基于多源數據融合的智慧營運管理可視化系統研究

鄧 輝,詹家宇,徐連君,陳龍浩,龔文森

（1. 廣州珠江黃埔大橋建設有限公司,廣東 廣州 510000;2.廣州交投機電工程有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

高速公路作為公路運輸的大動脈，其信息化建設和智能化管理對整個交通運輸系統的信息化建設具有重要的促進作用。中共中央、國務院于2019年9月印發了《交通強國綱要》，綱要提出，科技創新富有活力、智慧引領，強化前沿關鍵科技研發，大力發展智慧交通，推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等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，構建廣泛用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，深化交通公共服務和電子政務發展，推進北斗衛星導航系統應用。

該項目以面向行業管理者的綜合決策及面向公眾出行者的精細化服務為應用需求，深入分析高速公路營運監控、收費、路政、養護、數據等業務需求，并基于大數據、物聯網、云計算、移動互聯等新一代信息化技術，圍繞業務流程解析、路段風險研判、收費管理、關鍵基礎設備預防性養護等內容開展數字化應用，建設“公路運營安全數字化管控系統”“公路全資產建管養數字系統”“公路物聯網系統”“公路專業數字化平臺系統”“廣州交投集團營運管理平臺系統”，并將上述營運數據匯聚接入，構建黃埔大橋智慧營運管理平臺可視化系統，實現廣州交投集團內部營運數據的計算分析、挖掘分析、統計展示及運行檢測與綜合決策。

1 高速公路信息化建設背景及國內外研究現狀

1.1 研究背景

20世紀70年代末至今，我國的交通運輸事業迅速發展。高速公路基礎設施建設在逐漸成網成型的同時，高速公路信息化的發展愈來愈成為高速公路管理部門不可忽視的環節。對高速公路交通系統而言，首先要加強交通基礎設施建設，滿足不同層次出行者的需求；其次要推廣智能交通建設，進一步提高綜合服務能力[1]。20世紀90年代中期，我國開始重視高速公路信息化，并隨著高速公路機電系統的建設與發展，我國逐步開始建設高速公路信息化，其主要可以分為三個階段[2]，第一階段為收費管理，該階段為對高速公路收費系統、監控系統等進行設計開發，并逐步減少人工收費，包括ETC、聯網收費等方式；第二階段為營運管理，圍繞收費、監控、通信三大機電系統進行建設，道路路況預報、事故處理、應急指揮與救援等顯得越來越重要；第三階段以出行者的需求服務為目的，隨著智能終端如智能手機、車載GPS終端等的升級換代，出行者獲取服務信息的渠道越來越多元化[3]。

1.2 國外研究現狀

國外大多數國家在高速公路信息化建設方面進行了大量的研究，美國、日本、歐洲等發達國家早已建立完善且高效的智慧高速管理體系與信息化系統，在提升高速公路管理水平的同時，保證出行服務質量。

目前，美國高速公路的信息化、智能化建設應用較為廣泛，多數高速公路具備了包括匝道控制、事件檢測、事件管理、主線速度控制、氣象交通管理等管理系統，并通過E-mail、511、短信、交通廣播頻道以及信息服務提供商提供的發布方式等進行出行前或在途交通信息發布[4]。

隨著城市化進程速度的加快和汽車數量的大幅增加，日本的城市交通擁堵問題越發嚴峻。日本發布了智能道路（smart way）計劃、先進安全汽車計劃（Advanced safety Vehicle），將新科技技術進行集成應用，如車輛導航系統、電子收費系統，車載輔助安全系統、自動公路系統與基礎設施等，形成開放的公共基礎平臺，實現車路一體化協同，提供各種服務；研發出全面的智能公路系統技術，創建高效、安全的交通環境[5]。

1.3 國內研究現狀

根據我國高速信息化的發展現狀，以及對國內典型地區高速公路交通信息化的調研，可以發現我國高速公路信息化與智能化總體發展形勢較好，并取得了顯著的效果。

浙江省率先在我國開展智慧高速建設[6]，通過高速公路運行監控中心掌握全省高速公路網運行狀況，統一管理高速路網系統，實現對路網信息的實時性發布，提供聯網運行業務查詢服務，并搭建組織結構建模等基礎應用環境，逐步將視頻整合平臺、基礎地理信息平臺、3S管理平臺、應急智慧平臺等相關業務系統模塊整合到業務基礎平臺中，實現關聯數據共享。

貴州省在高速公路信息化建設方面廣泛吸取各省市經驗，發展較快，并開展了多種新型智能交通應用建設，在智慧交通方面也形成了云平臺、大數據構想，實現了數據分布存儲，高效可行的集中管理模式；集成了高速公路智能監控中心，主要涵蓋了道路、橋梁、隧道視頻監控、“12122”客服服務平臺、氣象監測系統、GIS系統等；大力推進新型智能系統的應用，主要包括霧區智能誘導系統、凝凍監控系統，實時對重點監控路段的團霧及凝凍情況進行監測，引導車輛安全通行。

然而目前我國高速信息化技術建設多局限在單個應用或是項目的智能化，缺乏相應的整體規劃，各個系統項目獨立分散運營，系統自成體系，數據流轉程度較低，沒有從整體上加以整合，造成各營運單位系統建設冗余以及業務系統之間的信息孤島，從而無法完全發揮其整體效益及數據價值；此外，高速公路雖然在收費、監控、通信三大營運場景進行信息化建設，但是對于單位內部日常業務如養護、路政、財務等工作的管理需求沒有很好把握，業務管理沒有實現完全電子化、流程化，造成管理對系統依賴性不強，導致營運管理服務水平依然沒有從根本上得到提升；最后，已進行建設的信息化管理系統缺乏對跨部門、跨系統的業務協同，各信息系統獨立建設，無法解決各業務部門系統內部的協調工作。

2 廣州交通投資集團黃埔大橋數字化系統研究

2.1 黃埔大橋項目背景

廣州珠江黃埔大橋為京珠國道主干線廣州繞城公路東段，也是珠江三角洲經濟區環形高速公路的東段和廣州市高速公路網二環路的東段，是經國家批準的重大建設項目。工程位于廣州東南面，起于廣州市蘿崗區火村，與廣州北二環高速公路、廣深高速及廣深沿江高速公路相接，終點與廣珠東線高速公路及廣明高速相接，跨越蘿崗區、黃埔區和番禺區，全長18.694 km。主橋黃埔大橋由北引線、北引橋、龍頭山隧道、北汊斜拉橋、南汊懸索橋、南引線、南引橋組成。其中南汊橋主橋為主跨1 108 m的懸索橋，北汊橋主橋為主跨383 m的獨塔斜拉橋。

廣州珠江黃埔大橋當前安全管理重點區域包括主橋、隧道、廣深公路跨線橋、廣深鐵路跨線橋等。另外，黃埔大橋附近有大型煉油廠，導致行駛該路段的裝載汽柴油等易燃易爆液體的危化品車輛較多，且該路段橋隧相連，如重大事故得不到及時處置，將造成巨大經濟損失及社會影響。為此，廣州珠江黃埔大橋建設有限公司以預防性安全管理為出發點，結合監控、機電、路政、養護等日常營運事務，采用新一代信息技術構建各主要業務數字化平臺系統，同時將各個平臺在數據層、服務層、系統層與展示層的數據打通與融合，提升黃埔大橋運營安全與信息化管理水平。

2.2 黃埔大橋數字化平臺系統研究

2.2.1 公路運營安全數字化管控系統

公路運營安全數字化管控系統以公路運營管理體系中的安全子系統的內容和管理方法為基本設計依據，形成層級化、集成化、標準化的系統結構，系統結構設計遵循“規范性、友好性、經濟性、擴展性、實用性、可靠性”等信息系統結構設計原則。平臺基于GIS地圖構建“可視、可控、可調度、可追蹤、可分析”的全新安全運營指揮調度模式，按照安全應急預案中所有應急事件的分類描述，確定響應級別及處置預案，實現了特情處理的智能化調度，并將各種應急調度資源有效整合，優化調配，實現安全管理功能。系統界面見圖1。

圖1 公路運營安全數字化管控系統

2.2.2 公路全資產建管養數字系統

公路全資產建管養數字系統以層級化、集成化、標準化的結構進行搭建，主體結構框架包括數據字典單元、組織管理單元、路產信息單元、路產養護單元、移動互聯單元、圖文檔案單元六個子模塊。此外，系統還集成了消防控制、電能控制、信號控制、聲控控制四個控制系統，以及結構監測、用電監測、環境監測、危化監測、氣象監測五個監測系統，并且在全資產建管養系統以日常檢查、經常檢查、定期檢查、特殊檢查和健康監測數據采集為基礎實現“四個一體化”管理方法流程的信息化開發，實現對路產養護作業和作業管理的規范、工作效率的提高、結構病害的及時發現以及合理的維護計劃和養護方案的定制。

2.2.3 公路物聯網系統

基于對交通行業公路基礎設施運營維護的現狀與問題分析，梳理現有的物聯網基礎設施，建立與完善基礎設施運營維護體系和管理規范，利用物聯網和云計算等新一代信息技術，搭建公路物聯網系統。系統采集了高速公路物聯基礎設施的核心參數，包括9類路產物聯專業（路基工程專業、路面工程專業、橋涵工程專業、隧道工程專業、交安設施專業、綠化環保專業、機電設施專業、房建設施專業、其他路產專業）、22個路產物聯系統、58個物聯子系統，總共4 039個物聯設施，實現公路基礎設施的運行狀態實時監測、故障診斷、故障維修，并利用大數據分析技術，建立關鍵物聯網基礎設施運行健康模型，并通過健康模型對基礎設施運行狀況進行評估，輔助養護決策，預知基礎設施的故障，合理安排檢修計劃，減輕公路基礎設施日常養護壓力，通過技術手段降低公司運維成本。

2.2.4 公路專業數字化平臺系統

基于公路數字化運營管理體系和公路專業數字化管理模型開發的公路運營管理數字化平臺，用大數據、物聯網、移動互聯等新一代信息化技術手段實現路產養護、路產經營、路產管理、運營安全、運營成本、運營績效等具體運營業務內容及方法的集成管理。公路運營管理數字化平臺以數據字典技術、信息單元技術、地理信息技術、大數據處理技術為支撐，按照數據字典編碼規則，利用路產中心數據庫和運營業務信息、物聯網和移動互聯網，構建系統設備資源的地理與管理信息模型。平臺包含路產經營、路產養護、路產管理、運營安全、運營成本、運營績效六大子系統，各子系統依據各自組織結構、系統功能和內容運行，各子系統的關鍵數據集成、關聯并在統一的數字化運營平臺集中展示。平臺系統首頁展示了經營指標、收費指標、養護指標、車流車型、運營安全、運營績效、運營節能等關鍵運營數據，系統提供當年和歷年來運營關鍵數據的管理分析，為公司實施運營管理大數據戰略提供大數據平臺系統，實現公司數字化管理目標。

2.2.5 廣州交投集團營運管理平臺系統

廣州交投集團營運管理平臺系統立足于“國標場景化、場景信息化、信息可視化、可視化對標”的開發理念，全面整合國內先進的NB-IOT物聯網信息預警傳輸、道路視頻智能預警、北斗衛星邊坡監測、“兩客一危”車輛監測等先進技術手段，實現人、車、信息的高度融合，改變傳統高速公路營運模式下信息分散、任務割裂、處置滯后等弊端。平臺建立的目的主要有三個方面：一是通過智能感知和智能監測技術，實時獲取高速公路設備設施異常狀態，實現高速公路場景信息化監測，增強安全隱患預警感知的主動和敏感性；二是以問題為導向，根據法條規范進行數字化建模，將高速公路營運所涉及的業務落實到符合國標規范的任務模型中，對工作進行全方位、全過程的跟蹤和督辦；三是全面整合高速公路數據資源，接納融合社會性交通數據，通過可視化大屏加強信息交互，提高道路事故處置能力，降低二次事故風險。

3 基于多系統數據融合的智慧營運管理可視化系統研究

以黃埔大橋公司研發應用的多項數字化平臺系統為數字應用基臺，黃埔大橋公司基于多系統數據融合思路搭建云計算架構，將“公路運營安全數字化管控系統”“公路專業數字化平臺系統”“公路全資產建管養系統”“公路物聯網系統”等數字化信息系統打通融合，將各系統關鍵數據與功能進行關聯、集成，開發智慧營運管理平臺可視化系統，實現路產經營、路產管理、路產養護、營運安全、營運績效、營運成本高速公路六大運營業務智慧化、可視化管理。系統總體架構如圖2所示。

圖2 智慧營運管理平臺總體架構圖

智慧營運管理平臺可視化系統總體設計四層架構，自下而上分別是數據采集層、數據存儲層、業務處理層、平臺應用層，各架構層級相互關聯、耦合，實現多系統數據融合的智慧營運管理平臺高效運作。

數據采集層：數據采集層實現數據的采集，采集的數據來自情報板、交調系統、廣播設備、攝像槍、App、高德地圖、兩客一危數據、救援車輛、手工錄入對象。其中兩客一危數據來自兩客一危系統，廣播設備數據來自廣播系統。

數據清洗層：數據清洗層實現數據的重新審查和校驗，目的在于刪除重復信息、糾正存在的錯誤，并提供數據一致性。數據清洗層采用分布式的部署架構，可保證大數據清洗的效率和擴展，數據清洗后會有數據存儲層進行數據的持久化存儲。

數據存儲層：數據存儲層提供結構和非結構數據的存儲，根據數據的應用情況進行區別對待，區分檔案類、業務類、統計類，檔案類是對基礎數據單元的管理，業務類針對具體的業務，為后續業務處理提供數據支撐，統計類則基于統計模型對數據進行統計后存儲。

業務處理層：業務處理層根據業務場景的不同，加之對數據的理解及建模，使得數據發揮其價值，在業務處理層，除了本身一些基礎的數據理解外，還會借助大數據中臺能力，應用更深層次的數據服務，輔助業務場景的決策。

平臺應用層：智慧平臺可視化系統包括首頁、路產經營、路產管理、路產養護、營運安全、營運績效以及營運成本等業務模塊，首頁以定制化高德地圖為背景，整合高速公路空間數據資源，建立地理資源信息共享展示機制，解決地理信息邏輯、物理樁號以及施工地點無法銜接的問題，并且疊加人員、工作車輛定位地點信息、施工作業信息以及路面攝像槍，滿足高速公路建設與管養中的專業應用與監管需求，為管理人員提供“一站式”在線地理信息協同服務，達到各業務部門之間信息的互聯互通與合并展示的效果；同時，可視化系統首頁抽取高速公路六大運營板塊業務關鍵數據，集中展示經營指標、收費指標、養護指標、運營安全、運營績效以及運營節能模塊數據，將運營公司所關注的如年度收入金額、年度營收變化趨勢、橋梁養護參數信息、應急事件處置報告信息、公司運營制度規定以柱狀圖、趨勢圖、文本等不同樣式進行展示。見圖3。

圖3 智慧營運管理可視化系統首頁圖

路產經營、路產管理、路產養護、營運安全、營運績效以及營運成本板塊則是可視化系統首頁各個子模塊的詳細信息展開。

路產經營模塊：以收費數據為核心，以歷史收費數據與實時收費數據為展示要點，以收費站、門架以及路段中心等不同空間維度收費數據進行對比，實現公司營運情況的全方位的掌握。

路產管理模塊：以突發事件處置為核心，圍繞日常突發事件進行分析，將突發事件詳情信息、處置過程、事件錄像、資源調度等多系統異構數據進行匯聚展示，并進行事件處置時長、時間分布、應急等級等相關指標的統計，實現對道路緊急事件的處理和分析，快速實現風險點的識別和提供有效預防措施。

路產養護模塊：以日常養護作業為核心，結合建管養、物聯網等系統，將養護數據進行匯聚，對橋梁健康、用電監測、設備故障、專項工程等情況進行分析，為營運單位提供圖、文檔、表格等各種直觀的外部設備運行情況，同步提供養護建議決策支撐。

營運安全模塊：以道路實時運行狀態數據為核心，包括兩客一危車輛跟蹤、路面施工作業信息、應急事件處置以及風速、實時降雨量等環境數據的監測，形成路段綜合運行信息展示，為高速管理者提供全面、準確的高速公路運行狀態，提供監控、管理決策依據，保障道路的運行暢通，避免或減少異常交通事件的產生。

營運績效與營運成本模塊：以營運單位信息化建設工作所獲得企業榮譽與創新成果為展示核心，輔以公司營運制度與年度成本計劃完成率數據進行展示，通過直觀的圖文展示方式介紹公司營運情況。

4 應用成效

該項目系統研究成果有較好的應用實踐成效，智慧平臺系統以公路運營數字化平臺系統數據為融合數據中心，將業務應用系統層的各業務進行集成整合，實現了關鍵指標以及業務數據資源的統一調度管理、質量把控、融合分析、深度挖掘，避免了“煙囪式”系統帶來的功能重復與數據隔離，實現系統間的有效融合展示，同時提供可個性化定制，常用功能便捷入口，常用報表的直觀展示，關鍵數據集中展示的統一門戶，基本實現系統間的融合，實現跨系統之間功能的相互調用，同時統一了數據接口規范標準，使得后續新建系統的接入可按照該規范進行對接。

通過智慧營運管理平臺可視化系統的研究搭建，為企業的規范管理、節能降耗、減員增效和精細化管理提供強大的量化決策支撐，節約了相關工程及人工成本，促進車流及路費收入增長，經濟效益顯著，實現對路段道路突發事件主動發現率達99.87%，從源頭及時遏制事態發展，安全事件處置合規率達100%，事件平均響應時間控制在60 s，其中一級風險區范圍應急響應平均時間控制在30 s以內，事件平均處置時間為8.6 min，較大地提高交通事故處置能力和效率，從而帶動路段道路通暢能力和車流承載能力，促進了路段收費總額，日均車流年均增長率為25%，年度路費收入總額平均增長率為28%；同時，智慧營運管理平臺可視化系統利用其多源數據的優勢，為公眾和行業人員提供便捷的服務，提升每位司乘人員安全、通暢、舒適的道路通行體驗，提高社會服務滿意度。根據近年的顧客滿意度調查情況，在道路環境、道路安全設施及標牌、員工服務形象、道路通暢度等方面的調查評價滿意度均在98%以上，獲得社會高度評價。

5 總結

黃埔大橋建設有限公司通過基于多源數據融合的智慧營運管理可視化系統研究，解決了現有信息化系統整合中存在一些難點與痛點。所采用的整體技術路線和框架符合現有主流技術先進性，研究思路、方法合理，應用成效顯著，該項目研究成果具有良好的社會經濟價值，同時亦可作為智慧交通典型案例推廣應用。