高速公路信息系统建设研究

李 祯，唐玉斌，胡建科，覃保坚，黄圆圆

(广西交通投资集团柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545000)

0 引言

近年来，围绕国家“交通强国”的目标，高速公路运营管理现代化已经成为我国高速公路发展的新趋势。同时，随着高速公路路网不断地健全完善，对高速公路运营管理业务现代化的研究，具有十分重要的现实意义。在当前“智慧高速”的发展形势下，需要解决目前高速公路信息化建设中普遍存在的道路感知中数据挖掘及应用能力不足的问题，并以“业务先导，技术协同”为原则，基于高速公路“智能感知路网”，实现收费机电管理、养护管理、应急管理、服务区管理、公众出行服务等业务智能协同，建设高速公路运营管理现代化信息系统，并推广使用。

1 高速公路信息化的意义及存在问题

1.1 高速公路信息化的意义

1.1.1 信息化引领交通运输现代化发展战略

随着现代通信、网络、数据库技术等信息技术的发展，交通运输现代化日益受到重视。2016年4月，交通运输部正式印发《交通运输信息化“十三五”发展规划》，根据《规划》要求，到2020年，部省两级信息共享和数据开放水平大幅提升，行业主要业务领域运用大数据能力显著提高，实现“信息开放共享、业务在线协同、路网便捷互联、公众服务提质、信息安全可控”的目标。2021年，全面做好加快建设交通强国具体工作，深入落实《交通强国建设纲要》和《国家综合立体交通网规划纲要》，做好“十四五”规划编制工作，推动交通强国建设试点落地见效和着力抓好重大工程，是交通运输现代化的发展趋势。

1.1.2 信息化推动高速公路运营管理升级

信息化引领交通运输现代化发展，推动交通运输的结构优化、模式转变、形态变革，实现交通运输方式的转型升级。根据国家关于取消高速公路省界收费站的相关部署，全国高速公路收费模式全面变革，2020-01-01正式实行全国高速公路联网收费。接着，在运营管理工作中新增了一系列的前端信息采集感知设备，进一步提高高速公路路网的健全、感知、智能化程度。现今，全国高速公路正式迈入全面联网、业务系统、智能应用的重要阶段，紧扣高速公路运营管理的五大核心业务“收费机电、养护路产、应急安全、服务区管理、公众出行服务”，通过信息化与智能化提高高速公路运营的管理水平、技术水平和发展水平，实现“全方位、全覆盖、全自动、全天候、全过程”的多业务协同，是当前高速公路运营管理现代化的重点工作。

1.2 高速公路信息化建设中存在的问题

高速公路信息化是一个方兴未艾的历史进程，而随着信息化技术不断更新迭代，在传统的高速公路信息化建设中依然存在许多问题：

(1)路网运行监测的智能感知能力不强；在路段建设中，对于路网视频监控系统的建设没有统一的标准，大部分路段未能实现监控视频的全覆盖，并且智能感知设备如视频事件检测、雷达事件检测、北斗高精度监测等技术的应用程度亟须提高。

(2)部分运营业务管理信息化、自动化程度低，部分运营业务管理流程未固化，没有统一流程规范和标准。

(3)云计算、大数据分析等技术在高速公路运营管理的应用场景研究及应用不足，对路网监测下的多维度数据模型未建立，数据的价值利用率不高。

2 高速公路运营管理现代化信息系统的构建

根据柳州高速公路运营有限公司运营管理现代化建设情况，高速公路运营管理现代化信息系统建设以“业务先导，技术协同”为原则，前端信息采集系统构建“智能感知路网”为基础、局域网数据中心为支撑，明确高速公路现代化建设中管理平台与各级应用系统的建设目标，为高速公路信息系统建设提供一体化解决方案。

如图1所示，从信息系统建设的整体架构上划分，可“从上至下”分为三部分：

(1)局域网数据中心。包含运行、运维、展示所需的基础系统，包含通信传输网络、网络与信息安全系统、虚拟化云平台、高分可视化系统。

图1 运营管理现代化管理平台框架图

(2)智慧运营服务平台和运营业务应用系统。包含“收费机电、安全应急、路产养护、公众出行及服务区管理”等高速公路运营管理业务所需的业务系统、信息管理系统，以及配套的移动APP。

(3)前端信息采集系统。包含监控系统(摄像机、交调站、情报板等分系统)、隧道系统(电力监控、火灾报警、紧急电话等分系统)、重大结构物监测系统(桥梁位移监测系统、桥梁低温监测系统、高边坡位移监测系统等分系统)、智能预警系统(雾区诱导系统、防车辆闯入预警系统、雷达防拥堵预警系统等)。

2.1 局域网数据中心

根据信息系统及各级业务系统要求，数据中心以“多维度可扩展”和“互联、共享”为核心，应满足以下要求：

(1)高效通信网络架构。高可靠性通信链路、链路及网络设备的冗余备份、简洁路由交换策略、多网互通。

(2)可靠的网络安全体系。按照网络安全等级保护2.0的要求，包含安全通信网络、安全区域边界、安全计算环境、安全管理中心、安全管理制度。

(3)高性能虚拟化平台(云平台)。结合现有裸机、物理机，实现计算、应用、存储的拆分和集群。

(4)高分可视化展示平台。结合现有先进小间距LED拼接屏，实现云拼接控制及多应用场景投屏展示。

2.1.1 安全、可靠的网络架构

高速公路局域网数据中心网络由视频专网、业务服务区、互联网/外联区、安全管理中心组成，各区域通过防火墙、核心交换机连接。视频专网即高速公路监控网络；业务服务区以虚拟化平台(云平台)及物理机组成；互联网/外联区即DMZ隔离区；安全管理中心由一系列安全设备组成。由此组成高效、安全、可靠的网络架构，并作为局域网数据中心建设的基础。如图2所示。

图2 局域网数据中心网络拓扑图

2.1.2 通信传输网络系统

根据辖区通信设备状况，建立符合需求的1 000/10 000 M局域网络，并按照传统三层网络架构，简化核心层、汇聚层、接入层关系，优化路由区域划分。在实现辖区所有站点联通的情况下，实现各个方面信息交换网络的互联互通。如图2所示。

2.1.3 网络与信息安全系统

根据网络安全等级保护2.0的要求，增加下一代防火墙、VPN、堡垒机、杀毒软件、网络准入设备、漏洞扫描设备、日志审计设备、数据库审计设备、安全态势感知设备、网络审计设备，并完成信息系统备案定级工作。同时，完成安全通信网络、安全区域边界、安全计算环境、安全管理中心、安全管理制度等工作，保证局域网数据中心的正常运行。如图2所示。

2.1.4 虚拟化平台(云平台)

以高性能集群服务器和大容量的存储装置为目的，建设虚拟化平台(云平台)，实现计算、应用、存储的拆分和集群。根据需求，实现应用与数据库的拆分、应用的拆分、数据库的拆分，实现服务器的集群，最大限度地保证内部信息系统之间信息交换、共享的高效性、及时性。

2.1.5 高分可视化平台

为克服传统拼接系统画面上墙切换不灵活、效率低下的不足，增加高分可视化平台。平台根据数据展示需求定制高分可视化大屏，实现云拼接控制，实现显示系统控制软件，有线、无线投屏系统组成，打破传统视频监控、视频轮询、视频巡检方式。

2.2 运营业务应用系统

运营业务应用系统，用以解决目前高速公路运营管理业务中“收费机电、安全应急、路产养护、服务区管理”等主要问题。运营业务应用系统应满足以下功能：

(1)智慧运营服务平台，基于局域网数据中心，实现高速公路路网的应用场景模型、云端控制功能、视频融合共享以及三屏信息交互功能。

(2)运营业务应用系统，满足高速公路各运营管理业务应用及信息管理需求。收费机电板块，实现运营管理数据分析系统、机电设备健康监测及运维管理、收费站业务综合管理；安全应急板块，实现智能监测预警系统、一路多方应急指挥、高速公路突发事件统计分析；路产养护板块，实现路产路权管理、智能养护综合管理、桥梁管理、隧道管理；服务区管理板块，实现服务区一体化管理、服务区后门管理、智能巡更。

2.2.1 智慧运营服务平台

智慧运营服务平台基于局域网数据中心，以“问题地图”为主，实现“大屏展示、中屏操作、小屏交互”的平台架构规划。

2.2.1.1 应用场景模型

大屏展示依托高分可视化平台，实现六大应用场景：(1)综合运营场景，展示公司实时路网状况；(2)警路企联合办公场景，为一路多方提供系统支撑；(3)视频管理场景，实现公司全路段视频监控管理；(4)隧道管理场景，实现辖区内所有隧道控制、监控管理；(5)服务区场景，实时监测服务区运行状况；(6)特殊路段场景，实时监测公司辖区重点路段情况。

2.2.1.2 云端控制管理

中屏操作依托智慧运营服务平台子系统，实现道路监控、视频管理、客户服务、交通诱导、应急管理、隧道管理、设施设备管理、外场报表、系统管理、涉路施工管理功能。并以GIS地理信息系统为基础，业务管理控制为核心，形成业务闭环、便捷互通的智能云控平台。实现路段监控、隧道PLC、风机系统、照明系统、消防系统、紧急电话系统、广播系统、高边坡监测系统、雾区系统、电力系统的云上管理控制。

2.2.1.3 小屏信息交互

小屏交互依托智慧高速APP，以外场办公为目标，实现事件、路况、视频、通信录入系统。

2.2.1.4 视频融合共享系统

对接交警监控视频，实现带安全隔离的网络接入，并以国标协议实现视频平台间的对接。

2.2.2 应用及信息管理系统

2.2.2.1 收费机电业务系统

收费机电业务系统，包含如下系统：

(1)运营管理数据分析系统：包括高速公路各类数据(如车流、气象等)的管理分析，根据这些数据，以线性、条形图、报表的形式，实时、准确地反映各个站点的整体运营情况。

(2)机电设备健康监测及运维管理系统：实现设备异常、设备告警、设备维护整个生命周期的管理。

(3)稽查打逃业务管理系统：主要包括逃费行为分析、逃费模型建立、追逃流程管理、逃费案宗管理及逃费嫌疑车辆管理等功能。

(4)收费业务综合管理系统：实现收费站人员、业务、后勤的综合管理。

2.2.2.2 安全应急业务系统

安全应急业务系统，包含如下系统：

(1)智能监测预警系统：主要包括视频事件监测、事件报警、自动预案、历史管理功能。

(2)综合应急指挥系统：实现预案联动、智能交通诱导规划、“警路企”联动等功能。

(3)高速公路突发事件统计分析系统：主要包括突发事件记录、突发事件分析、安全应急管理指导评估功能，对多发突发事件路段做分析，为安全应急管理提供数据指导支持。

2.2.2.3 养护路产业务系统

养护路产业务系统，包含如下系统：

(1)路产路权管理系统：主要包括项目审批、项目评估、相关费用管理、流程管理等功能。

(2)智能养护综合管理系统：包含病害管理、桥梁管理、隧道管理、施工管理等功能。

2.2.2.4 服务区管理业务系统

服务区管理业务系统，包含如下系统：

(1)服务区管理系统：以实现一体化服务管理为目标，主要包括经营管理、水电管理、考勤管理、视频管理、第三方系统集成功能。

(2)服务区后门管理系统：主要包括白名单车辆管理、白名单审核、白名单下发功能，同时系统含web端系统、APP端系统，可适应服务区多场景应用。

(3)智能巡更系统：包括人员管理、巡更点位设定、巡更时间及要求确定、巡更要求、巡更记录等功能。

2.3 前端信息采集系统

根据运营管理现代化“全方位、全天候、全自动、全覆盖、全过程”的建设要求，实现高速公路辖区的智能感知路网模型，前端信息采集系统应具备如下功能：

(1)实时性。通过监控网络或互联网络实时回传的传感器感知数据。

(2)可靠性。前端信息采集系统数值达到业务精度要求，不存在太大误差。全路网监测功能，实现各个路段视频连通要求，可实现实时视频的查看、读取等功能。

(3)持续性。系统可持续不间断运行，并且具备5年以上的使用时间。

2.3.1 监控系统建设

针对监控，建立一批基础的监控设施，其包括重点路段视频监控系统、交通诱导情报板系统、服务区高清卡口系统、服务区客流采集系统、视频事件检测系统、涉路施工移动监控系统、无人机视频回传系统、4G音视频回传系统等。

2.3.2 隧道系统建设

针对隧道监测，建立特定需求、环境下的监测设备。如：电力监控系统，为变配电系统的实时数据采集、开关状态检测及远程控制提供了基础条件；发机电组云监控系统，实现隧道、站区等发电机组的监控及控制，解决传统情况下依赖人工查看的问题。

2.3.3 重大结构物监测系统建设

针对重大结构物监测，加装前端智能传感器，通过前端静力水准仪、 振弦式应变计、索力计、北斗位移传感器、温度传感器等实现重大结构物的多维度监测。如桥梁位移监测系统、桥梁低温监测系统、高边坡位移监测系统等。

2.3.4 智能预警系统建设

针对路段事件智能预警，通过边缘自动化智能设备，实现重要路段的智能诱导。如：雾区诱导系统，通过能见度仪，实现低能见度环境下的道路轮廓引导、防止追尾预警、远程互联网平台信息交互与控制、综合气象信息的主动发布；高速公路雨天积水预警系统，通过水膜覆盖传感器发现雨雾天气时，发出限速提醒和雾灯提醒，同时对车辆超速情况进行抓拍、视频取证；防车辆闯入预警系统，当车辆误闯碰撞时的提示告警；雷达防拥堵预警系统，实现重点路段、收费站的车辆拥堵或缓行的检测及预警。

3 结语

柳州高速公路运营有限公司运营管理现代化信息系统建设的工作设想是通过健全辖区“智能感知路网”，并结合智慧运营服务平台，不断优化现场安全监管，实现公众信息服务、拥堵管控预警、涉路施工管理、危化品车辆识别和应急指挥等重要的高速公路业务的自动化、智能化，有效解决当前高速公路信息化建设中存在的数据挖掘与应用能力不足的问题，实现“全方位、全天候、全自动、全覆盖”的高速公路运营管理现代化。