淺探高速公路運(yùn)營管理中的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用

李佳玲LI Jia-ling；巫娜燕WU Na-yan；梅偉MEI Wei

（云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司運(yùn)營分公司，昆明 650000）

0 引言

近年來，隨著“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的不斷深入，我國高速公路建設(shè)高速發(fā)展，通車?yán)锍炭焖僭鲩L，交通基礎(chǔ)設(shè)施日趨完備，但高速公路信息化整體水平還不能很好地適應(yīng)交通發(fā)展趨勢下的運(yùn)營管理需要。主要表現(xiàn)為對高速公路諸多信息化技術(shù)在集成使用過程中，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)資源利用不充分、開發(fā)程度不高等問題。因此，建設(shè)高速公路大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，是充分挖掘交通大數(shù)據(jù)價值及潛力，提升運(yùn)營管理能力的必經(jīng)之路。

以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建高速公路大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，有助于克服現(xiàn)有高速公路信息化各功能系統(tǒng)相對獨立、數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)等弊端，形成整合集中交通大數(shù)據(jù)資源存儲機(jī)制，打破“信息孤島”，盤活數(shù)據(jù)資源，發(fā)揮數(shù)據(jù)效益，為科學(xué)、正確的綜合分析與決策提供輔助支持，加速高速公路運(yùn)營管理由“經(jīng)驗決策”向“數(shù)據(jù)決策”的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)高速公路智慧化、運(yùn)營管理智能化。

1 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺構(gòu)建原則

1.1 技術(shù)先進(jìn)性

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺應(yīng)采用先進(jìn)的、成熟的且可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)方法，并充分體現(xiàn)先進(jìn)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用的思想及理念；要有良好的兼容性、可移植性和升級前景；要保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，功能模塊可平滑擴(kuò)充；并具有良好可擴(kuò)展性能、跨平臺性能。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺應(yīng)遵循統(tǒng)一的開發(fā)規(guī)范和接口標(biāo)準(zhǔn)，各平臺、模塊及現(xiàn)有相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)可通過接口方式實現(xiàn)同步，以保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和信息的一致性；同時具備良好的可管理性和可維護(hù)性，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶自主分配操作人員權(quán)限、管轄范圍等功能，具備多種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的維護(hù)。

1.3 安全易用性

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺運(yùn)行要穩(wěn)定可靠，重要數(shù)據(jù)完整、一致并且可恢復(fù)；界面友好、操作簡單，結(jié)構(gòu)清晰，流程合理，功能一目了然，對操作人員的要求較低，以減少操作人員的工作量，提高可操作性。

2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺概述

2.1 總體架構(gòu)

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺是高速公路數(shù)據(jù)資產(chǎn)的承載體，以現(xiàn)有信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，梳理數(shù)據(jù)信息，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、建立完善的數(shù)據(jù)倉庫、構(gòu)建應(yīng)用型數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)對高速公路日常產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的有效整合、存儲與計算，同時能夠提供外部數(shù)據(jù)接口，將交警、路政、公安等外部數(shù)據(jù)來源引入并應(yīng)用其中，最終通過對數(shù)據(jù)的融合、梳理、分析、評價及決策，來輔助調(diào)度指揮、預(yù)測預(yù)警、智慧研判、客戶服務(wù)[1]等實際運(yùn)營管理。

根據(jù)高速公路運(yùn)營管理實際需求，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)平臺和模型算法的基礎(chǔ)，是確保分析結(jié)果真實、科學(xué)的有效依據(jù)，主要通過對數(shù)據(jù)的采集和處理，將有效數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)平臺的公共大數(shù)據(jù)中心，該中心存儲數(shù)據(jù)并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)共享。模型層是系統(tǒng)平臺中涉及到的數(shù)據(jù)融合及算法模型，主要是將融合的各方數(shù)據(jù)通過計算和分析，再應(yīng)用到系統(tǒng)分析平臺，以便數(shù)據(jù)的可視化展示和分析應(yīng)用，是系統(tǒng)平臺可靠性的重要保障。應(yīng)用層是基于數(shù)據(jù)層和模型層，并結(jié)合高速公路的路況、路網(wǎng)、氣象等現(xiàn)狀條件信息，實現(xiàn)實時交通分析、綜合稽查、交通趨勢評估、道路科學(xué)養(yǎng)護(hù)、機(jī)電智能運(yùn)維、智慧出行服務(wù)、安全隱患排查等功能。（圖1）

圖1 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

高速公路的數(shù)據(jù)來源較為廣泛，如通過監(jiān)控視頻流獲取的視頻數(shù)據(jù)、車輛抓拍獲取的圖片數(shù)據(jù)、ETC門架獲取的行駛數(shù)據(jù)等等，所以數(shù)據(jù)來源包括但不限于視頻監(jiān)控、收費(fèi)及路政管理、運(yùn)營數(shù)據(jù)、移動通信、養(yǎng)護(hù)施工、出行服務(wù)、高德地圖。

從內(nèi)部設(shè)施設(shè)備及運(yùn)營管理來講，數(shù)據(jù)包括路段、隧道、橋梁、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施信息；ETC門架系統(tǒng)、收費(fèi)站出站收費(fèi)、入口稱重數(shù)據(jù)、征費(fèi)稽查數(shù)據(jù)、免通車等收費(fèi)數(shù)據(jù)；車流量、車牌號、車型、車速、繳費(fèi)類型、進(jìn)出站點和時間、行駛路徑、指揮調(diào)度等運(yùn)營數(shù)據(jù)；交通事件數(shù)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、維修經(jīng)費(fèi)、道路養(yǎng)護(hù)、路產(chǎn)巡查等運(yùn)維數(shù)據(jù)；氣象監(jiān)測、道路問詢、路況數(shù)據(jù)、收費(fèi)站開閉情況等出行服務(wù)數(shù)據(jù)。從同級或上級大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)共享來看，可獲得的外部數(shù)據(jù)包括車駕信息、執(zhí)法糾違、事故處理等交警車管數(shù)據(jù)；救援及災(zāi)控、?；\(yùn)輸、超限執(zhí)法、施工管理等路政運(yùn)營數(shù)據(jù)；盜搶車輛、涉車犯罪、黑名單等公安管理數(shù)據(jù)[2]。

2.3 應(yīng)用模型

上述的系統(tǒng)平臺涉及到的應(yīng)用模型主要有基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型、交通流量預(yù)測模型、突發(fā)事件評估模型、綜合稽查分析模型、運(yùn)營管理優(yōu)化模型等。

其中，基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型，是針對目前高速公路運(yùn)營管理中獲取到的數(shù)據(jù)還沒有能做到樣本全、精度高的能力，而采取數(shù)據(jù)融合來獲取相對準(zhǔn)確的一種途徑方式，即將多源數(shù)據(jù)接入相應(yīng)的模型當(dāng)中，建立不同數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模型，形成一致的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并對各類格式進(jìn)行校核與互相驗證，提高系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性及利用率。（圖2）

圖2 數(shù)據(jù)融合框架

交通流量預(yù)測模型是通過對高速路段歷史交通流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，關(guān)聯(lián)不同維度（工作日、節(jié)假日、天氣、時間段、路段、車流量等）數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)任意維度或多維度的交通流量趨勢預(yù)測。

突發(fā)事件評估模型是通過對路政交通事件歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，從“路段、地點、地點特征、時間、天氣、發(fā)生頻次、導(dǎo)致原因”等多維度數(shù)據(jù)屬性[3]建立突發(fā)事件分析評估，實現(xiàn)對多發(fā)、突發(fā)事件的提前預(yù)判和預(yù)防。

綜合稽查分析模型是通過入口稱重、征費(fèi)稽查等收費(fèi)數(shù)據(jù)，車牌號、車型、繳費(fèi)、行駛路徑等運(yùn)營數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)稽查分析、任務(wù)派發(fā)、問題處置、上報數(shù)據(jù)、跟蹤反饋的全閉環(huán)稽查管理。

運(yùn)營管理優(yōu)化模型是通過ETC門架、路況、車流等數(shù)據(jù)，獲取道路斷面車流量、平均車速、路面損耗等運(yùn)營指標(biāo)，從而對道路的交通組織進(jìn)行優(yōu)化，并制定對應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案，結(jié)合交通仿真模型，實現(xiàn)運(yùn)營管理的提前預(yù)知、發(fā)生可控、遇事可管的有效體系。

3 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用簡析

3.1 應(yīng)用目標(biāo)分析

方便高速公路運(yùn)營管理企業(yè)對不適宜的稽查分析、道路養(yǎng)護(hù)、機(jī)電運(yùn)維、安全排查等進(jìn)行優(yōu)化，提高運(yùn)營管理宏觀決策的科學(xué)性和高效性，需要融入基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、運(yùn)營管理數(shù)據(jù)、交警車管數(shù)據(jù)、路政數(shù)據(jù)、公安管理數(shù)據(jù)等多樣信息資源，并提供強(qiáng)大的統(tǒng)計分析功能，開展交通流量評估、突發(fā)事件評估、綜合稽查評估、運(yùn)營管理評估。同時，亟需建設(shè)集一體化、智能化、高效化等特點于一身的大數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化運(yùn)營決策支持系統(tǒng)，并進(jìn)行高速公路運(yùn)營管理企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析、特殊情況診斷、調(diào)整備選方案的自動生成及評估、營運(yùn)特性評價等專題分析，充分利用數(shù)據(jù)分析支撐高速公路運(yùn)營管理的各個方面。

具體表現(xiàn)如下業(yè)務(wù)需求：

一是掌握所運(yùn)營高速公路路段交通流量信息，明確路段邊界、交通流量現(xiàn)狀及預(yù)測情況，具備總交通流量分析，區(qū)域交通流量分析，路段交通流量分析，收費(fèi)站交通流量分析，多時段的交通流量統(tǒng)計分析，支付方式、天氣、出行者類型等其他維度的交通流量統(tǒng)計分析；

二是具備運(yùn)營指標(biāo)趨勢分析，包括相關(guān)指標(biāo)評價及建立評價體系，如道路斷面車流量、平均車速、路面損耗、交通流等；

三是分析交通事件歷史數(shù)據(jù)、路段特征、運(yùn)營稽核等，實現(xiàn)對交通分析、綜合稽查、道路養(yǎng)護(hù)、機(jī)電運(yùn)維、出行服務(wù)、隱患排查等業(yè)務(wù)的管理，為運(yùn)營企業(yè)優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)；

四是根據(jù)不斷變化的運(yùn)營需求，對運(yùn)營業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、評估、優(yōu)化、反饋。

3.2 應(yīng)用情景

3.2.1 交通流量預(yù)測的應(yīng)用

基于監(jiān)控視頻流、車輛抓拍、通行路徑存儲的信息數(shù)據(jù)，分析掌握任意維度或多維度的路段車流量趨勢，判斷常規(guī)時段或特殊時段的交通流量變化，可應(yīng)用于：

①車輛密度預(yù)測。通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺對高速公路上的車流數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，自動與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，能夠設(shè)定出流量排名，最終可以通過算法輸出對應(yīng)的決策建議，并且預(yù)測采用這些建議之后將會造成的高速公路車流變化趨勢，從而就能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛密度的精確預(yù)測[4]。

②道路擁堵預(yù)警。在周末或者節(jié)假日，熱門的高速路線通常會出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象，那么對于擁堵易發(fā)路段，一方面可以通過交通流量來預(yù)測未來一段時間內(nèi)的車流量變化，詳細(xì)掌握時間段、氣候情況、原因等導(dǎo)致?lián)矶碌囊蛩兀崆爸贫ㄊ杞夥桨?，為緩解擁堵提供幫助；另一方面可以通過設(shè)定預(yù)警預(yù)測值，將預(yù)測值與報警值上限進(jìn)行實時對比，按照預(yù)測值與報警值上限不同的差距設(shè)置對應(yīng)的預(yù)警程度，當(dāng)出現(xiàn)報警時，可以及時告知高速路段行駛者，在行駛的路段前方可能出現(xiàn)的擁堵情況，并規(guī)劃出建議行駛的新路線共行駛者參考，避免擁堵，保持行駛暢通。

③收費(fèi)額預(yù)測。通常交通流量是預(yù)測收費(fèi)額的基礎(chǔ)，通過對某一高速公路路段月度、季度、年度或者特定時間段的交通流量預(yù)測，利用收費(fèi)額計算公式，將流量轉(zhuǎn)化為收費(fèi)額，便可以得到計算時間段內(nèi)的理論收費(fèi)額，可對運(yùn)營高速公路征費(fèi)情況做出提前預(yù)判。對應(yīng)利用交通流量來預(yù)測收費(fèi)額的，一般涉及對應(yīng)流量預(yù)測模型的構(gòu)建，通過模型較為準(zhǔn)確的得到路段流量。

④收費(fèi)人員配置。通過對未來交通流的預(yù)測，從而掌握一定的車流量規(guī)律，特別是工作日與節(jié)假日、白班與夜班的車流量區(qū)別，運(yùn)營企業(yè)可以通過車輛量的情況科學(xué)調(diào)整收費(fèi)站的人工窗口收費(fèi)人數(shù)，可以更加合理的配置收費(fèi)站工作人員數(shù)量，做到車多人多、車少人少的靈活調(diào)整。

⑤車道開閉數(shù)量。同上收費(fèi)人員配置，根據(jù)車流量大小，合理安排人工收費(fèi)車道和ETC收費(fèi)車道的數(shù)量，及時、科學(xué)的增減收費(fèi)車道數(shù)量，有利于對運(yùn)營企業(yè)的運(yùn)營成本控制進(jìn)行合理的控制。

⑥道路養(yǎng)護(hù)。通過路段的車流量分析及預(yù)測，結(jié)合對應(yīng)的車型、車速、超載超限，判斷路段的通行能力、路面質(zhì)量，根據(jù)高速公路道路等級、年限、路面結(jié)構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，以量化的指標(biāo)指導(dǎo)路面、橋梁、隧道等的養(yǎng)護(hù)施工，制定全壽命周期的養(yǎng)護(hù)周期計劃[5]。

3.2.2 逃費(fèi)稽查分析的應(yīng)用

基于高速公路車輛入出口信息、ETC門架系統(tǒng)（通行及抓拍圖像數(shù)據(jù)）、使用CPC卡交易記錄、車輛具體座位數(shù)等稽查數(shù)據(jù)信息庫，建立逃費(fèi)稽查分析模型，將人工的經(jīng)驗式分析轉(zhuǎn)化為智能的科學(xué)型分析，通過篩選、比對異常行為數(shù)據(jù)，分析通行車輛進(jìn)行逃費(fèi)稽查，生成稽核工單，鎖定相關(guān)車輛，包括利用優(yōu)免政策、大車小標(biāo)、套牌等逃費(fèi)行為。

①優(yōu)免政策逃費(fèi)分析。在一些節(jié)假日，以車輛座位數(shù)為基礎(chǔ)，會對一些小型車輛進(jìn)行免費(fèi)通行政策，而有些車輛在不具備免費(fèi)的條件下，選擇免費(fèi)車道通行，在這樣的情況下，逃費(fèi)稽查分析模型將利用既定的算法，通過途經(jīng)免費(fèi)專用車道的車型座位數(shù)與免費(fèi)通行標(biāo)準(zhǔn)座位數(shù)對比分析，來智能判斷是否存在利用優(yōu)免政策逃費(fèi)行為。

②大車小標(biāo)分析。通過稽查模型，對人工收費(fèi)中遇到的降低車型行為進(jìn)行分析，結(jié)合ETC辦理信息、繳費(fèi)信息、實際車型、動態(tài)稱重數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析，如果發(fā)現(xiàn)有貨車ETC設(shè)備內(nèi)車型比實際小、客/貨車使用其他車輛ETC、下高速時不走ETC而走混合車道、途中裝上拖掛的車輛，可判斷存在大車小標(biāo)行為。同時，提取涉及車輛信息，發(fā)送就近服務(wù)站，提醒路政人員進(jìn)一步檢查，判定是否存在逃費(fèi)。

③套牌分析。通過稽查模型，對車型、車牌號、車身顏色、入出站時間等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，如果發(fā)現(xiàn)同一車牌在不同車型上使用，可判斷存在套牌行為。同時，提取涉及車輛信息，進(jìn)一步跟蹤分析，識別套牌車輛并發(fā)出預(yù)警。

3.2.3 實時交通分析的應(yīng)用

基于實時的路況、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等信息，及時掌握高速公路服務(wù)現(xiàn)狀，為駕乘人員提供便捷服務(wù)，可應(yīng)用于：

①路況信息提示。通過對實時交通信息的分析，對擁堵路段、事故多發(fā)地點、氣象預(yù)警、繞行方案等進(jìn)行推送，提示靠近該路段的車輛人員。

②服務(wù)區(qū)信息提示。在靠近相應(yīng)服務(wù)區(qū)時，根據(jù)駕乘人員需要，自動提供服務(wù)區(qū)空余車位。

③收費(fèi)站信息提示。在快要達(dá)到相應(yīng)收費(fèi)站時，自動提示駕乘人員收費(fèi)站開閉情況、車道通行數(shù)量。

3.2.4 安全隱患排查的應(yīng)用

基于安全生產(chǎn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程、管理制度以及標(biāo)準(zhǔn)化的事故隱患數(shù)據(jù)庫，根據(jù)專項檢查和常態(tài)化巡檢，將現(xiàn)場安全隱患排查與隱患數(shù)據(jù)庫相對接，利用微信公眾號等多媒體形式，使得運(yùn)營企業(yè)全員參與到現(xiàn)場安全隱患的采集、排查整改和隱患消除的工作當(dāng)中，進(jìn)而實現(xiàn)安全管理信息實時收集、動態(tài)、閉環(huán)跟蹤與管理。

3.2.5 機(jī)電運(yùn)維分析的應(yīng)用

基于高速公路監(jiān)控設(shè)備、機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境、軟件系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線監(jiān)測、故障預(yù)警等的分析，達(dá)到各類機(jī)電系統(tǒng)智能運(yùn)維。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)科學(xué)掌握交通流量規(guī)律、準(zhǔn)確稽查逃費(fèi)車輛、優(yōu)質(zhì)服務(wù)公眾出行、排查管控安全隱患、智能運(yùn)維機(jī)電設(shè)備等功能，是高速公路運(yùn)營管理工作的有效支撐和重要輔助，建立大數(shù)據(jù)與高速公路管理的深度融合，拓展大數(shù)據(jù)分析成果在高速公路管理中的實際應(yīng)用，將是高速公路運(yùn)營管理企業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益雙收的發(fā)展方向。