基于多源数据融合的智慧营运管理可视化系统研究

2022-12-21詹家宇徐连君陈龙浩龚文森

交通科技与管理 2022年23期

邓辉,詹家宇,徐连君,陈龙浩,龚文森

（1. 广州珠江黄埔大桥建设有限公司,广东广州 510000;2.广州交投机电工程有限公司,广东广州 510000）

0 引言

高速公路作为公路运输的大动脉，其信息化建设和智能化管理对整个交通运输系统的信息化建设具有重要的促进作用。中共中央、国务院于2019年9月印发了《交通强国纲要》，纲要提出，科技创新富有活力、智慧引领，强化前沿关键科技研发，大力发展智慧交通，推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等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，构建广泛用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，深化交通公共服务和电子政务发展，推进北斗卫星导航系统应用。

该项目以面向行业管理者的综合决策及面向公众出行者的精细化服务为应用需求，深入分析高速公路营运监控、收费、路政、养护、数据等业务需求，并基于大数据、物联网、云计算、移动互联等新一代信息化技术，围绕业务流程解析、路段风险研判、收费管理、关键基础设备预防性养护等内容开展数字化应用，建设“公路运营安全数字化管控系统”“公路全资产建管养数字系统”“公路物联网系统”“公路专业数字化平台系统”“广州交投集团营运管理平台系统”，并将上述营运数据汇聚接入，构建黄埔大桥智慧营运管理平台可视化系统，实现广州交投集团内部营运数据的计算分析、挖掘分析、统计展示及运行检测与综合决策。

1 高速公路信息化建设背景及国内外研究现状

1.1 研究背景

20世纪70年代末至今，我国的交通运输事业迅速发展。高速公路基础设施建设在逐渐成网成型的同时，高速公路信息化的发展愈来愈成为高速公路管理部门不可忽视的环节。对高速公路交通系统而言，首先要加强交通基础设施建设，满足不同层次出行者的需求；其次要推广智能交通建设，进一步提高综合服务能力[1]。20世纪90年代中期，我国开始重视高速公路信息化，并随着高速公路机电系统的建设与发展，我国逐步开始建设高速公路信息化，其主要可以分为三个阶段[2]，第一阶段为收费管理，该阶段为对高速公路收费系统、监控系统等进行设计开发，并逐步减少人工收费，包括ETC、联网收费等方式；第二阶段为营运管理，围绕收费、监控、通信三大机电系统进行建设，道路路况预报、事故处理、应急指挥与救援等显得越来越重要；第三阶段以出行者的需求服务为目的，随着智能终端如智能手机、车载GPS终端等的升级换代，出行者获取服务信息的渠道越来越多元化[3]。

1.2 国外研究现状

国外大多数国家在高速公路信息化建设方面进行了大量的研究，美国、日本、欧洲等发达国家早已建立完善且高效的智慧高速管理体系与信息化系统，在提升高速公路管理水平的同时，保证出行服务质量。

目前，美国高速公路的信息化、智能化建设应用较为广泛，多数高速公路具备了包括匝道控制、事件检测、事件管理、主线速度控制、气象交通管理等管理系统，并通过E-mail、511、短信、交通广播频道以及信息服务提供商提供的发布方式等进行出行前或在途交通信息发布[4]。

随着城市化进程速度的加快和汽车数量的大幅增加，日本的城市交通拥堵问题越发严峻。日本发布了智能道路（smart way）计划、先进安全汽车计划（Advanced safety Vehicle），将新科技技术进行集成应用，如车辆导航系统、电子收费系统，车载辅助安全系统、自动公路系统与基础设施等，形成开放的公共基础平台，实现车路一体化协同，提供各种服务；研发出全面的智能公路系统技术，创建高效、安全的交通环境[5]。

1.3 国内研究现状

根据我国高速信息化的发展现状，以及对国内典型地区高速公路交通信息化的调研，可以发现我国高速公路信息化与智能化总体发展形势较好，并取得了显著的效果。

浙江省率先在我国开展智慧高速建设[6]，通过高速公路运行监控中心掌握全省高速公路网运行状况，统一管理高速路网系统，实现对路网信息的实时性发布，提供联网运行业务查询服务，并搭建组织结构建模等基础应用环境，逐步将视频整合平台、基础地理信息平台、3S管理平台、应急智慧平台等相关业务系统模块整合到业务基础平台中，实现关联数据共享。

贵州省在高速公路信息化建设方面广泛吸取各省市经验，发展较快，并开展了多种新型智能交通应用建设，在智慧交通方面也形成了云平台、大数据构想，实现了数据分布存储，高效可行的集中管理模式；集成了高速公路智能监控中心，主要涵盖了道路、桥梁、隧道视频监控、“12122”客服服务平台、气象监测系统、GIS系统等；大力推进新型智能系统的应用，主要包括雾区智能诱导系统、凝冻监控系统，实时对重点监控路段的团雾及凝冻情况进行监测，引导车辆安全通行。

然而目前我国高速信息化技术建设多局限在单个应用或是项目的智能化，缺乏相应的整体规划，各个系统项目独立分散运营，系统自成体系，数据流转程度较低，没有从整体上加以整合，造成各营运单位系统建设冗余以及业务系统之间的信息孤岛，从而无法完全发挥其整体效益及数据价值；此外，高速公路虽然在收费、监控、通信三大营运场景进行信息化建设，但是对于单位内部日常业务如养护、路政、财务等工作的管理需求没有很好把握，业务管理没有实现完全电子化、流程化，造成管理对系统依赖性不强，导致营运管理服务水平依然没有从根本上得到提升；最后，已进行建设的信息化管理系统缺乏对跨部门、跨系统的业务协同，各信息系统独立建设，无法解决各业务部门系统内部的协调工作。

2 广州交通投资集团黄埔大桥数字化系统研究

2.1 黄埔大桥项目背景

广州珠江黄埔大桥为京珠国道主干线广州绕城公路东段，也是珠江三角洲经济区环形高速公路的东段和广州市高速公路网二环路的东段，是经国家批准的重大建设项目。工程位于广州东南面，起于广州市萝岗区火村，与广州北二环高速公路、广深高速及广深沿江高速公路相接，终点与广珠东线高速公路及广明高速相接，跨越萝岗区、黄埔区和番禺区，全长18.694 km。主桥黄埔大桥由北引线、北引桥、龙头山隧道、北汊斜拉桥、南汊悬索桥、南引线、南引桥组成。其中南汊桥主桥为主跨1 108 m的悬索桥，北汊桥主桥为主跨383 m的独塔斜拉桥。

广州珠江黄埔大桥当前安全管理重点区域包括主桥、隧道、广深公路跨线桥、广深铁路跨线桥等。另外，黄埔大桥附近有大型炼油厂，导致行驶该路段的装载汽柴油等易燃易爆液体的危化品车辆较多，且该路段桥隧相连，如重大事故得不到及时处置，将造成巨大经济损失及社会影响。为此，广州珠江黄埔大桥建设有限公司以预防性安全管理为出发点，结合监控、机电、路政、养护等日常营运事务，采用新一代信息技术构建各主要业务数字化平台系统，同时将各个平台在数据层、服务层、系统层与展示层的数据打通与融合，提升黄埔大桥运营安全与信息化管理水平。

2.2 黄埔大桥数字化平台系统研究

2.2.1 公路运营安全数字化管控系统

公路运营安全数字化管控系统以公路运营管理体系中的安全子系统的内容和管理方法为基本设计依据，形成层级化、集成化、标准化的系统结构，系统结构设计遵循“规范性、友好性、经济性、扩展性、实用性、可靠性”等信息系统结构设计原则。平台基于GIS地图构建“可视、可控、可调度、可追踪、可分析”的全新安全运营指挥调度模式，按照安全应急预案中所有应急事件的分类描述，确定响应级别及处置预案，实现了特情处理的智能化调度，并将各种应急调度资源有效整合，优化调配，实现安全管理功能。系统界面见图1。

图1 公路运营安全数字化管控系统

2.2.2 公路全资产建管养数字系统

公路全资产建管养数字系统以层级化、集成化、标准化的结构进行搭建，主体结构框架包括数据字典单元、组织管理单元、路产信息单元、路产养护单元、移动互联单元、图文档案单元六个子模块。此外，系统还集成了消防控制、电能控制、信号控制、声控控制四个控制系统，以及结构监测、用电监测、环境监测、危化监测、气象监测五个监测系统，并且在全资产建管养系统以日常检查、经常检查、定期检查、特殊检查和健康监测数据采集为基础实现“四个一体化”管理方法流程的信息化开发，实现对路产养护作业和作业管理的规范、工作效率的提高、结构病害的及时发现以及合理的维护计划和养护方案的定制。

2.2.3 公路物联网系统

基于对交通行业公路基础设施运营维护的现状与问题分析，梳理现有的物联网基础设施，建立与完善基础设施运营维护体系和管理规范，利用物联网和云计算等新一代信息技术，搭建公路物联网系统。系统采集了高速公路物联基础设施的核心参数，包括9类路产物联专业（路基工程专业、路面工程专业、桥涵工程专业、隧道工程专业、交安设施专业、绿化环保专业、机电设施专业、房建设施专业、其他路产专业）、22个路产物联系统、58个物联子系统，总共4 039个物联设施，实现公路基础设施的运行状态实时监测、故障诊断、故障维修，并利用大数据分析技术，建立关键物联网基础设施运行健康模型，并通过健康模型对基础设施运行状况进行评估，辅助养护决策，预知基础设施的故障，合理安排检修计划，减轻公路基础设施日常养护压力，通过技术手段降低公司运维成本。

2.2.4 公路专业数字化平台系统

基于公路数字化运营管理体系和公路专业数字化管理模型开发的公路运营管理数字化平台，用大数据、物联网、移动互联等新一代信息化技术手段实现路产养护、路产经营、路产管理、运营安全、运营成本、运营绩效等具体运营业务内容及方法的集成管理。公路运营管理数字化平台以数据字典技术、信息单元技术、地理信息技术、大数据处理技术为支撑，按照数据字典编码规则，利用路产中心数据库和运营业务信息、物联网和移动互联网，构建系统设备资源的地理与管理信息模型。平台包含路产经营、路产养护、路产管理、运营安全、运营成本、运营绩效六大子系统，各子系统依据各自组织结构、系统功能和内容运行，各子系统的关键数据集成、关联并在统一的数字化运营平台集中展示。平台系统首页展示了经营指标、收费指标、养护指标、车流车型、运营安全、运营绩效、运营节能等关键运营数据，系统提供当年和历年来运营关键数据的管理分析，为公司实施运营管理大数据战略提供大数据平台系统，实现公司数字化管理目标。

2.2.5 广州交投集团营运管理平台系统

广州交投集团营运管理平台系统立足于“国标场景化、场景信息化、信息可视化、可视化对标”的开发理念，全面整合国内先进的NB-IOT物联网信息预警传输、道路视频智能预警、北斗卫星边坡监测、“两客一危”车辆监测等先进技术手段，实现人、车、信息的高度融合，改变传统高速公路营运模式下信息分散、任务割裂、处置滞后等弊端。平台建立的目的主要有三个方面：一是通过智能感知和智能监测技术，实时获取高速公路设备设施异常状态，实现高速公路场景信息化监测，增强安全隐患预警感知的主动和敏感性；二是以问题为导向，根据法条规范进行数字化建模，将高速公路营运所涉及的业务落实到符合国标规范的任务模型中，对工作进行全方位、全过程的跟踪和督办；三是全面整合高速公路数据资源，接纳融合社会性交通数据，通过可视化大屏加强信息交互，提高道路事故处置能力，降低二次事故风险。

3 基于多系统数据融合的智慧营运管理可视化系统研究

以黄埔大桥公司研发应用的多项数字化平台系统为数字应用基台，黄埔大桥公司基于多系统数据融合思路搭建云计算架构，将“公路运营安全数字化管控系统”“公路专业数字化平台系统”“公路全资产建管养系统”“公路物联网系统”等数字化信息系统打通融合，将各系统关键数据与功能进行关联、集成，开发智慧营运管理平台可视化系统，实现路产经营、路产管理、路产养护、营运安全、营运绩效、营运成本高速公路六大运营业务智慧化、可视化管理。系统总体架构如图2所示。

图2 智慧营运管理平台总体架构图

智慧营运管理平台可视化系统总体设计四层架构，自下而上分别是数据采集层、数据存储层、业务处理层、平台应用层，各架构层级相互关联、耦合，实现多系统数据融合的智慧营运管理平台高效运作。

数据采集层：数据采集层实现数据的采集，采集的数据来自情报板、交调系统、广播设备、摄像枪、App、高德地图、两客一危数据、救援车辆、手工录入对象。其中两客一危数据来自两客一危系统，广播设备数据来自广播系统。

数据清洗层：数据清洗层实现数据的重新审查和校验，目的在于删除重复信息、纠正存在的错误，并提供数据一致性。数据清洗层采用分布式的部署架构，可保证大数据清洗的效率和扩展，数据清洗后会有数据存储层进行数据的持久化存储。

数据存储层：数据存储层提供结构和非结构数据的存储，根据数据的应用情况进行区别对待，区分档案类、业务类、统计类，档案类是对基础数据单元的管理，业务类针对具体的业务，为后续业务处理提供数据支撑，统计类则基于统计模型对数据进行统计后存储。

业务处理层：业务处理层根据业务场景的不同，加之对数据的理解及建模，使得数据发挥其价值，在业务处理层，除了本身一些基础的数据理解外，还会借助大数据中台能力，应用更深层次的数据服务，辅助业务场景的决策。

平台应用层：智慧平台可视化系统包括首页、路产经营、路产管理、路产养护、营运安全、营运绩效以及营运成本等业务模块，首页以定制化高德地图为背景，整合高速公路空间数据资源，建立地理资源信息共享展示机制，解决地理信息逻辑、物理桩号以及施工地点无法衔接的问题，并且叠加人员、工作车辆定位地点信息、施工作业信息以及路面摄像枪，满足高速公路建设与管养中的专业应用与监管需求，为管理人员提供“一站式”在线地理信息协同服务，达到各业务部门之间信息的互联互通与合并展示的效果；同时，可视化系统首页抽取高速公路六大运营板块业务关键数据，集中展示经营指标、收费指标、养护指标、运营安全、运营绩效以及运营节能模块数据，将运营公司所关注的如年度收入金额、年度营收变化趋势、桥梁养护参数信息、应急事件处置报告信息、公司运营制度规定以柱状图、趋势图、文本等不同样式进行展示。见图3。

图3 智慧营运管理可视化系统首页图

路产经营、路产管理、路产养护、营运安全、营运绩效以及营运成本板块则是可视化系统首页各个子模块的详细信息展开。

路产经营模块：以收费数据为核心，以历史收费数据与实时收费数据为展示要点，以收费站、门架以及路段中心等不同空间维度收费数据进行对比，实现公司营运情况的全方位的掌握。

路产管理模块：以突发事件处置为核心，围绕日常突发事件进行分析，将突发事件详情信息、处置过程、事件录像、资源调度等多系统异构数据进行汇聚展示，并进行事件处置时长、时间分布、应急等级等相关指标的统计，实现对道路紧急事件的处理和分析，快速实现风险点的识别和提供有效预防措施。

路产养护模块：以日常养护作业为核心，结合建管养、物联网等系统，将养护数据进行汇聚，对桥梁健康、用电监测、设备故障、专项工程等情况进行分析，为营运单位提供图、文档、表格等各种直观的外部设备运行情况，同步提供养护建议决策支撑。

营运安全模块：以道路实时运行状态数据为核心，包括两客一危车辆跟踪、路面施工作业信息、应急事件处置以及风速、实时降雨量等环境数据的监测，形成路段综合运行信息展示，为高速管理者提供全面、准确的高速公路运行状态，提供监控、管理决策依据，保障道路的运行畅通，避免或减少异常交通事件的产生。

营运绩效与营运成本模块：以营运单位信息化建设工作所获得企业荣誉与创新成果为展示核心，辅以公司营运制度与年度成本计划完成率数据进行展示，通过直观的图文展示方式介绍公司营运情况。

4 应用成效

该项目系统研究成果有较好的应用实践成效，智慧平台系统以公路运营数字化平台系统数据为融合数据中心，将业务应用系统层的各业务进行集成整合，实现了关键指标以及业务数据资源的统一调度管理、质量把控、融合分析、深度挖掘，避免了“烟囱式”系统带来的功能重复与数据隔离，实现系统间的有效融合展示，同时提供可个性化定制，常用功能便捷入口，常用报表的直观展示，关键数据集中展示的统一门户，基本实现系统间的融合，实现跨系统之间功能的相互调用，同时统一了数据接口规范标准，使得后续新建系统的接入可按照该规范进行对接。

通过智慧营运管理平台可视化系统的研究搭建，为企业的规范管理、节能降耗、减员增效和精细化管理提供强大的量化决策支撑，节约了相关工程及人工成本，促进车流及路费收入增长，经济效益显著，实现对路段道路突发事件主动发现率达99.87%，从源头及时遏制事态发展，安全事件处置合规率达100%，事件平均响应时间控制在60 s，其中一级风险区范围应急响应平均时间控制在30 s以内，事件平均处置时间为8.6 min，较大地提高交通事故处置能力和效率，从而带动路段道路通畅能力和车流承载能力，促进了路段收费总额，日均车流年均增长率为25%，年度路费收入总额平均增长率为28%；同时，智慧营运管理平台可视化系统利用其多源数据的优势，为公众和行业人员提供便捷的服务，提升每位司乘人员安全、通畅、舒适的道路通行体验，提高社会服务满意度。根据近年的顾客满意度调查情况，在道路环境、道路安全设施及标牌、员工服务形象、道路通畅度等方面的调查评价满意度均在98%以上，获得社会高度评价。