城市地下道路綜合管控平臺架構(gòu)設(shè)計研究與應(yīng)用

張海城，劉 藝，游克思

[上海市政工程設(shè)計研究總院（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動車或兼有非機動車、行人通行的城市道路[1]。近年來，土地資源緊缺，出于對生態(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爭力等多重因素的考慮，城市地下道路數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大。

智慧地下道路是采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)多源采集手段、精準(zhǔn)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、強大的數(shù)據(jù)挖掘處理算法、高效的云平臺架構(gòu)，引入“動態(tài)化、平臺化、自動化、智慧化”四化交通思維，挖掘數(shù)據(jù)信息價值，實現(xiàn)智慧地下道路高效、安全和節(jié)能的運營，全面提升地下道路系統(tǒng)運行效率和管理水平，為管理決策、工程建設(shè)、運維管理、公眾出行等提供信息服務(wù)。

近年來，黨中央、國務(wù)院、相關(guān)部委密集出臺智慧交通發(fā)展、智慧城市戰(zhàn)略的相關(guān)指導(dǎo)文件，為新時期交通發(fā)展提供了新機遇。2022 年3 月，交通運輸部、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出要推動智慧交通與智慧城市協(xié)同發(fā)展，大力發(fā)展智慧交通，推動云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)與交通運輸融合，加快北斗導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用，開展智能交通先導(dǎo)應(yīng)用試點，逐步為智慧地下道路的建設(shè)提供了有力保障。

1 地下道路綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)研與問題分析

選取外灘隧道、諸光路通道、軍工路隧道、北橫通道、蘇州中心、港珠澳大橋海底隧道等地下道路進(jìn)行實地調(diào)研。

1.1 現(xiàn)狀綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺功能分析

目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能包含視頻監(jiān)控、交通監(jiān)控、設(shè)備環(huán)境監(jiān)控、有線電話及廣播、火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動、通信網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)功能如表1 所示。

表1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀功能

傳統(tǒng)地下道路綜合監(jiān)控系統(tǒng)配置了上述六大子系統(tǒng)等相關(guān)機電與信息化系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了隧道的基礎(chǔ)管控功能，如交通流量信息采集系統(tǒng)、交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)、情報板信息發(fā)布系統(tǒng)、隧道超高檢測系統(tǒng)等[2-3]。

針對地下道路管理的新需求、精細(xì)化管控和服務(wù)等，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)功能存在一定不足。

（1）交通管控功能需要提升增強

傳統(tǒng)地下道路綜合監(jiān)控平臺對地下道路內(nèi)車輛監(jiān)測顆粒度低，對地下道路的運行狀況感知不夠全面，導(dǎo)致應(yīng)急情況下的交通管控功能能力不足，管控策略智能化程度不夠。

（2）應(yīng)急救援功能不夠完善，水災(zāi)監(jiān)測手段不足

傳統(tǒng)地下道路綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段功能無法滿足不斷新增的業(yè)務(wù)需求，如水災(zāi)、火災(zāi)等事件，均未有較為規(guī)范的體系和可預(yù)知的監(jiān)測手段。

（3）運維管理養(yǎng)護(hù)不足，人工巡查，需要智能化巡檢。

傳統(tǒng)地下道路監(jiān)控系統(tǒng)智能化程度較低，信息處置自動化水平不足，大部分問題是通過人工主動發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)無法在第一時間將各類事件推送至運管人員，處置效率低。系統(tǒng)未建立基于數(shù)據(jù)融合的問題監(jiān)測發(fā)現(xiàn)機制與事件處置機制，聯(lián)動處置難，不能滿足地下道路運行管理聯(lián)動指揮、決策支撐的需要。

（4）對數(shù)據(jù)挖掘分析能力弱，需要大數(shù)據(jù)分析功能。

地下道路內(nèi)布設(shè)的各個系統(tǒng)作為監(jiān)測管控的抓手，積累了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而目前數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低、數(shù)據(jù)可共享水平低、數(shù)據(jù)深度分析和利用水平低，已開展的數(shù)據(jù)深度分析和利用工作總體上深度不足，對實際工作的指導(dǎo)作用有限，尚不具備有效支撐地下道路管理運行決策的能力。

（5）指揮調(diào)度手段單一，應(yīng)急聯(lián)動處置難

當(dāng)前，運管中心指揮調(diào)度多為電話通知，現(xiàn)場一線處置人員多數(shù)未攜帶手持終端設(shè)備，無法第一時間獲知事件信息，應(yīng)急聯(lián)動處置效率低下。

1.2 現(xiàn)狀綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺技術(shù)架構(gòu)與問題分析

（1）常規(guī)軟件架構(gòu)分析

常規(guī)軟件架構(gòu)基本可滿足綜合監(jiān)控平臺的功能需求，目前常規(guī)地下道路常用軟件架構(gòu)主要為ESB架構(gòu)等傳統(tǒng)架構(gòu)。常規(guī)軟件架構(gòu)ESB 主要優(yōu)點如下：

a.靈活性

根據(jù)需求變化，可重新編排服務(wù)或應(yīng)用程序。

b.對IT 資產(chǎn)的復(fù)用

使企業(yè)的信息化建設(shè)真正以業(yè)務(wù)或應(yīng)用為核心，業(yè)務(wù)人員根據(jù)需求編排服務(wù)，不需要考慮技術(shù)細(xì)節(jié)。

但傳統(tǒng)軟件架構(gòu)在軟件接口統(tǒng)一性、服務(wù)編排靈活度、IT 資源利用方面均存在不足，存在的弊端也不可忽視。

c.應(yīng)用復(fù)雜度增加，更新、維護(hù)困難

簡單的應(yīng)用會隨著時間的推移而逐漸變大，那么開發(fā)團(tuán)隊將會面臨很多問題，其中最主要問題就是這個應(yīng)用太復(fù)雜，以至于任何單個開發(fā)者都很難進(jìn)行二次開發(fā)或維護(hù)，特別是那些剛加入團(tuán)隊的開發(fā)人員，可能難以理解和修改應(yīng)用程序。

d.易造成系統(tǒng)資源浪費

雖然使用負(fù)載均衡的方式可以對項目中的服務(wù)容量進(jìn)行水平擴展，但是也會導(dǎo)致其他不需要擴展的服務(wù)也進(jìn)行了相應(yīng)的擴展，這種擴展會極大的浪費資源。

e.影響開發(fā)效率

當(dāng)應(yīng)用越大時，啟動時間就會越長。開發(fā)和調(diào)試的過程中，如果有很大一部分時間都要在等待中渡過，那么必然會對開發(fā)效率有極大的影響。

f.應(yīng)用可靠性低

傳統(tǒng)單體應(yīng)用架構(gòu)在運行時的可靠性比較低，當(dāng)所有模塊都運行在一個進(jìn)程中時，如果任何一個模塊中出現(xiàn)了一個Bug，可能會導(dǎo)致整個進(jìn)程崩潰，從而影響到整個應(yīng)用。

g.不利于技術(shù)的更新

傳統(tǒng)單體應(yīng)用架構(gòu)一旦選定使用某些技術(shù)，則后期的開發(fā)和擴展將在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。如果需要更改某種技術(shù)，則可能需要將整個應(yīng)用全部重新開發(fā)，這種成本是非常大的。

h.存儲方式單一

傳統(tǒng)單體架構(gòu)所有的模塊都共用一個數(shù)據(jù)庫，一旦某個系統(tǒng)存儲出現(xiàn)問題，可能會導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)錯亂等問題。

本文建議采用的微服務(wù)架構(gòu)，具有以下幾個優(yōu)點：

a.易于開發(fā)和維護(hù)

由于微服務(wù)單個模塊就相當(dāng)于一個項目，開發(fā)這個模塊，我們就只需要關(guān)心這個模塊的邏輯即可，代碼量和邏輯復(fù)雜度都會降低，從而易于開發(fā)和維護(hù)。

b.啟動較快

相對單個微服務(wù)來說，相比于啟動傳統(tǒng)單體框架的整個項目，啟動某個模塊的服務(wù)速度明顯是要快很多的。

c.局部修改易部署

在開發(fā)中發(fā)現(xiàn)問題，如果是傳統(tǒng)單體架構(gòu)，就需要重新發(fā)布并啟動整個項目，非常耗時間。微服務(wù)則不同，可以針對性的對軟件模塊出現(xiàn)的問題進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后的軟件模塊部署相對簡單，不必重啟整個項目從而大大節(jié)約時間。

d.按需伸縮

傳統(tǒng)單體架構(gòu)在想擴展某個模塊的性能時不得不考慮到其他的模塊的性能會不會受到影響，對于微服務(wù)而言，完全不是問題，任何模塊通過任何方式來提升本身性能不必考慮其它模塊的情況。

此外，相比于ESB 來說SOA 更加精細(xì)，更多的以獨立的進(jìn)程的方式存在，互相之間并無影響；提供的接口方式更加通用化，各種終端都可以調(diào)用，無關(guān)語言、平臺的限制；更傾向于分布式去中心化的部署方式，適用于多遂管理的系統(tǒng)建設(shè)，可支持多隧道設(shè)施接入和統(tǒng)一中心的區(qū)域設(shè)施管理。

（2）設(shè)備接口不統(tǒng)一、協(xié)議不兼容

由于地下道路硬件廠商品牌繁多，會出現(xiàn)各外場終端軟件接口不統(tǒng)一、軟件協(xié)議不兼容、數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不一致、軟件硬件緊密耦合度不高、功能擴充彈性低的問題，難以滿足產(chǎn)線升級和重組需求，且整合不易。

2 地下道路新綜合管控平臺設(shè)計

本文提出云-邊-端的架構(gòu)，本系統(tǒng)架構(gòu)具備可擴展性，能打通系統(tǒng)數(shù)據(jù)壁壘，在構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析等方面具有天然優(yōu)勢，部分上云，云控平臺，節(jié)約化建設(shè)[4]。

“云”指的是中心計算、存儲的節(jié)點，“邊”指的是部分業(yè)務(wù)，如融合多重算法模型于一體的邊緣工控機等邊緣計算節(jié)點，能實現(xiàn)智能設(shè)備診斷、智能視頻識別、預(yù)測性維護(hù)等功能，“端”指的是交通視頻監(jiān)控、交通流量采集、信號控制、信息發(fā)布、位置服務(wù)、火災(zāi)探測等外場終端設(shè)備。

首先從系統(tǒng)架構(gòu)層面，提出了基于驅(qū)動級物聯(lián)接入總線的云邊端架構(gòu)，從底層技術(shù)架構(gòu)解決目前平臺的存在不足。系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一協(xié)議、統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)共享、實現(xiàn)業(yè)務(wù)互聯(lián)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

主要包含感知層、基礎(chǔ)資源層、傳輸層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層、交互層[5-7]，詳見系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層：主要包括交通視頻監(jiān)控設(shè)備、交通流量采集設(shè)備、信號控制設(shè)備、信息發(fā)布設(shè)備、位置服務(wù)設(shè)備、緊急呼叫設(shè)備、火災(zāi)探測設(shè)備等。負(fù)責(zé)地下環(huán)路和地下道路內(nèi)各類數(shù)據(jù)的采集，是地下道路建設(shè)的基礎(chǔ)。通過智能化外場設(shè)備的布設(shè)，實現(xiàn)對環(huán)路和地下道路人、車、路和環(huán)境信息的全息感知。

基礎(chǔ)資源層：包括基礎(chǔ)云平臺感知，規(guī)范地整合了基礎(chǔ)硬件資源等底層資源，在物理硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上采用虛擬化云技術(shù)，實現(xiàn)存儲運算等硬件資源的虛擬化服務(wù)，為上層提供具備彈性伸縮能力、負(fù)載均衡、高可用性的基礎(chǔ)設(shè)施，從而提升硬件設(shè)施的利用效率，并提供相關(guān)的運行監(jiān)控及資源調(diào)度功能。

傳輸層：通過監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)、LAN、4G 打通外場設(shè)施設(shè)備與管理中心的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一張網(wǎng)的傳輸。

數(shù)據(jù)支撐層：采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及強大的數(shù)據(jù)挖掘分析等手段構(gòu)建具備數(shù)據(jù)共享與交互、數(shù)據(jù)管理與服務(wù)以及數(shù)據(jù)的融合共享等功能的數(shù)據(jù)中臺。建設(shè)基于BIM+GIS+數(shù)字孿生引擎的數(shù)字孿生底座，通過數(shù)字孿生底座和數(shù)據(jù)中臺的融合應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用和分析研判等功能。

業(yè)務(wù)層：主要包括智慧監(jiān)管和智慧運營模塊，智慧監(jiān)管模塊包含綜合監(jiān)控-區(qū)域級地下交通設(shè)施監(jiān)控、交通管控交通路網(wǎng)、安全管控等子模塊，智慧運營模塊包含資產(chǎn)管理、運營管理、移動巡檢、能耗分析與管理等子模塊。通過搭建應(yīng)用分析模型，實現(xiàn)地下空間綜合應(yīng)用業(yè)務(wù)智慧化、綜合管理智能精細(xì)一體化、指揮調(diào)度應(yīng)急指揮精準(zhǔn)化。

交互層：通過APP、工作站、大屏等多種渠道，加強智慧地下道路平臺的運營，提升包括公眾、領(lǐng)導(dǎo)、運維人員等不同用戶的參與感、認(rèn)同感和獲得感。

2.2 平臺功能模塊完善

（1）交通管控功能

交通管控功能包括交通運行狀態(tài)全息感知、交通態(tài)勢研判、交通管控與引導(dǎo)，能夠提供交通事故預(yù)警、周邊交通狀態(tài)信息及交通燈信息等實時信息。從而實現(xiàn)接入本平臺的地下道路設(shè)施的區(qū)域級交通路網(wǎng)管控，實時掌握區(qū)域路網(wǎng)交通運行狀況，保障行車通暢、減少事故并在事件發(fā)生后及時做出反應(yīng)。

（2）智慧防災(zāi)功能

a.智慧消防

系統(tǒng)能實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)感知及報警、預(yù)警，減少誤報漏報率；實現(xiàn)地下道路溫度場、煙氣場的重構(gòu)；構(gòu)建動態(tài)建立疏散預(yù)案，并進(jìn)行實時評估；能實現(xiàn)對消防系統(tǒng)評估。

b.智慧防汛

平臺模塊能實現(xiàn)對地下道路防洪相關(guān)參數(shù)的感知，包括外場積水相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)接入、外部天氣預(yù)警信息接入。

c.聯(lián)動預(yù)案功能

預(yù)案聯(lián)動模塊分為日常運營控制管理模塊和應(yīng)急預(yù)案控制管理模塊。

（3）應(yīng)急聯(lián)動功能

a.日常運營控制管理

日常運營控制管理模塊應(yīng)具有方案編輯功能，系統(tǒng)管理員可以對已有的方案進(jìn)行修改，也可制作新方案，添加到系統(tǒng)中。日常管理模塊應(yīng)包括交通控制、通風(fēng)控制、照明控制、給排水控制等不同工況的要求。

b.應(yīng)急預(yù)案控制管理

應(yīng)急預(yù)案控制管理模塊應(yīng)能夠具備對交通事件、火災(zāi)、水災(zāi)、環(huán)境異常、斷電、惡劣天氣、地質(zhì)災(zāi)害、特殊事件等突發(fā)工況的管理，此外還應(yīng)包括對地下環(huán)路交通影響較大的計劃性維修養(yǎng)護(hù)和突發(fā)災(zāi)害后的維修養(yǎng)護(hù)工況的管理。

（4）智慧運營功能

地下道路智慧運管模塊是一套針對地下道路管養(yǎng)系統(tǒng)的綜合服務(wù)模塊。主要功能包括人員及組織結(jié)構(gòu)管理、資產(chǎn)管理、養(yǎng)護(hù)規(guī)范管理、作業(yè)排班管理、檢查管理、清洗養(yǎng)護(hù)管理、機電設(shè)備報警管理等核心業(yè)務(wù)功能。

2.3 與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺系統(tǒng)比較分析

（1）與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺功能對比

通過在感知層、基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層、展示支撐層、安全合規(guī)等方面比較，在各層級均有顯著的補充完善和提升，詳見表2。

表2 傳統(tǒng)平臺與新一代綜合管控平臺功能對比表

（2）與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺性能對比

通過對平臺的可拓展性、安全性、可靠性、升級成本、容錯能力、可用性、服務(wù)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行對比，詳見表3，采用云架構(gòu)的構(gòu)建，不僅可以降低信息化構(gòu)建成本和生產(chǎn)運營成本，提高資源配置效率、提升智慧交通管理水平、提高平臺安全性，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的融合，為數(shù)據(jù)價值的提升奠定基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)的加持，提供更加高階的場景化服務(wù)。

表3 傳統(tǒng)平臺與新一代綜合管控平臺性能對比表

3 結(jié)論

地下道路運行是城市安全有序運行的重要基礎(chǔ)，是城市高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容?！跋虻叵乱臻g”成為城市發(fā)展的重要方向。以地下道路建設(shè)為契機，基于智能化技術(shù)建立智慧地下道路綜合管控平臺，能夠有效推進(jìn)地下道路基礎(chǔ)設(shè)施智慧化提升，提高地下道路運行效率和事件處置能力，維護(hù)城市基礎(chǔ)設(shè)施有序運行?；诮y(tǒng)一的智慧地下道路綜合管控平臺，實現(xiàn)運行管理與預(yù)警預(yù)測全面監(jiān)管，是推動城市地下道路管理手段、管理模式、管理理念創(chuàng)新的重要舉措。