一种基于路网大数据的高速公路应急处置系统设计方案

摘  要：文章基于《数字交通“十四五”发展规划》对交通运输应急处置能力建设提出的要求，论述了一种基于路网大数据的高速公路应急处置系统设计方案。该方案通过采用湖屋技术构建高速公路应急处置“数据大脑”，并且将人工智能和数字孪生技术应用于高速公路应急处置的业务场景，形成贯穿事前、事中、事后的应急处置业务闭环。该方案适用于省、市两级高速公路管理部门的应急处置和疏堵保畅工作。

关键词：路网大数据;高速公路应急处置;人工智能;数字孪生;交通流仿真

中图分类号：TP18        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0069-05

A Design Scheme of Expressway Emergency Disposal System Based on Road Network Big Data

WU Yinghui

（EVECOM Technology Co.， Ltd.， Fuzhou  350003， China）

Abstract： Based on the requirements of Digital Transportation “14th Five-year Plan” Development Plan for the construction of transportation emergency disposal capacity， this paper discusses a design scheme of expressway emergency disposal system based on road network big data. The scheme constructs the “data brain” of expressway emergency disposal by using the lake house technology， and applies Artificial Intelligence and Digital Twins technology to the business scenario of expressway emergency disposal， forming a closed-loop emergency disposal business through pre event， during event and post event. The scheme is applicable to the emergency disposal and unblocking work of provincial and municipal expressway management departments.

Keywords： road network big data; expressway emergency disposal; Artificial Intelligence; Digital Twins; traffic flow simulation

0  引  言

2018年2月，交通运输部办公厅印发《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》（交办规划函〔2018〕265号），将“基于大数据的路网综合管理”作为新一代国家交通控制网和智慧公路试点的六大主题之一，在福建、河南、浙江、江西四省实施。基于大数据的路网综合管理试点，要求“构建基于大数据的高速公路运营与服务智能化管理决策平台，应用在区域路网综合信息采集、运营调度、收费、资产运维养护、公众信息服务、应急指挥”，拉开了以大数据赋能高速公路应急处置工作的序幕。

2021年10月，交通运输部印发《数字交通“十四五”发展规划》（交规划发〔2021〕102号）。针对数字交通创新发展体系建设，规划要求打造综合交通运输“数据大脑”，“推动行业信息技术应用创新，推动大数据、人工智能、区块链等技术行业应用攻关”，以信息化服务交通行业创新发展;针对交通运输应急处置能力建设，提出应“利用先進信息技术提升交通运输本质安全水平，提升预测预警、应急反应能力”，“深化综合交通运输调度和应急指挥系统建设，完善智能协同应用，满足‘看得见、听得着、能指挥’需求，实现‘能推演、能联动’等功能，提升重大突发事件的应急处置能力和安全保障能力”。该规划进一步强化数据资产在高速公路应急处置体系中的核心价值，同时也对新技术在具体业务场景下的融合应用提出了要求。

遵循《数字交通“十四五”发展规划》的工作要求，本文提出一种基于“大数据+行业信息技术应用创新”的高速公路应急处置系统设计方案，适用于省、市两级高速公路管理部门的应急处置和疏堵保畅工作。

1  整体设计

本方案的整体架构设计严格遵循了交通运输部《公路网管理平台技术规范》对公路网管理平台技术架构的要求，采用“三纵七横”结构，如图1所示。

（1）运行监测层：主要包含高速公路沿线布设的物联感知设备，实时采集路域内的多维运行态势信息和设备自身运行状态信息。包括：视频监控（固定点位、移动车载、无人机挂载）、交通流检测（ETC门架、车检器）、气象环境监测（气象站）和设备状态检测（ETC门架设备状态监测、机电设备状态监测等）。

（2）基础设施层：主要包含承载大数据、人工智能和业务应用运行的环境。

（3）数据资源层：实现高速公路信息资源的汇聚、治理、存储、共享与开发利用。其中的数据资源包括：基础数据、业务数据、主题服务和交换数据。通过建设数据资源层，能够实现OLTP和OLAP数据的解耦，并且为应用提供大数据分析的算法引擎。

（4）应用支撑层：为整个系统的各个平台提供公共、成熟、稳定和标准化的软件支撑服务引擎。

（5）应用系统层：该层负责高速公路应急处置业务应用的数据组织和逻辑实现，涵盖突发事件应急处置事前、事中、事后全业务流程。

（6）信息服务层：实现与行业内、外各类用户的信息交互的渠道。

（7）服务用户层：本系统所服务的各类用户。包括：行业行政主管部门、路网运行管理部门、行业外的相关協同联动部门和社会公众。

（8）标准规范制度保障体系：以国标和行标为基础，紧扣实际业务需求制定数据资源开发利用规范和跨层级、跨组件接口规范，确保系统的开放性、可服务性和分层解耦，满足以大数据驱动业务应用持续迭代和创新的要求。

（9）建设与运营管理保障体系：通过制定匹配业务目标的长效的运营管理机制，强化管理流程与责任，确保系统的长期稳定、运行与可持续发展;满足《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》（GB/T22239-2019）定义的安全保护要求。

2  系统软件设计

在整体架构中，数据资源层和应用系统层是高速公路应急处置系统软件设计的核心，也是“大数据+行业信息技术应用创新”与高速公路应急处置业务融合的集中体现。以下将着重围绕这两层的设计展开说明。

2.1  数据资源层

数据资源层的建设融合应用云计算、大数据和人工智能技术，满足“一数一源、多源融合、按需使用、安全可靠、弹性伸缩”的要求，打通汇聚、治理、共享、应用的数据流通价值链，打破数据壁垒，形成纵向贯通、横向互联的数据资源交互通道，搭建多维数据碰撞分析计算框架，打造“可知、可控、可联、可取、可用”的信息支撑体系。

2.1.1  技术架构设计

高速公路应急处置业务横向涉及的职能部门较多，所采集和生成信息量巨大;各纵向业务条线之间关联性较强，存在着高频的跨条线数据应用需求。本设计的数据资源层技术方案采用“存储一体”的湖仓一体技术方案，其架构如图2所示。

该方案将数据统一存储在专门的对象存储系统中，用于代替数据湖和数据仓库的各自存储，湖中建仓，支持在数据湖中以数据仓库模式进行执行和治理。分离后的存储系统可独立扩展，不再与计算耦合，能够快速应对工作负载的变化，允许计算资源和存储资源互相独立扩容，确保资源按需分配，简化运维管理，也为系统的稳定性提供保障。

当前存储一体的湖仓一体方案主要有三种框架结构：Hadoop体系架构、Lambda结构和Kappa架构，以Hadoop为代表的离线数据处理基础设施更符合当前国内大多数高速公路管理部门的信息资源发展现状，可依托现有基础设施层环境，搭建开源Hadoop架构，原始数据统一存储在HDFS系统上，引擎以Hadoop和Spark开源生态为主，存储和计算一体。该架构方案能实现路网信息资源的高质量存储，特定的计算引擎和湖中建仓可满足应急处置业务开展的需要，同时具有良好的可拓展性，能适应未来的信息资源需求。

2.1.2  融合数仓构建

数据治理的过程就是数据流动的过程。在DAG分布式调度引擎的调度下，分散零乱、标准不一、来源各异的异构数据经由不同的管道流向各自规划的目标存储位置，完成信息从“数据源”向“数据湖”汇聚并构建融合数仓，是湖仓一体数据湖建设的重要步骤，主要包括平台和数据两个层面的建设。

在平台层面，本设计以数据安全管控和数据敏捷开发理念出发，以Flink和Hudi等主流技术为基础，结合Datax、FlinkSQLCDC、DolphinScheduler等成熟的开源组件，研发湖仓一体的数据治理平台，能够提供包括批流一体数据处理引擎、数据实时集成、数据智能开发、数据资产和运营等在内的全栈数据智能。

基于Flink流批一体的能力，结合CDC机制实时捕获数据库变化数据，实现数据实时同步，提供全增量的一体化数据集成。具备增强的数据表结构一致性检测和断点续传能力，能并行检测上下游数据结构一致性，对异常写入进行主动预警，问题修复后可从断点恢复数据同步。解决了以往离线数据集成和实时数据集成两套技术栈的问题，并可在批流之间切换时保证数据一致性。

基于AC自动机算法、积累沉淀的敏感数据发现规则和数据分类标签，可快速自动发现敏感数据，实现智能化数据分级分类。

通过内置的统一语义层（MDX）屏蔽底层数据源的差别，实现统一建模，结合自研的数据虚拟化引擎，为用户提供统一SQL开发接口，可在不移动数据的情况下，实现异构数据源之间的融合分析计算。解决以往异构数据源需使用不同语言的技术复杂度，并缩短数据加工链路，使平台具备敏捷的数据开发能力。

采用欧拉操作系统（EulerOS），能同时适配国产化的ARM架构和X86架构。具备增强的数据安全存储能力，基于国密SM4硬件加速器，结合字段级细粒度权限控制，在HDFS数据存储层面增加国密SM4透明加解密功能，确保仅有访问权限的用户能读取出密文数据且不降低性能。

有了平台的支撑，还必须持续、扎实做好数据层面的工作。本方案采用了数据治理行业标准的方法和流程，主要包括如下步骤：

（1）数据标准建设：由业务部门的“业务需求”和信息化系统的“数据需求”共同驱动的，制定数据采集、生产、存储、交换和共享的标准。

（2）治理体系建设：建立从组织架构、管理制度、操作规范、IT应用技术、绩效考核支持等多个维度对组织的数据模型、数据架构、数据质量、数据安全、数据生命周期等各方面进行全面的梳理、建设及持续改进的体系。

（3）数据质量提升：通过数据质量评估和问题原因分析，寻找影响数据质量的因素并制定有针对性的弥补方案，提升数据的质量。

（4）数据架构建设：在充分考虑数据资源层技术架构特点的基础上，结合业务应用的特点，规划符合实际业务需求的数据架构方案。

（5）数据治理实施：利用平台层面建设形成的能力，实现对数据资源的全生命周期管理，服务业务应用，包括：数据采集、处理（提取、清洗、关联、比对、标识、加载）、管控（标准管理、元数据管理、目录管理、质量管理、分类分级、血缘管理、模型管理、标签管理和运维管理）、组织、安全、应用和服务。本设计的融合数仓构建数据流转如图3所示。

2.2  应用系统层

有了數据资源层和应用支撑层提供的信息和能力支持，应用系统层能够更专注于业务场景的具体实现。本设计的应用系统层包括资源管理、事件监测、协同处置和评估归档四个子系统，共同构成了高速公路应急处置的业务闭环。以下将重点介绍本设计中新技术在高速公路应急处置业务场景应用的创新点。

2.2.1  资源管理

资源管理主要用于辅助交通事件处置指挥人员对突发交通事件处置所需的各类物资、装备、人员和知识文献等进行数字化管理。

应急预案管理是资源管理的核心，横向衔接各类应急资源。本设计中，利用数字孪生引擎提供的交通流宏/微观仿真能力，对应急预案进行事前仿真推演，评估不同预案的处置效率以及对交通流的影响。基于时段、路段、事件类型、响应等级等维度分别制定最优的应急预案，包括物资、装备和人员的前置部署预案。

2.2.2  事件监测

目前，12122救援热线仍然是高速公路上最主要的交通事件信息获取渠道，属于被动采集方式。本设计在此基础上增加了多种新的监测手段，主动被动方式相结合，多渠道互为补充，提高发现交通事件的及时性。

首先，依托人工智能视频和图像结构化技术，可以实现覆盖路段内7×24小时事件监测和定位，主动识别交通事件;其次，通过对接互联网图商和高速出行公众服务APP采集交通事件信息并获取精准GNSS定位;第三，利用数字孪生系统的交通流仿真能力，通过数据脱跳模型、区域流量连续性模型、历史数据分析模型等进行交通流数据的实时比对，作为其他监测手段的有益补充。一旦识别出疑似突发交通事件，系统将通过视频监控分级匹配算法自动选取不同优先级的视频监控点位，由值守人员进行核实确认。

2.2.3  协同处置

传统方式的高速公路突发事件协同处置主要依靠值守人员通过电话和短信等通信手段进行指挥调度，人工工作量大，效率较低。

本设计在协同处置中，首先通过应急预案匹配算法、历史事件匹配算法选择最优的应急预案。其次，针对相关管理部门，采用人工智能机器人实现跨单位、跨部门多路并发协同调度并接收、汇总反馈信息，自动关联;针对社会公众，基于应急预案实现与可变情报板、隧道应急广播、交通媒体和互联网导航APP等信息发布渠道的实时联动，主动诱导。对内、对外双线并行，可极大地提高协同处置效率。在通信手段上，除了传统的电话和短信，还增加互联网富媒体即时通信调度渠道，支持采用文字、语音、图像和视频等多种方式准确传递信息，低成本、高效率。

2.2.4  评估归档

高速公路突发交通事件处置完毕后，应用将外部采集和内部生成的数据同步到数据资源层的归集库，经过数据治理进入交通事件主题库、标签库、知识库，并生成应急处置“一事一档”。其中的应急处置过程信息将被发送到数字孪生引擎提供的交通流宏/微观仿真模块进行推演复盘，并与实际过程比对，评估处置过程的执行指标，同时将实际过程与预期过程的差异信息反哺给资源管理子系统，用于应急预案的持续迭代和调优。

3  结  论

应急处置工作是全省各省、市高速路网保畅通、保安全的核心任务，具有高频度、高价值、高要求的特点。以“大数据+行业信息技术应用创新”高速公路应急处置业务创新是《数字交通“十四五”发展规划》确定的发展方向。本文描述的是在此发展方向指引性下的一种业务应用创新设计，能够显著提高省、市两级高速公路管理部门的应急处置效率，也具有很好的适应性和扩展性。

参考文献：

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作者简介：吴迎晖（1978—），男，汉族，山东栖霞人，中级工程师，工学硕士，研究方向：交通运输应急管理信息化顶层规划与信息系统设计。