付曉亮

(遼寧艾特斯智能交通技術(shù)有限公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

預(yù)計(jì)2020年我國(guó)高速公路里程達(dá)到15萬(wàn)公里，公路客車ETC (Electronic toll collection) 使用率達(dá)到50%以上[1]。高速公路的發(fā)展已經(jīng)處于提質(zhì)增效升級(jí)的轉(zhuǎn)型期。因此，推動(dòng)實(shí)施集智慧感知、智慧管理和智慧服務(wù)等為一體的高速公路智慧交通具有十分重要的意義。

高速公路智慧交通的目標(biāo)是將信息化和智能化應(yīng)用于高速公路的各個(gè)環(huán)節(jié)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施和通行車輛數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，利用大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)聚合通行圖像和視頻數(shù)據(jù)、收費(fèi)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、路況數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和交通事故數(shù)據(jù)等類型數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)高速公路運(yùn)營(yíng)管理模式向全面提升運(yùn)輸效率和出行服務(wù)的方向轉(zhuǎn)型和升級(jí)。

近年來(lái)，關(guān)于遼寧省高速公路的各環(huán)節(jié)已有一些相關(guān)研究，如文獻(xiàn)[2]對(duì)遼寧省高速公路機(jī)電系統(tǒng)專業(yè)養(yǎng)護(hù)進(jìn)行了思考；文獻(xiàn)[3]通過(guò)基于視頻的車牌識(shí)別數(shù)據(jù)有效地避免了計(jì)重收費(fèi)漏收和錯(cuò)收；文獻(xiàn)[4]對(duì)遼寧省高速公路管理局現(xiàn)有的監(jiān)控進(jìn)行了數(shù)據(jù)整合以提高數(shù)據(jù)共享率和查詢效率；文獻(xiàn)[5]研究了遼寧省道路運(yùn)輸行業(yè)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)；文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)評(píng)價(jià)遼寧省高速公路的交通運(yùn)行狀況；文獻(xiàn)[7]通過(guò)數(shù)據(jù)融合來(lái)建立遼寧省高速公路收費(fèi)集中監(jiān)控系統(tǒng)以智能化推動(dòng)監(jiān)控人員工作效率的提升；文獻(xiàn)[8]指出了分析氣象數(shù)據(jù)對(duì)高速公路服務(wù)水平的重要性；文獻(xiàn)[9]指出遼寧省高速公路隧道洞外亮度對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)用電成本的影響非常顯著；文獻(xiàn)[10]對(duì)遼寧省高速公路信息通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[11]針對(duì)遼寧省高速公路的服務(wù)建設(shè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

由文獻(xiàn)[2～11]看出，推動(dòng)高速公路的智慧運(yùn)營(yíng)涉及多種數(shù)據(jù)采集和分析、多平臺(tái)的統(tǒng)一整合、服務(wù)建設(shè)等多個(gè)方面。但上述文獻(xiàn)都是從某一個(gè)角度和方面進(jìn)行分析，缺乏對(duì)高速公路智慧交通的總體頂層設(shè)計(jì)和思考。

圍繞建立高速公路大數(shù)據(jù)中心、實(shí)現(xiàn)高效便捷的精準(zhǔn)化出行信息服務(wù)、建立高速公路征信體系、實(shí)施基于大數(shù)據(jù)和信用體系的智慧稽查管理、建立大數(shù)據(jù)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)等方面，對(duì)遼寧省高速公路的智慧交通大腦的構(gòu)建進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與思考。

1 遼寧省高速公路發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 遼寧省高速公路路網(wǎng)布局和運(yùn)輸規(guī)模

遼寧省高速公路總里程達(dá)4331km，全省載客汽車633.1萬(wàn)輛，載貨汽車90.2萬(wàn)輛[11]。全省2017公路貨運(yùn)占比超過(guò)85%，公路客運(yùn)占比超過(guò)75%[12]。由此看出，高速公路是排在首位的交通環(huán)節(jié)。

1.2 遼寧省高速公路數(shù)據(jù)類型與規(guī)模

高速公路的數(shù)據(jù)從類型上劃分，既包括海量的傳統(tǒng)二維表結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還包括大量諸如文件、圖片、視頻、音頻等多種非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)內(nèi)容上劃分，全省高速公路數(shù)據(jù)包括收費(fèi)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、路況數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和交通事故數(shù)據(jù)等多種類型。從數(shù)據(jù)規(guī)模上分析，僅全省高速收費(fèi)數(shù)據(jù)達(dá)到日110.29萬(wàn)條記錄，監(jiān)控圖像達(dá)到日100.26萬(wàn)張，監(jiān)控視頻達(dá)到日19.18萬(wàn)小時(shí)，監(jiān)控音頻達(dá)到日12.88萬(wàn)小時(shí)。累計(jì)數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)規(guī)模約為13PB。

目前遼寧省高速公路數(shù)據(jù)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)類型與規(guī)模都在快速增長(zhǎng)；

(2)數(shù)據(jù)類型和采集方式也日益復(fù)雜多樣；

(3)作弊逃費(fèi)等行為隱藏在海量數(shù)據(jù)當(dāng)中；

(4)對(duì)交通事故發(fā)現(xiàn)和處理的實(shí)時(shí)性要求高；

(5)需采用人工智能算法發(fā)掘有效信息。

2 智慧交通大腦的設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)體系

2.1 智慧交通大腦的含義

高速公路智慧交通大腦是指利用新一代信息技術(shù)，建立大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)，為高速公路管理部門提供智能化管理服務(wù)，為高速公路通行車輛提供高效便捷的個(gè)性化出行服務(wù)，提升高速公路服務(wù)水平和國(guó)有資產(chǎn)價(jià)值。

2.2 智慧交通大腦的功能設(shè)計(jì)

如圖1所示，智慧交通大腦研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

(1)分析高速公路管理信息資源特征，構(gòu)建高速公路智慧大腦大數(shù)據(jù)中心；

(2)基于多維出行信息的精準(zhǔn)高速公路路況融合技術(shù)研究；

(3)研究客戶服務(wù)知識(shí)模型，構(gòu)建智能查詢知識(shí)算法，建立智能客服系統(tǒng)；

(4)構(gòu)建基于高速公路管理與信息服務(wù)大數(shù)據(jù)中心的深度學(xué)習(xí)稽查打逃系統(tǒng)；

(5)研發(fā)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速公路綜合出行服務(wù)系統(tǒng)；

(6)研發(fā)高速公路智慧大腦內(nèi)部協(xié)同管理服務(wù)系統(tǒng)。

2.2.1大數(shù)據(jù)中心

大數(shù)據(jù)中心是一個(gè)基于云服務(wù)器的公有云和私有云環(huán)境，將分散、異構(gòu)的應(yīng)用信息和信息資源進(jìn)行聚合，通過(guò)統(tǒng)一的訪問(wèn)入口，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，各種應(yīng)用系統(tǒng)跨數(shù)據(jù)庫(kù)、跨系統(tǒng)平臺(tái)的無(wú)縫接入和集成，提供一個(gè)支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問(wèn)、傳輸以及協(xié)作的集成化環(huán)境。

該大數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為云資源層、通用平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)入口層。其中，云資源層為數(shù)據(jù)中心的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，通用平臺(tái)層包括支付、企業(yè)微信、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、視頻服務(wù)、車輛信用、地圖服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)開放等軟件基礎(chǔ)性和通用性的服務(wù)；業(yè)務(wù)應(yīng)用層為針對(duì)高速公路智慧運(yùn)營(yíng)的專業(yè)服務(wù)；服務(wù)入口層主要以內(nèi)部管理APP、企業(yè)微信、微信公眾號(hào)和支付寶生活號(hào)等形式向平臺(tái)之外提供數(shù)據(jù)服務(wù)的接口。

2.2.2精準(zhǔn)高速路況融合技術(shù)研究

基于多維出行信息的精準(zhǔn)高速路況融合技術(shù)是指基于遼寧省高速公路的車檢器、高清卡口、高德地圖等互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)等，結(jié)合人工巡檢，通過(guò)融合多個(gè)維度的出行信息來(lái)精準(zhǔn)掌握高速公路的路況信息，尤其是擁堵狀態(tài)。該技術(shù)的特點(diǎn)是首先借助于互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)信息觸發(fā)擁堵事件并提醒相關(guān)監(jiān)控人員，監(jiān)控人員確認(rèn)后將該擁堵事件采集、編輯和發(fā)布。

2.2.3智能客服系統(tǒng)

(1)本文設(shè)計(jì)的智能客服系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯如圖2所示，其業(yè)務(wù)邏輯描述如下：

①用戶通過(guò)微信、專用APP、移動(dòng)Web和電話向智能客服平臺(tái)輸入文字或語(yǔ)音信息；

②智能客服系統(tǒng)對(duì)咨詢的文字和語(yǔ)音內(nèi)容和意圖進(jìn)行識(shí)別；

③根據(jù)識(shí)別的結(jié)果，智能反饋給咨詢用戶；

④當(dāng)無(wú)法識(shí)別意圖時(shí)，轉(zhuǎn)至人工服務(wù)；

⑤根據(jù)人工坐席狀態(tài)，優(yōu)化配發(fā)咨詢請(qǐng)求。

(2)智能客服系統(tǒng)的知識(shí)搜索幾個(gè)核心功能如下：

①全文索引功能；

②分詞與專業(yè)詞表維護(hù)功能；

③定制搜索范圍功能；

④搜索聯(lián)想記憶功能；

⑤搜索統(tǒng)計(jì)分析功能。

(3)智能客服系統(tǒng)的具體功能響應(yīng)包括：

①根據(jù)咨詢問(wèn)題采用自然語(yǔ)言理解引擎進(jìn)行語(yǔ)義分析。

②根據(jù)相似度計(jì)算結(jié)果找出知識(shí)庫(kù)中預(yù)設(shè)的語(yǔ)義最匹配的內(nèi)容。

③支持智能文本分詞、文本輸入識(shí)別、用戶信息識(shí)別、上下文語(yǔ)義分析、關(guān)聯(lián)問(wèn)題引導(dǎo)、模糊問(wèn)題推薦、智能菜單導(dǎo)航等功能并可通過(guò)業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲得動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)知識(shí)。

2.2.4稽查打逃系統(tǒng)

當(dāng)前高速公路偷逃通行費(fèi)現(xiàn)象日益嚴(yán)峻，主要面臨如下問(wèn)題：

(1)缺乏自動(dòng)識(shí)別偷逃行為研究，人工稽查效率和覆蓋率不高；

(2)收費(fèi)數(shù)據(jù)、圖片、日志、視頻、卡口等數(shù)據(jù)沒(méi)有整合利用；

(3)各路段稽查工作相對(duì)獨(dú)立，缺乏全路網(wǎng)的協(xié)同打逃的機(jī)制。

稽查打逃系統(tǒng)通過(guò)對(duì)收費(fèi)流水、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及其它第三方數(shù)據(jù)等進(jìn)行深層次數(shù)據(jù)挖掘和分析，結(jié)合增收堵漏和打擊偷逃案件分析的人工專家經(jīng)驗(yàn)，提取異常數(shù)據(jù)特征信息，建立各類偷逃行為的數(shù)學(xué)模型，采用諸如隨機(jī)森林、SVM等分類算法進(jìn)行正常通行和偷逃通行的精確分類。

稽查打逃系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)計(jì)算和批量計(jì)算相結(jié)合的大數(shù)據(jù)分析，對(duì)偷逃通行費(fèi)的行為建立分析模型。這些分析模型主要包括卡片專題分析、倒卡車專題分析、綠通車專題分析、臨界車專題分析、重載貨車分析、特征辨?zhèn)畏治觥④囕v常規(guī)分析和其他異常情況分析等。

2.2.5綜合出行服務(wù)系統(tǒng)

綜合出行服務(wù)具體的服務(wù)內(nèi)容如下：

(1)多維路況：包括多個(gè)維度的路況信息服務(wù)，具體包括無(wú)目的地導(dǎo)航、有目的地導(dǎo)航、路況直播、SVG路況簡(jiǎn)圖、監(jiān)控快拍等。

(2)移動(dòng)支付：通過(guò)綁定銀聯(lián)卡、微信、支付寶等支付賬戶，使用移動(dòng)支付方式來(lái)變革高速公路收費(fèi)模式，節(jié)省通行費(fèi)的支付時(shí)間，提高通行效率和體驗(yàn)，為高速出行付費(fèi)提供多樣化選擇。

(3)高速救援：用戶通過(guò)微信公眾號(hào)或手機(jī)APP填寫必要的車輛基本信息來(lái)發(fā)起一鍵救援。

(4)ETC服務(wù)：通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)ETC系統(tǒng)，擴(kuò)展ETC空中充值、空中圈存、在線發(fā)行和電子發(fā)票開具等服務(wù)，進(jìn)一步完善ETC服務(wù)水平。

(5)增值服務(wù)：通過(guò)建立會(huì)員體系，提供互聯(lián)網(wǎng)金融、線上商城、互聯(lián)網(wǎng)廣告等增值服務(wù)。

(6)差異性收費(fèi)：用戶可基于差異性優(yōu)惠政策，結(jié)合實(shí)際通行來(lái)申請(qǐng)相應(yīng)的優(yōu)惠，優(yōu)惠金額可以用于支付通行費(fèi)、購(gòu)買商城服務(wù)等。

(7)智慧旅游：借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)收集景區(qū)流量和路況信息，對(duì)景區(qū)所在路段進(jìn)行動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)，向用戶提供景區(qū)周邊服務(wù)信息。

(8)互聯(lián)網(wǎng)+可變情報(bào)板：利用互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，利用歷史數(shù)據(jù)和人工智能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+可變情報(bào)板向用戶提供準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)行程時(shí)間。

2.2.6智慧交通大腦內(nèi)部協(xié)同管理

智慧交通大腦的內(nèi)部協(xié)同管理主要包括以下幾個(gè)組成部分：協(xié)同管理云指揮調(diào)度平臺(tái)、智慧養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、兩客一危系統(tǒng)、高速公路征信系統(tǒng)等。

(1)協(xié)同管理云指揮調(diào)度平臺(tái)

該平臺(tái)結(jié)合現(xiàn)有遼寧省綜合交通應(yīng)急指揮平臺(tái)軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，整合交投集團(tuán)的監(jiān)控平臺(tái)、客服系統(tǒng)，進(jìn)一步集成全路網(wǎng)信息資源，建立集監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、分析、預(yù)警、指揮于一體的協(xié)同管理云指揮調(diào)度平臺(tái)。

(2)智慧養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

建立微信企業(yè)號(hào)移動(dòng)端道路-機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，具體功能包括機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)和道路養(yǎng)護(hù)。

(3)兩客一危系統(tǒng)

通過(guò)管理系統(tǒng)、人員、信息的配合來(lái)完成對(duì)高速公路危險(xiǎn)品事件的快速、準(zhǔn)確和專業(yè)化的處理。

(4)高速公路征信系統(tǒng)

高速公路征信系統(tǒng)根據(jù)用戶高速出行習(xí)慣、繳費(fèi)記錄等數(shù)據(jù)基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提取用戶行為特征，構(gòu)建用戶行為模型，建立用戶信用體系。

3 智慧交通大腦的關(guān)鍵技術(shù)與方法

高速公路智慧交通大腦的構(gòu)建中上述6個(gè)方面所涉及的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)與方法，具體如下。

(1)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

典型技術(shù)包括：MapReduce為代表的大規(guī)模并行處理、涉及異常檢測(cè)、關(guān)聯(lián)規(guī)則學(xué)習(xí)、聚類、分類、回歸等任務(wù)的數(shù)據(jù)挖掘、HDFS分布式文件系統(tǒng)、HBase分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、Spark云計(jì)算框架、可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

(2)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

整合多個(gè)數(shù)據(jù)源來(lái)產(chǎn)生比任何單個(gè)數(shù)據(jù)源更準(zhǔn)確和有效的通行信息和特征，將來(lái)自路口、圖像、傳感器等不同傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)以智能方式組合以準(zhǔn)確地確定交通狀態(tài)。

(3)不平衡分類方法

偷逃行為次數(shù)占全部海量收費(fèi)數(shù)據(jù)的比例還是很小的，考慮采用AdaBoost、KNN等無(wú)監(jiān)督的異常檢測(cè)方法以及半監(jiān)督的離群點(diǎn)檢測(cè)方法。

(4)自然語(yǔ)言處理方法

由于語(yǔ)言的固有時(shí)序特征，自然語(yǔ)言處理問(wèn)題都是序列化的。而循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network,RNN)對(duì)時(shí)序性對(duì)象可以顯式構(gòu)建模型。尤其是構(gòu)造大型深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

(5)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)的日益完善，充分發(fā)揮手機(jī)APP、微信公眾號(hào)、小程序、門戶網(wǎng)站、大屏終端和可變情報(bào)板等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力。

(6)圖像和視頻分析技術(shù)

基于圖像和視頻分析技術(shù)，主要解決高速公路場(chǎng)景下的車型識(shí)別、車輛檢測(cè)、車輛跟蹤、車流量統(tǒng)計(jì)、交通事件檢測(cè)、基于視頻的關(guān)鍵幀提取、靜態(tài)視頻縮略、動(dòng)態(tài)視頻摘要等問(wèn)題。所涉及的核心算法是目標(biāo)檢測(cè)算法，目前Faster R-CNN等優(yōu)秀算法為主要優(yōu)秀代表。

(7)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

可視化技術(shù)中D3.js是一個(gè)使用動(dòng)態(tài)圖形進(jìn)行可視化的JavaScript程序庫(kù)。例如，基于D3.js構(gòu)建路網(wǎng)交通流量平均速度的顏色編碼圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了遼寧省高速公路的發(fā)展需求和管理現(xiàn)狀，根據(jù)遼寧省高速公路的路網(wǎng)布局和交通數(shù)據(jù)規(guī)模等本省實(shí)際情況和交通流特點(diǎn)，提出了遼寧省高速公路智慧交通大腦平臺(tái)，對(duì)實(shí)現(xiàn)遼寧省高速公路的智慧感知、智慧管理和智慧服務(wù)提出了具體的建設(shè)性設(shè)計(jì)與思考。