基于云计算的智慧高速公路运营中心研究与设计

保丽霞

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海市200125）

0 引言

高速公路是综合交通运输中重要的基础设施之一。截止2018年3月，我国高速公路里程达13.6万km。便捷的路网极大地增强了运输服务能力，提高了物流、人流的周转效率，促进了社会经济的发展。

多数省市的高速公路运行监测和收费中心建设都比较早，数据库、服务器、存储以及应用功能都在逐步升级和完善。随着云计算、大数据分析技术以及GIS+BIM的发展，新一代的智慧高速公路运营中心建设逐步提上日程。

1 基于云计算的智慧高速公路网运营中心框架研究

1.1 云计算架构与传统IT架构的比选

2015年1月，党中央、国务院发布了《国务院关于促进云计算创新发展培育信息产业新业态的意见》（国发〔2015〕5号），提出大力发展云计算服务，实施云计算工程，大力发展计算、存储资源租用和应用软件开发部署平台服务。到2017年，云计算在重点领域的应用得到深化，产业链条基本健全，初步形成安全保障有力，服务创新、技术创新和管理创新协同推进的云计算发展格局，带动相关产业快速发展。

2017年4月，工信部印发《云计算发展三年行动计划（2017－2019年）》提出在软件定义网络、新型架构计算设备、超融合设备、绿色数据中心、模块化数据中心、存储设备、信息安全产品等方面实现技术与产品突破，带动信息产业发展，强化产业支撑能力。积极发展安全可靠的云计算解决方案，在重要信息系统和关键基础设施建设过程中，探索利用云计算系统架构和模式弥补软硬件单品性能不足，推动实现安全可靠软硬件产品规模化应用。

在传统IT基础架构环境中，业务迅速发展给IT带来很大压力：服务器需求不断增多，机房空间、电力成为瓶颈，导致应用所需服务器资源紧张；系统管理人员日常忙于补救和新的部署工作，技术复杂性使得部署时间越来越长，导致应用上线时间延长。

云计算通过资源池技术，实现应用服务器和硬件服务器隔离，使硬件资源切片使用，提供逻辑虚拟服务器为应用提供服务，不但物理资源得到充分利用，而且机房压力减少，整体投资下降。虚拟化技术把虚拟服务器保存成文件，通过复制文件提供了快速部署基础。表1为云计算架构与传统IT架构方案比选。

结合这几年云计算技术的发展，云平台在资源利用、按需配置、快速部署、扩展维护等方面具有明显的优势，因此，考虑到高速公路网清分结算运营中心的需求，建议可采用私有云平台对存储、计算资源进行合理配置。

表1 云计算架构与传统IT架构方案比选

1.2 基于私有云的智慧高速公路运营中心框架设计

高速公路网运营中心具有收费、清分、交通流量分析、稽查、监管等业务需求，应用功能复杂、种类繁多，并发用户数多，存储、计算需求也较大，业务具有专属性。因此，有必要建立基于私有云的高速公路网运营中心，包括基础设施层、云基础架构层、云服务层和运维业务支撑层等（见图1）。

基础设施层：是云平台的物理环境，主要包括服务器、网络以及存储等设备。在此基础上采用虚拟化、分布式存储等云计算技术，实现服务器、网络、存储的虚拟化，构建计算资源池、存储资源池和网络资源池，实现基础设施及服务。

云基础架构层：在基础设施层上，通过虚拟化技术对基础设施（网络、服务器和存储设备等）进行资源池化和弹性管理，实现动态资源池的构建；通过云计算操作系统，实现云数据中心的服务及业务的统一管理，提高运维及运营效率；通过建立统一的信息标准，构建统一的信息门户、统一的身份认证系统和安全可靠的公共数据交换系统，在此基础上建设先进实用的应用支撑系统，实现各个应用系统之间的数据交换与数据共享。

云服务层：是云计算中心与最终用于交互的接口和平台。通过该平台能够实现云计算中心统一提供运算、分析、流程等服务，为用户提供整体的云应用和服务。

运维业务支撑层：包括云数据中心的运营和支持、云数据中心业务管理、云安全管理等。

图1 基于私有云的智慧高速公路运营中心框架

2 智慧高速公路网运营中心的计算、网络及存储资源池设计

2.1 虚拟化计算设计

虚拟化计算将服务器物理资源抽象成逻辑资源，使一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，不受限于物理上的界限，使CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的资源池，从而提高资源的利用率，简化系统管理。

可以创建虚拟机，并对集群资源进行管理，包括资源自动动态调度（包含负载均衡和动态节能）、虚拟机管理（包含创建、删除、启动、关闭、重启、休眠、唤醒虚拟机）、存储资源管理（系统盘、用户盘和共享盘的管理）、虚拟机安全管理（包含自定义虚拟局域网或使用安全组）。

2.2 虚拟化网络设计

采用分布式虚拟交换机方式建立虚拟化网络。每台主机都链接到分布式交换机中。分布式交换机的一端是与虚拟机相连的虚拟端口，另一端是与虚拟机所在主机上的物理以太网适配器相连的上行链路。通过它可以连接主机和虚拟机，实现系统网络互通。

2.3 虚拟化存储设计

存储虚拟化是将存储设备抽象为数据存储，虚拟机在数据存储中作为一组文件存储在自己的目录中。数据存储是逻辑容器，类似于文件系统，将各个存储设备的特性隐藏起来，并提供一个统一的模型来存储虚拟机文件。

智慧高速公路网运营中心存储的数据主要有两类：结构化数据和非结构化数据。结构化数据的存储资源池可采用传统的高性能磁盘阵列系统；非结构化数据存储资源池采用元数据与实际数据相分离的方式，通过分布式存储技术，将多台物理设备中的存储空间聚合成一个虚拟存储池，充分发挥存储系统的性能和磁盘利用率，为用户提供文件系统的共享功能。

2.4 云管理系统设计

云管理系统主要承担云资源管理、云服务管理、配置管理、流程管理、监控管理及容量管理。

云服务管理主要提供用户访问接口，实现云资源的展示、请求、管理等用户操作接口。支撑云服务请求的流程管理，对各服务项目具体定义和部署设计。

云资源管理对虚拟化或物理资源进行资源纳管和池化，通过服务器自动化、网络自动化、存储自动等管理工具将纳管后的资源管理抽象为统一的接口，实现各类资源的部署。

3 智慧高速公路运营中心目标及功能设计

3.1 智慧高速公路运营中心实现目标

基于GIS-T+BIM建设智慧高速公路运营中心平台，路段采用二维，出入口车道、标识站采用三维模型，形成地理信息基础数据库，所有的计算、应用和展示基于GIS网络，实现“一张图、全方位数据、全业务流程”，具备收费清分结算、收费管理、运营维护、监督管理、数据分析与辅助决策、安全管理、收费稽查等七大应用体系。达到以下目标：

（1）依托GIS实现对所有动态车流数据、多义路径识别、费额计算、路段、收费站统计、设备设施监测、稽查、统计分析、数据挖掘等展示。

（2）对任意两点（出入口、标识站）建立费用函数模型，费率动态可调整，基于网络拓扑架构图和汇聚的出入口车道、标识站流水，实时计算各车辆的准确路径及费额，按照算法约定下发及降级处理。

（3）基于GIS能够实时展示任意划分段的车流量、速度、过车牌照等数据。

（4）基于GIS展示为各路段中心、收费站等查询、浏览的清分数据。

（5）基于GIS展示车道、标识站的设备运行状况及报警、修复等信息。

3.2 功能研究

智慧高速公路运营中心应具备收费、清分、交通流及设备设施监测、通行卡管理、稽查、安全、数据分析、运维、服务等功能。

智慧高速公路运营中心采用“收费车道—省级清分结算中心—国家中心”三层架构。M TC和ETC收费车道的数据传输至高速公路收费清分结算中心，在该平台上进行入口数据汇聚、多义路径识别及费额计算、出口收费管理、清分结算、稽查、统计、共享、收费大数据分析等业务应用，为各路段中心、收费站开设独立权限，可实时查询权限内的收费及相关数据。卡公司通过专线与清分中心进行数据传输与共享，清分中心通过专网与国家中心进行数据交换。第三方支付平台通过互联网与上海市高速公路清分结算中心进行结算，系统预留未来ETC的拓展业务。图2为智慧高速公路运营中心三级架构图。

图2 智慧高速公路运营中心三级架构图

清分结算中心子系统主要由收费网络GIS图层及基础数据管理、出入口及标识站数据汇聚、多义路径识别、收费管理、通行费拆分与结算、营改增数据汇聚与共享、运营维护、稽查、监管、数据分析及辅助决策、黑名单更新、费率更新、各路段中心客户端功能、收费站客户端功能、系统参数管理、报表统计/查询/打印、票证及通行券管理、数据传输、数据存储、数据备份与恢复、信息发布、网络管理、操作权限管理、密钥管理、安全认证等模块构成。

收费车道子系统按照M TC、ETC车道进行划分。ETC车道子系统主要包括RSU管理、接收更新中心系统运行参数、实时费额接收、自动扣费、车道设备管理、本地费额计算、特情处理等模块。M TC车道子系统主要包括发卡、接收更新中心系统运行参数、牌照识别信息汇聚、实时费额接收、收费、清卡、车道设备管理、本地费额计算、特情处理等模块。

交通流及设备设施监测系统可以对汇聚到中心的车道、标识站牌照识别数据、车脸图片，结合收费数据等对车辆进行轨迹分析、反推稽查、出行规律及偏好分析等数据挖掘。主要包括：车辆轨迹分析、牌照识别准确率分析、牌照识别与实际收费的核对、反推稽查、车辆出行规律及偏好分析等。对高速公路网（含省界站）的车道设备、标识站、通信以及清分结算中心的软硬件进行在线监测，对异常及故障的设备自动报警，经人工确认后报所属项目公司进行维修管理，并跟踪维修及恢复状态。

3.3 智慧高速公路运营中心性能要求

智慧高速公路运营中心平台及软件功能总体上应达到以下性能要求：

（1）系统支持最大并发用户数不小于200个（具体可根据最大请求的车道数确定）；

（2）系统支持并发计算多义性路径识别车辆数70万辆以上（根据同时在网车流量确定），实时费额下发延迟小于5 s；

（3）本地及路段中心、收费站查询收费系统任意数据响应时间小于2 s；

（4）收费站、标识站的3D模型启用反应时间小于10 s。

4 结论

搭建了基于云计算的智慧高速公路运营中心框架，包括基础设施层、云基础架构层、云服务层和运维业务支撑层等，对虚拟化计算、虚拟化网络、虚拟化存储以及云管理系统进行了设计，提出了基于GIS-T+BIM的智慧高速公路运营中心平台，实现“一张图、全方位数据、全业务流程”，具有收费清分结算、收费管理、运营维护、监督管理、数据分析与辅助决策、安全管理、收费稽查等应用功能。提出了最大并发用户数、多义性路径识别计算最大并发用户数、响应时间、模型反应时间等系统运行指标。