智慧高速公路大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)淺析

徐雷 俞佳成 鄭加威 周晨陽 張國棟 田旭

摘 要：智慧高速公路大數(shù)據(jù)平臺(tái)是高速公路智慧化的核心內(nèi)容之一，其建設(shè)內(nèi)容以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)為支撐，通過數(shù)據(jù)交換與處理、存儲(chǔ)治理、決策仿真等手段，實(shí)現(xiàn)信息共享、決策輔助、主動(dòng)響應(yīng)、服務(wù)完善等高速公路智慧化內(nèi)容。從智慧高速公路大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)需求出發(fā)，提出智慧高速公路總體結(jié)構(gòu)，并從業(yè)務(wù)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)邏輯框架、技術(shù)邏輯架構(gòu)等多方面分析了智慧高速大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與建設(shè)概況，為高速公路的智慧化改造做出積極探索。

關(guān)鍵詞：智慧高速;大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè);大數(shù)據(jù)構(gòu)架設(shè)計(jì);云計(jì)算

中圖分類號(hào)：U422.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0107-04

0 引言

2019年底，全國范圍內(nèi)基本完成高速公路取消省界收費(fèi)站的工作，標(biāo)志著國內(nèi)高速公路向自由流收費(fèi)走出了扎實(shí)的一步。目前，吉林、北京、河北、河南、浙江、江蘇等省都在開展智慧公路的試點(diǎn)工程建設(shè)，其中浙江省的智慧化提升與建設(shè)主要集中在滬杭甬、杭紹甬[1]、杭州繞城西復(fù)線、杭紹臺(tái)、杭金衢這五條高速公路。那么智慧高速公路應(yīng)該智慧在哪里呢？是實(shí)現(xiàn)自由流收費(fèi)，還是實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)駕駛的全面支持？是智慧的交通態(tài)勢管理，還是智慧的交通擁堵誘導(dǎo)？當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)對智慧高速的定義還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文將從大數(shù)據(jù)平臺(tái)助力高速公路智慧化角度出發(fā)理解智慧高速公路的定義。

既然要建設(shè)智慧高速公路，首先就要有明確的定義。如圖1所示，智慧高速是智慧交通的分支，而智慧交通又在智慧城市的范疇內(nèi)。因此為了更清楚地描述智慧高速，從介紹智慧城市開始，簡述智慧交通，最后引出智慧高速相關(guān)內(nèi)容。

1 概述

1.1 智慧城市

2008年11月，萬國商業(yè)機(jī)器公司（International Business Machines? Corporation， IBM）提出了“智慧地球”的理念，包括物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化三大要素。2010年，IBM正首次提出“智慧的城市”的遠(yuǎn)景[2-4]，喚起了全世界各地建設(shè)智慧城市的熱潮。我國的智慧城市建設(shè)歷程從2008年至今分為3個(gè)發(fā)展階段。

第一階段：2008年～2012年為主，以智慧城市概念化和逐步導(dǎo)入為階段主要業(yè)態(tài)，各行業(yè)積極推進(jìn)傳統(tǒng)模式向數(shù)字化模式改革，該階段通過分散建設(shè)為我國智慧城市發(fā)展打下地基。

第二階段：2012年～2015年為主，以試點(diǎn)模式逐步探尋智慧城市建設(shè)為階段主要業(yè)態(tài)，在智慧城市相關(guān)行業(yè)管理部門的指導(dǎo)下，各行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域摸索多跨聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)共享，智慧城市發(fā)展步入穩(wěn)定建設(shè)階段。

第三階段：從 2016 年至今，智慧城市實(shí)施路徑、建設(shè)思路、運(yùn)行模式、發(fā)展理念全方位升級更迭，進(jìn)入?yún)f(xié)同創(chuàng)新、統(tǒng)籌集約、成效導(dǎo)向、以人為本的智慧城市建設(shè)新征程。

由此可見，我國對智慧城市的理解已經(jīng)從傳統(tǒng)的“智慧城市”發(fā)展到“新型智慧城市”階段。國家層面更是以“六個(gè)一”的新型智慧城市的為核心建設(shè)理念[5]，即“一個(gè)體系架構(gòu)、一張?zhí)斓匾惑w的柵格網(wǎng)、一個(gè)通用功能平臺(tái)、一個(gè)數(shù)據(jù)集合、一個(gè)城市運(yùn)行中心、一套標(biāo)準(zhǔn)”。

1.2 智慧交通

20世紀(jì)90年代初，美國提出了智能交通（Intelligent Transport System，ITS）的概念，到了2009年，IBM提出了智慧交通的理念[3]。目前行業(yè)內(nèi)對智能交通、智慧交通沒有統(tǒng)一的定義，但普遍認(rèn)為智慧交通是由智能交通發(fā)展而來。

智能交通系統(tǒng)將人、車、路三者互聯(lián)互通。在系統(tǒng)中運(yùn)用交通工程、計(jì)算機(jī)處理、電子控制、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位、電子傳感、數(shù)據(jù)通信傳輸、信息等技術(shù)，并將這些技術(shù)高效地融合，在整個(gè)交通管理系統(tǒng)中有效集成和應(yīng)用一系列技術(shù)，使人、汽車、道路密切合作，實(shí)現(xiàn)和諧統(tǒng)一，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，顯著提高交通效率，確保交通安全，改善交通環(huán)境，提高能源利用效率。

2019年7月，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》（交規(guī)劃發(fā)〔2019〕89號(hào)）[6]，明確數(shù)字交通是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域，是以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素和核心驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)代交通系統(tǒng)，促進(jìn)物理與虛擬空間交通活動(dòng)的持續(xù)整合和互動(dòng)。提出按照鞏固、加強(qiáng)、改進(jìn)、暢通八字政策，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，堅(jiān)持促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展，以人為本，以創(chuàng)新為第一動(dòng)力，促進(jìn)先進(jìn)信息技術(shù)與交通深度融合，以數(shù)據(jù)鏈為主線，構(gòu)建數(shù)字采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和智能應(yīng)用系統(tǒng)，加快數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)、智能發(fā)展，支持交通力量建設(shè)。

2019年9月，國務(wù)院發(fā)布《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》[7]，其中在科技創(chuàng)新方面提出要鼎力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)超級計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，構(gòu)建泛在先進(jìn)的交通信息基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建綜合交通大數(shù)據(jù)中心體系，深化交通公共服務(wù)體系和電子政務(wù)發(fā)展，推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。

1.3 智慧高速

高速公路作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要分支內(nèi)容，其智慧化建設(shè)的意義與智慧交通密不可分。各城市在新型智慧城市和智慧交通的建設(shè)內(nèi)容中都提到了要利用新技術(shù)建設(shè)大數(shù)據(jù)中心體系。

在浙江，部分交通相關(guān)從業(yè)者和學(xué)者致力于探索智慧高速的應(yīng)用場景。不同的高速公路中有共性的應(yīng)用場景，也有個(gè)性化的應(yīng)用場景，而這些場景要達(dá)到既定的應(yīng)用效果，離不開底層數(shù)據(jù)的支撐。而數(shù)據(jù)來源于高速公路上的各種智能感知設(shè)備，數(shù)據(jù)的抓取需要利用網(wǎng)絡(luò)化的傳輸體系，將全周期的高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街腔鄹咚俅髷?shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、治理和分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“以人為本”的智慧化高速公路。

“交通強(qiáng)國”是智慧高速公路發(fā)展的最終目標(biāo)，交通運(yùn)輸部發(fā)布的《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》中提到：到2025年，交通基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)載裝備要向全要素、全周期的數(shù)字化升級邁出新步伐，數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系基本形成;到2035年，交通基礎(chǔ)設(shè)施要完成全要素、全周期數(shù)字化，天地一體的交通控制網(wǎng)基本形成，按需獲取的即時(shí)出行服務(wù)廣泛應(yīng)用。因此智慧高速“智慧”的核心在于如何獲取并利用高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為高速公路的管理者和使用者提供人性化的服務(wù)。

2 智慧高速總體構(gòu)架

在數(shù)據(jù)為王的大數(shù)據(jù)時(shí)代，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在交通領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用為智慧高速注入了全新的技術(shù)內(nèi)涵，圖2顯示了智慧高速公路的整體架構(gòu)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)研究和人工智能的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和應(yīng)用，智能高速公路的新應(yīng)用層出不窮[8-9]。智慧高速公路將為大眾提供更安全、綠色、高效、敏捷的出行環(huán)境，在交通運(yùn)營管理優(yōu)化、車輛和出行者智能服務(wù)等方面創(chuàng)造更好的生活。

2.1 業(yè)務(wù)構(gòu)架

首先得明確業(yè)務(wù)的使用對象，不同的用戶角色的需求也不盡相同。本文把智慧高速公路的使用對象歸納為三類，即行業(yè)管理部門、高速公路運(yùn)營管理公司和社會(huì)公眾，如圖3所示。

2.1.1行業(yè)管理部門

對于省級交通主管部門，最需要掌握的是全省高速公路的總體路況態(tài)勢，以及在出現(xiàn)安全事故的第一時(shí)間高效地開展指揮調(diào)度和應(yīng)急救援工作。對于地方的交通主管部門來講，需要實(shí)時(shí)管控所管轄區(qū)域高速公路的運(yùn)行情況，并開展具體的應(yīng)急保障工作。

2.1.2高速公路運(yùn)營管理公司

高速公路運(yùn)營管理公司是負(fù)責(zé)具體高速公路全生命周期管理的主體，包括高速公路的建設(shè)、管理和養(yǎng)護(hù)等職責(zé)，也迫切需要掌握所運(yùn)營路段的交通態(tài)勢，發(fā)布路段擁堵指數(shù)、施工養(yǎng)護(hù)等信息;同時(shí)，不同的路段所處地理位置不同，建設(shè)情況不同，氣候條件不一，對于管理的需求也會(huì)有針對性的變化。比如在多隧道的路端需要加強(qiáng)對隧道的監(jiān)控，在山區(qū)環(huán)境中需要考慮團(tuán)霧、冰雪等氣象問題對通行的影響等。

2.1.3社會(huì)公眾

社會(huì)公眾是高速公路的真正使用者，對于司乘人員來講，如何安全快速地到達(dá)目的地是他們最原始的需求，其中包含對高速公路關(guān)聯(lián)服務(wù)的需求，比如貨車司機(jī)、長途大巴司機(jī)等在服務(wù)區(qū)的休息、用餐等日常生活體驗(yàn)的舒適性、安全性等需求。智慧高速的建設(shè)應(yīng)該讓社會(huì)公眾感覺到“智慧”。

要滿足上述各方面的需求，最基本的條件是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，全網(wǎng)高速路段的交通態(tài)勢分析需要全方位地?cái)?shù)據(jù)共享和挖掘分析。各個(gè)主管部門和公路運(yùn)營管理公司應(yīng)以社會(huì)公眾的服務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，盡可能地打破數(shù)據(jù)共享的壁壘，發(fā)揮個(gè)體數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，打造出完整的面向公眾的智慧高速應(yīng)用服務(wù)。

2.2 技術(shù)構(gòu)架

結(jié)合智慧高速總體架構(gòu)和業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，智慧高速技術(shù)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2.1數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施

在目前智慧高速的建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)感知層主要是指來通過路和環(huán)境的智能傳感設(shè)備的感知數(shù)據(jù)，也包括來自人和車的數(shù)據(jù)。人的數(shù)據(jù)包括駕駛行為、社交平臺(tái)發(fā)布的高速相關(guān)信息等數(shù)據(jù);車的數(shù)據(jù)是指來自于車載終端的相關(guān)信息。未來，數(shù)據(jù)之間應(yīng)該是相互連接的，來自于智慧高速綜合計(jì)算的路況數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地通知到人或者車上。

2.2.2智能化運(yùn)行中樞

基礎(chǔ)環(huán)境資源層即云計(jì)算平臺(tái)為智慧高速平臺(tái)及應(yīng)用服務(wù)提供穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境;數(shù)據(jù)管理層即智慧高速大數(shù)據(jù)中心，包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換和共享、數(shù)據(jù)的治理和算法模型的應(yīng)用等;決策服務(wù)層即通過智慧高速大數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析得出的數(shù)據(jù)，為上層應(yīng)用服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐，也是智能化運(yùn)行中樞最終的輸出結(jié)果。

2.2.3智慧化應(yīng)用服務(wù)

將不同對象對智慧高速的需求以信息化的形式輸出就是這個(gè)層面所需要做的事情，包括面向行業(yè)主管部門的管理需求，面向社會(huì)公眾的出行需求，面向公路運(yùn)營管理公司的個(gè)性化需求等，當(dāng)然這些應(yīng)用的成效要依托底層數(shù)據(jù)的質(zhì)量和運(yùn)行中樞的計(jì)算效果。

3 結(jié)語

高速公路智慧化是大數(shù)據(jù)時(shí)代的高速公路新形態(tài)，其中大數(shù)據(jù)構(gòu)架平臺(tái)作為智慧高速公路的核心內(nèi)容之一，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)配置、存儲(chǔ)、處理，為智慧高速公路提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。本文從智慧高速發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，淺析現(xiàn)階段智慧高速大數(shù)據(jù)構(gòu)架平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建設(shè)概況，以供交通從業(yè)者參考。

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