省域高速公路網運營與服務信息化平臺研究

何賞璐 冉 斌,3 張 健 王浩淼

1. 東南大學，城市智能交通江蘇省重點實驗室，南京 210096

2. 現代城市交通技術江蘇高校協同創新中心，南京 210096

3. 威斯康星大學麥迪遜分校，麥迪遜 53706

0 引 言

高速公路是公路交通現代化發展的重要標志之一。我國高速公路基礎建設發展速度快，截至2014年底通車里程已達11.4萬km，躍居世界第一[1]。相對于路網的迅速發展完善，高速公路的運營管理與服務未能保持同步發展。在我國各地區的高速公路運營管理中，由于建設實施主體不同，通常高速公路網內有多個運營管理主體。隨著運輸量的增長，路網內各運營主體對信息共享和區域協調聯動的需求日益加強，不斷增長的交通量也觸發了公眾對高速公路出行信息的需求。

傳統三大機電系統在高速公路聯網監控、收費和通信方面奠定了基礎[2]，也表明信息化是高速公路運營管理的新趨勢和實現高速公路跨越式發展的必然選擇。研究者和工程師們也充分認識到信息化的重要性，在高速公路管理信息系統以及共用信息平臺方面開展了研究和應用實踐[3-4]。高速公路信息化運營與服務是一個涉及人、車、路、環境相互作用的復雜過程，其中人是主導因素。如何以“人”的需求為導向，利用當前智能交通、信息等技術，科學合理地開發利用高速公路信息資源，提升運營管理現代化水平，強化與駕乘人員之間的有機聯系，建立高速公路網運營與服務信息化平臺，以實現“智慧交通”的目標，成為亟待解決的重要課題。本文立足于江蘇省高速公路網運營與服務智能化平臺設計經驗[5]，著重探討了省域高速公路網運營與服務信息化平臺架構和功能的設計。

1 國內外應用現狀

信息化作為提升高速公路運營與服務水平的有效手段，受到了不同國家與地區的廣泛關注。本文以美國、日本以及國內北京、上海的高速公路信息化發展為例，分析總結了國內外高速公路信息化發展經驗。

1.1 國外高速公路信息化發展

1.1.1 美國威斯康星州高速公路

（1）平臺運行主體

威斯康星州高速公路信息化涉及“政-企-學”三個主體，包括威斯康星州交通部WDOT（Wisconsin Department Of Transportation），威斯康星州交通運營中心STOC（Statewide Traffic Operation Center）和威斯康星大學（麥迪遜分校）交通運營和安全 TOPS（Traffic Operations and Safety）實驗室。WDOT主管各交通職能機構，為交通信息平臺的建設和運營提供行政和財務支持。STOC負責具體的道路運營管理業務，主要包括為出行者提供實時的交通道路信息；為政府職能機構、公共安全機構、媒體和公眾提供全面實時的交通公告信息；實時監控道路交通狀況，制定擁堵解決措施，對緊急交通事件做出及時反應；實時監控交通控制管理設施，確保設備正常運行。TOPS實驗室是威斯康星全州以及美國中西部最重要的交通數據平臺。該實驗室為WDOT和STOC提供必不可少的數據和信息支持，同時也可為交通系統運營管理和安全問題的研究提供數據支持。

（2）信息化系統

威斯康星州建立了多類高速公路運營與服務相關信息化系統，包括各類交通信息采集方式、數據中心、多種運營業務系統、511公眾信息服務系統等。其中，多方式的交通信息獲取渠道包括感應線圈、視頻、微波、紅外、雷達、地磁、無線射頻、GPS、手機、藍牙等檢測技術。威斯康星高速公路數據中心，即 WisTransPortal，匯聚各類信息，實現上百億數據的存儲和管理，實時的數據提供、交換和處理，數據和系統的整合；提供新系統開發測試環境等。運營相關業務系統包括車道關閉系統、交通突發事件系統、事故數據資源系統等，輔助州交通運營中心控制部門管理高速公路。511公眾交通信息系統利用信息采集設備獲取的交通信息，向社會提供實時分析的道路交通、公共交通、預警、出行等交通信息。且511系統采用了多樣化的服務手段，如互聯網站、呼叫中心、高速公路路況廣播、電視節目、動態信息板、便攜式可變情報板。

1.1.2 日本高速公路

（1）平臺運行主體

日本的道路監控管理實行一級管理模式，道路監管單位、警察、交通廣播電臺、施工單位等人員集中辦公，減少中間環節，提高工作效率。每一片區設置監控中心，由交通控制中心和設備控制中心組成，分別對交通狀況及設備進行監控管理。

（2）信息化系統

日本在高速公路信息化方面建立了道路情報收集系統、ETC系統、交通誘導系統、信息發布系統。道路情報收集系統的數據來源包括交通檢測設備（線圈或超聲波車輛檢測設備）、氣象觀測設備、路側緊急電話系統、監控攝像機、交警及交通管理巡邏、收費站交通情況收集。ETC系統分布在所有高速公路收費站點。智能交通誘導系統（Smart Cruise System,SCS）由Smartway、Advanced Cruise-Assist Highway和Advanced Safety Vehicle組成[5]，為用戶提供輔助安全駕駛信息、靜止圖像信息、浮動車信息采集、道路匯集援助、寬帶互聯網連接等服務。信息發布系統利用情報板發布系統、車載情報板設備（VICS）系統、路段廣播系統、電話路況查詢系統、高速公路專業網站、服務區情報板顯示屏等多渠道實現公眾服務。

1.2 國內高速公路信息化發展

我國高速公路信息化發展初期，主要集中在通信、監控和收費三大機電系統。由于基礎建設中，高速公路網主要采取分段、分線建設管理的模式，省域高速公路網內通常包含多個運營主體。各路段運營管理單位依據各自信息化需求建設系統，導致了系統建設分散獨立。總體信息化架構尚未形成一個完整的、且兼顧路網和各路段的多層次高速公路網運營管理信息化架構，制約著高速公路信息化發展進程。

伴隨著高速公路指揮調度、對外信息服務等方面需求的增長，國內各地區開展了高速公路信息化的發展規劃。北京市在高速公路智能交通系統規劃（2009—2015年）中提出規劃和完善北京市高速公路營運管理“一個綜合平臺、七大應用系統”，即規劃建設高速公路綜合交通信息平臺，建設和完善電子收費系統、出行者信息服務系統、交通管理系統、高速公路應急指揮系統、養護管理系統、路產管理系統和服務區管理系統等。在信息化實踐方面，部分地區也取得了初步成果。如上海在高速公路網交通監控中心的基礎上，構建了交通監控管理、突發公共事件應急管理、12122呼叫中心等綜合業務的實時運行管理平臺，串聯起各條運營業務線，同時為路政、設施養護和施工等日常運行管理提供了信息化運行環境。這些城市的高速公路信息化發展為我國高速公路的發展事業打開了新的篇章。然而不同于城市信息化系統，省域范圍的高速公路網因覆蓋范圍更廣，對區域指揮調度、公眾信息采集與發布等系統的協調聯動性和實時性要求更高，因此研究省域高速公路網運營與服務信息化平臺已成為當前高速公路提升運營與服務水平的重要任務之一。

1.3 國內外高速公路信息化發展經驗分析

（1）先進的多樣化信息獲取渠道為支撐。憑借傳統的線圈、雷達、RFID等檢測設備，以及新興的手機信令、GPS、藍牙等交通信息提取技術等，可獲取交通運行狀態信息、氣象信息、收費信息、GPS信息、施工維護信息、交警等其他部門提供的信息等多樣化信息，有助于及時準確應急指揮并滿足公眾在高速公路出行過程中的個性化信息需求。

（2）建立以數據流串聯業務線，各應用系統互聯互通的統一信息化平臺。目前，我國部分地區在高速公路信息化建設過程中，由于業務運營分割體制，常建立相對獨立的業務系統，導致信息孤島，數據標準不一，而無法實現信息共享，不利于高速公路交通管理的協同作用。因此亟須一個統一的信息化平臺，整合各類信息化業務系統，同時保障系統和業務線之間的有效銜接。

（3）功能綜合、全面是信息化平臺的發展趨勢。高速公路網運營管理的業務包括路網收費、道路監控、指揮調度、公眾服務等。各項業務之間具有一定的關聯性，例如，實時的道路監控結果，可輔助應急指揮調度業務，并為公眾服務提供信息支撐。而獨立化的業務系統建設不利于資源共享和業務協同。因此，建立一個功能全面、涵蓋高速公路網運營與服務各項業務的綜合信息平臺，可為領導、操作人員和社會公眾提供全面、及時、準確、一致的動態信息，有利于各類業務之間的整體協調、信息資源的共享、設施資源的充分利用，提升運營效率和水平，增加公眾服務的滿意度。

2 高速公路網運營與服務信息化需求分析

在高速公路運營與服務中“人”是關鍵因素，以“人”為本，探討對信息化的需求，明確信息化服務對象的需求。

2.1 服務對象

本文將高速公路運營與服務信息化平臺所服務的對象歸納為三類：管理者、使用者和影響者。三類對象的具體定義如下：

2.1.1 管理者

管理者一般為政府主管部門（如交通局、路政與交警等相關部門），通常不直接參與高速公路日常運營管理業務。其主要需求是信息共享，以滿足業務上的監管和協調。

2.1.2 使用者

使用者指高速公路運營管理單位，具體負責高速公路日常營運業務，是信息化平臺的直接使用者。根據管理路網范圍的不同，使用者可分為路網層管理單位和路段層管理單位。由路網層管理單位監督和協調各路段層管理單位的業務工作，各層級單位分別向公眾提供路網或路段信息服務。因此，使用者需要獲取道路靜態、動態交通相關信息，并對各類信息進行及時、準確的處理，以輔助指揮調度，并通過多方式、多渠道為社會公眾提供及時的出行信息服務。不同層級管理單位在信息的顆粒度和處理方式、信息發布渠道等多方面存在差異。

2.1.3 影響者

社會公眾是信息化平臺的影響者，主要指高速公路使用者，包括使用高速公路達到出行目的的民眾和使用高速公路達到經營目的的社會企業。兩者對高速公路經營管理單位所提供的出行服務信息的需求基本一致，希望獲取出行前、中、后“全出行鏈”的出行信息。

2.2 數據需求

數據是信息化平臺滿足三類服務對象需求的基礎，是平臺運轉的動力。本文從指揮調度和公眾服務兩項業務出發，梳理了三類服務對象的數據需求，如圖1所示。

2.3 功能需求

為滿足三類服務對象的信息共享、指揮調度、對外公眾服務的直觀需求，信息化平臺應具備信息感知，數據存儲、處理、共享，運營與服務業務以及平臺標準化和運維的功能，如圖2所示。

圖1 信息化平臺數據需求示意圖Fig.1 Data demand in the information platform

圖2 信息化平臺功能需求示意Fig.2 Function demand in the information platform

2.3.1 全面信息感知功能需求

運營和服務的開展均需要豐富、準確、實時的信息資源。對信息資源的需求主要有幾方面的特點：信息內容全面，時空覆蓋廣泛，解析度高，實時性強并準確可靠。

2.3.2 數據存儲、共享、處理，質量與安全監管功能需求

信息化平臺匯聚的數據類型多、數量大，需具備強大的數據存儲管理功能。原始數據無法直接應用運營與服務業務，對于表征一致對象的信息需進行融合處理；對于歷史數據和原始數據等需充分挖掘處理，平臺內外各系統間有數據交互共享的需求。數據是信息化平臺運行之本，因此平臺需要具備監管數據質量和安全的功能，以保障平臺運作的可靠性和安全性。

2.3.3 運營與服務業務功能需求

本文從指揮調度和公眾服務兩個方面分析高速公路網運營與服務業務對應的系統功能需求。指揮調度業務的功能需求是全面監測、主動應急、科學調度、綜合展示和智能決策。公眾服務的功能需求是生成豐富的出行服務信息內容，擴充信息發布手段，提供個性化出行服務，提高信息發布的實時性和準確性。

2.3.4 標準與平臺維護功能需求

信息化平臺標準體系用于規范化和標準化平臺建設、運行和維護。相關的標準可利用既有國家、行業標準或新建標準。合理的標準體系可同時保障平臺的開放性。例如，數據共享交互的格式、系統對接的接口規范。其次，硬件設備故障、軟件更新換代等帶來的平臺運行問題需要維護功能來保障平臺的正常運行。

3 信息化平臺設計原則

在明確了信息化平臺服務對象的需求基礎上，本文從技術選擇、系統開發、設計方法、平臺建設四個方面，提出了在平臺設計過程中需考慮的原則：

（1）技術先進性和成熟性：信息化的實現依托于計算機、信息、軟件、物聯網、云計算等多項先進技術。同時，平臺與生產實踐緊密相關，技術的成熟性是安全生產的保障，有助于技術的順利過渡。

（2）系統標準性和擴展性：信息化平臺涵蓋海量多源異構數據的匯聚、存儲、處理，涉及平臺內外系統之間的共享，因此，系統的設計需統一標準。同時，預留可擴展的系統接口，以滿足功能擴展和技術更新的需求。

（3）設計經濟性和實用性：我國部分地區高速公路信息化發展已具備一定的基礎，因此設計應本著經濟性的原則，充分利舊，避免浪費與重復建設。同時挖掘實用的社會資源為信息化平臺服務，如手機通信資源、公共客貨運車輛 GPS資源等均可轉化為高速公路交通信息，提升平臺的實用性。

（4）平臺安全性和穩定性：信息化平臺是信息交互共享的樞紐，涉及運營相關的重要資源，信息的保護和隔離顯得尤為重要。同時，在平臺運行過程中產生的故障問題需及時處置和解決，確保平臺的穩定性。

4 信息化平臺架構與功能

4.1 總體架構

在設計原則指導下，面向服務對象的數據、功能需求，本文提出了“信息感知平臺——數據中心——業務應用平臺”的三層信息化平臺架構，并利用業務應用平臺向數據中心的反饋形成閉環。同時，標準體系和運維系統貫穿信息化平臺三層結構，保障平臺各系統的正常高效運行，如圖3所示。路網層和路段層管理單位在遵循三層的統一架構基礎上，建立面向自身需求的差異化的路網或路段信息化平臺。不同信息化平臺之間通過各自的數據中心進行信息共享交互，進而協調關聯業務。

4.2 子平臺系統功能

在三層閉環式信息化平臺架構基礎上，本文定義和梳理了平臺內信息感知平臺、數據中心、業務應用平臺、信息化標準體系和運維系統的具體功能。

4.2.1 信息感知平臺功能

圖3 高速公路網運營與服務信息化平臺架構圖Fig.3 Architecture of freeway network operation and service information platform

信息感知平臺是信息化平臺的前端組成部分。依據原始信息獲取路網范圍的不同，將該平臺分為路網采集和路段采集。通過統一采集以獲取整個地區高速公路網信息的采集技術，稱為路網采集。目前較為先進和成熟的路網采集系統包括基于手機信令、車輛GPS、收費信息的交通信息采集系統和氣象信息采集系統。路網采集的信息集中匯聚于路網數據中心，以統一共享。需要各個路段層管理單位協助建設的采集系統，稱為路段采集，包括線圈檢測系統、微波檢測系統、視頻檢測系統以及巡邏車輛事件上報系統等。為減少數據長距離傳輸引起的缺失，路段采集數據先上報路段數據中心統一處理后，再上報路網數據中心，以實現更廣范圍的信息共享。

4.2.2 數據中心功能

數據中心是運營與服務信息化平臺的核心和樞紐，其功能主要為數據匯聚、存儲、融合、處理、共享、交互等，實現各業務系統之間以及信息化平臺與外部系統間的信息集成與數據共享，為運營和服務業務提供有效的數據支持。路網與路段數據中心在存儲和處理的數據種類、數量大小和共享對象等方面存在差異，其核心功能類似。數據倉庫主要完成數據存儲管理等功能；數據處理平臺實現數據融合、估計與預測、挖掘等功能；數據匯聚系統和數據共享系統是串連信息感知平臺和業務應用平臺的紐帶，是實現對外信息共享的平臺，具有數據歸檔、發布、共享的功能；數據質量監管系統監督數據庫運行情況、數據質量情況；安全性管理系統從物理、主機、網絡、應用和數據等方面保障系統的安全。

4.2.3 業務應用平臺功能

業務應用平臺立足于數據中心的數據，以提升高速公路網運營與服務“流程化、智能化、精準化、科學化”為目標，分運營應用平臺、服務應用平臺以及其他管理者信息化平臺。其他管理者信息化平臺主要是為路政、交警等管理者提供信息共享接口的功能。

運營應用平臺的決策支持系統，通過路網交通運營狀態信息的統計分析，為地區高速公路網營運管理、決策優化提供輔助。監控調度與應急指揮系統，通過交通狀態監控分析、智能化預警、響應、調度、評估業務模型，對異常事件第一時間處理，實現快速、高效、精準應急調度。情報板管理發布系統，在緊急條件下協調路段情報板信息的發布。基于 GIS運營信息展示系統，將所有運營業務基礎數據信息、業務管理信息、系統協同信息在一張圖上顯示，提升資源聚合度。

服務應用平臺通過基于網站的信息服務信息系統、基于手機的信息互動服務系統、GPS交通誘導服務系統、熱線電話服務系統、服務區觸屏服務系統以及高速公路廣播系統，為交通出行者提供多方式和多樣化的出行信息服務，包括出行前路徑選擇與輔助決策、出行途中實時誘導服務、個性化的增值信息服務等。

4.2.4 信息化標準體系功能

信息化標準體系具有規范信息化平臺建設運行以及提供開放式架構的功能。體系涵蓋數據標準、通信結構標準、系統軟件標準、安全管理標準等。

4.2.5 運維系統功能

運維系統是對信息化平臺涉及的內外場軟硬件設施的運行狀態進行監控、記錄、存儲、告警和展示的系統，包括靜態的資產管理、動態的內外場設施運行狀態監控和應用展示等功能。靜態管理是記錄并及時更新軟硬件設備的相關屬性信息，動態管理通過對內外場設施的實時監控，及時發現潛在問題，為平臺安全、穩定和高效運行提供保障。

5 結束語

高速公路的發展將逐步由基礎設施建設向現代化的運營與服務管理轉型，高速公路網運營與服務信息化平臺有望成為提升高速公路交通管理和安全服務水平的有效方法之一。本文以三類服務對象對平臺的數據和功能需求為出發點，提出四項信息化平臺設計原則，建立了“信息感知平臺-數據中心-運營與服務業務應用平臺”三層閉環架構。在此基本架構基礎上，輔以信息化平臺的標準體系和運維系統。其中，標準體系規范平臺的建設和運行，保障平臺的開放性；運維系統是監控和維護平臺軟硬件設備的設施。另外，本文充分利用國內外先進成熟技術，定義了平臺中各系統的功能，為類似高速公路網信息化平臺的設計提供參考和借鑒。

本文提出的信息化平臺，主要涵蓋了指揮調度和公眾服務相關業務。在實際信息化平臺規劃設計建設中，根據地區實際需求，在運營與服務業務平臺內增加相關業務應用系統，如收費系統、與公安和路政聯合指揮調度系統等。伴隨著車聯網、云計算等先進技術的發展成熟，信息化平臺將進一步建設完善，為高速公路的管理者、出行者提供更有效、便捷的服務。

[1] 中華人民共和國交通運輸部. 深化交通運輸投融資改革應關注的若干問題[OL]. (2015-03-31) [2015-04-04]http://www.mot.gov.cn/zhuzhan/jiaotongxinwe n/xinwenredian/201503xinwen/201503/t20150330_1 795513.html.

[2] 中國智能交通協會. 高速公路智能交通系統將保持長期較大的市場需求[OL]. (2012-04-06) [2014-05-07]http://www.itschina.org/article.asp?articleid=2029.

[3] 楊東援, 徐士偉, 賈俊剛. 高速公路管理信息系統中的共用信息平臺[J]. 同濟大學學報, 2000, 28(6):664-669.

[4] 汪祖云. 交通數據中心總體架構與數據共享交換平臺的設計研究[J]. 交通運輸系統工程與信息, 2008,8(3): 23-28.

[5] 東南大學, 江蘇省交通規劃設計院股份有限公司.江蘇省高速公路運營與服務智能化平臺設計[R].南京：東南大學，江蘇省交通規則設計院股份有限公司，2013.