智慧地下道路系統總體平臺設計研究

張海城

［上海市政工程設計研究總院（集團）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，出于對生態保護、改善環境、提升區域功能以及提高城市綜合競爭力等多重因素的考慮，城市地下道路數量越來越多，規模越來越大。

近年來，計算機、物聯網、移動互聯網、大數據等新一代信息技術發展，為長大地下道路運營安全和效率提升提供了更多智慧化手段，新技術與傳統基礎設施結合，發展智慧地下道路是未來行業發展趨勢。智慧交通作為信息技術與基礎交通設施建設高速發展的融合，近年來炙手可熱。2014 年，交通運輸部部長楊傳堂做了《深化改革務實創新加快推進“四個交通”發展》的報告，提出將“四個交通”（即綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通）作為當前和今后一段時期交通運輸發展的主旋律，并指出智慧交通是實現“四個交通”的關鍵。2019 年9 月，中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》，發展先進智慧交通，通過集成應用先進的信息、通信、傳感、控制等技術，使人、車、路相互作用關系以新的方式呈現，從而實現實時、準確、高效、安全、節能的目標。

1 地下道路信息化應用現狀與問題

信息化智能化水平是衡量隧道管理現代化發展水平的重要標志。經過約20 a 的建設和發展，地下道路信息化取得了一定進展，信息技術應用達到一定的水平。但從總體上看，信息化發展水平還較低，遠不能滿足建設現代隧道管理體系的要求，主要體現在以下幾個方面。

1.1 基礎薄弱

標準規范弱：雖然出臺了部分標準和規范（包括國家標準和行業標準），能夠解決某些點和線上（例如機電系統）的業務信息化問題，但總體上覆蓋的范圍有限，缺乏機電新系統的標準化制定（例如地下定位導航系統、智慧交通管控系統），不能為智慧地下道路系統建設提供全局的指導。

硬件設施弱：目前已經建成的信息系統，大都采用了“煙囪式”架構，每一個IT 系統都有自己的存儲和IT 設備，以及獨立的管理工具和數據庫。系統之間基本無法共享數據和信息，利用率較低，維護成本高，總體上硬件設施比較薄弱，無法滿足現代隧道運營管理的需求。

應用軟件弱：首先是應用軟件覆蓋的業務范圍非常有限；其次是應用軟件的標準化程度低。

保障措施弱：一方面，專業人才隊伍缺乏；另一方面，信息系統運營維護管理制度不盡完善，配套資金常常不能滿足實際需要，缺乏長遠發展規劃。

由于信息化基礎整體薄弱，隧道行業監管嚴重地依賴于人工工作，自動化水平整體不高，影響了業務效率和業務水平，影響到智慧地下道路系統的發展。

1.2 數據資源化水平低

數據標準化程度低：除個別業務領域外，在隧道建設、運營、養護、辦公和公眾服務等業務領域，都沒有形成業務數據標準化所需的標準體系。

數據可共享水平低：由于“煙囪式”架構在已建成信息系統中的廣泛采用，導致不同的信息系統各自使用獨立的信息資源，包括各類數據資源。系統之間沒有統一的數據交換標準，缺乏數據交換與共享，難以實現不同系統間的協同。

數據整合水平低：數據由不同的業務應用系統產生、管理和維護，且“煙囪式”架構導致不同業務應用的資源難以共享，從而影響了數據資源的整合水平。

數據深度分析和利用水平低：已開展的數據深度分析和利用工作總體上深度不足，對實際工作的指導作用有限，尚不具備有效支撐交通運輸管理決策的能力。

總體上看，目前隧道領域的“信息孤島”現象較為嚴重，數據和信息的資源化水平總體不高，給交通數據的綜合利用構成了障礙。

2 與傳統綜合監控系統的關系分析

隨著信息化技術的發展，智慧地下道路系統建設將以隧道綜合管控和道路保暢為導向，提供環境監測、事件預防、事故處置、誘導指揮、機電運維的綜合能力。從預防角度實現隧道監控自動化，從處置角度實現事件處置智能化，從運維角度實現隧道資產管理數字化。

在保證數據標準、接口標準一致性的前提下，充分利用隧道綜合監控系統的交通流數據、視頻信息以及原有隧道綜合監控設備狀態數據，打通兩大系統，建立公共的信息數據庫。

新增全息感知智能化設備，采用大數據算法模型分析提升預測預警、狀態研判能力，提升交通運行管控效率，實現更智能的決策功能，采用領先的定位導航技術實現智慧交通引導，采用AI 視頻分析技術提升隧道防災應急處置能力，采用聯控動控制管控技術實現全壽命周期的智慧養護管理，見圖1。

圖1 與隧道綜合監控系統的關系

3 智慧地下道路系統系統平臺架構設計[2]

發展智慧地下道路系統，促進“互聯網+”便捷交通發展，讓人民群眾出行更便捷。打破傳統的“煙囪式”條塊分割，在系統層面做到隧道行業信息系統整合和交通數據開放共享。

結合隧道行業信息化、智慧地下道路系統系統建設及規劃項目現狀，基于現代信息技術發展，特別是云計算/ 大數據、云邊端的參考架構，本文提出了智慧地下道路系統系統的總體框架體系，可以概括為“五層三體系”[3]。系統架構見圖2。

圖2 系統架構圖

“五層”分為數據感知層、基礎設施層、數據資源層、邊緣計算層、業務應用層。

“三體系”分別是標準規范體系、信息安全體系及管理制度體系。

3.1 數據感知層

數據采集和感知設施主要分為自采和共享兩個方面。

（1）自采：主要依靠數據采集設施來采集隧道里的數字化信息，包括基礎設施數字化信息、交通視頻、氣象信息、交通流狀態、交通事件、交通環境、交通運行管控等動態數據。

（2）共享：是指從其他系統平臺獲取數據。

信息發布及執行設施：包括情報板、廣播、電子指示標志、微信/微博等公眾號以及互聯網網站服務等。

3.2 基礎設施層

智慧地下道路系統系統的基礎設施層，依托云平臺資源和本地專用硬件設備等，用于承載數據、公共信息平臺和業務應用的正常運行。包括計算、存儲、網絡、安全、云服務等IT 基礎設施設備；通過多種網絡通信能力實現終端、設備、數據、應用等互聯互通，涉及互聯網、物聯網、視頻專網以及其他專網等，讓隧道各業務部門協同互通。

虛擬化資源池的基礎設施包括計算資源、存儲資源、網絡資源以及配套的機房、機架或機柜、供配電、空調、門禁等。貫徹基礎設施即服務（IaaS）的設計思想，將包括主機、存儲、網絡及其他硬件在內的硬件設備虛擬化、云化、池化，形成一個彈性的基礎設施資源池，并通過云管理平臺進行統一管理和監控。

智慧地下道路系統系統需要的通信網絡應該是高度智能化、具有高度柔性和適應能力的網絡，包括專用網和運營商網絡，覆蓋有線和無線網。滿足可擴充性和靈活性、具備高安全性、確保服務質量保證（QoS）以及高效的可管理性。

3.3 數據資源層

支持基礎數據全局統一的采集、存儲和服務，包括數據抽取（清洗/ 轉換/ 加載）、數據倉庫、數據集市，形成結構化數據庫和非結構化數據庫。結構化數據包括基礎數據庫、業務數據庫、主題數據庫等，非結構化數據包括視頻、圖片、文檔等，建立起元數據管理。

建成全面、完善、權威的隧道行業公共信息平臺，實現各應用系統之間信息共享與交換，實現數據的綜合管理和綜合應用，為各級管理機構提供輔助決策支持、為公眾交通信息服務提供數據支持，提供了打破傳統信息系統的煙囪式布局的有效途徑。

建立規范可行的數據采集機制、數據更新機制、數據共享機制，從根本上保證交通數據資源的全面規范采集、及時有效更新、合理共享與交換。

3.4 邊緣計算層

可實現接收、處理和轉發來自數據感知層的數據流，提供智能感知、安全隱私保護、數據分析、智能計算、過程優化和實時控制等服務。邊緣計算層包括邊緣網關/ 邊緣控制器/ 邊緣云/ 邊緣傳感器等設備，封裝邊緣側的計算、存儲和網絡資源。此外，還包括邊緣管理器軟件，主要是提供業務編排或直接調用的能力，操作邊緣計算節點完成任務。

3.5 業務應用層

業務應用層包括隧道管理的主要業務處理系統。業務處理系統是對業務處理過程進行針對性支持的信息系統，是完成具體工作的工具。工作人員能夠使用信息化工具，將交通基礎設施作為一種資源進行全方位的管理，也能對交通基礎設施維護的全過程提供信息化支撐。

智慧應用系統基于融合的交通大數據和統一的支撐工具，提供交通運行管控、交通引導、節能控制、隧道消防、養護管理及可視化等業務應用，形成業務覆蓋全面、重點突出、兼具分析廣度和深度的體系化、自動化、智能化的分析應用體系，為隧道運營管理者提供科學規劃與決策的依據。

3.6 渠道層

渠道層面向終端用戶提供訪問智慧地下道路系統系統的用戶界面，包括內部用戶和公眾用戶。支持包括個人計算機（PC）和移動終端（智能手機、平板電腦等）的多種手段，以及客戶端（Client）、瀏覽器和移動應用（APP）等形式。

信息發布設備包括：設置在交通基礎設施沿線現場的情報板、控制中心/ 服務區的大屏、信息發布網站、移動APP、微信/ 微博公共號、短信、廣播、電子指示標識以及導航地圖類第三方互聯網應用軟件。

3.7 信息安全體系

信息安全體系是智慧地下道路系統系統安全穩定運行的重要保障和必要條件。依據《中華人民共和國網絡安全法》、《信息安全等級保護管理辦法》（公通字[2007]43 號）和最新的網絡安全等級保護2.0 標準規定的安全要求，全面評估系統安全威脅對三類受侵害客體的侵害程度，綜合確定系統的安全保護等級，在此基礎上制定智慧地下道路系統系統的信息安全策略，確保信息系統的安全，特別是數據安全。

構建統一的安全平臺，實現統一入口、統一認證和統一授權等功能，使智慧地下道路系統系統生產流程在受控和受保護的情況下進行，為平安智慧地下道路系統系統提供經濟、有效的安全服務，保障系統安全運行。

根據《大數據安全標準化白皮書》，保障數據不被竊取、破壞和濫用，以及系統的安全可靠運行，需要構建包括系統層面、數據層面和服務層面的大數據安全框架，從技術、管理和運行等方面多維度保障應用和數據安全。

3.8 標準規范體系

隧道行業智慧化信息系統標準規范體系主要包括以下幾方面：

（1）充分利用現有的ICT（信息通信技術）標準規范體系，包括但不限于通信工程、系統與軟件工程、物聯網、云計算、大數據、人工智能等方面的標準規范；

（2）在充分利用現有標準體系成果的基礎上，針對隧道行業特點和現有標準體系的不足，加以必然的完善，并補充必要的新標準。

3.9 管理制度體系

建立完善的管理制度體系，包括管理制度、管理機構、人員管理、系統建設管理和系統運維管理。安全管理和服務應滿足網絡安全等級保護2.0 對管理方面的要求。

以云計算平臺上線正式運行后的常態化安全保障工作為目標，針對自評、測評、審計、檢查、加固等各服務環節，建立適合智慧地下道路系統系統管理運維的常態化檢測和安全服務機制。

4 結 語

智慧地下道路系統系統的建設不是傳統系統那樣的“煙囪式”布局，不能依靠設備堆砌方式來實現，而是需要有統一的、開放的、適應技術發展的系統架構。在新興技術的推動發展下，智慧地下道路系統的發展前景廣闊，潛力巨大，將有效的提升隧道體驗者的服務水平和隧道運營管理者的管理水平。