基于大數(shù)據(jù)的高速公路擁堵智能監(jiān)測平臺研究與設(shè)計

華梅芳

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來,隨著機動車數(shù)量不斷增長,高速公路的發(fā)展也面臨擁堵增加、監(jiān)管困難等各類嚴峻的問題。因此,建立一個統(tǒng)一、綜合性強且具有智慧化能力的擁堵監(jiān)測平臺,讓相關(guān)監(jiān)管部門可以實時獲取高速公路擁堵狀況并及時進行交通引導(dǎo),對提升現(xiàn)代高速公路出行體驗具有重要意義[1]。同時,基于對歷史交通數(shù)據(jù)的建模及分析,可達成對高速公路的擁堵預(yù)測及預(yù)警,便于相關(guān)部門提前做好交通預(yù)案,降低高速公路擁堵發(fā)生的概率。此外,對交通擁堵態(tài)勢的全面監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析,可為研究擁堵產(chǎn)生機理、分析交通系統(tǒng)存在的問題、制定改善和治理方案等工作提供量化的分析手段和依據(jù)。本文立足于實際,提出借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、地理信息技術(shù)及數(shù)據(jù)可視化等技術(shù),形成一套完備的交通擁堵監(jiān)測解決方案,達成對高速公路擁堵的實時監(jiān)測及智能分析預(yù)警,為高速公路擁堵問題的解決提供切實可行的思路。

1 現(xiàn)狀與問題

高速公路發(fā)生擁堵已經(jīng)成為家常便飯,然而高速公路相關(guān)監(jiān)管部門仍欠缺信息化的手段對道路擁堵的實時狀況捕獲進行賦能和支撐,主要存在的問題可歸納為以下三個方面。

1.1 缺乏綜合性的高速公路交通擁堵監(jiān)測平臺

目前高速公路管理應(yīng)用中存在收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)可視化大屏等各類系統(tǒng),這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)較為分散,功能不集中,因而發(fā)生嚴重擁堵事件時,只能依賴前方現(xiàn)場工作人員報備相關(guān)信息,無法實時獲取路況數(shù)據(jù),準確性低且時效性差。

1.2 底層數(shù)據(jù)分散

除了上層應(yīng)用的不統(tǒng)一,目前高速公路管理的各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)間采集的數(shù)據(jù)也大都獨立存儲、定義,數(shù)據(jù)孤島問題嚴重。分散的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),極大地增加了后期整合利用的難度,如對跨數(shù)據(jù)庫、跨網(wǎng)段數(shù)據(jù)的整合,技術(shù)復(fù)雜且實施成本高昂。而底層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分散,也致使當(dāng)出現(xiàn)需要數(shù)據(jù)支撐的業(yè)務(wù)決策時,只能采用手工匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方法,數(shù)據(jù)質(zhì)量不能保障且容易造成信息差,大大地降低了數(shù)據(jù)的時效性。

1.3 缺乏對歷史交通數(shù)據(jù)的挖掘和利用

高速公路沿線部署了大量終端設(shè)備,可對通過的實時車流量、車速、現(xiàn)場監(jiān)控等數(shù)據(jù)進行采集,且數(shù)據(jù)量級很大。然而,現(xiàn)有的交通信息化體系建設(shè),并未能結(jié)合業(yè)務(wù)對采集的大數(shù)據(jù)進行沉淀挖掘和利用,自然無法對各道路的交通狀況進行實時監(jiān)控,更不可能開展擁堵預(yù)測、預(yù)警等其他方面的探索。由于缺乏對歷史交通數(shù)據(jù)的挖掘和利用,導(dǎo)致當(dāng)前高速公路管控更多以低效的手工干預(yù)為主,被動接收信息且滯后采取應(yīng)對措施。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

基于大數(shù)據(jù)的高速公路擁堵智能監(jiān)測平臺,其采用的總體架構(gòu)具體描述如下(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)層主要對高速公路上各個終端系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行匯聚,包括收費站數(shù)據(jù)、ETC門架數(shù)據(jù)、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)及其他第三方數(shù)據(jù)等。對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合,可為計算各路段、各收費站通行流量及擁堵情況等奠定良好的基礎(chǔ)。

2.1.2 數(shù)據(jù)加工層

數(shù)據(jù)加工層主要考慮通過對底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源進行抽取匯聚,并進行數(shù)據(jù)清洗、加工及規(guī)則化,形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用倉庫。

2.1.3 算法層

算法層主要基于數(shù)據(jù)層收集的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),進行統(tǒng)一清洗及規(guī)則化,并依據(jù)不同的應(yīng)用場景,建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?對數(shù)據(jù)進行擬合分析,以支撐應(yīng)用層的各項服務(wù)。該層主要包括擁堵計算、擁堵預(yù)測及擁堵預(yù)警等。

2.1.4 服務(wù)層

服務(wù)層主要是將算法層反饋的業(yè)務(wù)計算結(jié)果封裝成獨立的服務(wù),便于不同的業(yè)務(wù)場景調(diào)用。

2.1.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包含數(shù)據(jù)可視化大屏、擁堵預(yù)測、擁堵預(yù)警、監(jiān)控視頻、交通誘導(dǎo)、擁堵登記、數(shù)據(jù)報表及移動端等各項功能;同時基于底層構(gòu)建的數(shù)據(jù)倉庫及算法層,可依據(jù)后續(xù)不同業(yè)務(wù)場景的需求,對上層應(yīng)用進行靈活拓展。

2.2 功能模塊設(shè)計

為了切實滿足高速公路管理部門對路段擁堵情況的感知及監(jiān)控管理等需求,本平臺的設(shè)計應(yīng)具備以下功能點。

2.2.1 實時車流量地圖

實時車流量地圖以數(shù)據(jù)可視化大屏的形式,結(jié)合地理信息化技術(shù),對高速公路各路段的擁堵情況進行直觀展示及數(shù)據(jù)分析。(1)通過后臺對車流量、車輛通過門架平均車速等指標的實時計算,對各路段擁堵等級以不同顏色進行標記,便于用戶快速定位擁堵路段。(2)地圖中對分布于各個路段的高速公路門架、收費站等站點分布進行刻畫,支持用戶進一步查詢當(dāng)前各高速公路路段門架、收費站通過車輛的流量、通過車型分布等不同維度的具體明細數(shù)據(jù),從而輔助用戶更好地判斷引發(fā)當(dāng)前路段擁堵的原因[2]。此外,為了讓用戶更好地感知整體交通態(tài)勢,地圖輔以多視角的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,為用戶開展交通調(diào)度提供更強大的決策依據(jù)。

2.2.2 擁堵預(yù)測

為了改變當(dāng)前被動接收擁堵信息、滯后處置的現(xiàn)狀,平臺提供對擁堵路段的預(yù)測。該功能通過大數(shù)據(jù)建模,對歷史通行數(shù)據(jù)進行擬合學(xué)習(xí),從而可預(yù)測出未來多個時間段內(nèi),不同路段的交通擁堵情況,并將該信息及時傳達給相關(guān)的路段監(jiān)管部門,以提前做好交通預(yù)案及交通誘導(dǎo),對減少高速公路擁堵狀況的發(fā)生具有一定的現(xiàn)實意義。

2.2.3 智能預(yù)警分析

智能預(yù)警分析功能致力于通過大數(shù)據(jù)手段,辨識高頻發(fā)生擁堵的路段信息,并及時推送預(yù)警信息[3]。接收到預(yù)警信息后,相關(guān)監(jiān)管部門可聚焦分析預(yù)警路段的特情事故、擁堵事件及通行車流量等數(shù)據(jù),展開對擁堵機理的深入研究,定位交通系統(tǒng)存在的問題,從而更加科學(xué)合理地制定改善和治理方案。

2.2.4 擁堵登記

擁堵事件發(fā)生后,關(guān)于現(xiàn)場的部分詳情數(shù)據(jù),如擁堵發(fā)生的具體時間點、最長距離、時長及擁堵原因等,無法通過終端設(shè)備直接采集而來,對此平臺提供擁堵登記操作,支持事后對數(shù)據(jù)進行錄入。該部分數(shù)據(jù)可作為建模學(xué)習(xí)的補充,可對模型的訓(xùn)練進行糾偏及補充強化學(xué)習(xí),從而進一步提升擁堵預(yù)測及擁堵預(yù)警的準確性。

2.2.5 交通誘導(dǎo)

基于平臺輸出的對高速公路各路段的擁堵實時監(jiān)測、預(yù)測及預(yù)警分析等信息,可幫助交通管理部門及時采取合適的處理方式和處理預(yù)案,并通過交通誘導(dǎo)顯示屏發(fā)布相關(guān)擁堵信息,告知路面駕駛員和行人,進行有效的交通疏導(dǎo)及分流。

2.2.6 數(shù)據(jù)報表

平臺提供不同時間顆粒度下,如月、天、小時、分鐘等,不同路段、各ETC門架、各收費站通行情況的數(shù)據(jù),進行多維度、多字段的報表查詢及導(dǎo)出,作為后續(xù)制定路段政策、發(fā)布指令的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2.7 監(jiān)控視頻

用戶可依據(jù)不同時間段、不同路段的需求,對實時視頻及歷史高速公路監(jiān)控視頻進行查詢及回放,其主要目的在于輔助用戶對不同路段的現(xiàn)場擁堵情況、事故發(fā)生及通行車流量等進行求證。

2.2.8 移動端應(yīng)用

為適配不同用戶、不同操作場景的需求,平臺提供移動端功能,支持用戶隨時隨地開展交通擁堵監(jiān)測、登記等業(yè)務(wù),進一步提高監(jiān)管的效率。

3 待解決的技術(shù)難點

由于高速公路擁堵監(jiān)測存在數(shù)據(jù)來源復(fù)雜、數(shù)據(jù)量級大、實時性、準確性要求高,基于大數(shù)據(jù)的高速公路擁堵智能監(jiān)測平臺設(shè)計,仍存在以下技術(shù)難題需要攻克。

3.1 網(wǎng)絡(luò)因素復(fù)雜

高速公路的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)大都存儲于收費網(wǎng),同時也有部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲在其他網(wǎng)段,網(wǎng)絡(luò)的限制,增加了底層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的遷移整合及上層應(yīng)用調(diào)度的困難度,從而影響了功能的用戶體驗。而網(wǎng)絡(luò)問題的解決,不僅僅是技術(shù)上存在困難,還牽涉到不同部門、基礎(chǔ)設(shè)施布局等多種復(fù)雜因素的考量,會進一步增加成本。

3.2 數(shù)據(jù)安全要求高

由于高速公路門架、收費站、車輛通行等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接體現(xiàn)了不同運營公路的營收情況,同時也涉及車輛車主個人隱私信息,數(shù)據(jù)較為敏感,因此對數(shù)據(jù)的安全性要求極高。而大數(shù)據(jù)建模需要用到各種開源工具對數(shù)據(jù)進行匯聚抽取以及數(shù)據(jù)上云等,都存在較多不可控的不安全因素。出于數(shù)據(jù)安全的考慮,功能的設(shè)計也會受限。

3.3 預(yù)測分析建模難度大

本平臺功能的應(yīng)用,其核心大于大數(shù)據(jù)建模分析的結(jié)果。而大數(shù)據(jù)建模分析的過程,對于基礎(chǔ)設(shè)施及算力的要求極高,投入成本大。如何建立科學(xué)合理的模型,使其對擁堵情況的刻畫更為契合,對業(yè)務(wù)人員及技術(shù)人員本身的素質(zhì)及二者間的高度協(xié)同也提出了嚴苛的要求,而缺乏實戰(zhàn)經(jīng)驗的人才,無法建立科學(xué)合理的預(yù)測分析模型,也是平臺設(shè)計及實現(xiàn)面臨的最大困境。

4 結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)的高速公路擁堵智能監(jiān)測平臺,結(jié)合高速公路門架通行車流量、收費站及監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù),通過算法層對高速公路進行擁堵計算、交通擁堵預(yù)測、預(yù)警分析等,達成對高速公路擁堵路況的實時監(jiān)控及整體交通態(tài)勢的分析感知,從而為研究擁堵產(chǎn)生機理、分析交通系統(tǒng)存在的問題、制定改善和治理方案等工作提供支撐?，F(xiàn)階段雖面臨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)安全及人才缺失等方面的困難,但后續(xù)會在不斷探索及技術(shù)進步中取得進展,為緩解高速公路交通擁堵提供更強有力的支持。