高速公路信息系統建設研究

李 禎，唐玉斌，胡建科，覃保堅，黃圓圓

(廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

近年來，圍繞國家“交通強國”的目標，高速公路運營管理現代化已經成為我國高速公路發展的新趨勢。同時，隨著高速公路路網不斷地健全完善，對高速公路運營管理業務現代化的研究，具有十分重要的現實意義。在當前“智慧高速”的發展形勢下，需要解決目前高速公路信息化建設中普遍存在的道路感知中數據挖掘及應用能力不足的問題，并以“業務先導，技術協同”為原則，基于高速公路“智能感知路網”，實現收費機電管理、養護管理、應急管理、服務區管理、公眾出行服務等業務智能協同，建設高速公路運營管理現代化信息系統，并推廣使用。

1 高速公路信息化的意義及存在問題

1.1 高速公路信息化的意義

1.1.1 信息化引領交通運輸現代化發展戰略

隨著現代通信、網絡、數據庫技術等信息技術的發展，交通運輸現代化日益受到重視。2016年4月，交通運輸部正式印發《交通運輸信息化“十三五”發展規劃》，根據《規劃》要求，到2020年，部省兩級信息共享和數據開放水平大幅提升，行業主要業務領域運用大數據能力顯著提高，實現“信息開放共享、業務在線協同、路網便捷互聯、公眾服務提質、信息安全可控”的目標。2021年，全面做好加快建設交通強國具體工作，深入落實《交通強國建設綱要》和《國家綜合立體交通網規劃綱要》，做好“十四五”規劃編制工作，推動交通強國建設試點落地見效和著力抓好重大工程，是交通運輸現代化的發展趨勢。

1.1.2 信息化推動高速公路運營管理升級

信息化引領交通運輸現代化發展，推動交通運輸的結構優化、模式轉變、形態變革，實現交通運輸方式的轉型升級。根據國家關于取消高速公路省界收費站的相關部署，全國高速公路收費模式全面變革，2020-01-01正式實行全國高速公路聯網收費。接著，在運營管理工作中新增了一系列的前端信息采集感知設備，進一步提高高速公路路網的健全、感知、智能化程度。現今，全國高速公路正式邁入全面聯網、業務系統、智能應用的重要階段，緊扣高速公路運營管理的五大核心業務“收費機電、養護路產、應急安全、服務區管理、公眾出行服務”，通過信息化與智能化提高高速公路運營的管理水平、技術水平和發展水平，實現“全方位、全覆蓋、全自動、全天候、全過程”的多業務協同，是當前高速公路運營管理現代化的重點工作。

1.2 高速公路信息化建設中存在的問題

高速公路信息化是一個方興未艾的歷史進程，而隨著信息化技術不斷更新迭代，在傳統的高速公路信息化建設中依然存在許多問題：

(1)路網運行監測的智能感知能力不強；在路段建設中，對于路網視頻監控系統的建設沒有統一的標準，大部分路段未能實現監控視頻的全覆蓋，并且智能感知設備如視頻事件檢測、雷達事件檢測、北斗高精度監測等技術的應用程度亟須提高。

(2)部分運營業務管理信息化、自動化程度低，部分運營業務管理流程未固化，沒有統一流程規范和標準。

(3)云計算、大數據分析等技術在高速公路運營管理的應用場景研究及應用不足，對路網監測下的多維度數據模型未建立，數據的價值利用率不高。

2 高速公路運營管理現代化信息系統的構建

根據柳州高速公路運營有限公司運營管理現代化建設情況，高速公路運營管理現代化信息系統建設以“業務先導，技術協同”為原則，前端信息采集系統構建“智能感知路網”為基礎、局域網數據中心為支撐，明確高速公路現代化建設中管理平臺與各級應用系統的建設目標，為高速公路信息系統建設提供一體化解決方案。

如圖1所示，從信息系統建設的整體架構上劃分，可“從上至下”分為三部分：

(1)局域網數據中心。包含運行、運維、展示所需的基礎系統，包含通信傳輸網絡、網絡與信息安全系統、虛擬化云平臺、高分可視化系統。

圖1 運營管理現代化管理平臺框架圖

(2)智慧運營服務平臺和運營業務應用系統。包含“收費機電、安全應急、路產養護、公眾出行及服務區管理”等高速公路運營管理業務所需的業務系統、信息管理系統，以及配套的移動APP。

(3)前端信息采集系統。包含監控系統(攝像機、交調站、情報板等分系統)、隧道系統(電力監控、火災報警、緊急電話等分系統)、重大結構物監測系統(橋梁位移監測系統、橋梁低溫監測系統、高邊坡位移監測系統等分系統)、智能預警系統(霧區誘導系統、防車輛闖入預警系統、雷達防擁堵預警系統等)。

2.1 局域網數據中心

根據信息系統及各級業務系統要求，數據中心以“多維度可擴展”和“互聯、共享”為核心，應滿足以下要求：

(1)高效通信網絡架構。高可靠性通信鏈路、鏈路及網絡設備的冗余備份、簡潔路由交換策略、多網互通。

(2)可靠的網絡安全體系。按照網絡安全等級保護2.0的要求，包含安全通信網絡、安全區域邊界、安全計算環境、安全管理中心、安全管理制度。

(3)高性能虛擬化平臺(云平臺)。結合現有裸機、物理機，實現計算、應用、存儲的拆分和集群。

(4)高分可視化展示平臺。結合現有先進小間距LED拼接屏，實現云拼接控制及多應用場景投屏展示。

2.1.1 安全、可靠的網絡架構

高速公路局域網數據中心網絡由視頻專網、業務服務區、互聯網/外聯區、安全管理中心組成，各區域通過防火墻、核心交換機連接。視頻專網即高速公路監控網絡；業務服務區以虛擬化平臺(云平臺)及物理機組成；互聯網/外聯區即DMZ隔離區；安全管理中心由一系列安全設備組成。由此組成高效、安全、可靠的網絡架構，并作為局域網數據中心建設的基礎。如圖2所示。

圖2 局域網數據中心網絡拓撲圖

2.1.2 通信傳輸網絡系統

根據轄區通信設備狀況，建立符合需求的1 000/10 000 M局域網絡，并按照傳統三層網絡架構，簡化核心層、匯聚層、接入層關系，優化路由區域劃分。在實現轄區所有站點聯通的情況下，實現各個方面信息交換網絡的互聯互通。如圖2所示。

2.1.3 網絡與信息安全系統

根據網絡安全等級保護2.0的要求，增加下一代防火墻、VPN、堡壘機、殺毒軟件、網絡準入設備、漏洞掃描設備、日志審計設備、數據庫審計設備、安全態勢感知設備、網絡審計設備，并完成信息系統備案定級工作。同時，完成安全通信網絡、安全區域邊界、安全計算環境、安全管理中心、安全管理制度等工作，保證局域網數據中心的正常運行。如圖2所示。

2.1.4 虛擬化平臺(云平臺)

以高性能集群服務器和大容量的存儲裝置為目的，建設虛擬化平臺(云平臺)，實現計算、應用、存儲的拆分和集群。根據需求，實現應用與數據庫的拆分、應用的拆分、數據庫的拆分，實現服務器的集群，最大限度地保證內部信息系統之間信息交換、共享的高效性、及時性。

2.1.5 高分可視化平臺

為克服傳統拼接系統畫面上墻切換不靈活、效率低下的不足，增加高分可視化平臺。平臺根據數據展示需求定制高分可視化大屏，實現云拼接控制，實現顯示系統控制軟件，有線、無線投屏系統組成，打破傳統視頻監控、視頻輪詢、視頻巡檢方式。

2.2 運營業務應用系統

運營業務應用系統，用以解決目前高速公路運營管理業務中“收費機電、安全應急、路產養護、服務區管理”等主要問題。運營業務應用系統應滿足以下功能：

(1)智慧運營服務平臺，基于局域網數據中心，實現高速公路路網的應用場景模型、云端控制功能、視頻融合共享以及三屏信息交互功能。

(2)運營業務應用系統，滿足高速公路各運營管理業務應用及信息管理需求。收費機電板塊，實現運營管理數據分析系統、機電設備健康監測及運維管理、收費站業務綜合管理；安全應急板塊，實現智能監測預警系統、一路多方應急指揮、高速公路突發事件統計分析；路產養護板塊，實現路產路權管理、智能養護綜合管理、橋梁管理、隧道管理；服務區管理板塊，實現服務區一體化管理、服務區后門管理、智能巡更。

2.2.1 智慧運營服務平臺

智慧運營服務平臺基于局域網數據中心，以“問題地圖”為主，實現“大屏展示、中屏操作、小屏交互”的平臺架構規劃。

2.2.1.1 應用場景模型

大屏展示依托高分可視化平臺，實現六大應用場景：(1)綜合運營場景，展示公司實時路網狀況；(2)警路企聯合辦公場景，為一路多方提供系統支撐；(3)視頻管理場景，實現公司全路段視頻監控管理；(4)隧道管理場景，實現轄區內所有隧道控制、監控管理；(5)服務區場景，實時監測服務區運行狀況；(6)特殊路段場景，實時監測公司轄區重點路段情況。

2.2.1.2 云端控制管理

中屏操作依托智慧運營服務平臺子系統，實現道路監控、視頻管理、客戶服務、交通誘導、應急管理、隧道管理、設施設備管理、外場報表、系統管理、涉路施工管理功能。并以GIS地理信息系統為基礎，業務管理控制為核心，形成業務閉環、便捷互通的智能云控平臺。實現路段監控、隧道PLC、風機系統、照明系統、消防系統、緊急電話系統、廣播系統、高邊坡監測系統、霧區系統、電力系統的云上管理控制。

2.2.1.3 小屏信息交互

小屏交互依托智慧高速APP，以外場辦公為目標，實現事件、路況、視頻、通信錄入系統。

2.2.1.4 視頻融合共享系統

對接交警監控視頻，實現帶安全隔離的網絡接入，并以國標協議實現視頻平臺間的對接。

2.2.2 應用及信息管理系統

2.2.2.1 收費機電業務系統

收費機電業務系統，包含如下系統：

(1)運營管理數據分析系統：包括高速公路各類數據(如車流、氣象等)的管理分析，根據這些數據，以線性、條形圖、報表的形式，實時、準確地反映各個站點的整體運營情況。

(2)機電設備健康監測及運維管理系統：實現設備異常、設備告警、設備維護整個生命周期的管理。

(3)稽查打逃業務管理系統：主要包括逃費行為分析、逃費模型建立、追逃流程管理、逃費案宗管理及逃費嫌疑車輛管理等功能。

(4)收費業務綜合管理系統：實現收費站人員、業務、后勤的綜合管理。

2.2.2.2 安全應急業務系統

安全應急業務系統，包含如下系統：

(1)智能監測預警系統：主要包括視頻事件監測、事件報警、自動預案、歷史管理功能。

(2)綜合應急指揮系統：實現預案聯動、智能交通誘導規劃、“警路企”聯動等功能。

(3)高速公路突發事件統計分析系統：主要包括突發事件記錄、突發事件分析、安全應急管理指導評估功能，對多發突發事件路段做分析，為安全應急管理提供數據指導支持。

2.2.2.3 養護路產業務系統

養護路產業務系統，包含如下系統：

(1)路產路權管理系統：主要包括項目審批、項目評估、相關費用管理、流程管理等功能。

(2)智能養護綜合管理系統：包含病害管理、橋梁管理、隧道管理、施工管理等功能。

2.2.2.4 服務區管理業務系統

服務區管理業務系統，包含如下系統：

(1)服務區管理系統：以實現一體化服務管理為目標，主要包括經營管理、水電管理、考勤管理、視頻管理、第三方系統集成功能。

(2)服務區后門管理系統：主要包括白名單車輛管理、白名單審核、白名單下發功能，同時系統含web端系統、APP端系統，可適應服務區多場景應用。

(3)智能巡更系統：包括人員管理、巡更點位設定、巡更時間及要求確定、巡更要求、巡更記錄等功能。

2.3 前端信息采集系統

根據運營管理現代化“全方位、全天候、全自動、全覆蓋、全過程”的建設要求，實現高速公路轄區的智能感知路網模型，前端信息采集系統應具備如下功能：

(1)實時性。通過監控網絡或互聯網絡實時回傳的傳感器感知數據。

(2)可靠性。前端信息采集系統數值達到業務精度要求，不存在太大誤差。全路網監測功能，實現各個路段視頻連通要求，可實現實時視頻的查看、讀取等功能。

(3)持續性。系統可持續不間斷運行，并且具備5年以上的使用時間。

2.3.1 監控系統建設

針對監控，建立一批基礎的監控設施，其包括重點路段視頻監控系統、交通誘導情報板系統、服務區高清卡口系統、服務區客流采集系統、視頻事件檢測系統、涉路施工移動監控系統、無人機視頻回傳系統、4G音視頻回傳系統等。

2.3.2 隧道系統建設

針對隧道監測，建立特定需求、環境下的監測設備。如：電力監控系統，為變配電系統的實時數據采集、開關狀態檢測及遠程控制提供了基礎條件；發機電組云監控系統，實現隧道、站區等發電機組的監控及控制，解決傳統情況下依賴人工查看的問題。

2.3.3 重大結構物監測系統建設

針對重大結構物監測，加裝前端智能傳感器，通過前端靜力水準儀、 振弦式應變計、索力計、北斗位移傳感器、溫度傳感器等實現重大結構物的多維度監測。如橋梁位移監測系統、橋梁低溫監測系統、高邊坡位移監測系統等。

2.3.4 智能預警系統建設

針對路段事件智能預警，通過邊緣自動化智能設備，實現重要路段的智能誘導。如：霧區誘導系統，通過能見度儀，實現低能見度環境下的道路輪廓引導、防止追尾預警、遠程互聯網平臺信息交互與控制、綜合氣象信息的主動發布；高速公路雨天積水預警系統，通過水膜覆蓋傳感器發現雨霧天氣時，發出限速提醒和霧燈提醒，同時對車輛超速情況進行抓拍、視頻取證；防車輛闖入預警系統，當車輛誤闖碰撞時的提示告警；雷達防擁堵預警系統，實現重點路段、收費站的車輛擁堵或緩行的檢測及預警。

3 結語

柳州高速公路運營有限公司運營管理現代化信息系統建設的工作設想是通過健全轄區“智能感知路網”，并結合智慧運營服務平臺，不斷優化現場安全監管，實現公眾信息服務、擁堵管控預警、涉路施工管理、危化品車輛識別和應急指揮等重要的高速公路業務的自動化、智能化，有效解決當前高速公路信息化建設中存在的數據挖掘與應用能力不足的問題，實現“全方位、全天候、全自動、全覆蓋”的高速公路運營管理現代化。