基于GIS可视化的高速公路监控调度指挥系统应用研究

李 嘉 周 正 蔡洛森 吴光荣

(1.四川铁投信息技术产业投资有限公司 成都 610041； 2.四川易利数字城市科技有限公司 成都 610041)

在2020年升级优化高速公路收费及信息服务体系，全面实现了全国高速公路“一次通行、一次扣费、一次告知”的崭新运营管理格局的“一张网”形势下，调度指挥、应急处置等关键性的需求正在成为高速运行保障关注的焦点。相对于迅速扩大的路网规模，高速公路整体数字化水平仍显落后，尤其是全国高速公路基本完成“视频上云”工程之后，监控系统直接服务广大公众用户的技术能力尤为不足，究其原因主要在于三方面：①大量应用的传统电子地图难以解决桥梁、隧道或者复杂地形地貌场景下的交通信息立体化展示；②仍有相当规模的老旧、传统视频监控系统的技术性能不能有效支撑新型地理信息化应用；③现有系统信息要素集成度不够全面，高速公路时空化大数据分析还不能充分开展。

地理信息系统(geographic information system，GIS)以其二、三维融合建模的技术特点，辅之以高精度定位、空间对象立体化展示，在实现高级空间分析功能应用领域具有显著的技术优势，随着三维可视化技术日渐成熟、三维数据来源日益完善，高性能存储计算环境建造成本日渐降低，二、三维一体的GIS可视化已成为高速公路监控领域技术应用新趋势[1]。

本次开发应用以四川省东北部某高速公路作为实践场景，该高速公路全长约140 km，途经盆地、丘陵和山区，桥梁和隧道占路线总长比例为36%，其中有2个5 km以上的特长隧道，道路形态非常全面。

1 应用现状

1.1 国外研究应用现状

国外非常重视交通运输信息技术的发展和应用，基本上形成了以美国、日本和欧洲等3大研发应用技术路线，主要体现为:对交通信息化、智能化建设给予明确、连续的政策支持，并针对自身特点和发展从国家战略层面开展规划设计；交通信息化应用领域不断拓展，公路养护管理与安全管理效果明显；积极、广泛开展面向公众的信息服务。

1.2 国内研究应用现状

我国交通信息化起步于二十世纪九十年代，由交通部牵头将卫星定位技术应用于车辆管理领域的研究，开启了卫星定位的大规模应用潮流，交通信息化建设大幕由此拉开。近20年来,我国交通基础设施建设和运输装备发展十分迅速,信息技术应用得到大力推广，信息资源开发利用水平也不断提高，交通信息采集与监控、资源整合开发与利用、运行综合分析和信息服务等方面已取得瞩目成就[2]。交通信息化的发展以成熟技术的大规模应用和新技术开发为核心，以信息感知、车路协同、绿色交通等关键技术的开发、应用和推广为重点[3]。以新的管理理念全面推进行业科技管理体制机制改革，以科技创新引领支撑行业提质增效、转型升级，以信息化、智能化引领交通运输现代化的发展。

在高速公路领域，语音、视频监控等传统调度指挥方式，进入了基于GIS系统的“一张图”应急指挥新模式[4]。

2 系统构成

二、三维一体的GIS可视化服务提供B/S结构的WebGIS开发框架，以及Android、iOS等移动客户端开发框架。基于该服务可以轻松实现功能丰富的二、三维地图一体化集成发布，实现在线、离线一体化应用，是政企开展空间信息可视化应用开发活动较为理想的技术选择[5]。

2.1 技术路径

二、三维一体的GIS可视化服务由数据库、服务端和管理工具三部分组成。所有的空间数据和属性数据都存放在数据库中。其中空间数据以自定义格式编码，存储在数据表域段中。服务端向客户端提供了对图层、地图的显示配置，图例库等对象的创建、删除、获取、更新、枚举等操作。管理工具则用于进行数据库的常规管理，例如数据初始化、数据库修复、状态监测及用户权限管理。

在高速公路日常监控管理业务中既有对整个路段全域的监控可视化需求，还有对具体细节场景的可视化要求[6]。二维层面需要具备高速公路的平面信息，包括路段编号、公里桩号、枢纽及站点编号等；三维层面则实现对公路路体尤其是桥梁、隧道等重要结构体的细节掌控，可采用一些成熟的商用三维模拟工具(如BIM、3Dmax)对高速公路重点对象进行可视化展示，进而实现数字孪生场景应用，例如，在隧道中通过可编程控制系统对设备设施进行操控并将实时数据反馈到三维孪生场景。本次GIS可视化实践研发基本技术操作路径见图1。

图1 基本技术路径

在云环境下，利用业务驱动执行多层次可视化任务，采用OpenGL和DirectX作为底层渲染库，二、三维一体的GIS可视化服务会根据自适应调度与适配机制选择最优底层渲染库，将最好的硬件性能完全释放。使用图形处理(graphic processing，GPU)对三维场景渲染，由于GPU具有高并行结构(highly parallel structure)，因此GPU在图形图像处理和复杂数据运算方面比CPU更高效。使用计算处理(central processing，CPU)执行空间查询、分析、预测等算法。本次研究实践的可视化服务调度管理方法见图2。

图2 可视化服务调度管理

静态地图可视化基本流程为：在GIS体系下的三维坐标内，以地图输出设备为视点，根据当前坐标及高度参数，对其视点画面范围内的三维物体进行数据抽取、装载，给定光源、照明模式、纹理等其他参数，最终可将三维物体渲染为地图形态。

动态地图可视化基本流程为：矢量数据导入后可能存在数据位置不准确情况，需先进行图元位置调整；其次，基于材质库服务进行必要的图元样式调整；定义显示级别并管理图元显示信息；针对数据关系，实现类别自动关联；最后，实现业务数据的属性挂接，以及图元数据与物联采集数据的实时挂接。

2.2 关键技术

2.2.1二、三维一体GIS支撑技术

通过使用二、三维一体化的GIS支撑引擎，实现数据存储、数据管理、可视化分析等多功能，例如：二、三维场景构建、场景管理、模型样式、模型视角、模型与属性关联；二、三维空间分析；二、三维呈现、渲染、控制、查询、透视、动画等。

2.2.2GIS可视化处理技术

通过优化数据、计算与绘制资源，支撑多模态、全空间时空数据自适应可视化。实现基础地理信息空间化和空间/非空间元素可视化，以良好形态展现给用户。

2.2.3视频整合技术

事先设计定义统一的应用框架内部服务接口，通过驱动模块将需要接入的设备和平台的各种不同视频流协议转为内部统一协议，并对多个品牌设备的视频流进行统一标准化转码。良好的服务接口将能实现各功能模块之间的松耦合，将前端设备抽象成设备驱动层，更易于接入新的前端设备，同时实现与第三方监控平台的必要联动控制。

2.3 主要功能

高速公路监控应急调度指挥应用系统的主要功能设置如下。

2.3.1地图基本操作

基于二、三维一体化GIS支撑引擎，实现放大、缩小、平移、聚焦等基本操作。

2.3.2图层接入与展示

通过业务应用数据接入业务应用系统数据，主要包括视频监控点位图层、情报板、路政车辆、收费站、服务区、互通立交、物资仓库、医院、公安交管、施工或管制、应急突发事件、路况通阻等信息，将其在基础路网上叠加展示。还应当实现各个专题图层的显示控制，例如切换某专题图层的显示和隐藏状态，或同时叠加多个图层，系统地图界面见图3。

图3 叠加图层后的实景效果

2.3.3空间查询搜索

基于二、三维一体化GIS支撑引擎，在地理视图下支持空间框选、圆形、多边形、点选等空间查询绘制，基于空间范围条件进行二维数据的查询，其结果在二维或三维视图下展示。另外，应实现图层上信息文字的搜索和快速定位。

空间查询与搜索主要通过基于栅格数据的GIS空间分析算法来实现，GIS中许多数据都用栅格格式表示，包括数字高程数据、卫星影像、数字正射影像、扫描地图和图形文件。二、三维一体化GIS支撑引擎能同时支持栅格数据和矢量数据，并可以在栅格数据和矢量数据之间相互转换。栅格数据将许多空间数据分析方法引入到GIS中。矢量、棚格2种数据相结合是现代GIS应用的普遍趋势。

由于其自身结构特点，在数据处理与分析中，通常使用线性代数的二维数字矩阵分析法作为数据分析处理基础，其自动分析处理易用、高效，且分析处理模式化、自动化程度较强。通常对栅格数据可以进行局部运算、邻域运算、分带运算、距离、体积量测运算。伴随空间分析方法的扩展，还可使用栅格数据开展空间自相关分析、路径分析、神经网络分析等。

2.3.4视频播放应用

支持多种画面分割方式，同时显示播放多个摄像机点位视频。具备视频监控画面监视、轮巡监视、视频回放和显示大屏解码上墙等功能。

2.3.5应急调度指挥

对路段内道路救援车辆、信息发布设备、视频设备、广播、语音通话设备、单兵设备、应急物资、处置力量等进行掌控，实现应急调度指挥功能的全流程可视化，包括应急事件从上报到处理直至完结归档的完整流程，实现事件回溯、任务定义、预案编制、事件分析，主要功能有：

1) 事件智能监测。接入整合高速公路视频监控资源，并通过视频AI分析，对追尾、违停、行人上高速等事件进行自动监测分析，并告警。

2) 应急预案管理与调用。对应急事件指挥、交通畅通调度等预案进行管理，包括事件类型、处置流程、协同部门、通知方式等信息的管理，根据事件特征，自动调用相应预案，通知相应外场人员。

3) 指挥调度。通过整合信息发布设备、视频设备、广播设备、单兵通讯设备及其管理系统，形成融合通讯指挥系统，开展应急指挥、实时调度。

2.3.6监测数据可视化

通过GIS地图和高速业务数据的结合，实现高速公路运行监测、业务开展等各类指标数据的综合分析和可视化呈现。例如，多形态高速路网简图、车流量和趋向统计分析、特定OD出行时间分布统计分析、路段通阻状况分析展示、事故多发地点统计分析展示、视频多媒体展播、事件处置过程详情动态展示等。

2.3.7设备管理和信息发布

对高速公路外场监控设施设备实现数字化集中管理。完成技术参数、网络属性、空间地理位置、规则权限的台账化，在有接口服务条件下实现设备运行状态实时监测。同时，在设备管理基础上构建统一信息发布能力，规范信息发布流程，实现对高速公路LED情报板、车道标志、广播系统等设备的操作控制。

3 应用效果

基于GIS形态操作界面，开发软件系统成功实现日常安全巡逻、设备维护、信息处理、事件处置、监控运行等一系列日常业务功能。结合GIS空间分析能力，对整个道路路况、车流状况、交通事故、预警信息、施工情况、特殊车辆、外场设备情况等指标信息以图表形式进行呈现。基于道路视频监控设备、流量监测设备、人工上报等实时数据，融合历史数据，通过数据分析和挖掘,对道路交通状态进行分析，模拟指挥干预之后的效果。根据当前的整个网络交通状况评估及变化趋势，结合诱导和管制的措施推算出调度后的交通路况信息，并模拟生成道路运行状态，进而支持科学决策。结合相关数据算法，可进一步对高速公路通阻状态、物资配置要求进行前瞻预测分析，更有意义的是实现了人力物资科学化配比、精准化调度。

应急调度指挥业务支持日常巡检、响应、恢复、复盘等场景和流程，可针对事件类别自动通过时间空间信息快速计算出医院、巡逻车、物资仓库、入出口的最优选择，并实现快捷调度通讯。同时，在监控指挥中心大屏上显示外场的固定端和移动端视频实时画面，在GIS地图上显示处置救援人员的移动轨迹，最终体现对应急处置流程的实质性监控，应用系统实现效果见图4。

图4 高速公路监控调度指挥系统

本系统实时反馈路况信息，快速精准定位，智能化形成最优处置方案，减少流程成本，其中多人调度耗时从系统应用前的10 min减少至3 min以内，同时增强高速公路公众服务水平，带来了更好的用户体验感受。本系统的应用更是直接降低企业相关成本开销，例如：事故误报率下降40%左右，外场路巡频次降低30%左右，车辆、能源损耗显著降低。初步估算，应用本系统的高速公路每年整体降低运营开销超过80万元。

4 结语

采用二、三维一体的GIS可视化技术，立足于高速公路监控运行和调度指挥的业务流程及实际需求，积极采用视频智能分析、物联感知数据集成和大数据分析技术，成功开发了高速公路监控调度指挥系统软件。该系统在四川某高速公路投入使用之后，初步形成了路段监控中心的集约化、一体化调度指挥能力，基本实现了路段运行状态实时监测能力，此外，GIS可视化的运用极大改善了系统用户的操作体验，信息获取反馈更加精准、全面，操作指令下达更加高效、便捷。此次实践有力推动了高速公路运营管理的提质增效，更为即将开展的集团企业数字化转型升级提供了成功示范。