智慧高速公路大数据平台架构浅析

徐雷 俞佳成 郑加威 周晨阳 张国栋 田旭

摘 要：智慧高速公路大数据平台是高速公路智慧化的核心内容之一，其建设内容以大数据、云计算等新一代信息技术为支撑，通过数据交换与处理、存储治理、决策仿真等手段，实现信息共享、决策辅助、主动响应、服务完善等高速公路智慧化内容。从智慧高速公路大数据平台建设需求出发，提出智慧高速公路总体结构，并从业务功能架构设计、系统逻辑框架、技术逻辑架构等多方面分析了智慧高速大数据平台架构的设计与建设概况，为高速公路的智慧化改造做出积极探索。

关键词：智慧高速;大数据平台建设;大数据构架设计;云计算

中图分类号：U422.5                              文献标识码：A                                       文章编号：2096-6903（2022）09-0107-04

0 引言

2019年底，全国范围内基本完成高速公路取消省界收费站的工作，标志着国内高速公路向自由流收费走出了扎实的一步。目前，吉林、北京、河北、河南、浙江、江苏等省都在开展智慧公路的试点工程建设，其中浙江省的智慧化提升与建设主要集中在沪杭甬、杭绍甬[1]、杭州绕城西复线、杭绍台、杭金衢这五条高速公路。那么智慧高速公路应该智慧在哪里呢？是实现自由流收费，还是实现对自动驾驶的全面支持？是智慧的交通态势管理，还是智慧的交通拥堵诱导？当前，行业内对智慧高速的定义还未形成统一的认识。本文将从大数据平台助力高速公路智慧化角度出发理解智慧高速公路的定义。

既然要建设智慧高速公路，首先就要有明确的定义。如图1所示，智慧高速是智慧交通的分支，而智慧交通又在智慧城市的范畴内。因此为了更清楚地描述智慧高速，从介绍智慧城市开始，简述智慧交通，最后引出智慧高速相关内容。

1 概述

1.1 智慧城市

2008年11月，万国商业机器公司（International Business Machines  Corporation， IBM）提出了“智慧地球”的理念，包括物联化、互联化、智能化三大要素。2010年，IBM正首次提出“智慧的城市”的远景[2-4]，唤起了全世界各地建设智慧城市的热潮。我国的智慧城市建设历程从2008年至今分为3个发展阶段。

第一阶段：2008年～2012年为主，以智慧城市概念化和逐步导入为阶段主要业态，各行业积极推进传统模式向数字化模式改革，该阶段通过分散建设为我国智慧城市发展打下地基。

第二阶段：2012年～2015年为主，以试点模式逐步探寻智慧城市建设为阶段主要业态，在智慧城市相关行业管理部门的指导下，各行业应用领域摸索多跨联动、数据共享，智慧城市发展步入稳定建设阶段。

第三阶段：从 2016 年至今，智慧城市实施路径、建设思路、运行模式、发展理念全方位升级更迭，进入协同创新、统筹集约、成效导向、以人为本的智慧城市建设新征程。

由此可见，我国对智慧城市的理解已经从传统的“智慧城市”发展到“新型智慧城市”阶段。国家层面更是以“六个一”的新型智慧城市的为核心建设理念[5]，即“一个体系架构、一张天地一体的栅格网、一个通用功能平台、一个数据集合、一个城市运行中心、一套标准”。

1.2 智慧交通

20世纪90年代初，美国提出了智能交通（Intelligent Transport System，ITS）的概念，到了2009年，IBM提出了智慧交通的理念[3]。目前行业内对智能交通、智慧交通没有统一的定义，但普遍认为智慧交通是由智能交通发展而来。

智能交通系统将人、车、路三者互联互通。在系统中运用交通工程、计算机处理、电子控制、卫星导航与定位、电子传感、数据通信传输、信息等技术，并将这些技术高效地融合，在整个交通管理系统中有效集成和应用一系列技术，使人、汽车、道路密切合作，实现和谐统一，发挥协同效应，显著提高交通效率，确保交通安全，改善交通环境，提高能源利用效率。

2019年7月，交通运输部发布了《数字交通发展规划纲要》（交规划发〔2019〕89号）[6]，明确数字交通是数字经济发展的重要领域，是以数据为关键要素和核心驱动的现代交通系统，促进物理与虚拟空间交通活动的持续整合和互动。提出按照巩固、加强、改进、畅通八字政策，抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇，坚持促进高质量发展，以人为本，以创新为第一动力，促进先进信息技术与交通深度融合，以数据链为主线，构建数字采集系统、网络传输系统和智能应用系统，加快数字、网络、智能发展，支持交通力量建设。

2019年9月，国务院发布《交通强国建设纲要》[7]，其中在科技创新方面提出要鼎力发展智慧交通，推动超级计算、區块链、人工智能、互联网、大数据新技术与交通行业深度融合，推进数据资源赋能交通发展，加速交通基础设施网、运输服务网、能源网与信息网络融合发展，构建泛在先进的交通信息基础设施，构建综合交通大数据中心体系，深化交通公共服务体系和电子政务发展，推进北斗卫星导航系统应用。

1.3 智慧高速

高速公路作为交通基础设施的重要分支内容，其智慧化建设的意义与智慧交通密不可分。各城市在新型智慧城市和智慧交通的建设内容中都提到了要利用新技术建设大数据中心体系。

在浙江，部分交通相关从业者和学者致力于探索智慧高速的应用场景。不同的高速公路中有共性的应用场景，也有个性化的应用场景，而这些场景要达到既定的应用效果，离不开底层数据的支撑。而数据来源于高速公路上的各种智能感知设备，数据的抓取需要利用网络化的传输体系，将全周期的高速公路基础设施数字化的数据传输到智慧高速大数据中心进行存储、治理和分析，进而实现“以人为本”的智慧化高速公路。

“交通強国”是智慧高速公路发展的最终目标，交通运输部发布的《数字交通发展规划纲要》中提到：到2025年，交通基础设施和运载装备要向全要素、全周期的数字化升级迈出新步伐，数字化采集体系和网络化传输体系基本形成;到2035年，交通基础设施要完成全要素、全周期数字化，天地一体的交通控制网基本形成，按需获取的即时出行服务广泛应用。因此智慧高速“智慧”的核心在于如何获取并利用高质量的数据，为高速公路的管理者和使用者提供人性化的服务。

2 智慧高速总体构架

在数据为王的大数据时代，移动互联网、大数据、云计算、物联网等信息技术在交通领域的发展和应用为智慧高速注入了全新的技术内涵，图2显示了智慧高速公路的整体架构。随着大数据技术研究和人工智能的进一步学习和应用，智能高速公路的新应用层出不穷[8-9]。智慧高速公路将为大众提供更安全、绿色、高效、敏捷的出行环境，在交通运营管理优化、车辆和出行者智能服务等方面创造更好的生活。

2.1 业务构架

首先得明确业务的使用对象，不同的用户角色的需求也不尽相同。本文把智慧高速公路的使用对象归纳为三类，即行业管理部门、高速公路运营管理公司和社会公众，如图3所示。

2.1.1行业管理部门

对于省级交通主管部门，最需要掌握的是全省高速公路的总体路况态势，以及在出现安全事故的第一时间高效地开展指挥调度和应急救援工作。对于地方的交通主管部门来讲，需要实时管控所管辖区域高速公路的运行情况，并开展具体的应急保障工作。

2.1.2高速公路运营管理公司

高速公路运营管理公司是负责具体高速公路全生命周期管理的主体，包括高速公路的建设、管理和养护等职责，也迫切需要掌握所运营路段的交通态势，发布路段拥堵指数、施工养护等信息;同时，不同的路段所处地理位置不同，建设情况不同，气候条件不一，对于管理的需求也会有针对性的变化。比如在多隧道的路端需要加强对隧道的监控，在山区环境中需要考虑团雾、冰雪等气象问题对通行的影响等。

2.1.3社会公众

社会公众是高速公路的真正使用者，对于司乘人员来讲，如何安全快速地到达目的地是他们最原始的需求，其中包含对高速公路关联服务的需求，比如货车司机、长途大巴司机等在服务区的休息、用餐等日常生活体验的舒适性、安全性等需求。智慧高速的建设应该让社会公众感觉到“智慧”。

要满足上述各方面的需求，最基本的条件是要实现数据的共享，全网高速路段的交通态势分析需要全方位地数据共享和挖掘分析。各个主管部门和公路运营管理公司应以社会公众的服务为出发点，尽可能地打破数据共享的壁垒，发挥个体数据的优势，打造出完整的面向公众的智慧高速应用服务。

2.2 技术构架

结合智慧高速总体架构和业务设计，智慧高速技术构架设计如图4所示。

2.2.1数字化基础设施

在目前智慧高速的建设过程中，数据感知层主要是指来通过路和环境的智能传感设备的感知数据，也包括来自人和车的数据。人的数据包括驾驶行为、社交平台发布的高速相关信息等数据;车的数据是指来自于车载终端的相关信息。未来，数据之间应该是相互连接的，来自于智慧高速综合计算的路况数据能够实时地通知到人或者车上。

2.2.2智能化运行中枢

基础环境资源层即云计算平台为智慧高速平台及应用服务提供稳定运行的基础环境;数据管理层即智慧高速大数据中心，包括数据的实时交换和共享、数据的治理和算法模型的应用等;决策服务层即通过智慧高速大数据的计算、分析得出的数据，为上层应用服务提供数据支撑，也是智能化运行中枢最终的输出结果。

2.2.3智慧化应用服务

将不同对象对智慧高速的需求以信息化的形式输出就是这个层面所需要做的事情，包括面向行业主管部门的管理需求，面向社会公众的出行需求，面向公路运营管理公司的个性化需求等，当然这些应用的成效要依托底层数据的质量和运行中枢的计算效果。

3 结语

高速公路智慧化是大数据时代的高速公路新形态，其中大数据构架平台作为智慧高速公路的核心内容之一，对各类数据进行科学配置、存储、处理，为智慧高速公路提供强劲的动力。本文从智慧高速发展现状出发，浅析现阶段智慧高速大数据构架平台的设计与建设概况，以供交通从业者参考。

参考文献

[1] 中共中央、国务院.长江三角洲区域一体化发展规划纲要[Z].[2019-12-01].

[2]  周义程，崔优凯，杜文俊，等.浙江智慧高速公路建设需求调研分析[J].中国交通信息化，2019（10）：26-31.

[3] Naphtha， Milind， Banavar，.et al. Smarter Cities and Their Innovation Challenges[J]. Computer，2011，44（6）：32-39.

[4] O'Grady M， O'Hare G. Computer science.How smart is your city？[J].Science，2012，335（6076）：1581-1582.

[5] 徐振强.新型智慧城市的服务城市管理、服务社会治理的关键路径[J].上海城市管理，2016（2）：24-29.

[6] 交通运输部.数字交通发展规划纲要[Z].[2019-7-25].交规划发〔2019〕89号.

[7] 中共中央国务院.交通强国建设纲要[Z].[2019-09-19].

[8] 刘宁波，吕超.时间序列模型在交通量预测中的适应性分析[J].公路交通技术，2020，36（3）：121-124.

[9] 丁美.面向不同管理需求的交通基础设施养护数据平台建设[J].公路交通技术，2020，36（2）：138-144.