狀況分析展示、事故多發(fā)地點統(tǒng)計分析展示、視頻多媒體展播、事件處置過程詳情動態(tài)展示等。

2.3.7設備管理和信息發(fā)布

對高速公路外場監(jiān)控設施設備實現(xiàn)數字化集中管理。完成技術參數、網絡屬性、空間地理位置、規(guī)則權限的臺賬化，在有接口服務條件下實現(xiàn)設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測。同時，在設備管理基礎上構建統(tǒng)一信息發(fā)布能力，規(guī)范信息發(fā)布流程，實現(xiàn)對高速公路LED情報板、車道標志、廣播系統(tǒng)等設備的操作控制。

3 應用效果

基于GIS形態(tài)操作界面，開發(fā)軟件系統(tǒng)成功實現(xiàn)日常安全巡邏、設備維護、信息處理、事件處置、監(jiān)控運行等一系列日常業(yè)務功能。結合GIS空間分析能力，對整個道路路況、車流狀況、交通事故、預警信息、施工情況、特殊車輛、外場設備情況等指標信息以圖表形式進行呈現(xiàn)?；诘缆芬曨l監(jiān)控設備、流量監(jiān)測設備、人工上報等實時數據，融合歷史數據，通過數據分析和挖掘,對道路交通狀態(tài)進行分析，模擬指揮干預之后的效果。根據當前的整個網絡交通狀況評估及變化趨勢，結合誘導和管制的措施推算出調度后的交通路況信息，并模擬生成道路運行狀態(tài)，進而支持科學決策。結合相關數據算法，可進一步對高速公路通阻狀態(tài)、物資配置要求進行前瞻預測分析，更有意義的是實現(xiàn)了人力物資科學化配比、精準化調度。

應急調度指揮業(yè)務支持日常巡檢、響應、恢復、復盤等場景和流程，可針對事件類別自動通過時間空間信息快速計算出醫(yī)院、巡邏車、物資倉庫、入出口的最優(yōu)選擇，并實現(xiàn)快捷調度通訊。同時，在監(jiān)控指揮中心大屏上顯示外場的固定端和移動端視頻實時畫面，在GIS地圖上顯示處置救援人員的移動軌跡，最終體現(xiàn)對應急處置流程的實質性監(jiān)控，應用系統(tǒng)實現(xiàn)效果見圖4。

圖4 高速公路監(jiān)控調度指揮系統(tǒng)

本系統(tǒng)實時反饋路況信息，快速精準定位，智能化形成最優(yōu)處置方案，減少流程成本，其中多人調度耗時從系統(tǒng)應用前的10 min減少至3 min以內，同時增強高速公路公眾服務水平，帶來了更好的用戶體驗感受。本系統(tǒng)的應用更是直接降低企業(yè)相關成本開銷，例如：事故誤報率下降40%左右，外場路巡頻次降低30%左右，車輛、能源損耗顯著降低。初步估算，應用本系統(tǒng)的高速公路每年整體降低運營開銷超過80萬元。

4 結語

采用二、三維一體的GIS可視化技術，立足于高速公路監(jiān)控運行和調度指揮的業(yè)務流程及實際需求，積極采用視頻智能分析、物聯(lián)感知數據集成和大數據分析技術，成功開發(fā)了高速公路監(jiān)控調度指揮系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)在四川某高速公路投入使用之后，初步形成了路段監(jiān)控中心的集約化、一體化調度指揮能力，基本實現(xiàn)了路段運行狀態(tài)實時監(jiān)測能力，此外，GIS可視化的運用極大改善了系統(tǒng)用戶的操作體驗，信息獲取反饋更加精準、全面，操作指令下達更加高效、便捷。此次實踐有力推動了高速公路運營管理的提質增效，更為即將開展的集團企業(yè)數字化轉型升級提供了成功示范。