智慧高速公路大數據平臺架構淺析

徐雷 俞佳成 鄭加威 周晨陽 張國棟 田旭

摘 要：智慧高速公路大數據平臺是高速公路智慧化的核心內容之一，其建設內容以大數據、云計算等新一代信息技術為支撐，通過數據交換與處理、存儲治理、決策仿真等手段，實現信息共享、決策輔助、主動響應、服務完善等高速公路智慧化內容。從智慧高速公路大數據平臺建設需求出發，提出智慧高速公路總體結構，并從業務功能架構設計、系統邏輯框架、技術邏輯架構等多方面分析了智慧高速大數據平臺架構的設計與建設概況，為高速公路的智慧化改造做出積極探索。

關鍵詞：智慧高速;大數據平臺建設;大數據構架設計;云計算

中圖分類號：U422.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0107-04

0 引言

2019年底，全國范圍內基本完成高速公路取消省界收費站的工作，標志著國內高速公路向自由流收費走出了扎實的一步。目前，吉林、北京、河北、河南、浙江、江蘇等省都在開展智慧公路的試點工程建設，其中浙江省的智慧化提升與建設主要集中在滬杭甬、杭紹甬[1]、杭州繞城西復線、杭紹臺、杭金衢這五條高速公路。那么智慧高速公路應該智慧在哪里呢？是實現自由流收費，還是實現對自動駕駛的全面支持？是智慧的交通態勢管理，還是智慧的交通擁堵誘導？當前，行業內對智慧高速的定義還未形成統一的認識。本文將從大數據平臺助力高速公路智慧化角度出發理解智慧高速公路的定義。

既然要建設智慧高速公路，首先就要有明確的定義。如圖1所示，智慧高速是智慧交通的分支，而智慧交通又在智慧城市的范疇內。因此為了更清楚地描述智慧高速，從介紹智慧城市開始，簡述智慧交通，最后引出智慧高速相關內容。

1 概述

1.1 智慧城市

2008年11月，萬國商業機器公司（International Business Machines? Corporation， IBM）提出了“智慧地球”的理念，包括物聯化、互聯化、智能化三大要素。2010年，IBM正首次提出“智慧的城市”的遠景[2-4]，喚起了全世界各地建設智慧城市的熱潮。我國的智慧城市建設歷程從2008年至今分為3個發展階段。

第一階段：2008年～2012年為主，以智慧城市概念化和逐步導入為階段主要業態，各行業積極推進傳統模式向數字化模式改革，該階段通過分散建設為我國智慧城市發展打下地基。

第二階段：2012年～2015年為主，以試點模式逐步探尋智慧城市建設為階段主要業態，在智慧城市相關行業管理部門的指導下，各行業應用領域摸索多跨聯動、數據共享，智慧城市發展步入穩定建設階段。

第三階段：從 2016 年至今，智慧城市實施路徑、建設思路、運行模式、發展理念全方位升級更迭，進入協同創新、統籌集約、成效導向、以人為本的智慧城市建設新征程。

由此可見，我國對智慧城市的理解已經從傳統的“智慧城市”發展到“新型智慧城市”階段。國家層面更是以“六個一”的新型智慧城市的為核心建設理念[5]，即“一個體系架構、一張天地一體的柵格網、一個通用功能平臺、一個數據集合、一個城市運行中心、一套標準”。

1.2 智慧交通

20世紀90年代初，美國提出了智能交通（Intelligent Transport System，ITS）的概念，到了2009年，IBM提出了智慧交通的理念[3]。目前行業內對智能交通、智慧交通沒有統一的定義，但普遍認為智慧交通是由智能交通發展而來。

智能交通系統將人、車、路三者互聯互通。在系統中運用交通工程、計算機處理、電子控制、衛星導航與定位、電子傳感、數據通信傳輸、信息等技術，并將這些技術高效地融合，在整個交通管理系統中有效集成和應用一系列技術，使人、汽車、道路密切合作，實現和諧統一，發揮協同效應，顯著提高交通效率，確保交通安全，改善交通環境，提高能源利用效率。

2019年7月，交通運輸部發布了《數字交通發展規劃綱要》（交規劃發〔2019〕89號）[6]，明確數字交通是數字經濟發展的重要領域，是以數據為關鍵要素和核心驅動的現代交通系統，促進物理與虛擬空間交通活動的持續整合和互動。提出按照鞏固、加強、改進、暢通八字政策，抓住新一輪科技革命和產業變革的機遇，堅持促進高質量發展，以人為本，以創新為第一動力，促進先進信息技術與交通深度融合，以數據鏈為主線，構建數字采集系統、網絡傳輸系統和智能應用系統，加快數字、網絡、智能發展，支持交通力量建設。

2019年9月，國務院發布《交通強國建設綱要》[7]，其中在科技創新方面提出要鼎力發展智慧交通，推動超級計算、區塊鏈、人工智能、互聯網、大數據新技術與交通行業深度融合，推進數據資源賦能交通發展，加速交通基礎設施網、運輸服務網、能源網與信息網絡融合發展，構建泛在先進的交通信息基礎設施，構建綜合交通大數據中心體系，深化交通公共服務體系和電子政務發展，推進北斗衛星導航系統應用。

1.3 智慧高速

高速公路作為交通基礎設施的重要分支內容，其智慧化建設的意義與智慧交通密不可分。各城市在新型智慧城市和智慧交通的建設內容中都提到了要利用新技術建設大數據中心體系。

在浙江，部分交通相關從業者和學者致力于探索智慧高速的應用場景。不同的高速公路中有共性的應用場景，也有個性化的應用場景，而這些場景要達到既定的應用效果，離不開底層數據的支撐。而數據來源于高速公路上的各種智能感知設備，數據的抓取需要利用網絡化的傳輸體系，將全周期的高速公路基礎設施數字化的數據傳輸到智慧高速大數據中心進行存儲、治理和分析，進而實現“以人為本”的智慧化高速公路。

“交通強國”是智慧高速公路發展的最終目標，交通運輸部發布的《數字交通發展規劃綱要》中提到：到2025年，交通基礎設施和運載裝備要向全要素、全周期的數字化升級邁出新步伐，數字化采集體系和網絡化傳輸體系基本形成;到2035年，交通基礎設施要完成全要素、全周期數字化，天地一體的交通控制網基本形成，按需獲取的即時出行服務廣泛應用。因此智慧高速“智慧”的核心在于如何獲取并利用高質量的數據，為高速公路的管理者和使用者提供人性化的服務。

2 智慧高速總體構架

在數據為王的大數據時代，移動互聯網、大數據、云計算、物聯網等信息技術在交通領域的發展和應用為智慧高速注入了全新的技術內涵，圖2顯示了智慧高速公路的整體架構。隨著大數據技術研究和人工智能的進一步學習和應用，智能高速公路的新應用層出不窮[8-9]。智慧高速公路將為大眾提供更安全、綠色、高效、敏捷的出行環境，在交通運營管理優化、車輛和出行者智能服務等方面創造更好的生活。

2.1 業務構架

首先得明確業務的使用對象，不同的用戶角色的需求也不盡相同。本文把智慧高速公路的使用對象歸納為三類，即行業管理部門、高速公路運營管理公司和社會公眾，如圖3所示。

2.1.1行業管理部門

對于省級交通主管部門，最需要掌握的是全省高速公路的總體路況態勢，以及在出現安全事故的第一時間高效地開展指揮調度和應急救援工作。對于地方的交通主管部門來講，需要實時管控所管轄區域高速公路的運行情況，并開展具體的應急保障工作。

2.1.2高速公路運營管理公司

高速公路運營管理公司是負責具體高速公路全生命周期管理的主體，包括高速公路的建設、管理和養護等職責，也迫切需要掌握所運營路段的交通態勢，發布路段擁堵指數、施工養護等信息;同時，不同的路段所處地理位置不同，建設情況不同，氣候條件不一，對于管理的需求也會有針對性的變化。比如在多隧道的路端需要加強對隧道的監控，在山區環境中需要考慮團霧、冰雪等氣象問題對通行的影響等。

2.1.3社會公眾

社會公眾是高速公路的真正使用者，對于司乘人員來講，如何安全快速地到達目的地是他們最原始的需求，其中包含對高速公路關聯服務的需求，比如貨車司機、長途大巴司機等在服務區的休息、用餐等日常生活體驗的舒適性、安全性等需求。智慧高速的建設應該讓社會公眾感覺到“智慧”。

要滿足上述各方面的需求，最基本的條件是要實現數據的共享，全網高速路段的交通態勢分析需要全方位地數據共享和挖掘分析。各個主管部門和公路運營管理公司應以社會公眾的服務為出發點，盡可能地打破數據共享的壁壘，發揮個體數據的優勢，打造出完整的面向公眾的智慧高速應用服務。

2.2 技術構架

結合智慧高速總體架構和業務設計，智慧高速技術構架設計如圖4所示。

2.2.1數字化基礎設施

在目前智慧高速的建設過程中，數據感知層主要是指來通過路和環境的智能傳感設備的感知數據，也包括來自人和車的數據。人的數據包括駕駛行為、社交平臺發布的高速相關信息等數據;車的數據是指來自于車載終端的相關信息。未來，數據之間應該是相互連接的，來自于智慧高速綜合計算的路況數據能夠實時地通知到人或者車上。

2.2.2智能化運行中樞

基礎環境資源層即云計算平臺為智慧高速平臺及應用服務提供穩定運行的基礎環境;數據管理層即智慧高速大數據中心，包括數據的實時交換和共享、數據的治理和算法模型的應用等;決策服務層即通過智慧高速大數據的計算、分析得出的數據，為上層應用服務提供數據支撐，也是智能化運行中樞最終的輸出結果。

2.2.3智慧化應用服務

將不同對象對智慧高速的需求以信息化的形式輸出就是這個層面所需要做的事情，包括面向行業主管部門的管理需求，面向社會公眾的出行需求，面向公路運營管理公司的個性化需求等，當然這些應用的成效要依托底層數據的質量和運行中樞的計算效果。

3 結語

高速公路智慧化是大數據時代的高速公路新形態，其中大數據構架平臺作為智慧高速公路的核心內容之一，對各類數據進行科學配置、存儲、處理，為智慧高速公路提供強勁的動力。本文從智慧高速發展現狀出發，淺析現階段智慧高速大數據構架平臺的設計與建設概況，以供交通從業者參考。

參考文獻

[1] 中共中央、國務院.長江三角洲區域一體化發展規劃綱要[Z].[2019-12-01].

[2]? 周義程，崔優凱，杜文俊，等.浙江智慧高速公路建設需求調研分析[J].中國交通信息化，2019（10）：26-31.

[3] Naphtha， Milind， Banavar，.et al. Smarter Cities and Their Innovation Challenges[J]. Computer，2011，44（6）：32-39.

[4] O'Grady M， O'Hare G. Computer science.How smart is your city？[J].Science，2012，335（6076）：1581-1582.

[5] 徐振強.新型智慧城市的服務城市管理、服務社會治理的關鍵路徑[J].上海城市管理，2016（2）：24-29.

[6] 交通運輸部.數字交通發展規劃綱要[Z].[2019-7-25].交規劃發〔2019〕89號.

[7] 中共中央國務院.交通強國建設綱要[Z].[2019-09-19].

[8] 劉寧波，呂超.時間序列模型在交通量預測中的適應性分析[J].公路交通技術，2020，36（3）：121-124.

[9] 丁美.面向不同管理需求的交通基礎設施養護數據平臺建設[J].公路交通技術，2020，36（2）：138-144.