智慧交通管理平台iScope的应用与发展
2012-11-10刘大伟唐又林
刘大伟, 唐又林
(中海网络科技股份有限公司,上海200135)
1 智能交通行业背景与iScope定位
1.1 智能交通行业背景
我国智能交通系统的发展起步较晚,但进步很快,基础设施和应用系统的建设和运营日益成熟。智能交通系统为民众提供更好的交通信息服务,改善交通运输的安全、环保和效率,为交通运输管理提供更有效的手段。同时,智能交通系统不仅解决交通问题,随着系统的开发、建设和应用,创造出了一个巨大的高新技术产业和市场。
智能交通行业范围广泛,公路、水运、航运、轨道交通等网络的高效运行,都需要相关功能的系统进行支持,其中公路智能交通系统的发展最为迅速,产业链也最为丰富,主要应用于省际公路交通管理、城市道路交通管理、城市公共交通管理等领域。
1)省际公路交通管理范围包括国道、省道等城市之间的公路管理和高速公路管理系统,目前主要应用的系统为联网收费、联网监控和通信三大系统。
2)城市道路交通管理系统是智能交通系统中重要的组成部分,涉及到城市中交通管理、建设、公安等多个部门的协作,实现城市道路交通的指挥、管理、调度、应急和交通信息服务等方面的应用。
3)城市公共交通管理主要针对城市公交线路、车站、车辆的全面监控,通过各种辅助设备预测并合理调度公交资源,优化公交系统效能,与城市道路交通管理相结合,共同实现城市交通策略。
1.2 iScope平台定位
中海网络科技股份有限公司(以下简称公司),是国内最早进入智能交通行业的企业之一。公司成立之初,就对交通管理信息化系统的建设非常重视,着力打造iScope交通管理平台软件。面对不断发展变化的交通管理业务,公司始终把握信息技术发展的潮流,持续推出新的i Scope软件平台产品,保持行业领先水平。
公司针对交通管理行业的特点,对i Scope软件从平台化、客制化、技术适度超前化和品牌化等方面进行产品定位。
1)平台化:i Scope软件提供了面向智能交通综合管理业务的大规模软件开发基础架构,屏蔽了技术细节,全力关注核心业务和流程,提高了软件产品的适应性和扩展性,可以应用于高速公路、城市交通管理等多个领域;
2)客制化:针对不同项目客户的个性需求,在iScope平台软件上进行快速定制开发,从而提高了项目开发效率;
3)技术适度超前化:iScope平台软件在发展的各个阶段,按照“着眼长远、适度超前”的原则,采用合适的先进技术,不断进行产品升级;
4)品牌化:公司通过技术交流演示、专业杂志广告、客户示范应用等推广宣传手段,将i Scope平台软件打造成行业内知名的软件产品品牌。
2 iScope发展历程
随着智能交通行业对应用软件需求的不断提高,i Scope的发展经历了从路段机电监控到网络化区域交通管理、再到智慧型综合交通管理3个不同的阶段。
2.1 路段机电监控
2.1.1 行业发展需求
该阶段的智能交通系统以实现路段级监控为主,区域级、省级联网监控的需求还不强。系统立足于做好自己路段内的“本职工作”,没有过多考虑与外部的交互及共享。
监控系统以实现对设备的“监测”与“控制”为主要目标,满足过程监控的数据采集、统计和监视。该阶段公路监控系统软件基本针对具体项目开发,往往造成软件系统的多次开发和重复投资,没有达到标准化、工业化、专业化的要求。而且由于设备类型、厂商及型号众多,许多开发商的监控软件设备接口混乱、不统一,软件开发、调试工作量大,故障率较高。
市场缺少一体化监控平台软件。监控系统的每台计算机被赋予特定的功能,如情报板控制计算机、交通流监测计算机等,要实现这些功能,只能在相应的一台或几台计算机上进行操作。各台计算机的功能严格区分,当一台计算机发生故障时,该计算机完成的功能失效;当计算机功能分布发生变化时,需要进行大量的代码级迁移工作。
2.1.2 技术架构
与行业发展需求相对应,这个阶段的i Scope软件架构具有一体化监控平台、设备控制硬件无关性设计、统一、规范的数据传输和存储、应用服务器高稳定性和可靠性等特点。
(1)一体化监控平台。对于监控软件而言,过多的独立应用子系统会导致业务分散、接口增多、强壮性差、不灵活等诸多问题。一体化的综合业务平台可以实现主要监控功能,用户可以通过配置的方式将平台软件的一部分功能赋予某台计算机,使该计算机具有专门的管理功能。这样做既有利于信息的统一管理,也使系统强壮而灵活。
(2)设备控制硬件无关性设计。监控系统的外场设备多种多样,同一功能设备的厂家型号也可能千差万别,通信接口形式也不尽相同,要做到外场设备之间的互联、互控,必须在软件设计上考虑设备的无关性。因此,需要分别建立管理控制引擎和设备接口库,不同的控制设备选用相应的接口库函数,始终保持管理控制引擎的独立性。
(3)统一、规范的数据传输和存储。iScope构架基于通用设备平台,将现场设备和数据格式相对隔离,在业务处理系统采用统一、规范化的传输协议和数据格式,实现了信息的规范化,从而完成了数据集成。
(4)应用服务器高稳定性和可靠性。作为系统控制的核心,应用服务器的设计好坏,将直接决定系统响应时间的多少以及处理效率的高低。而作为应用服务器中的关键技术,跨线程或者多线程将成为决定系统效率高低、稳定性强弱的关键因素。在应用服务器中使用了线程池技术,对客户端发送接收数据以及对设备的控制和接收数据均采用单独的线程,减少了系统建立以及释放线程的时间。i Scope软件架构见图1。
图1 路段机电监控软件架构
数据服务层由数据服务器集群组成,提供SQL(Str uct ured Quer y Language)数据库服务;应用服务层由应用服务器组成,负责处理与外场设备的信息沟通、与应用操作层的实时数据沟通、并将采集数据写入数据服务层保存;应用操作层提供业务操作人员的人机界面。
2.1.3 项目应用
这个阶段的典型项目应用是上海复兴东路隧道监控系统。上海复兴东路隧道是连接浦西黄浦区中心区域与浦东新区陆家嘴金融贸易区的重要越江通道,是世界上首条建成通车的双层双管隧道。
复兴东路i Scope软件是集交通管理、设备管理、营运管理于一体的综合管理信息平台。实现的主要目标是通过各子系统的协调配合,监控隧道内的交通状况,预防并及时感知并排除隧道内的各种事故,保证道路的行车安全和畅通,并实现行车舒适和环境保护。i Scope平台按功能划分包括交通监控、有线广播、闭路电视监视、紧急电话、设备监控、电力监控、消防监控和运营管理子系统。
图2 复兴东路隧道监控系统图
2.2 网络化区域交通管理
2.2.1 行业发展需求
(1)联网监控。国内主流的交通监控软件尚未从路网和信息集成的角度去实施。联网监控的重要性突显,依托于路段监控系统的建设,在区域级乃至省级实现交通联网监控,对重要路段、特大桥梁、长大隧道、交通枢纽的运行状态、环境、气象与灾害实现动态监测。
(2)安全监管与应急处置。公路的交通安全越来越引起社会各界的关注,建设各级安全监管与应急处置平台,实现信息接报、监测预警、风险评估、辅助决策、信息发布、资源管理、统计分析等功能,加强信息交换与共享,实现应急资源动态管理和科学调度,保障人民生命财产安全。
2.2.2 技术架构
(1)i Scope借鉴SOA的软件架构模式。
i Scope的架构遵循“实时、可靠、开放、可扩展”的原则。系统在总线下挂接各种接口和构件,接口和构件根据数据需求,分别从总线上获取数据和控制命令,同时把系统数据和控制命令传输到各外部系统中。对于iScope和各外部系统的数据交互,只需要在总线下挂接相应的接口即可,不需要对iScope本身的架构或代码进行修改。这种模块组合方式能完全满足系统开放性设计的要求,实现“一次采集,多处共享”,提高系统资源的利用率。
通过应用服务层的各个接口和构件采集到的各种数据统一汇总到总线,由总线对数据进行分析处理后实时更新到应用操作层的各客户端软件中,同时总线把处理后的数据输入到数据服务层的数据库中进行存储。这样做不但保证了整个系统数据的一致性,而且避免了子系统之间由于数据交互而造成的数据处理延时,提高了系统的实时性。
(2)完善而有针对性的预案系统
以“掌握现状、找出规律、科学诱导、有效指挥”的指导思想为依据,根据交通监控系统的运营规律和特点,i Scope实现了完善的报警、应急处置与指挥功能,提高了管理人员的运营管理水平,为系统安全、畅通地运行提供了保障。从安全运营、道路通行能力、交通组织等多方面着手,按照“分类、分级、分区”的原则对系统预案进行划分,针对事件的类别、严重程度和发生地点,根据需要针对性地制定相关预案。
随着客观条件的变化和运营经验的积累,系统中的预案也会发生变化。专家系统软件提供了预案编辑功能,该功能可以使监控人员根据运行的需求自己添加、编辑合适的预案,最大限度地满足运行管理中对预案的需求。
系统实时接收并处理数据,如果发现异常,则以图形、声音等方式报警提示用户。同时自动执行该报警关联的、在专家系统软件中被设置为自动执行的动作(通常是视频动作),同时根据专家库提示用户当前建议采用的预案(包括设备动作、车辆/人员调度等)。用户可以选择按照建议的方式直接执行,或者在建议的方式基础上进行更改后再执行。在预案执行过程中,用户可以对预案执行情况进行跟踪。跟踪的内容包括设备动作跟踪、车辆/人员的调度。
预案执行完毕后,系统分析生成预案的事件信息及预案执行过程,得出预案评估报告。评估报告是预案具体内容的全面展示,是预案执行过程及结果的全面总结,是评估预案的合理性及系统运行稳定性的重要资料,是改进预案的重要依据。
(3)软件架构
i Scope数据总线软件是iScope架构的核心,负责接收、保存、分发系统实时数据、控制命令等。系统中可以有多个数据总线,互为热备份。i Scope客户端软件是用户操作终端,完成对系统的综合监控及应急处置。i Scope通信服务软件完成对外场设备及内场设备的监控接口。iScope综合管理软件完成系统的人员、事件、设备、数据等管理功能。i Scope预案管理软件完成预案管理功能。
应用操作层提供界面让用户实时监视系统运行状况,同时提供外场设备控制、运营管理和应急处置的功能。应用服务层由总线和挂接在总线上的各种构件和接口组成。总线汇总系统数据,并根据需求分发数据到各个系统。挂接在总线上的构件和接口完成与各种外场设备、外部接口的通信。数据服务层储存系统数据并进行加工、统计。网络化区域交通管理i Scope软件架构见图3。
图3 网络化区域交通管理iScope软件架构
2.2.3 项目应用
这个阶段的典型项目应用之一是上海浦东环保子平台。环保局子平台是浦东新区综合交通信息管理系统工程“一总三子”构架中的1个子平台,主要实现环保局系统内与市政相关的业务系统和交通管理数据资源的整合,从自身业务系统和新区其它子平台汇集信息,与其它平台体系实现信息交换与共享,针对道路管理的业务进行必要的信息处理与应用。
该项目外部接口众多,主要的难点是信息的汇集与管理、交换与共享以及处理与应用。
对所有的外部接口和设备接口,i Scope采用单独的服务完成接口通信,然后将这些服务以统一的协议挂接到服务总线上,提供给业务逻辑层进行数据分析、应急处置等业务,通过展示层与用户实现交互(见图4)。
图4 浦东新区综合交通信息管理系统环保局子平台系统接口图
环保局子平台作为浦东新区综合交通信息管理系统工程“一总三子”构架中的子平台之一,通过与浦东专业总平台、上海市公路处以及浦东新区公路署等外部系统的接口,实现了信息的汇集、管理、交换、共享、处理与应用,贯彻了浦东新区道路交通信息“统一采集、统一发布”的基本原则,适应上海市行业条线管理的需要,为新区道路交通管理积累原始数据,提高了管理水平。
2.3 智慧型综合交通管理
2.3.1 行业发展需求
这个阶段的智能交通管理系统具有下列特点:
(1)智能交通系统更加“智能”,物联网、云计算、遥感遥测等新技术逐渐在智能交通系统中得到一体化应用,提升了行业信息化技术水平;
(2)智能交通系统不再只是应用于道路及各级管理结构,利用信息化手段逐步提高交通智能化水平,改善出行信息服务质量,提高公共信息服务能力,公众可以通过手机、电视、广播、互联网等多种途径、随时随地获取交通信息;
(3)交通管理相关系统的联网应用,在交通管理过程中,监控、收费、养护、路政等管理系统发挥各自的作用,实现各个管理系统的联网应用使得交通管理协同高效、减少重复建设,可以统筹安排交通管制、养护等交通管理事宜。
2.3.2 技术架构
与行业发展需求相对应,这个阶段的iScope技术架构在以下几个方面进行了增强:
(1)i Scope全面应用于政府各级交通管理部门、国内各省市级公路监控中心、国内各大城市交通监控中心、各类隧道监控中心、各类大桥监控中心等高速公路国省大型桥梁、长大隧道等,实现从路段管理机构到区域管理机构再到省级管理机构的多级联合交通管理服务系统,达到从日常运营管理到应急处置的全功能一体化管理;
(2)云计算、物联网、3S(GIS、GPS、遥感)等技术在i Scope中得到应用,使得纳入i Scope的系统可以利用的资源、应用范围都比以前有大幅增加;
(3)以服务总线为核心的分层架构、以工作流为核心的业务架构、以构件化为核心的开发方式,使iScope具备了自适应能力,能够灵活地应对用户、业务系统、设备、算法等各种因素的变化;
(4)强化交通信息服务功能,通过监控系统中的信息发布设备、广播、互联网、手机等方式向大众发布交通信息。
智慧型交通管理i Scope软件架构见图5。
图5 智慧型交通管理iScope软件架构图
物理层提供用于计算和存储的计算机等资源,这些资源可能位于内部,也可能位于互联网上;平台层则利用云计算等方式将物理层的资源整理利用,提供给系统以计算和存储的能力;支撑平台则利用平台层的计算和存储资源提供高级应用支撑服务,如交通地理信息服务、中间件、工作流等;iScope作为最上层的应用系统,充分利用其他各层提供的资源来满足智能交通系统的需求。
2.3.3 项目应用
这个阶段的iScope广泛应用于城市交通指挥、省级高速公路交通管理中心等多个领域,典型的应用有云南省高速公路应急指挥中心、重庆公路固定式测速系统和执法服务系统、福州城市交通诱导示范工程等项目。
2.3.3.1 云南省高速公路应急指挥中心
云南省高速公路应急指挥中心是云南省公投公司所辖路段交通管理控制中心,实现全省路网的日常交通监管、应急指挥、公众服务等相关职能。系统分为联网监控、视频监控、应急救援指挥、信息服务等应用平台。
该项目所面对的是公投公司已建成的20多个路段,这些路段在软硬件的结构、产品选型等方面差别很大。针对这一情况,软件系统自上而下开展了联网架构设计,统一了不同平台、不同路段的软件联网规范,为不同路段设计了不同的联网方案。i Scope很好地应对各个路段系统的差别,对用户屏蔽了这种差别,提供了统一的联网业务服务。软件组成见图6。
图6 云南省高速公路应急指挥中心软件组成
图7 重庆公路固定式测速系统软件组成
传统的监控业务主要在监控大厅或监控室中完成,该项目扩大了这一范围。应急指挥中心汇总各个路段的交通、视频、收费等数据,经过分析处理后,通过基于Web Ser vice的统一对外接口向外部发布。相关领导、政府部门、广播电视等外部单位需要获取公投应急指挥中心的交通数据、视频数据、收费数据时,不管计算机在何处,只要遵守公投应急指挥中心的接口协议并经过授权,即可方便地获取上述数据。基于这一接口,该项目为业主的领导开发了桌面系统软件,使业主领导可以在自己办公的计算机上实时掌握所有路段的运营状态,而不需要到监控大厅或通过电话获取信息。
在项目中还进行了基于云服务的移动终端应急指挥平台软件的研发。该软件运行于i Pad上,不管用户身处何地,只要能够连接应急指挥中心的对外统一接口,即可实时获取交通、视频、收费、报警等信息,当发生异常事件时,可以通过该软件实时进行应急指挥,处置异常事件。
图8 福州城市交通诱导示范工程应用软件系统组成
2.3.3.2 福州城市交通诱导示范工程
该项目通过向道路交通参与者发布及时的交通状况信息和交通诱导信息,有效地预防、缓解、尽快消除道路交通拥挤。交通诱导系统通过闭路电视、视频检测、交通流检测等系统获取路面的实时交通信息,及时向出行者或者车辆驾驶员发布各种交通状态、意外事件、交通通告和相关信息,方便其选择最佳出行路径,从而有效地对交通流进行诱导,合理控制和均衡交通流分布,提高现有道路使用率和交通的畅通度,为驾驶人员安全快速行车提供良好的服务。应用软件系统组成见图8。
路口交通状况的判别可以通过两种方式实现。
① 分析视频,检测并统计道路断面通过的车流量,当车流量达到一定数目的时候,说明交通流已经达到饱和或者拥堵。车流量统计原理主要是根据计数检测区域内的每帧图像的二值化结果,进行连通域分割合并,分割不同车道的车辆,合并前后帧车辆,结合车道线等参数信息,综合检测车流量。二值化的结果就是视频中的前景图像。
② 直接根据道路断面的视频进行分析,通过对各种交通参数的判断,最终确定交通状态。首先,对视频和背景进行差值预算,以及对前后帧进行差值运算,得出视频的二值化图像,通过对二值化图像进行处理,计算出每帧视频中车辆的空间占有率,从而折算出一定时间内的平均占有率。然后根据时间段内的占有率、车速两方面,综合评判出道路是否拥堵、饱和。
3 iScope前景展望
3.1 行业及技术发展趋势
我国智能交通基础设施建设将进入相对平稳期,但交通信息化的发展将进入高潮期。利用信息化手段,更加动态和实时地感知交通基础设施、交通流及环境等状态,提供无处不在和随需而动的信息服务,主动预警和快速响应交通安全事件,构建信息共享和业务协同的综合运输体系,完善运行组织模式和流程,实现绿色环保交通,是智能交通系统和交通信息化未来发展的主要趋势。智能交通发展下一阶段的工作重点在于智慧城市的建设,主要任务包括加强城市公共交通信息服务、运营监管和应急保障等关键系统的开发和应用,有效缓解交通拥堵,显著提高城市交通运营管理与服务水平。
从技术发展趋势来看,云计算、移动互联网,物联网、商业智能等新一代信息技术的深度应用,为智能交通的发展提供了充足的技术手段和难得的机遇,将推动智能交通产业进入发展快车道。
3.2 iScope发展设想
i Scope平台软件业务范围覆盖高速公路领域内的交通监控、隧桥监控、道路养护、路政管理等业务,以及城市交通管理领域内的交通流信息采集、大型联网视频监控、集成指挥、综合信息管理、交通信号控制、交通诱导、交通违法和事故监测、辅助决策、视频会议、交通信息服务等业务。随着国内智能交通行业的深入发展,尤其是智慧城市的蓬勃兴起,i Scope平台软件有着广阔的应用前景。
i Scope平台软件将紧跟智能交通系统的发展趋势,深度融合车联网、云计算、海量存储、高速传输、北斗卫星导航等新兴技术的一体化应用,围绕感知识别、网络传输、智能处理和数据挖掘等关键技术环节,以城市智能交通建设为重点,为公众、交通运输企业和政府部门提供更加智慧的交通管理信息服务。