省域高速公路网运营与服务信息化平台研究

何赏璐 冉 斌,3 张 健 王浩淼

1. 东南大学，城市智能交通江苏省重点实验室，南京 210096

2. 现代城市交通技术江苏高校协同创新中心，南京 210096

3. 威斯康星大学麦迪逊分校，麦迪逊 53706

0 引 言

高速公路是公路交通现代化发展的重要标志之一。我国高速公路基础建设发展速度快，截至2014年底通车里程已达11.4万km，跃居世界第一[1]。相对于路网的迅速发展完善，高速公路的运营管理与服务未能保持同步发展。在我国各地区的高速公路运营管理中，由于建设实施主体不同，通常高速公路网内有多个运营管理主体。随着运输量的增长，路网内各运营主体对信息共享和区域协调联动的需求日益加强，不断增长的交通量也触发了公众对高速公路出行信息的需求。

传统三大机电系统在高速公路联网监控、收费和通信方面奠定了基础[2]，也表明信息化是高速公路运营管理的新趋势和实现高速公路跨越式发展的必然选择。研究者和工程师们也充分认识到信息化的重要性，在高速公路管理信息系统以及共用信息平台方面开展了研究和应用实践[3-4]。高速公路信息化运营与服务是一个涉及人、车、路、环境相互作用的复杂过程，其中人是主导因素。如何以“人”的需求为导向，利用当前智能交通、信息等技术，科学合理地开发利用高速公路信息资源，提升运营管理现代化水平，强化与驾乘人员之间的有机联系，建立高速公路网运营与服务信息化平台，以实现“智慧交通”的目标，成为亟待解决的重要课题。本文立足于江苏省高速公路网运营与服务智能化平台设计经验[5]，着重探讨了省域高速公路网运营与服务信息化平台架构和功能的设计。

1 国内外应用现状

信息化作为提升高速公路运营与服务水平的有效手段，受到了不同国家与地区的广泛关注。本文以美国、日本以及国内北京、上海的高速公路信息化发展为例，分析总结了国内外高速公路信息化发展经验。

1.1 国外高速公路信息化发展

1.1.1 美国威斯康星州高速公路

（1）平台运行主体

威斯康星州高速公路信息化涉及“政-企-学”三个主体，包括威斯康星州交通部WDOT（Wisconsin Department Of Transportation），威斯康星州交通运营中心STOC（Statewide Traffic Operation Center）和威斯康星大学（麦迪逊分校）交通运营和安全 TOPS（Traffic Operations and Safety）实验室。WDOT主管各交通职能机构，为交通信息平台的建设和运营提供行政和财务支持。STOC负责具体的道路运营管理业务，主要包括为出行者提供实时的交通道路信息；为政府职能机构、公共安全机构、媒体和公众提供全面实时的交通公告信息；实时监控道路交通状况，制定拥堵解决措施，对紧急交通事件做出及时反应；实时监控交通控制管理设施，确保设备正常运行。TOPS实验室是威斯康星全州以及美国中西部最重要的交通数据平台。该实验室为WDOT和STOC提供必不可少的数据和信息支持，同时也可为交通系统运营管理和安全问题的研究提供数据支持。

（2）信息化系统

威斯康星州建立了多类高速公路运营与服务相关信息化系统，包括各类交通信息采集方式、数据中心、多种运营业务系统、511公众信息服务系统等。其中，多方式的交通信息获取渠道包括感应线圈、视频、微波、红外、雷达、地磁、无线射频、GPS、手机、蓝牙等检测技术。威斯康星高速公路数据中心，即 WisTransPortal，汇聚各类信息，实现上百亿数据的存储和管理，实时的数据提供、交换和处理，数据和系统的整合；提供新系统开发测试环境等。运营相关业务系统包括车道关闭系统、交通突发事件系统、事故数据资源系统等，辅助州交通运营中心控制部门管理高速公路。511公众交通信息系统利用信息采集设备获取的交通信息，向社会提供实时分析的道路交通、公共交通、预警、出行等交通信息。且511系统采用了多样化的服务手段，如互联网站、呼叫中心、高速公路路况广播、电视节目、动态信息板、便携式可变情报板。

1.1.2 日本高速公路

（1）平台运行主体

日本的道路监控管理实行一级管理模式，道路监管单位、警察、交通广播电台、施工单位等人员集中办公，减少中间环节，提高工作效率。每一片区设置监控中心，由交通控制中心和设备控制中心组成，分别对交通状况及设备进行监控管理。

（2）信息化系统

日本在高速公路信息化方面建立了道路情报收集系统、ETC系统、交通诱导系统、信息发布系统。道路情报收集系统的数据来源包括交通检测设备（线圈或超声波车辆检测设备）、气象观测设备、路侧紧急电话系统、监控摄像机、交警及交通管理巡逻、收费站交通情况收集。ETC系统分布在所有高速公路收费站点。智能交通诱导系统（Smart Cruise System,SCS）由Smartway、Advanced Cruise-Assist Highway和Advanced Safety Vehicle组成[5]，为用户提供辅助安全驾驶信息、静止图像信息、浮动车信息采集、道路汇集援助、宽带互联网连接等服务。信息发布系统利用情报板发布系统、车载情报板设备（VICS）系统、路段广播系统、电话路况查询系统、高速公路专业网站、服务区情报板显示屏等多渠道实现公众服务。

1.2 国内高速公路信息化发展

我国高速公路信息化发展初期，主要集中在通信、监控和收费三大机电系统。由于基础建设中，高速公路网主要采取分段、分线建设管理的模式，省域高速公路网内通常包含多个运营主体。各路段运营管理单位依据各自信息化需求建设系统，导致了系统建设分散独立。总体信息化架构尚未形成一个完整的、且兼顾路网和各路段的多层次高速公路网运营管理信息化架构，制约着高速公路信息化发展进程。

伴随着高速公路指挥调度、对外信息服务等方面需求的增长，国内各地区开展了高速公路信息化的发展规划。北京市在高速公路智能交通系统规划（2009—2015年）中提出规划和完善北京市高速公路营运管理“一个综合平台、七大应用系统”，即规划建设高速公路综合交通信息平台，建设和完善电子收费系统、出行者信息服务系统、交通管理系统、高速公路应急指挥系统、养护管理系统、路产管理系统和服务区管理系统等。在信息化实践方面，部分地区也取得了初步成果。如上海在高速公路网交通监控中心的基础上，构建了交通监控管理、突发公共事件应急管理、12122呼叫中心等综合业务的实时运行管理平台，串联起各条运营业务线，同时为路政、设施养护和施工等日常运行管理提供了信息化运行环境。这些城市的高速公路信息化发展为我国高速公路的发展事业打开了新的篇章。然而不同于城市信息化系统，省域范围的高速公路网因覆盖范围更广，对区域指挥调度、公众信息采集与发布等系统的协调联动性和实时性要求更高，因此研究省域高速公路网运营与服务信息化平台已成为当前高速公路提升运营与服务水平的重要任务之一。

1.3 国内外高速公路信息化发展经验分析

（1）先进的多样化信息获取渠道为支撑。凭借传统的线圈、雷达、RFID等检测设备，以及新兴的手机信令、GPS、蓝牙等交通信息提取技术等，可获取交通运行状态信息、气象信息、收费信息、GPS信息、施工维护信息、交警等其他部门提供的信息等多样化信息，有助于及时准确应急指挥并满足公众在高速公路出行过程中的个性化信息需求。

（2）建立以数据流串联业务线，各应用系统互联互通的统一信息化平台。目前，我国部分地区在高速公路信息化建设过程中，由于业务运营分割体制，常建立相对独立的业务系统，导致信息孤岛，数据标准不一，而无法实现信息共享，不利于高速公路交通管理的协同作用。因此亟须一个统一的信息化平台，整合各类信息化业务系统，同时保障系统和业务线之间的有效衔接。

（3）功能综合、全面是信息化平台的发展趋势。高速公路网运营管理的业务包括路网收费、道路监控、指挥调度、公众服务等。各项业务之间具有一定的关联性，例如，实时的道路监控结果，可辅助应急指挥调度业务，并为公众服务提供信息支撑。而独立化的业务系统建设不利于资源共享和业务协同。因此，建立一个功能全面、涵盖高速公路网运营与服务各项业务的综合信息平台，可为领导、操作人员和社会公众提供全面、及时、准确、一致的动态信息，有利于各类业务之间的整体协调、信息资源的共享、设施资源的充分利用，提升运营效率和水平，增加公众服务的满意度。

2 高速公路网运营与服务信息化需求分析

在高速公路运营与服务中“人”是关键因素，以“人”为本，探讨对信息化的需求，明确信息化服务对象的需求。

2.1 服务对象

本文将高速公路运营与服务信息化平台所服务的对象归纳为三类：管理者、使用者和影响者。三类对象的具体定义如下：

2.1.1 管理者

管理者一般为政府主管部门（如交通局、路政与交警等相关部门），通常不直接参与高速公路日常运营管理业务。其主要需求是信息共享，以满足业务上的监管和协调。

2.1.2 使用者

使用者指高速公路运营管理单位，具体负责高速公路日常营运业务，是信息化平台的直接使用者。根据管理路网范围的不同，使用者可分为路网层管理单位和路段层管理单位。由路网层管理单位监督和协调各路段层管理单位的业务工作，各层级单位分别向公众提供路网或路段信息服务。因此，使用者需要获取道路静态、动态交通相关信息，并对各类信息进行及时、准确的处理，以辅助指挥调度，并通过多方式、多渠道为社会公众提供及时的出行信息服务。不同层级管理单位在信息的颗粒度和处理方式、信息发布渠道等多方面存在差异。

2.1.3 影响者

社会公众是信息化平台的影响者，主要指高速公路使用者，包括使用高速公路达到出行目的的民众和使用高速公路达到经营目的的社会企业。两者对高速公路经营管理单位所提供的出行服务信息的需求基本一致，希望获取出行前、中、后“全出行链”的出行信息。

2.2 数据需求

数据是信息化平台满足三类服务对象需求的基础，是平台运转的动力。本文从指挥调度和公众服务两项业务出发，梳理了三类服务对象的数据需求，如图1所示。

2.3 功能需求

为满足三类服务对象的信息共享、指挥调度、对外公众服务的直观需求，信息化平台应具备信息感知，数据存储、处理、共享，运营与服务业务以及平台标准化和运维的功能，如图2所示。

图1 信息化平台数据需求示意图Fig.1 Data demand in the information platform

图2 信息化平台功能需求示意Fig.2 Function demand in the information platform

2.3.1 全面信息感知功能需求

运营和服务的开展均需要丰富、准确、实时的信息资源。对信息资源的需求主要有几方面的特点：信息内容全面，时空覆盖广泛，解析度高，实时性强并准确可靠。

2.3.2 数据存储、共享、处理，质量与安全监管功能需求

信息化平台汇聚的数据类型多、数量大，需具备强大的数据存储管理功能。原始数据无法直接应用运营与服务业务，对于表征一致对象的信息需进行融合处理；对于历史数据和原始数据等需充分挖掘处理，平台内外各系统间有数据交互共享的需求。数据是信息化平台运行之本，因此平台需要具备监管数据质量和安全的功能，以保障平台运作的可靠性和安全性。

2.3.3 运营与服务业务功能需求

本文从指挥调度和公众服务两个方面分析高速公路网运营与服务业务对应的系统功能需求。指挥调度业务的功能需求是全面监测、主动应急、科学调度、综合展示和智能决策。公众服务的功能需求是生成丰富的出行服务信息内容，扩充信息发布手段，提供个性化出行服务，提高信息发布的实时性和准确性。

2.3.4 标准与平台维护功能需求

信息化平台标准体系用于规范化和标准化平台建设、运行和维护。相关的标准可利用既有国家、行业标准或新建标准。合理的标准体系可同时保障平台的开放性。例如，数据共享交互的格式、系统对接的接口规范。其次，硬件设备故障、软件更新换代等带来的平台运行问题需要维护功能来保障平台的正常运行。

3 信息化平台设计原则

在明确了信息化平台服务对象的需求基础上，本文从技术选择、系统开发、设计方法、平台建设四个方面，提出了在平台设计过程中需考虑的原则：

（1）技术先进性和成熟性：信息化的实现依托于计算机、信息、软件、物联网、云计算等多项先进技术。同时，平台与生产实践紧密相关，技术的成熟性是安全生产的保障，有助于技术的顺利过渡。

（2）系统标准性和扩展性：信息化平台涵盖海量多源异构数据的汇聚、存储、处理，涉及平台内外系统之间的共享，因此，系统的设计需统一标准。同时，预留可扩展的系统接口，以满足功能扩展和技术更新的需求。

（3）设计经济性和实用性：我国部分地区高速公路信息化发展已具备一定的基础，因此设计应本着经济性的原则，充分利旧，避免浪费与重复建设。同时挖掘实用的社会资源为信息化平台服务，如手机通信资源、公共客货运车辆 GPS资源等均可转化为高速公路交通信息，提升平台的实用性。

（4）平台安全性和稳定性：信息化平台是信息交互共享的枢纽，涉及运营相关的重要资源，信息的保护和隔离显得尤为重要。同时，在平台运行过程中产生的故障问题需及时处置和解决，确保平台的稳定性。

4 信息化平台架构与功能

4.1 总体架构

在设计原则指导下，面向服务对象的数据、功能需求，本文提出了“信息感知平台——数据中心——业务应用平台”的三层信息化平台架构，并利用业务应用平台向数据中心的反馈形成闭环。同时，标准体系和运维系统贯穿信息化平台三层结构，保障平台各系统的正常高效运行，如图3所示。路网层和路段层管理单位在遵循三层的统一架构基础上，建立面向自身需求的差异化的路网或路段信息化平台。不同信息化平台之间通过各自的数据中心进行信息共享交互，进而协调关联业务。

4.2 子平台系统功能

在三层闭环式信息化平台架构基础上，本文定义和梳理了平台内信息感知平台、数据中心、业务应用平台、信息化标准体系和运维系统的具体功能。

4.2.1 信息感知平台功能

图3 高速公路网运营与服务信息化平台架构图Fig.3 Architecture of freeway network operation and service information platform

信息感知平台是信息化平台的前端组成部分。依据原始信息获取路网范围的不同，将该平台分为路网采集和路段采集。通过统一采集以获取整个地区高速公路网信息的采集技术，称为路网采集。目前较为先进和成熟的路网采集系统包括基于手机信令、车辆GPS、收费信息的交通信息采集系统和气象信息采集系统。路网采集的信息集中汇聚于路网数据中心，以统一共享。需要各个路段层管理单位协助建设的采集系统，称为路段采集，包括线圈检测系统、微波检测系统、视频检测系统以及巡逻车辆事件上报系统等。为减少数据长距离传输引起的缺失，路段采集数据先上报路段数据中心统一处理后，再上报路网数据中心，以实现更广范围的信息共享。

4.2.2 数据中心功能

数据中心是运营与服务信息化平台的核心和枢纽，其功能主要为数据汇聚、存储、融合、处理、共享、交互等，实现各业务系统之间以及信息化平台与外部系统间的信息集成与数据共享，为运营和服务业务提供有效的数据支持。路网与路段数据中心在存储和处理的数据种类、数量大小和共享对象等方面存在差异，其核心功能类似。数据仓库主要完成数据存储管理等功能；数据处理平台实现数据融合、估计与预测、挖掘等功能；数据汇聚系统和数据共享系统是串连信息感知平台和业务应用平台的纽带，是实现对外信息共享的平台，具有数据归档、发布、共享的功能；数据质量监管系统监督数据库运行情况、数据质量情况；安全性管理系统从物理、主机、网络、应用和数据等方面保障系统的安全。

4.2.3 业务应用平台功能

业务应用平台立足于数据中心的数据，以提升高速公路网运营与服务“流程化、智能化、精准化、科学化”为目标，分运营应用平台、服务应用平台以及其他管理者信息化平台。其他管理者信息化平台主要是为路政、交警等管理者提供信息共享接口的功能。

运营应用平台的决策支持系统，通过路网交通运营状态信息的统计分析，为地区高速公路网营运管理、决策优化提供辅助。监控调度与应急指挥系统，通过交通状态监控分析、智能化预警、响应、调度、评估业务模型，对异常事件第一时间处理，实现快速、高效、精准应急调度。情报板管理发布系统，在紧急条件下协调路段情报板信息的发布。基于 GIS运营信息展示系统，将所有运营业务基础数据信息、业务管理信息、系统协同信息在一张图上显示，提升资源聚合度。

服务应用平台通过基于网站的信息服务信息系统、基于手机的信息互动服务系统、GPS交通诱导服务系统、热线电话服务系统、服务区触屏服务系统以及高速公路广播系统，为交通出行者提供多方式和多样化的出行信息服务，包括出行前路径选择与辅助决策、出行途中实时诱导服务、个性化的增值信息服务等。

4.2.4 信息化标准体系功能

信息化标准体系具有规范信息化平台建设运行以及提供开放式架构的功能。体系涵盖数据标准、通信结构标准、系统软件标准、安全管理标准等。

4.2.5 运维系统功能

运维系统是对信息化平台涉及的内外场软硬件设施的运行状态进行监控、记录、存储、告警和展示的系统，包括静态的资产管理、动态的内外场设施运行状态监控和应用展示等功能。静态管理是记录并及时更新软硬件设备的相关属性信息，动态管理通过对内外场设施的实时监控，及时发现潜在问题，为平台安全、稳定和高效运行提供保障。

5 结束语

高速公路的发展将逐步由基础设施建设向现代化的运营与服务管理转型，高速公路网运营与服务信息化平台有望成为提升高速公路交通管理和安全服务水平的有效方法之一。本文以三类服务对象对平台的数据和功能需求为出发点，提出四项信息化平台设计原则，建立了“信息感知平台-数据中心-运营与服务业务应用平台”三层闭环架构。在此基本架构基础上，辅以信息化平台的标准体系和运维系统。其中，标准体系规范平台的建设和运行，保障平台的开放性；运维系统是监控和维护平台软硬件设备的设施。另外，本文充分利用国内外先进成熟技术，定义了平台中各系统的功能，为类似高速公路网信息化平台的设计提供参考和借鉴。

本文提出的信息化平台，主要涵盖了指挥调度和公众服务相关业务。在实际信息化平台规划设计建设中，根据地区实际需求，在运营与服务业务平台内增加相关业务应用系统，如收费系统、与公安和路政联合指挥调度系统等。伴随着车联网、云计算等先进技术的发展成熟，信息化平台将进一步建设完善，为高速公路的管理者、出行者提供更有效、便捷的服务。

[1] 中华人民共和国交通运输部. 深化交通运输投融资改革应关注的若干问题[OL]. (2015-03-31) [2015-04-04]http://www.mot.gov.cn/zhuzhan/jiaotongxinwe n/xinwenredian/201503xinwen/201503/t20150330_1 795513.html.

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