摘? 要：文章基于《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》對交通運輸應急處置能力建設提出的要求，論述了一種基于路網大數(shù)據(jù)的高速公路應急處置系統(tǒng)設計方案。該方案通過采用湖屋技術構建高速公路應急處置“數(shù)據(jù)大腦”，并且將人工智能和數(shù)字孿生技術應用于高速公路應急處置的業(yè)務場景，形成貫穿事前、事中、事后的應急處置業(yè)務閉環(huán)。該方案適用于省、市兩級高速公路管理部門的應急處置和疏堵保暢工作。

關鍵詞：路網大數(shù)據(jù);高速公路應急處置;人工智能;數(shù)字孿生;交通流仿真

中圖分類號：TP18? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0069-05

A Design Scheme of Expressway Emergency Disposal System Based on Road Network Big Data

WU Yinghui

（EVECOM Technology Co.， Ltd.， Fuzhou? 350003， China）

Abstract： Based on the requirements of Digital Transportation “14th Five-year Plan” Development Plan for the construction of transportation emergency disposal capacity， this paper discusses a design scheme of expressway emergency disposal system based on road network big data. The scheme constructs the “data brain” of expressway emergency disposal by using the lake house technology， and applies Artificial Intelligence and Digital Twins technology to the business scenario of expressway emergency disposal， forming a closed-loop emergency disposal business through pre event， during event and post event. The scheme is applicable to the emergency disposal and unblocking work of provincial and municipal expressway management departments.

Keywords： road network big data; expressway emergency disposal; Artificial Intelligence; Digital Twins; traffic flow simulation

0? 引? 言

2018年2月，交通運輸部辦公廳印發(fā)《關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》（交辦規(guī)劃函〔2018〕265號），將“基于大數(shù)據(jù)的路網綜合管理”作為新一代國家交通控制網和智慧公路試點的六大主題之一，在福建、河南、浙江、江西四省實施?；诖髷?shù)據(jù)的路網綜合管理試點，要求“構建基于大數(shù)據(jù)的高速公路運營與服務智能化管理決策平臺，應用在區(qū)域路網綜合信息采集、運營調度、收費、資產運維養(yǎng)護、公眾信息服務、應急指揮”，拉開了以大數(shù)據(jù)賦能高速公路應急處置工作的序幕。

2021年10月，交通運輸部印發(fā)《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》（交規(guī)劃發(fā)〔2021〕102號）。針對數(shù)字交通創(chuàng)新發(fā)展體系建設，規(guī)劃要求打造綜合交通運輸“數(shù)據(jù)大腦”，“推動行業(yè)信息技術應用創(chuàng)新，推動大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術行業(yè)應用攻關”，以信息化服務交通行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展;針對交通運輸應急處置能力建設，提出應“利用先進信息技術提升交通運輸本質安全水平，提升預測預警、應急反應能力”，“深化綜合交通運輸調度和應急指揮系統(tǒng)建設，完善智能協(xié)同應用，滿足‘看得見、聽得著、能指揮’需求，實現(xiàn)‘能推演、能聯(lián)動’等功能，提升重大突發(fā)事件的應急處置能力和安全保障能力”。該規(guī)劃進一步強化數(shù)據(jù)資產在高速公路應急處置體系中的核心價值，同時也對新技術在具體業(yè)務場景下的融合應用提出了要求。

遵循《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》的工作要求，本文提出一種基于“大數(shù)據(jù)+行業(yè)信息技術應用創(chuàng)新”的高速公路應急處置系統(tǒng)設計方案，適用于省、市兩級高速公路管理部門的應急處置和疏堵保暢工作。

1? 整體設計

本方案的整體架構設計嚴格遵循了交通運輸部《公路網管理平臺技術規(guī)范》對公路網管理平臺技術架構的要求，采用“三縱七橫”結構，如圖1所示。

（1）運行監(jiān)測層：主要包含高速公路沿線布設的物聯(lián)感知設備，實時采集路域內的多維運行態(tài)勢信息和設備自身運行狀態(tài)信息。包括：視頻監(jiān)控（固定點位、移動車載、無人機掛載）、交通流檢測（ETC門架、車檢器）、氣象環(huán)境監(jiān)測（氣象站）和設備狀態(tài)檢測（ETC門架設備狀態(tài)監(jiān)測、機電設備狀態(tài)監(jiān)測等）。

（2）基礎設施層：主要包含承載大數(shù)據(jù)、人工智能和業(yè)務應用運行的環(huán)境。

（3）數(shù)據(jù)資源層：實現(xiàn)高速公路信息資源的匯聚、治理、存儲、共享與開發(fā)利用。其中的數(shù)據(jù)資源包括：基礎數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、主題服務和交換數(shù)據(jù)。通過建設數(shù)據(jù)資源層，能夠實現(xiàn)OLTP和OLAP數(shù)據(jù)的解耦，并且為應用提供大數(shù)據(jù)分析的算法引擎。

（4）應用支撐層：為整個系統(tǒng)的各個平臺提供公共、成熟、穩(wěn)定和標準化的軟件支撐服務引擎。

（5）應用系統(tǒng)層：該層負責高速公路應急處置業(yè)務應用的數(shù)據(jù)組織和邏輯實現(xiàn)，涵蓋突發(fā)事件應急處置事前、事中、事后全業(yè)務流程。

（6）信息服務層：實現(xiàn)與行業(yè)內、外各類用戶的信息交互的渠道。

（7）服務用戶層：本系統(tǒng)所服務的各類用戶。包括：行業(yè)行政主管部門、路網運行管理部門、行業(yè)外的相關協(xié)同聯(lián)動部門和社會公眾。

（8）標準規(guī)范制度保障體系：以國標和行標為基礎，緊扣實際業(yè)務需求制定數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用規(guī)范和跨層級、跨組件接口規(guī)范，確保系統(tǒng)的開放性、可服務性和分層解耦，滿足以大數(shù)據(jù)驅動業(yè)務應用持續(xù)迭代和創(chuàng)新的要求。

（9）建設與運營管理保障體系：通過制定匹配業(yè)務目標的長效的運營管理機制，強化管理流程與責任，確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定、運行與可持續(xù)發(fā)展;滿足《信息安全技術網絡安全等級保護基本要求》（GB/T22239-2019）定義的安全保護要求。

2? 系統(tǒng)軟件設計

在整體架構中，數(shù)據(jù)資源層和應用系統(tǒng)層是高速公路應急處置系統(tǒng)軟件設計的核心，也是“大數(shù)據(jù)+行業(yè)信息技術應用創(chuàng)新”與高速公路應急處置業(yè)務融合的集中體現(xiàn)。以下將著重圍繞這兩層的設計展開說明。

2.1? 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層的建設融合應用云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術，滿足“一數(shù)一源、多源融合、按需使用、安全可靠、彈性伸縮”的要求，打通匯聚、治理、共享、應用的數(shù)據(jù)流通價值鏈，打破數(shù)據(jù)壁壘，形成縱向貫通、橫向互聯(lián)的數(shù)據(jù)資源交互通道，搭建多維數(shù)據(jù)碰撞分析計算框架，打造“可知、可控、可聯(lián)、可取、可用”的信息支撐體系。

2.1.1? 技術架構設計

高速公路應急處置業(yè)務橫向涉及的職能部門較多，所采集和生成信息量巨大;各縱向業(yè)務條線之間關聯(lián)性較強，存在著高頻的跨條線數(shù)據(jù)應用需求。本設計的數(shù)據(jù)資源層技術方案采用“存儲一體”的湖倉一體技術方案，其架構如圖2所示。

該方案將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在專門的對象存儲系統(tǒng)中，用于代替數(shù)據(jù)湖和數(shù)據(jù)倉庫的各自存儲，湖中建倉，支持在數(shù)據(jù)湖中以數(shù)據(jù)倉庫模式進行執(zhí)行和治理。分離后的存儲系統(tǒng)可獨立擴展，不再與計算耦合，能夠快速應對工作負載的變化，允許計算資源和存儲資源互相獨立擴容，確保資源按需分配，簡化運維管理，也為系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供保障。

當前存儲一體的湖倉一體方案主要有三種框架結構：Hadoop體系架構、Lambda結構和Kappa架構，以Hadoop為代表的離線數(shù)據(jù)處理基礎設施更符合當前國內大多數(shù)高速公路管理部門的信息資源發(fā)展現(xiàn)狀，可依托現(xiàn)有基礎設施層環(huán)境，搭建開源Hadoop架構，原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在HDFS系統(tǒng)上，引擎以Hadoop和Spark開源生態(tài)為主，存儲和計算一體。該架構方案能實現(xiàn)路網信息資源的高質量存儲，特定的計算引擎和湖中建倉可滿足應急處置業(yè)務開展的需要，同時具有良好的可拓展性，能適應未來的信息資源需求。

2.1.2? 融合數(shù)倉構建

數(shù)據(jù)治理的過程就是數(shù)據(jù)流動的過程。在DAG分布式調度引擎的調度下，分散零亂、標準不一、來源各異的異構數(shù)據(jù)經由不同的管道流向各自規(guī)劃的目標存儲位置，完成信息從“數(shù)據(jù)源”向“數(shù)據(jù)湖”匯聚并構建融合數(shù)倉，是湖倉一體數(shù)據(jù)湖建設的重要步驟，主要包括平臺和數(shù)據(jù)兩個層面的建設。

在平臺層面，本設計以數(shù)據(jù)安全管控和數(shù)據(jù)敏捷開發(fā)理念出發(fā)，以Flink和Hudi等主流技術為基礎，結合Datax、FlinkSQLCDC、DolphinScheduler等成熟的開源組件，研發(fā)湖倉一體的數(shù)據(jù)治理平臺，能夠提供包括批流一體數(shù)據(jù)處理引擎、數(shù)據(jù)實時集成、數(shù)據(jù)智能開發(fā)、數(shù)據(jù)資產和運營等在內的全棧數(shù)據(jù)智能。

基于Flink流批一體的能力，結合CDC機制實時捕獲數(shù)據(jù)庫變化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，提供全增量的一體化數(shù)據(jù)集成。具備增強的數(shù)據(jù)表結構一致性檢測和斷點續(xù)傳能力，能并行檢測上下游數(shù)據(jù)結構一致性，對異常寫入進行主動預警，問題修復后可從斷點恢復數(shù)據(jù)同步。解決了以往離線數(shù)據(jù)集成和實時數(shù)據(jù)集成兩套技術棧的問題，并可在批流之間切換時保證數(shù)據(jù)一致性。

基于AC自動機算法、積累沉淀的敏感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)則和數(shù)據(jù)分類標簽，可快速自動發(fā)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)分級分類。

通過內置的統(tǒng)一語義層（MDX）屏蔽底層數(shù)據(jù)源的差別，實現(xiàn)統(tǒng)一建模，結合自研的數(shù)據(jù)虛擬化引擎，為用戶提供統(tǒng)一SQL開發(fā)接口，可在不移動數(shù)據(jù)的情況下，實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)源之間的融合分析計算。解決以往異構數(shù)據(jù)源需使用不同語言的技術復雜度，并縮短數(shù)據(jù)加工鏈路，使平臺具備敏捷的數(shù)據(jù)開發(fā)能力。

采用歐拉操作系統(tǒng)（EulerOS），能同時適配國產化的ARM架構和X86架構。具備增強的數(shù)據(jù)安全存儲能力，基于國密SM4硬件加速器，結合字段級細粒度權限控制，在HDFS數(shù)據(jù)存儲層面增加國密SM4透明加解密功能，確保僅有訪問權限的用戶能讀取出密文數(shù)據(jù)且不降低性能。

有了平臺的支撐，還必須持續(xù)、扎實做好數(shù)據(jù)層面的工作。本方案采用了數(shù)據(jù)治理行業(yè)標準的方法和流程，主要包括如下步驟：

（1）數(shù)據(jù)標準建設：由業(yè)務部門的“業(yè)務需求”和信息化系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)需求”共同驅動的，制定數(shù)據(jù)采集、生產、存儲、交換和共享的標準。

（2）治理體系建設：建立從組織架構、管理制度、操作規(guī)范、IT應用技術、績效考核支持等多個維度對組織的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)架構、數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)生命周期等各方面進行全面的梳理、建設及持續(xù)改進的體系。

（3）數(shù)據(jù)質量提升：通過數(shù)據(jù)質量評估和問題原因分析，尋找影響數(shù)據(jù)質量的因素并制定有針對性的彌補方案，提升數(shù)據(jù)的質量。

（4）數(shù)據(jù)架構建設：在充分考慮數(shù)據(jù)資源層技術架構特點的基礎上，結合業(yè)務應用的特點，規(guī)劃符合實際業(yè)務需求的數(shù)據(jù)架構方案。

（5）數(shù)據(jù)治理實施：利用平臺層面建設形成的能力，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源的全生命周期管理，服務業(yè)務應用，包括：數(shù)據(jù)采集、處理（提取、清洗、關聯(lián)、比對、標識、加載）、管控（標準管理、元數(shù)據(jù)管理、目錄管理、質量管理、分類分級、血緣管理、模型管理、標簽管理和運維管理）、組織、安全、應用和服務。本設計的融合數(shù)倉構建數(shù)據(jù)流轉如圖3所示。

2.2? 應用系統(tǒng)層

有了數(shù)據(jù)資源層和應用支撐層提供的信息和能力支持，應用系統(tǒng)層能夠更專注于業(yè)務場景的具體實現(xiàn)。本設計的應用系統(tǒng)層包括資源管理、事件監(jiān)測、協(xié)同處置和評估歸檔四個子系統(tǒng)，共同構成了高速公路應急處置的業(yè)務閉環(huán)。以下將重點介紹本設計中新技術在高速公路應急處置業(yè)務場景應用的創(chuàng)新點。

2.2.1? 資源管理

資源管理主要用于輔助交通事件處置指揮人員對突發(fā)交通事件處置所需的各類物資、裝備、人員和知識文獻等進行數(shù)字化管理。

應急預案管理是資源管理的核心，橫向銜接各類應急資源。本設計中，利用數(shù)字孿生引擎提供的交通流宏/微觀仿真能力，對應急預案進行事前仿真推演，評估不同預案的處置效率以及對交通流的影響?；跁r段、路段、事件類型、響應等級等維度分別制定最優(yōu)的應急預案，包括物資、裝備和人員的前置部署預案。

2.2.2? 事件監(jiān)測

目前，12122救援熱線仍然是高速公路上最主要的交通事件信息獲取渠道，屬于被動采集方式。本設計在此基礎上增加了多種新的監(jiān)測手段，主動被動方式相結合，多渠道互為補充，提高發(fā)現(xiàn)交通事件的及時性。

首先，依托人工智能視頻和圖像結構化技術，可以實現(xiàn)覆蓋路段內7×24小時事件監(jiān)測和定位，主動識別交通事件;其次，通過對接互聯(lián)網圖商和高速出行公眾服務APP采集交通事件信息并獲取精準GNSS定位;第三，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的交通流仿真能力，通過數(shù)據(jù)脫跳模型、區(qū)域流量連續(xù)性模型、歷史數(shù)據(jù)分析模型等進行交通流數(shù)據(jù)的實時比對，作為其他監(jiān)測手段的有益補充。一旦識別出疑似突發(fā)交通事件，系統(tǒng)將通過視頻監(jiān)控分級匹配算法自動選取不同優(yōu)先級的視頻監(jiān)控點位，由值守人員進行核實確認。

2.2.3? 協(xié)同處置

傳統(tǒng)方式的高速公路突發(fā)事件協(xié)同處置主要依靠值守人員通過電話和短信等通信手段進行指揮調度，人工工作量大，效率較低。

本設計在協(xié)同處置中，首先通過應急預案匹配算法、歷史事件匹配算法選擇最優(yōu)的應急預案。其次，針對相關管理部門，采用人工智能機器人實現(xiàn)跨單位、跨部門多路并發(fā)協(xié)同調度并接收、匯總反饋信息，自動關聯(lián);針對社會公眾，基于應急預案實現(xiàn)與可變情報板、隧道應急廣播、交通媒體和互聯(lián)網導航APP等信息發(fā)布渠道的實時聯(lián)動，主動誘導。對內、對外雙線并行，可極大地提高協(xié)同處置效率。在通信手段上，除了傳統(tǒng)的電話和短信，還增加互聯(lián)網富媒體即時通信調度渠道，支持采用文字、語音、圖像和視頻等多種方式準確傳遞信息，低成本、高效率。

2.2.4? 評估歸檔

高速公路突發(fā)交通事件處置完畢后，應用將外部采集和內部生成的數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)資源層的歸集庫，經過數(shù)據(jù)治理進入交通事件主題庫、標簽庫、知識庫，并生成應急處置“一事一檔”。其中的應急處置過程信息將被發(fā)送到數(shù)字孿生引擎提供的交通流宏/微觀仿真模塊進行推演復盤，并與實際過程比對，評估處置過程的執(zhí)行指標，同時將實際過程與預期過程的差異信息反哺給資源管理子系統(tǒng)，用于應急預案的持續(xù)迭代和調優(yōu)。

3? 結? 論

應急處置工作是全省各省、市高速路網保暢通、保安全的核心任務，具有高頻度、高價值、高要求的特點。以“大數(shù)據(jù)+行業(yè)信息技術應用創(chuàng)新”高速公路應急處置業(yè)務創(chuàng)新是《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》確定的發(fā)展方向。本文描述的是在此發(fā)展方向指引性下的一種業(yè)務應用創(chuàng)新設計，能夠顯著提高省、市兩級高速公路管理部門的應急處置效率，也具有很好的適應性和擴展性。

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作者簡介：吳迎暉（1978—），男，漢族，山東棲霞人，中級工程師，工學碩士，研究方向：交通運輸應急管理信息化頂層規(guī)劃與信息系統(tǒng)設計。