高速公路大数据中心技术方案研究

鞠军，李照彬

（1.新疆交通建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830049，2.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100083）

0 引言

近年来，国家大力发展智慧交通，推动大数据、云计算、人工智能等新技术在交通领域的应用，全国各地的高速公路管理部门也在开发和使用智慧交通系统方面进行了大量尝试，各省高速公路运营管理部门也在逐步规划大数据中心建设[1]。为此，本文基于现有的省级高速公路运营管理业务系统的运行情况和运营管理中发现的实际问题，提出了省级高速公路大数据中心技术方案。

1 高速公路业务系统现状及问题

1.1 高速公路业务系统现状

目前，经过多年信息化建设、视频上云改造、全国取消省界收费站等，大部分省份高速公路在基础设施、路网感知、出行服务等方面信息化程度得到提升，各省份基本建成了涵盖路网运行监测、机电系统运维、收费数据统计分析等高速公路主要业务的信息化系统，相关数据已形成一定规模。加之取消高速公路省界收费站工程实施后，高速公路收费系统进行了大幅调整，设置ETC 门架系统实现车辆通行费分段计费，MTC 车辆使用5.8GHz 复合通行卡作为通行介质，收费数据格式进行了改变，门架流水、车牌抓拍数据大幅增加，可有效支撑交通大数据分析应用，具备开展大数据中心建设的条件和基础。

1.2 高速公路业务系统问题分析

（1）数据融合困难

随着高速公路路网的不断扩大和数字化建设的不断推进，高速公路管控服务系统规模和数据体量呈指数增长，但各业务系统独立开发运营，数据无法在各业务系统间流畅运转，统计数据时往往需在多个业务系统中人工调取，根据要求手动建立数据库表，增加了运营管理难度。视频等非结构化数据也很难与管理系统中的结构化数据相结合，突发应急事件时需根据事件上报信息，手动查找、调取对应视频图片，难以实现数据的融合应用。

（2）业务系统改动难度大

现有高速公路业务系统普遍存在因开发时间早，业务流程难以满足现有管理需求的问题。经过多年运行，业务系统与外场设施结合也较为紧密，升级业务系统所需的成本也随之增加，同时管理单位业务人员对现有业务系统更加熟悉。以上多种因素叠加导致难以对业务系统直接进行彻底的更换、升级，影响了高速公路运营管控服务水平。

（3）性能难以匹配数据增长

经过多年信息化系统建设和视频云联网改造等，高速公路业务系统具备了一定的信息化能力，但随着视频云联网改造后视频资源大幅度增加，外场监控设备不断加密，新建路段不断接入，加之取消省界收费站后，收费模式发生了变化，数据体量大幅增加，业务系统核心硬件设备处理能力难以支撑业务系统运行。此外，根据各省十四五规划，高速公路路网里程都大幅提升，随之带来的车辆通行数据量大幅增加，核心设备的数据处理能力、数据存储容量和信息安全防护能力都难以匹配数据的爆发式增长。

2 高速公路大数据中心技术方案

针对高速公路管理运营中的实际问题，本文对高速公路大数据中心建设方案进行了研究，提出以下解决方案。

2.1 总体方案

依据资源整合、充分利旧的理念，在不改变现有业务系统的基础上，以互联网、云计算、大数据、AI等新一代信息技术为手段，建设开放共享、弹性扩容的大数据云平台，部署全量的数据应用处理工具，实现完备的大数据分析应用功能。充分整合业务系统数据资源，运用云平台计算存储资源，初步应用大数据融合、分析、挖掘能力，实现高速公路运营管理、出行服务等方面流量预测、态势分析等典型应用和可视化展示[2]。

2.2 系统架构

软件平台采用混合云架构保证关键业务和信息的本地安全性，又能实现随着业务扩展向公有云溢出，保障云环境的灵活性和可扩展性，实现对业务随需应变的支持；而在具备特殊需求的复杂关键业务上，其灵活性也能让各信息系统在二者之间切换。

云平台总体架构如图1所示。

图1 云平台总体架构图

2.3 云平台建设方案

云平台主要包含三层架构：基础资源层、平台层、应用层。

基础资源层为统一的资源共享平台，采用业界成熟的云计算、大数据、人工智能等技术，建立资源共享池服务于上层需求，提高资源利用率和自动化管控程度，以适用于大型分布式应用和大数据分析处理的技术要求。

平台层构建以安全、可靠、弹性为核心的分布式技术平台架构，满足业务灵活多变的要求，实现应用快速迭代。将技术组件共享的部分抽象在该层实现，构建具有PB 级数据处理能力的大数据技术平台，支撑内外部信息资源的整合共享、海量异构数据的高效处理与数据服务能力的弹性扩展，实现大数据分析常态化。

上层为应用层，基于下面两层面向创新应用在该层实现，为运营方、管理方提供服务。

（1）基础资源层建设方案

基础资源层主要建设基于虚拟化技术的计算、存储、网络资源池，为上层应用提供高弹性、稳定、安全、快速部署的虚拟资源。基础资源层部署云服务软件，提供大数据平台、数据仓库、数据工具所需的虚拟化计算、存储、网络资源池，提供分布式计算服务、异构计算服务、虚拟数据中心、分布式存储服务、云网络服务、云主机服务等。

建设数据消息集成总线，提供数据集成和应用集成能力，实现数据中心各业务系统的数据和服务交换，允许各类不同的业务系统以统一标准的方式进行数据交互，按松耦合的方式组合各类服务，快速支撑新的业务功能或业务流程。

（2）平台层建设方案

平台层部署应用开发和运行需要的数据能力，为上层应用平台、数据平台提供大数据分析支撑和服务。平台层组件主要包括大数据分析平台、数据仓库及多种数据工具，包括数据采集加工、数据治理、标签、可视化、报表分析工具等，提供离线数据、实时流数据的数据集成、数据清晰转换、数据处置加工、数据挖掘等服务[3]。平台层包含的大数据分析平台、数据仓库是大数据平台软件建设的核心平台，也是数据工程中数据集成、数据开发、规范设计、数据质量监控、数据资产管理、数据服务、数据安全等功能的重要支撑。完善的大数据平台可以支持大数据存储、大数据计算分析引擎等数据底座，快速构建从数据接入到数据分析的数据系统，消除数据孤岛，统一数据标准，加快数据变现，实现数字化转型。

（3）应用层建设方案

应用层聚焦于高速公路业务场景，在现有业务系统功能基础上，关注管理业务痛点，解决业务流程数字化程度低、数据时效性准确性差、业务无法跨系统调用、多业务系统无法融合等问题。对高速公路出入口流水、门架数据、气象数据、节假日历史数据、互联网地图数据、视频监测数据等多源数据进行专题数据处理，搭建基于多业务系统数据的融合分析模型，提高现有高速公路管控服务系统功能的准确率和效率，实现如流量预测、拥堵预测、态势分析、决策分析、车辆溯源等跨平台、跨业务系统的业务功能，切实提高高速公路管控服务水平，提升用户出行服务体验。

2.4 硬件平台建设方案

大数据中心软件平台采用云架构方案部署，包括基础资源层、平台层及应用层。结合资源整合、充分利旧的理念和软件平台架构，可在尽量不改变现有业务系统的基础上建设大数据中心，新建大数据中心通过核心交换机接入原有数据中心，数据来源为原有数据中心业务系统。

大数据中心硬件平台网络架构根据业务、资源、管理及安全的要求，可分为五个区域：业务区、大数据分析区、运维管理区、安全管理区、外联区，根据各业务不同的需求，提供计算、存储、网络、数据库、大数据并行计算等能力，满足业务应用需要。

大数据中心总体架构如图2所示。

图2 大数据中心总体架构

（1）业务区

主要提供大数据中心计算、存储、网络资源，通过虚拟化技术分配虚拟机资源，为应用层应用系统部署提供环境。应用系统根据功能需求分配相应的计算及存储资源，并在数据仓库中建设相应的专题库支撑业务应用系统快速响应，通过数据总线实现数据及消息共享。据此，业务区应部署计算服务器、存储服务器、网络管理服务器、数据总线服务器、数据仓库服务器，提供应用系统所需的数据仓库存储空间、存储资源池、计算资源池、网络管理、数据共享功能。

计算存储服务器通过接入交换机和管理交换机接入云平台内部的核心交换机，网络配置应采用全光网架构，各服务器通过光纤与交换机连接，保证数据带宽。各交换机采用冗余配置，提高系统运行可靠性。

（2）大数据分析区

大数据分析区主要完成大数据分析的管理控制服务，提供高性能、低成本、灵活易用的大数据计算和存储平台，包含分布式存储、流处理、批处理等大数据组件，为海量数据信息的分析挖掘提供支撑。大数据分析需要大规模并行运算，数据访问量大、并发高，宜专门设置区域提供硬件环境。大数据批处理、流处理、高性能计算等组件负载高、流量大，可采用独立服务器单独部署，保障大数据分析过程的稳定性。

（3）云平台管理区

云平台管理区主要完成各服务器节点硬件设备的维护管理和云平台业务管理，根据大数据中心整体服务器、交换机、网络安全设备等数量，配置相应数量的云管理服务器并部署云服务软件，提供大数据平台资源管理及网络管理功能，实现自动化运维管理，将运维脚本批量下发到指定虚拟机、计算/管理服务器并执行，简化重复性大的运维管理工作。

（4）安全管理区

安全管理区建设大数据中心网络安全系统，大数据中心应依据《交通运输行业信息系统安全等级保护定级指南》开展定级、备案、等保安全建设整改、等保测评等工作。在大数据中心定级基础上，部署相应等级的网络安全设备，包括防火墙、数据库审计、综合日志审计、堡垒机、网管、准入认证、漏洞扫描、Web应用防火墙等，并在大数据平台内部部署云安全组件，提供云平台内部必要网络安全防护。网络安全设备可采用独立硬件部署，也可采用软件方式部署至云平台虚拟机内部。各业务区也应通过独立防火墙形式或虚拟防火墙形式提供防护，各区域数据通过核心交换机时，需先经过防火墙过滤，保障各区域网络安全。

（5）外联区

外联区为外部访问区域，需根据外部访问需求，部署防火墙、入侵防御、抗DDOS 攻击、Web 应用防火墙、计算存储服务器等。

3 结语

大数据与高速公路运营管理、出行服务结合是进一步提高高速公路管理服务水平和用户出行服务体验的重要手段。本文重点研究了基于现有业务系统的大数据中心建设技术方案，目前部分省份已开展了高速公路大数据中心建设，在规划建设过程中，可探索收费站、路段分中心边缘侧的平台建设，打造云端结合的大数据中心，进一步提高资源利用效率和管控能力。