智慧高速數據挖掘平臺設計及其實現

(1.鄭州市規(guī)劃勘測設計研究院，鄭州 450052; 2.河南交通投資集團有限公司，鄭州 450016; 3.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

“智慧高速”以高速公路出行者為最終服務對象，立足路段范圍內的主動化管理和精細化服務。同時，兼顧路網層面的信息服務，逐步實現與交通運輸部、所在省份路網中心、周邊省份高速路網、地方道路管理部門、氣象部門等之間的數據共享與交換。在日常管理方面，能夠為途前、途中出行者提供銜接路網的交通運行信息[1]。在應急救援方面，能夠面向銜接路網提供統(tǒng)一的救援服務等。在服務過程中產生了一系列多源異構的信息數據。如何消除信息孤島現象，打通各種數據源之間的關聯(lián)，發(fā)現潛在事件鏈。為“智慧高速”的安全運行與指揮管理提供決策支持，提升高速公路運營效率，實現資源最優(yōu)化配置是目前亟待解決的問題[2]。

為更好地探討、解決智慧高速數據挖掘問題，以京港澳高速駐馬店至信陽段(以下簡稱“駐信段”)為例，在較完善的京港澳高速公路基礎設施之上，將先進的信息技術、通信技術、控制技術、傳感器技術以及系統(tǒng)綜合技術有效集成并應用于高速公路地面交通數據服務，從而建立起發(fā)揮作用的、實時、準確、高效的數據共享挖掘機制。

1 數據架構設計

1.1 規(guī)劃思路和內容

1.1.1 統(tǒng)一規(guī)劃，建立科學、完整的數據資源體系結構

“智慧高速”建設除滿足所在路段現有業(yè)務管理、領導決策的需求之外，須著眼于上級高速公路聯(lián)網收費機構的業(yè)務變革的需要，建設基礎性、戰(zhàn)略性交通行業(yè)數據資源。

1.1.2 采用分布采集、集中處理、集中交換、集中管理、全局應用的建設模式

“智慧高速”的數據采集既涉及到所在路段現有及后期新建的高速公路管控系統(tǒng)，也涉及到省級高速公路聯(lián)網收費機構共享的相關系統(tǒng)，各類信息系統(tǒng)數據存儲方式、數據質量不盡相同[3]。項目建設應利用數據交換和共享平臺實現相關數據交換與共享，通過建立所在路段“智慧高速”的云數據中心，對形成的基礎數據和業(yè)務數據庫進行統(tǒng)一管理維護，滿足各級相關管理部門和社會公眾對不同層次數據的需求。

1.2 數據資源規(guī)劃工程化方法模型

“智慧高速”管控系統(tǒng)的信息化建設規(guī)劃應包括需求分析、系統(tǒng)建模、通信-計算機網絡規(guī)劃、應用系統(tǒng)開發(fā)計劃等方面，與常規(guī)方法相同，在此不再贅述。

2 現有數據資源分類

通常情況下，所在路段管理機構及上級單位應在早期建設了若干業(yè)務系統(tǒng)，具有一定數據基礎，但由于分布于不同應用系統(tǒng)數據庫中，不便于統(tǒng)一管理與維護，難于保證數據的完整性、實時性，也無法滿足共享信息資源的需求，對業(yè)務管理十分不利[4]。為了合理規(guī)劃現有的信息資源，需要梳理并分類各相關單位現有數據資源。通常情況下現有公路管理數據資源，包括但不限于：

1)高速公路基本屬性數據

高速公路基本屬性數據包括但不限于：公路地理數據、環(huán)境情況數據、技術狀況等相關描述數據，它包括路線概況、路基、路面、主要構筑物、沿線設施、交通量和沿線環(huán)境等基礎信息資源[5]。

2)所在省份交通地理信息系統(tǒng)數據

包括但不限于：基礎地形圖空間數據、省高速公路及其結構建筑物的空間數據和屬性數據、省國、道骨干交通網及其附屬設施的空間數據和屬性數據。

3)高速公路養(yǎng)護、路政系統(tǒng)數據

高速公路養(yǎng)護系統(tǒng)的數據主要包括但不限于：大修、中小修過程管理數據、生態(tài)綠化工程數據、交通工程建設工程數據、雨雪應急保障工程數據等、養(yǎng)護人員上報數據等。

高速公路路政系統(tǒng)的數據主要包括：路政巡查車GPS數據、路政巡查車視頻信息、路政人員上報數據等。

4)高速公路交通流檢測、氣象檢測系統(tǒng)、收費系統(tǒng)數據

高速公路交通流檢測系統(tǒng)數據主要包括：微波交通流檢測器采集的交通流量、密度、速度等相關數據。

高速公路氣象檢測系統(tǒng)數據主要包括：能見度、路面狀況、大氣溫度、風速風向、大氣濕度等。

高速公路收費系統(tǒng)數據主要包括：依托所在路段全線收費站，采集獲取收費車型、行程時間等信息。

5)高速公路應急資源數據

高速公路應急資源數據主要依托養(yǎng)護路政巡查道班獲取的國家投資撥付的高速公路應急資源名稱、位置、保管機構、維護人員等。

數據共享的核心思想是通過建立統(tǒng)一的數據標準和數據結構，各參與數據交換的接入節(jié)點則分別建立起內部數據結構與公共數據結構之間映射關系，通過數據交換服務平臺與遠端適配器之間自動的交換任務調度，實現在兩點之間的端對端數據共享[6]。

3 數據資源架構

通常情況下，“智慧高速”管控系統(tǒng)數據資源庫可以劃分為基礎數據庫、業(yè)務數據庫、專題數據庫三類，形成全線數據集聚、跨業(yè)務共享、跨部門服務的數據資源架構(見圖1)。

圖1 “智慧高速”數據中心數據資源總體架構圖

3.1 基礎數據庫

基礎數據庫是支撐“智慧高速”系統(tǒng)內的各業(yè)務系統(tǒng)的具有共性特征的數據集合，通過對全線數據資源的管理對象和數據共享需求分析，確定若干滿足于各類業(yè)務應用需要的、具有基礎性、全局性的數據庫[7]。通過與省級高速公路聯(lián)網收費機構、公安、氣象等單位進行數據行抽取轉換等一系列操作，在“智慧高速”云數據中心形成開放的全線基礎數據庫，供所在路段、上級管理部門、省級高速公路聯(lián)網收費機構等單位共享使用。

基礎數據庫來源于省級高速公路聯(lián)網收費機構的公路網基礎數據、交通地理空間數據，省高速公路聯(lián)網收費公司、公安、氣象等上傳下達的信息，以及所在路段等產生的文本資料數據、視頻多媒體數據等(見表1)。

3.2 業(yè)務數據庫

業(yè)務數據庫來源于所在路段監(jiān)控中心、省級高速公路聯(lián)網收費機構的業(yè)務數據庫，通過對全線業(yè)務系統(tǒng)的結果數據提煉，形成與各應用系統(tǒng)業(yè)務相關的數據庫，用于支撐全線各業(yè)務系統(tǒng)的應用[8]。主要包括但不限于：路網相關管理數據、事件發(fā)生的相關信息、養(yǎng)護相關數據、路政數據、收費數據、應急數據等(見表2)。

4 數據流程設計

4.1 數據流程總圖

目前通行的“智慧高速”管控軟件系統(tǒng)，一般包括高速公路運行狀態(tài)監(jiān)測與預警系統(tǒng)、高速公路運行狀態(tài)綜合評估與決策支持系統(tǒng)、高速公路主線交通均衡控制系統(tǒng)、高速公路應急指揮調度和處置系統(tǒng)、高速公路一體化出行信息發(fā)布系統(tǒng)、高速公路數據交換與共享平臺等分系統(tǒng)[9]。

表1 基礎數據庫

通過京港澳高速駐馬店至信陽段為例，以數據為原始驅動，以系統(tǒng)為業(yè)務流導向，構建了一套應用系統(tǒng)和兩大應用支撐平臺的系統(tǒng)數據流程總圖(見圖2)。

圖2 智能高速數據流程總圖(以京港澳高速公路駐信段為例)

4.2 數據采集設計

以京港澳高速駐馬店至信陽段為例，利用信息路由的先進技術，建立數據智能采集模型(見圖3)，與高速相關行業(yè)的數據以及高速業(yè)務數據通過相關應用平臺系統(tǒng)進行抽取、整合，根據數據采集映射規(guī)則與駐信段數據中心進行數據采集、聚合、挖掘和信息發(fā)布等[10]。

表2 業(yè)務數據庫

圖3 數據采集設計模型(以京港澳高速公路駐信段為例)

4.3 數據分析處理流程設計

以京港澳高速駐馬店至信陽段為例，依照既定數據標準體系，在源數據錄入數據中心前對其進行分析處理，消除數據冗余和沖突(見圖4)。數據整合依照數據狀況不同而有不同的整合方法，首先從與京港澳高速駐信段示范工程建設相關數據源那里獲取原始數據，然后對獲取的多源異構數據進行相應的預處理，預處理的方法有很多，但主要包括數據的清洗、數據集成、數據選擇、數據轉換等。其后，是數據分析階段[11]。

圖4 數據分析處理流程圖

這里主要采用數據分析中常用的數據挖掘方法來對預處理之后的數據進行挖掘分析，可以使用的數據挖掘方法很多，主要包括廣義知識挖掘、關聯(lián)知識挖掘、類知識挖掘、預測性知識挖掘、特異性數據挖掘和自定義挖掘算法等，將進行數據分析以后得到的模型和規(guī)則等內容形成高速公路知識庫，為智能高速的運營提供決策支持。

5 數據共享設計

5.1 數據共享機制框架

基于云平臺架構，搭建數據交換與共享平臺，在整合所在路段監(jiān)控中心現有系統(tǒng)的數據資源，接入本工程外場設備采集的數據，建設智能高速公路數據中心[12]。并將明確數據資源定義，建立完善公路基礎信息、交通阻斷、交通流量、公路氣象、視頻圖像、應急資源、操作指令、高速公路運行指標等信息的采集、更新、交換與共享機制，制定高速公路運行數據共享與交換技術規(guī)范，確定信息交換方式，實現信息交換共享與協(xié)同運行。

基于以上設計目標和對高速公路業(yè)務的分析，“智慧高速”信息共享機制框架(見圖5)，“智慧高速”數據共享模塊之間關聯(lián)為：共享平臺從所在路段各種數據采集設備(主要為路段工程內裝配的設備)獲取多源異構數據信息；然后通過對多源異構數據的組織、存儲、分析等發(fā)現數據之間的關聯(lián)以及隱含的交通事件鏈；最后，通過平臺提供的各種發(fā)布手段及時發(fā)布信息，為所在路段的車流和交通事故處理能力的提供強有力的支持。

5.2 數據共享機制邏輯結構

根據以上具體的“智慧高速”信息共享框架圖所示。從高速公路現場的數據采集，然后將采集后的數據發(fā)到信息共享平臺進行整合分析，最后將分析報告發(fā)布或推送出去，進而完成信息共享機制的各個環(huán)節(jié)[13]。數據交換與共享平臺由交通信息管理、數據交換、數據管控、數據存儲、數據分析、數據服務接口、數據挖掘與綜合應用等幾部分組成。(見圖6)。

圖6 智慧高速信息共享機制邏輯結構

6 工程實例

通過對河南省高速信息化建設和京港澳高速駐信段現狀的調研，在現階段京港澳高速駐信段基礎設施改善的基礎上，重點解決諸多信息系統(tǒng)的部署與采集設備的精準度的提高。以京港澳高速駐信段擁有的大量交通流量數據，為“智慧高速”數據挖掘共享提供基礎的數據資源(見圖7)。解決現有系統(tǒng)沒有很好地挖掘分析這些多源異構數據信息之間關聯(lián)的問題，促進高速公路管理的精準化、智慧化發(fā)展，為河南省高速公路信息化的建設提供了有力的保障。其成功實施后將對京港澳全段乃至全國高速公路的數據共享機制建設起到示范作用。

圖7 京港澳高速駐信段數據挖掘共享平臺

7 結論

數據挖掘共享平臺可以為“智慧高速”運行狀態(tài)監(jiān)測與預警系統(tǒng)提供充足的數據條件，可定期融合交通流量數據、氣象數據及交通事件數據進行交通運行狀態(tài)的綜合展現和突發(fā)事件的預警。數據處理可以完成異構數據的格式轉換和融合處理，通過數據清洗與校驗步驟，為原型系統(tǒng)功能展示提供規(guī)范、穩(wěn)定的基礎資料。

數據挖掘共享平臺負責對系統(tǒng)采集的多源異構數據進行清洗、合并、轉換、剔除無效數據、數據裝載等；完成對交通信息的優(yōu)化、分析、加工、挖掘等工作。數據處理平臺具有海量數據處理能力、強大的數據存儲能力、良好的穩(wěn)定性、可擴展性和先進性。每個查詢分析功能可以提供定制的若干圖、表，以實現特定的統(tǒng)計分析需求，方便用戶直接使用。為管理者提供基于地理信息系統(tǒng)圖層展現手段，相關分析結果數據可以通過地理信息系統(tǒng)展現。

數據挖掘共享平臺是“智能公路”的核心組成部分，可以有力提升高速公路運營效率，實現資源最優(yōu)化配置。全面提升通道型高速公路的智能化管理和服務水平，為下階段“智慧交通”的建設提供有益探索。