一種基于路網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高速公路應(yīng)急處置系統(tǒng)設(shè)計方案

摘? 要：文章基于《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》對交通運輸應(yīng)急處置能力建設(shè)提出的要求，論述了一種基于路網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高速公路應(yīng)急處置系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案通過采用湖屋技術(shù)構(gòu)建高速公路應(yīng)急處置“數(shù)據(jù)大腦”，并且將人工智能和數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于高速公路應(yīng)急處置的業(yè)務(wù)場景，形成貫穿事前、事中、事后的應(yīng)急處置業(yè)務(wù)閉環(huán)。該方案適用于省、市兩級高速公路管理部門的應(yīng)急處置和疏堵保暢工作。

關(guān)鍵詞：路網(wǎng)大數(shù)據(jù);高速公路應(yīng)急處置;人工智能;數(shù)字孿生;交通流仿真

中圖分類號：TP18? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0069-05

A Design Scheme of Expressway Emergency Disposal System Based on Road Network Big Data

WU Yinghui

（EVECOM Technology Co.， Ltd.， Fuzhou? 350003， China）

Abstract： Based on the requirements of Digital Transportation “14th Five-year Plan” Development Plan for the construction of transportation emergency disposal capacity， this paper discusses a design scheme of expressway emergency disposal system based on road network big data. The scheme constructs the “data brain” of expressway emergency disposal by using the lake house technology， and applies Artificial Intelligence and Digital Twins technology to the business scenario of expressway emergency disposal， forming a closed-loop emergency disposal business through pre event， during event and post event. The scheme is applicable to the emergency disposal and unblocking work of provincial and municipal expressway management departments.

Keywords： road network big data; expressway emergency disposal; Artificial Intelligence; Digital Twins; traffic flow simulation

0? 引? 言

2018年2月，交通運輸部辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點的通知》（交辦規(guī)劃函〔2018〕265號），將“基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理”作為新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點的六大主題之一，在福建、河南、浙江、江西四省實施。基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理試點，要求“構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的高速公路運營與服務(wù)智能化管理決策平臺，應(yīng)用在區(qū)域路網(wǎng)綜合信息采集、運營調(diào)度、收費、資產(chǎn)運維養(yǎng)護(hù)、公眾信息服務(wù)、應(yīng)急指揮”，拉開了以大數(shù)據(jù)賦能高速公路應(yīng)急處置工作的序幕。

2021年10月，交通運輸部印發(fā)《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》（交規(guī)劃發(fā)〔2021〕102號）。針對數(shù)字交通創(chuàng)新發(fā)展體系建設(shè)，規(guī)劃要求打造綜合交通運輸“數(shù)據(jù)大腦”，“推動行業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，推動大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)行業(yè)應(yīng)用攻關(guān)”，以信息化服務(wù)交通行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展;針對交通運輸應(yīng)急處置能力建設(shè)，提出應(yīng)“利用先進(jìn)信息技術(shù)提升交通運輸本質(zhì)安全水平，提升預(yù)測預(yù)警、應(yīng)急反應(yīng)能力”，“深化綜合交通運輸調(diào)度和應(yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè)，完善智能協(xié)同應(yīng)用，滿足‘看得見、聽得著、能指揮’需求，實現(xiàn)‘能推演、能聯(lián)動’等功能，提升重大突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力和安全保障能力”。該規(guī)劃進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)據(jù)資產(chǎn)在高速公路應(yīng)急處置體系中的核心價值，同時也對新技術(shù)在具體業(yè)務(wù)場景下的融合應(yīng)用提出了要求。

遵循《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》的工作要求，本文提出一種基于“大數(shù)據(jù)+行業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新”的高速公路應(yīng)急處置系統(tǒng)設(shè)計方案，適用于省、市兩級高速公路管理部門的應(yīng)急處置和疏堵保暢工作。

1? 整體設(shè)計

本方案的整體架構(gòu)設(shè)計嚴(yán)格遵循了交通運輸部《公路網(wǎng)管理平臺技術(shù)規(guī)范》對公路網(wǎng)管理平臺技術(shù)架構(gòu)的要求，采用“三縱七橫”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

（1）運行監(jiān)測層：主要包含高速公路沿線布設(shè)的物聯(lián)感知設(shè)備，實時采集路域內(nèi)的多維運行態(tài)勢信息和設(shè)備自身運行狀態(tài)信息。包括：視頻監(jiān)控（固定點位、移動車載、無人機(jī)掛載）、交通流檢測（ETC門架、車檢器）、氣象環(huán)境監(jiān)測（氣象站）和設(shè)備狀態(tài)檢測（ETC門架設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等）。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施層：主要包含承載大數(shù)據(jù)、人工智能和業(yè)務(wù)應(yīng)用運行的環(huán)境。

（3）數(shù)據(jù)資源層：實現(xiàn)高速公路信息資源的匯聚、治理、存儲、共享與開發(fā)利用。其中的數(shù)據(jù)資源包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、主題服務(wù)和交換數(shù)據(jù)。通過建設(shè)數(shù)據(jù)資源層，能夠?qū)崿F(xiàn)OLTP和OLAP數(shù)據(jù)的解耦，并且為應(yīng)用提供大數(shù)據(jù)分析的算法引擎。

（4）應(yīng)用支撐層：為整個系統(tǒng)的各個平臺提供公共、成熟、穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件支撐服務(wù)引擎。

（5）應(yīng)用系統(tǒng)層：該層負(fù)責(zé)高速公路應(yīng)急處置業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)組織和邏輯實現(xiàn)，涵蓋突發(fā)事件應(yīng)急處置事前、事中、事后全業(yè)務(wù)流程。

（6）信息服務(wù)層：實現(xiàn)與行業(yè)內(nèi)、外各類用戶的信息交互的渠道。

（7）服務(wù)用戶層：本系統(tǒng)所服務(wù)的各類用戶。包括：行業(yè)行政主管部門、路網(wǎng)運行管理部門、行業(yè)外的相關(guān)協(xié)同聯(lián)動部門和社會公眾。

（8）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制度保障體系：以國標(biāo)和行標(biāo)為基礎(chǔ)，緊扣實際業(yè)務(wù)需求制定數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用規(guī)范和跨層級、跨組件接口規(guī)范，確保系統(tǒng)的開放性、可服務(wù)性和分層解耦，滿足以大數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務(wù)應(yīng)用持續(xù)迭代和創(chuàng)新的要求。

（9）建設(shè)與運營管理保障體系：通過制定匹配業(yè)務(wù)目標(biāo)的長效的運營管理機(jī)制，強(qiáng)化管理流程與責(zé)任，確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定、運行與可持續(xù)發(fā)展;滿足《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)基本要求》（GB/T22239-2019）定義的安全保護(hù)要求。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在整體架構(gòu)中，數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用系統(tǒng)層是高速公路應(yīng)急處置系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心，也是“大數(shù)據(jù)+行業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新”與高速公路應(yīng)急處置業(yè)務(wù)融合的集中體現(xiàn)。以下將著重圍繞這兩層的設(shè)計展開說明。

2.1? 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層的建設(shè)融合應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，滿足“一數(shù)一源、多源融合、按需使用、安全可靠、彈性伸縮”的要求，打通匯聚、治理、共享、應(yīng)用的數(shù)據(jù)流通價值鏈，打破數(shù)據(jù)壁壘，形成縱向貫通、橫向互聯(lián)的數(shù)據(jù)資源交互通道，搭建多維數(shù)據(jù)碰撞分析計算框架，打造“可知、可控、可聯(lián)、可取、可用”的信息支撐體系。

2.1.1? 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

高速公路應(yīng)急處置業(yè)務(wù)橫向涉及的職能部門較多，所采集和生成信息量巨大;各縱向業(yè)務(wù)條線之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，存在著高頻的跨條線數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。本設(shè)計的數(shù)據(jù)資源層技術(shù)方案采用“存儲一體”的湖倉一體技術(shù)方案，其架構(gòu)如圖2所示。

該方案將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在專門的對象存儲系統(tǒng)中，用于代替數(shù)據(jù)湖和數(shù)據(jù)倉庫的各自存儲，湖中建倉，支持在數(shù)據(jù)湖中以數(shù)據(jù)倉庫模式進(jìn)行執(zhí)行和治理。分離后的存儲系統(tǒng)可獨立擴(kuò)展，不再與計算耦合，能夠快速應(yīng)對工作負(fù)載的變化，允許計算資源和存儲資源互相獨立擴(kuò)容，確保資源按需分配，簡化運維管理，也為系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供保障。

當(dāng)前存儲一體的湖倉一體方案主要有三種框架結(jié)構(gòu)：Hadoop體系架構(gòu)、Lambda結(jié)構(gòu)和Kappa架構(gòu)，以Hadoop為代表的離線數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施更符合當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)高速公路管理部門的信息資源發(fā)展現(xiàn)狀，可依托現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施層環(huán)境，搭建開源Hadoop架構(gòu)，原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在HDFS系統(tǒng)上，引擎以Hadoop和Spark開源生態(tài)為主，存儲和計算一體。該架構(gòu)方案能實現(xiàn)路網(wǎng)信息資源的高質(zhì)量存儲，特定的計算引擎和湖中建倉可滿足應(yīng)急處置業(yè)務(wù)開展的需要，同時具有良好的可拓展性，能適應(yīng)未來的信息資源需求。

2.1.2? 融合數(shù)倉構(gòu)建

數(shù)據(jù)治理的過程就是數(shù)據(jù)流動的過程。在DAG分布式調(diào)度引擎的調(diào)度下，分散零亂、標(biāo)準(zhǔn)不一、來源各異的異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)由不同的管道流向各自規(guī)劃的目標(biāo)存儲位置，完成信息從“數(shù)據(jù)源”向“數(shù)據(jù)湖”匯聚并構(gòu)建融合數(shù)倉，是湖倉一體數(shù)據(jù)湖建設(shè)的重要步驟，主要包括平臺和數(shù)據(jù)兩個層面的建設(shè)。

在平臺層面，本設(shè)計以數(shù)據(jù)安全管控和數(shù)據(jù)敏捷開發(fā)理念出發(fā)，以Flink和Hudi等主流技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合Datax、FlinkSQLCDC、DolphinScheduler等成熟的開源組件，研發(fā)湖倉一體的數(shù)據(jù)治理平臺，能夠提供包括批流一體數(shù)據(jù)處理引擎、數(shù)據(jù)實時集成、數(shù)據(jù)智能開發(fā)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)和運營等在內(nèi)的全棧數(shù)據(jù)智能。

基于Flink流批一體的能力，結(jié)合CDC機(jī)制實時捕獲數(shù)據(jù)庫變化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，提供全增量的一體化數(shù)據(jù)集成。具備增強(qiáng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)一致性檢測和斷點續(xù)傳能力，能并行檢測上下游數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致性，對異常寫入進(jìn)行主動預(yù)警，問題修復(fù)后可從斷點恢復(fù)數(shù)據(jù)同步。解決了以往離線數(shù)據(jù)集成和實時數(shù)據(jù)集成兩套技術(shù)棧的問題，并可在批流之間切換時保證數(shù)據(jù)一致性。

基于AC自動機(jī)算法、積累沉淀的敏感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)則和數(shù)據(jù)分類標(biāo)簽，可快速自動發(fā)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)分級分類。

通過內(nèi)置的統(tǒng)一語義層（MDX）屏蔽底層數(shù)據(jù)源的差別，實現(xiàn)統(tǒng)一建模，結(jié)合自研的數(shù)據(jù)虛擬化引擎，為用戶提供統(tǒng)一SQL開發(fā)接口，可在不移動數(shù)據(jù)的情況下，實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源之間的融合分析計算。解決以往異構(gòu)數(shù)據(jù)源需使用不同語言的技術(shù)復(fù)雜度，并縮短數(shù)據(jù)加工鏈路，使平臺具備敏捷的數(shù)據(jù)開發(fā)能力。

采用歐拉操作系統(tǒng)（EulerOS），能同時適配國產(chǎn)化的ARM架構(gòu)和X86架構(gòu)。具備增強(qiáng)的數(shù)據(jù)安全存儲能力，基于國密SM4硬件加速器，結(jié)合字段級細(xì)粒度權(quán)限控制，在HDFS數(shù)據(jù)存儲層面增加國密SM4透明加解密功能，確保僅有訪問權(quán)限的用戶能讀取出密文數(shù)據(jù)且不降低性能。

有了平臺的支撐，還必須持續(xù)、扎實做好數(shù)據(jù)層面的工作。本方案采用了數(shù)據(jù)治理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的方法和流程，主要包括如下步驟：

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)：由業(yè)務(wù)部門的“業(yè)務(wù)需求”和信息化系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)需求”共同驅(qū)動的，制定數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)、存儲、交換和共享的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）治理體系建設(shè)：建立從組織架構(gòu)、管理制度、操作規(guī)范、IT應(yīng)用技術(shù)、績效考核支持等多個維度對組織的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)生命周期等各方面進(jìn)行全面的梳理、建設(shè)及持續(xù)改進(jìn)的體系。

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量提升：通過數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和問題原因分析，尋找影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素并制定有針對性的彌補(bǔ)方案，提升數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（4）數(shù)據(jù)架構(gòu)建設(shè)：在充分考慮數(shù)據(jù)資源層技術(shù)架構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點，規(guī)劃符合實際業(yè)務(wù)需求的數(shù)據(jù)架構(gòu)方案。

（5）數(shù)據(jù)治理實施：利用平臺層面建設(shè)形成的能力，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源的全生命周期管理，服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括：數(shù)據(jù)采集、處理（提取、清洗、關(guān)聯(lián)、比對、標(biāo)識、加載）、管控（標(biāo)準(zhǔn)管理、元數(shù)據(jù)管理、目錄管理、質(zhì)量管理、分類分級、血緣管理、模型管理、標(biāo)簽管理和運維管理）、組織、安全、應(yīng)用和服務(wù)。本設(shè)計的融合數(shù)倉構(gòu)建數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)如圖3所示。

2.2? 應(yīng)用系統(tǒng)層

有了數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用支撐層提供的信息和能力支持，應(yīng)用系統(tǒng)層能夠更專注于業(yè)務(wù)場景的具體實現(xiàn)。本設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)層包括資源管理、事件監(jiān)測、協(xié)同處置和評估歸檔四個子系統(tǒng)，共同構(gòu)成了高速公路應(yīng)急處置的業(yè)務(wù)閉環(huán)。以下將重點介紹本設(shè)計中新技術(shù)在高速公路應(yīng)急處置業(yè)務(wù)場景應(yīng)用的創(chuàng)新點。

2.2.1? 資源管理

資源管理主要用于輔助交通事件處置指揮人員對突發(fā)交通事件處置所需的各類物資、裝備、人員和知識文獻(xiàn)等進(jìn)行數(shù)字化管理。

應(yīng)急預(yù)案管理是資源管理的核心，橫向銜接各類應(yīng)急資源。本設(shè)計中，利用數(shù)字孿生引擎提供的交通流宏/微觀仿真能力，對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行事前仿真推演，評估不同預(yù)案的處置效率以及對交通流的影響。基于時段、路段、事件類型、響應(yīng)等級等維度分別制定最優(yōu)的應(yīng)急預(yù)案，包括物資、裝備和人員的前置部署預(yù)案。

2.2.2? 事件監(jiān)測

目前，12122救援熱線仍然是高速公路上最主要的交通事件信息獲取渠道，屬于被動采集方式。本設(shè)計在此基礎(chǔ)上增加了多種新的監(jiān)測手段，主動被動方式相結(jié)合，多渠道互為補(bǔ)充，提高發(fā)現(xiàn)交通事件的及時性。

首先，依托人工智能視頻和圖像結(jié)構(gòu)化技術(shù)，可以實現(xiàn)覆蓋路段內(nèi)7×24小時事件監(jiān)測和定位，主動識別交通事件;其次，通過對接互聯(lián)網(wǎng)圖商和高速出行公眾服務(wù)APP采集交通事件信息并獲取精準(zhǔn)GNSS定位;第三，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的交通流仿真能力，通過數(shù)據(jù)脫跳模型、區(qū)域流量連續(xù)性模型、歷史數(shù)據(jù)分析模型等進(jìn)行交通流數(shù)據(jù)的實時比對，作為其他監(jiān)測手段的有益補(bǔ)充。一旦識別出疑似突發(fā)交通事件，系統(tǒng)將通過視頻監(jiān)控分級匹配算法自動選取不同優(yōu)先級的視頻監(jiān)控點位，由值守人員進(jìn)行核實確認(rèn)。

2.2.3? 協(xié)同處置

傳統(tǒng)方式的高速公路突發(fā)事件協(xié)同處置主要依靠值守人員通過電話和短信等通信手段進(jìn)行指揮調(diào)度，人工工作量大，效率較低。

本設(shè)計在協(xié)同處置中，首先通過應(yīng)急預(yù)案匹配算法、歷史事件匹配算法選擇最優(yōu)的應(yīng)急預(yù)案。其次，針對相關(guān)管理部門，采用人工智能機(jī)器人實現(xiàn)跨單位、跨部門多路并發(fā)協(xié)同調(diào)度并接收、匯總反饋信息，自動關(guān)聯(lián);針對社會公眾，基于應(yīng)急預(yù)案實現(xiàn)與可變情報板、隧道應(yīng)急廣播、交通媒體和互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航APP等信息發(fā)布渠道的實時聯(lián)動，主動誘導(dǎo)。對內(nèi)、對外雙線并行，可極大地提高協(xié)同處置效率。在通信手段上，除了傳統(tǒng)的電話和短信，還增加互聯(lián)網(wǎng)富媒體即時通信調(diào)度渠道，支持采用文字、語音、圖像和視頻等多種方式準(zhǔn)確傳遞信息，低成本、高效率。

2.2.4? 評估歸檔

高速公路突發(fā)交通事件處置完畢后，應(yīng)用將外部采集和內(nèi)部生成的數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)資源層的歸集庫，經(jīng)過數(shù)據(jù)治理進(jìn)入交通事件主題庫、標(biāo)簽庫、知識庫，并生成應(yīng)急處置“一事一檔”。其中的應(yīng)急處置過程信息將被發(fā)送到數(shù)字孿生引擎提供的交通流宏/微觀仿真模塊進(jìn)行推演復(fù)盤，并與實際過程比對，評估處置過程的執(zhí)行指標(biāo)，同時將實際過程與預(yù)期過程的差異信息反哺給資源管理子系統(tǒng)，用于應(yīng)急預(yù)案的持續(xù)迭代和調(diào)優(yōu)。

3? 結(jié)? 論

應(yīng)急處置工作是全省各省、市高速路網(wǎng)保暢通、保安全的核心任務(wù)，具有高頻度、高價值、高要求的特點。以“大數(shù)據(jù)+行業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新”高速公路應(yīng)急處置業(yè)務(wù)創(chuàng)新是《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》確定的發(fā)展方向。本文描述的是在此發(fā)展方向指引性下的一種業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計，能夠顯著提高省、市兩級高速公路管理部門的應(yīng)急處置效率，也具有很好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：吳迎暉（1978—），男，漢族，山東棲霞人，中級工程師，工學(xué)碩士，研究方向：交通運輸應(yīng)急管理信息化頂層規(guī)劃與信息系統(tǒng)設(shè)計。