基于GIS可視化的高速公路監(jiān)控調(diào)度指揮系統(tǒng)應(yīng)用研究

李 嘉 周 正 蔡洛森 吳光榮

(1.四川鐵投信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)投資有限公司 成都 610041； 2.四川易利數(shù)字城市科技有限公司 成都 610041)

在2020年升級(jí)優(yōu)化高速公路收費(fèi)及信息服務(wù)體系，全面實(shí)現(xiàn)了全國高速公路“一次通行、一次扣費(fèi)、一次告知”的嶄新運(yùn)營管理格局的“一張網(wǎng)”形勢(shì)下，調(diào)度指揮、應(yīng)急處置等關(guān)鍵性的需求正在成為高速運(yùn)行保障關(guān)注的焦點(diǎn)。相對(duì)于迅速擴(kuò)大的路網(wǎng)規(guī)模，高速公路整體數(shù)字化水平仍顯落后，尤其是全國高速公路基本完成“視頻上云”工程之后，監(jiān)控系統(tǒng)直接服務(wù)廣大公眾用戶的技術(shù)能力尤為不足，究其原因主要在于三方面：①大量應(yīng)用的傳統(tǒng)電子地圖難以解決橋梁、隧道或者復(fù)雜地形地貌場(chǎng)景下的交通信息立體化展示；②仍有相當(dāng)規(guī)模的老舊、傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)性能不能有效支撐新型地理信息化應(yīng)用；③現(xiàn)有系統(tǒng)信息要素集成度不夠全面，高速公路時(shí)空化大數(shù)據(jù)分析還不能充分開展。

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)以其二、三維融合建模的技術(shù)特點(diǎn)，輔之以高精度定位、空間對(duì)象立體化展示，在實(shí)現(xiàn)高級(jí)空間分析功能應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨著三維可視化技術(shù)日漸成熟、三維數(shù)據(jù)來源日益完善，高性能存儲(chǔ)計(jì)算環(huán)境建造成本日漸降低，二、三維一體的GIS可視化已成為高速公路監(jiān)控領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用新趨勢(shì)[1]。

本次開發(fā)應(yīng)用以四川省東北部某高速公路作為實(shí)踐場(chǎng)景，該高速公路全長約140 km，途經(jīng)盆地、丘陵和山區(qū)，橋梁和隧道占路線總長比例為36%，其中有2個(gè)5 km以上的特長隧道，道路形態(tài)非常全面。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

國外非常重視交通運(yùn)輸信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基本上形成了以美國、日本和歐洲等3大研發(fā)應(yīng)用技術(shù)路線，主要體現(xiàn)為:對(duì)交通信息化、智能化建設(shè)給予明確、連續(xù)的政策支持，并針對(duì)自身特點(diǎn)和發(fā)展從國家戰(zhàn)略層面開展規(guī)劃設(shè)計(jì)；交通信息化應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，公路養(yǎng)護(hù)管理與安全管理效果明顯；積極、廣泛開展面向公眾的信息服務(wù)。

1.2 國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

我國交通信息化起步于二十世紀(jì)九十年代，由交通部牽頭將衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于車輛管理領(lǐng)域的研究，開啟了衛(wèi)星定位的大規(guī)模應(yīng)用潮流，交通信息化建設(shè)大幕由此拉開。近20年來,我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)輸裝備發(fā)展十分迅速,信息技術(shù)應(yīng)用得到大力推廣，信息資源開發(fā)利用水平也不斷提高，交通信息采集與監(jiān)控、資源整合開發(fā)與利用、運(yùn)行綜合分析和信息服務(wù)等方面已取得矚目成就[2]。交通信息化的發(fā)展以成熟技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用和新技術(shù)開發(fā)為核心，以信息感知、車路協(xié)同、綠色交通等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用和推廣為重點(diǎn)[3]。以新的管理理念全面推進(jìn)行業(yè)科技管理體制機(jī)制改革，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)支撐行業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)，以信息化、智能化引領(lǐng)交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的發(fā)展。

在高速公路領(lǐng)域，語音、視頻監(jiān)控等傳統(tǒng)調(diào)度指揮方式，進(jìn)入了基于GIS系統(tǒng)的“一張圖”應(yīng)急指揮新模式[4]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

二、三維一體的GIS可視化服務(wù)提供B/S結(jié)構(gòu)的WebGIS開發(fā)框架，以及Android、iOS等移動(dòng)客戶端開發(fā)框架。基于該服務(wù)可以輕松實(shí)現(xiàn)功能豐富的二、三維地圖一體化集成發(fā)布，實(shí)現(xiàn)在線、離線一體化應(yīng)用，是政企開展空間信息可視化應(yīng)用開發(fā)活動(dòng)較為理想的技術(shù)選擇[5]。

2.1 技術(shù)路徑

二、三維一體的GIS可視化服務(wù)由數(shù)據(jù)庫、服務(wù)端和管理工具三部分組成。所有的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都存放在數(shù)據(jù)庫中。其中空間數(shù)據(jù)以自定義格式編碼，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表域段中。服務(wù)端向客戶端提供了對(duì)圖層、地圖的顯示配置，圖例庫等對(duì)象的創(chuàng)建、刪除、獲取、更新、枚舉等操作。管理工具則用于進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的常規(guī)管理，例如數(shù)據(jù)初始化、數(shù)據(jù)庫修復(fù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及用戶權(quán)限管理。

在高速公路日常監(jiān)控管理業(yè)務(wù)中既有對(duì)整個(gè)路段全域的監(jiān)控可視化需求，還有對(duì)具體細(xì)節(jié)場(chǎng)景的可視化要求[6]。二維層面需要具備高速公路的平面信息，包括路段編號(hào)、公里樁號(hào)、樞紐及站點(diǎn)編號(hào)等；三維層面則實(shí)現(xiàn)對(duì)公路路體尤其是橋梁、隧道等重要結(jié)構(gòu)體的細(xì)節(jié)掌控，可采用一些成熟的商用三維模擬工具(如BIM、3Dmax)對(duì)高速公路重點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行可視化展示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生場(chǎng)景應(yīng)用，例如，在隧道中通過可編程控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行操控并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋到三維孿生場(chǎng)景。本次GIS可視化實(shí)踐研發(fā)基本技術(shù)操作路徑見圖1。

圖1 基本技術(shù)路徑

在云環(huán)境下，利用業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行多層次可視化任務(wù)，采用OpenGL和DirectX作為底層渲染庫，二、三維一體的GIS可視化服務(wù)會(huì)根據(jù)自適應(yīng)調(diào)度與適配機(jī)制選擇最優(yōu)底層渲染庫，將最好的硬件性能完全釋放。使用圖形處理(graphic processing，GPU)對(duì)三維場(chǎng)景渲染，由于GPU具有高并行結(jié)構(gòu)(highly parallel structure)，因此GPU在圖形圖像處理和復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算方面比CPU更高效。使用計(jì)算處理(central processing，CPU)執(zhí)行空間查詢、分析、預(yù)測(cè)等算法。本次研究實(shí)踐的可視化服務(wù)調(diào)度管理方法見圖2。

圖2 可視化服務(wù)調(diào)度管理

靜態(tài)地圖可視化基本流程為：在GIS體系下的三維坐標(biāo)內(nèi)，以地圖輸出設(shè)備為視點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)及高度參數(shù)，對(duì)其視點(diǎn)畫面范圍內(nèi)的三維物體進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、裝載，給定光源、照明模式、紋理等其他參數(shù)，最終可將三維物體渲染為地圖形態(tài)。

動(dòng)態(tài)地圖可視化基本流程為：矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入后可能存在數(shù)據(jù)位置不準(zhǔn)確情況，需先進(jìn)行圖元位置調(diào)整；其次，基于材質(zhì)庫服務(wù)進(jìn)行必要的圖元樣式調(diào)整；定義顯示級(jí)別并管理圖元顯示信息；針對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)類別自動(dòng)關(guān)聯(lián)；最后，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的屬性掛接，以及圖元數(shù)據(jù)與物聯(lián)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)掛接。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1二、三維一體GIS支撐技術(shù)

通過使用二、三維一體化的GIS支撐引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、可視化分析等多功能，例如：二、三維場(chǎng)景構(gòu)建、場(chǎng)景管理、模型樣式、模型視角、模型與屬性關(guān)聯(lián)；二、三維空間分析；二、三維呈現(xiàn)、渲染、控制、查詢、透視、動(dòng)畫等。

2.2.2GIS可視化處理技術(shù)

通過優(yōu)化數(shù)據(jù)、計(jì)算與繪制資源，支撐多模態(tài)、全空間時(shí)空數(shù)據(jù)自適應(yīng)可視化。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息空間化和空間/非空間元素可視化，以良好形態(tài)展現(xiàn)給用戶。

2.2.3視頻整合技術(shù)

事先設(shè)計(jì)定義統(tǒng)一的應(yīng)用框架內(nèi)部服務(wù)接口，通過驅(qū)動(dòng)模塊將需要接入的設(shè)備和平臺(tái)的各種不同視頻流協(xié)議轉(zhuǎn)為內(nèi)部統(tǒng)一協(xié)議，并對(duì)多個(gè)品牌設(shè)備的視頻流進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)碼。良好的服務(wù)接口將能實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的松耦合，將前端設(shè)備抽象成設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，更易于接入新的前端設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與第三方監(jiān)控平臺(tái)的必要聯(lián)動(dòng)控制。

2.3 主要功能

高速公路監(jiān)控應(yīng)急調(diào)度指揮應(yīng)用系統(tǒng)的主要功能設(shè)置如下。

2.3.1地圖基本操作

基于二、三維一體化GIS支撐引擎，實(shí)現(xiàn)放大、縮小、平移、聚焦等基本操作。

2.3.2圖層接入與展示

通過業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要包括視頻監(jiān)控點(diǎn)位圖層、情報(bào)板、路政車輛、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、互通立交、物資倉庫、醫(yī)院、公安交管、施工或管制、應(yīng)急突發(fā)事件、路況通阻等信息，將其在基礎(chǔ)路網(wǎng)上疊加展示。還應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)專題圖層的顯示控制，例如切換某專題圖層的顯示和隱藏狀態(tài)，或同時(shí)疊加多個(gè)圖層，系統(tǒng)地圖界面見圖3。

圖3 疊加圖層后的實(shí)景效果

2.3.3空間查詢搜索

基于二、三維一體化GIS支撐引擎，在地理視圖下支持空間框選、圓形、多邊形、點(diǎn)選等空間查詢繪制，基于空間范圍條件進(jìn)行二維數(shù)據(jù)的查詢，其結(jié)果在二維或三維視圖下展示。另外，應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖層上信息文字的搜索和快速定位。

空間查詢與搜索主要通過基于柵格數(shù)據(jù)的GIS空間分析算法來實(shí)現(xiàn)，GIS中許多數(shù)據(jù)都用柵格格式表示，包括數(shù)字高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、數(shù)字正射影像、掃描地圖和圖形文件。二、三維一體化GIS支撐引擎能同時(shí)支持柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，并可以在柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)之間相互轉(zhuǎn)換。柵格數(shù)據(jù)將許多空間數(shù)據(jù)分析方法引入到GIS中。矢量、棚格2種數(shù)據(jù)相結(jié)合是現(xiàn)代GIS應(yīng)用的普遍趨勢(shì)。

由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理與分析中，通常使用線性代數(shù)的二維數(shù)字矩陣分析法作為數(shù)據(jù)分析處理基礎(chǔ)，其自動(dòng)分析處理易用、高效，且分析處理模式化、自動(dòng)化程度較強(qiáng)。通常對(duì)柵格數(shù)據(jù)可以進(jìn)行局部運(yùn)算、鄰域運(yùn)算、分帶運(yùn)算、距離、體積量測(cè)運(yùn)算。伴隨空間分析方法的擴(kuò)展，還可使用柵格數(shù)據(jù)開展空間自相關(guān)分析、路徑分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等。

2.3.4視頻播放應(yīng)用

支持多種畫面分割方式，同時(shí)顯示播放多個(gè)攝像機(jī)點(diǎn)位視頻。具備視頻監(jiān)控畫面監(jiān)視、輪巡監(jiān)視、視頻回放和顯示大屏解碼上墻等功能。

2.3.5應(yīng)急調(diào)度指揮

對(duì)路段內(nèi)道路救援車輛、信息發(fā)布設(shè)備、視頻設(shè)備、廣播、語音通話設(shè)備、單兵設(shè)備、應(yīng)急物資、處置力量等進(jìn)行掌控，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急調(diào)度指揮功能的全流程可視化，包括應(yīng)急事件從上報(bào)到處理直至完結(jié)歸檔的完整流程，實(shí)現(xiàn)事件回溯、任務(wù)定義、預(yù)案編制、事件分析，主要功能有：

1) 事件智能監(jiān)測(cè)。接入整合高速公路視頻監(jiān)控資源，并通過視頻AI分析，對(duì)追尾、違停、行人上高速等事件進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析，并告警。

2) 應(yīng)急預(yù)案管理與調(diào)用。對(duì)應(yīng)急事件指揮、交通暢通調(diào)度等預(yù)案進(jìn)行管理，包括事件類型、處置流程、協(xié)同部門、通知方式等信息的管理，根據(jù)事件特征，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)預(yù)案，通知相應(yīng)外場(chǎng)人員。

3) 指揮調(diào)度。通過整合信息發(fā)布設(shè)備、視頻設(shè)備、廣播設(shè)備、單兵通訊設(shè)備及其管理系統(tǒng)，形成融合通訊指揮系統(tǒng)，開展應(yīng)急指揮、實(shí)時(shí)調(diào)度。

2.3.6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化

通過GIS地圖和高速業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)開展等各類指標(biāo)數(shù)據(jù)的綜合分析和可視化呈現(xiàn)。例如，多形態(tài)高速路網(wǎng)簡圖、車流量和趨向統(tǒng)計(jì)分析、特定OD出行時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)分析、路段通阻狀況分析展示、事故多發(fā)地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析展示、視頻多媒體展播、事件處置過程詳情動(dòng)態(tài)展示等。

2.3.7設(shè)備管理和信息發(fā)布

對(duì)高速公路外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)施設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集中管理。完成技術(shù)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)屬性、空間地理位置、規(guī)則權(quán)限的臺(tái)賬化，在有接口服務(wù)條件下實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在設(shè)備管理基礎(chǔ)上構(gòu)建統(tǒng)一信息發(fā)布能力，規(guī)范信息發(fā)布流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路LED情報(bào)板、車道標(biāo)志、廣播系統(tǒng)等設(shè)備的操作控制。

3 應(yīng)用效果

基于GIS形態(tài)操作界面，開發(fā)軟件系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)日常安全巡邏、設(shè)備維護(hù)、信息處理、事件處置、監(jiān)控運(yùn)行等一系列日常業(yè)務(wù)功能。結(jié)合GIS空間分析能力，對(duì)整個(gè)道路路況、車流狀況、交通事故、預(yù)警信息、施工情況、特殊車輛、外場(chǎng)設(shè)備情況等指標(biāo)信息以圖表形式進(jìn)行呈現(xiàn)。基于道路視頻監(jiān)控設(shè)備、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、人工上報(bào)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，融合歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和挖掘,對(duì)道路交通狀態(tài)進(jìn)行分析，模擬指揮干預(yù)之后的效果。根據(jù)當(dāng)前的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)交通狀況評(píng)估及變化趨勢(shì)，結(jié)合誘導(dǎo)和管制的措施推算出調(diào)度后的交通路況信息，并模擬生成道路運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而支持科學(xué)決策。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)算法，可進(jìn)一步對(duì)高速公路通阻狀態(tài)、物資配置要求進(jìn)行前瞻預(yù)測(cè)分析，更有意義的是實(shí)現(xiàn)了人力物資科學(xué)化配比、精準(zhǔn)化調(diào)度。

應(yīng)急調(diào)度指揮業(yè)務(wù)支持日常巡檢、響應(yīng)、恢復(fù)、復(fù)盤等場(chǎng)景和流程，可針對(duì)事件類別自動(dòng)通過時(shí)間空間信息快速計(jì)算出醫(yī)院、巡邏車、物資倉庫、入出口的最優(yōu)選擇，并實(shí)現(xiàn)快捷調(diào)度通訊。同時(shí)，在監(jiān)控指揮中心大屏上顯示外場(chǎng)的固定端和移動(dòng)端視頻實(shí)時(shí)畫面，在GIS地圖上顯示處置救援人員的移動(dòng)軌跡，最終體現(xiàn)對(duì)應(yīng)急處置流程的實(shí)質(zhì)性監(jiān)控，應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果見圖4。

圖4 高速公路監(jiān)控調(diào)度指揮系統(tǒng)

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋路況信息，快速精準(zhǔn)定位，智能化形成最優(yōu)處置方案，減少流程成本，其中多人調(diào)度耗時(shí)從系統(tǒng)應(yīng)用前的10 min減少至3 min以內(nèi)，同時(shí)增強(qiáng)高速公路公眾服務(wù)水平，帶來了更好的用戶體驗(yàn)感受。本系統(tǒng)的應(yīng)用更是直接降低企業(yè)相關(guān)成本開銷，例如：事故誤報(bào)率下降40%左右，外場(chǎng)路巡頻次降低30%左右，車輛、能源損耗顯著降低。初步估算，應(yīng)用本系統(tǒng)的高速公路每年整體降低運(yùn)營開銷超過80萬元。

4 結(jié)語

采用二、三維一體的GIS可視化技術(shù)，立足于高速公路監(jiān)控運(yùn)行和調(diào)度指揮的業(yè)務(wù)流程及實(shí)際需求，積極采用視頻智能分析、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)集成和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，成功開發(fā)了高速公路監(jiān)控調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)在四川某高速公路投入使用之后，初步形成了路段監(jiān)控中心的集約化、一體化調(diào)度指揮能力，基本實(shí)現(xiàn)了路段運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，此外，GIS可視化的運(yùn)用極大改善了系統(tǒng)用戶的操作體驗(yàn)，信息獲取反饋更加精準(zhǔn)、全面，操作指令下達(dá)更加高效、便捷。此次實(shí)踐有力推動(dòng)了高速公路運(yùn)營管理的提質(zhì)增效，更為即將開展的集團(tuán)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了成功示范。