張海城，劉 藝，游克思

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

城市地下道路是指地表以下供機(jī)動(dòng)車或兼有非機(jī)動(dòng)車、行人通行的城市道路[1]。近年來(lái)，土地資源緊缺，出于對(duì)生態(tài)保護(hù)、改善環(huán)境、提升區(qū)域功能以及提高城市綜合競(jìng)爭(zhēng)力等多重因素的考慮，城市地下道路數(shù)量越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大。

智慧地下道路是采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)多源采集手段、精準(zhǔn)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘處理算法、高效的云平臺(tái)架構(gòu)，引入“動(dòng)態(tài)化、平臺(tái)化、自動(dòng)化、智慧化”四化交通思維，挖掘數(shù)據(jù)信息價(jià)值，實(shí)現(xiàn)智慧地下道路高效、安全和節(jié)能的運(yùn)營(yíng)，全面提升地下道路系統(tǒng)運(yùn)行效率和管理水平，為管理決策、工程建設(shè)、運(yùn)維管理、公眾出行等提供信息服務(wù)。

近年來(lái)，黨中央、國(guó)務(wù)院、相關(guān)部委密集出臺(tái)智慧交通發(fā)展、智慧城市戰(zhàn)略的相關(guān)指導(dǎo)文件，為新時(shí)期交通發(fā)展提供了新機(jī)遇。2022 年3 月，交通運(yùn)輸部、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出要推動(dòng)智慧交通與智慧城市協(xié)同發(fā)展，大力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)與交通運(yùn)輸融合，加快北斗導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用，開(kāi)展智能交通先導(dǎo)應(yīng)用試點(diǎn)，逐步為智慧地下道路的建設(shè)提供了有力保障。

1 地下道路綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)研與問(wèn)題分析

選取外灘隧道、諸光路通道、軍工路隧道、北橫通道、蘇州中心、港珠澳大橋海底隧道等地下道路進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。

1.1 現(xiàn)狀綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)功能分析

目前綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能包含視頻監(jiān)控、交通監(jiān)控、設(shè)備環(huán)境監(jiān)控、有線電話及廣播、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與消防聯(lián)動(dòng)、通信網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)功能如表1 所示。

表1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀功能

傳統(tǒng)地下道路綜合監(jiān)控系統(tǒng)配置了上述六大子系統(tǒng)等相關(guān)機(jī)電與信息化系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了隧道的基礎(chǔ)管控功能，如交通流量信息采集系統(tǒng)、交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)、情報(bào)板信息發(fā)布系統(tǒng)、隧道超高檢測(cè)系統(tǒng)等[2-3]。

針對(duì)地下道路管理的新需求、精細(xì)化管控和服務(wù)等，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)功能存在一定不足。

（1）交通管控功能需要提升增強(qiáng)

傳統(tǒng)地下道路綜合監(jiān)控平臺(tái)對(duì)地下道路內(nèi)車輛監(jiān)測(cè)顆粒度低，對(duì)地下道路的運(yùn)行狀況感知不夠全面，導(dǎo)致應(yīng)急情況下的交通管控功能能力不足，管控策略智能化程度不夠。

（2）應(yīng)急救援功能不夠完善，水災(zāi)監(jiān)測(cè)手段不足

傳統(tǒng)地下道路綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段功能無(wú)法滿足不斷新增的業(yè)務(wù)需求，如水災(zāi)、火災(zāi)等事件，均未有較為規(guī)范的體系和可預(yù)知的監(jiān)測(cè)手段。

（3）運(yùn)維管理養(yǎng)護(hù)不足，人工巡查，需要智能化巡檢。

傳統(tǒng)地下道路監(jiān)控系統(tǒng)智能化程度較低，信息處置自動(dòng)化水平不足，大部分問(wèn)題是通過(guò)人工主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)無(wú)法在第一時(shí)間將各類事件推送至運(yùn)管人員，處置效率低。系統(tǒng)未建立基于數(shù)據(jù)融合的問(wèn)題監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制與事件處置機(jī)制，聯(lián)動(dòng)處置難，不能滿足地下道路運(yùn)行管理聯(lián)動(dòng)指揮、決策支撐的需要。

（4）對(duì)數(shù)據(jù)挖掘分析能力弱，需要大數(shù)據(jù)分析功能。

地下道路內(nèi)布設(shè)的各個(gè)系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)管控的抓手，積累了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而目前數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低、數(shù)據(jù)可共享水平低、數(shù)據(jù)深度分析和利用水平低，已開(kāi)展的數(shù)據(jù)深度分析和利用工作總體上深度不足，對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)作用有限，尚不具備有效支撐地下道路管理運(yùn)行決策的能力。

（5）指揮調(diào)度手段單一，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)處置難

當(dāng)前，運(yùn)管中心指揮調(diào)度多為電話通知，現(xiàn)場(chǎng)一線處置人員多數(shù)未攜帶手持終端設(shè)備，無(wú)法第一時(shí)間獲知事件信息，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)處置效率低下。

1.2 現(xiàn)狀綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)與問(wèn)題分析

（1）常規(guī)軟件架構(gòu)分析

常規(guī)軟件架構(gòu)基本可滿足綜合監(jiān)控平臺(tái)的功能需求，目前常規(guī)地下道路常用軟件架構(gòu)主要為ESB架構(gòu)等傳統(tǒng)架構(gòu)。常規(guī)軟件架構(gòu)ESB 主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a.靈活性

根據(jù)需求變化，可重新編排服務(wù)或應(yīng)用程序。

b.對(duì)IT 資產(chǎn)的復(fù)用

使企業(yè)的信息化建設(shè)真正以業(yè)務(wù)或應(yīng)用為核心，業(yè)務(wù)人員根據(jù)需求編排服務(wù)，不需要考慮技術(shù)細(xì)節(jié)。

但傳統(tǒng)軟件架構(gòu)在軟件接口統(tǒng)一性、服務(wù)編排靈活度、IT 資源利用方面均存在不足，存在的弊端也不可忽視。

c.應(yīng)用復(fù)雜度增加，更新、維護(hù)困難

簡(jiǎn)單的應(yīng)用會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸變大，那么開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)將會(huì)面臨很多問(wèn)題，其中最主要問(wèn)題就是這個(gè)應(yīng)用太復(fù)雜，以至于任何單個(gè)開(kāi)發(fā)者都很難進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或維護(hù)，特別是那些剛加入團(tuán)隊(duì)的開(kāi)發(fā)人員，可能難以理解和修改應(yīng)用程序。

d.易造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)

雖然使用負(fù)載均衡的方式可以對(duì)項(xiàng)目中的服務(wù)容量進(jìn)行水平擴(kuò)展，但是也會(huì)導(dǎo)致其他不需要擴(kuò)展的服務(wù)也進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展，這種擴(kuò)展會(huì)極大的浪費(fèi)資源。

e.影響開(kāi)發(fā)效率

當(dāng)應(yīng)用越大時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。開(kāi)發(fā)和調(diào)試的過(guò)程中，如果有很大一部分時(shí)間都要在等待中渡過(guò)，那么必然會(huì)對(duì)開(kāi)發(fā)效率有極大的影響。

f.應(yīng)用可靠性低

傳統(tǒng)單體應(yīng)用架構(gòu)在運(yùn)行時(shí)的可靠性比較低，當(dāng)所有模塊都運(yùn)行在一個(gè)進(jìn)程中時(shí)，如果任何一個(gè)模塊中出現(xiàn)了一個(gè)Bug，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程崩潰，從而影響到整個(gè)應(yīng)用。

g.不利于技術(shù)的更新

傳統(tǒng)單體應(yīng)用架構(gòu)一旦選定使用某些技術(shù)，則后期的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展將在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。如果需要更改某種技術(shù)，則可能需要將整個(gè)應(yīng)用全部重新開(kāi)發(fā)，這種成本是非常大的。

h.存儲(chǔ)方式單一

傳統(tǒng)單體架構(gòu)所有的模塊都共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，一旦某個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)出現(xiàn)問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂等問(wèn)題。

本文建議采用的微服務(wù)架構(gòu)，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

a.易于開(kāi)發(fā)和維護(hù)

由于微服務(wù)單個(gè)模塊就相當(dāng)于一個(gè)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)這個(gè)模塊，我們就只需要關(guān)心這個(gè)模塊的邏輯即可，代碼量和邏輯復(fù)雜度都會(huì)降低，從而易于開(kāi)發(fā)和維護(hù)。

b.啟動(dòng)較快

相對(duì)單個(gè)微服務(wù)來(lái)說(shuō)，相比于啟動(dòng)傳統(tǒng)單體框架的整個(gè)項(xiàng)目，啟動(dòng)某個(gè)模塊的服務(wù)速度明顯是要快很多的。

c.局部修改易部署

在開(kāi)發(fā)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如果是傳統(tǒng)單體架構(gòu)，就需要重新發(fā)布并啟動(dòng)整個(gè)項(xiàng)目，非常耗時(shí)間。微服務(wù)則不同，可以針對(duì)性的對(duì)軟件模塊出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后的軟件模塊部署相對(duì)簡(jiǎn)單，不必重啟整個(gè)項(xiàng)目從而大大節(jié)約時(shí)間。

d.按需伸縮

傳統(tǒng)單體架構(gòu)在想擴(kuò)展某個(gè)模塊的性能時(shí)不得不考慮到其他的模塊的性能會(huì)不會(huì)受到影響，對(duì)于微服務(wù)而言，完全不是問(wèn)題，任何模塊通過(guò)任何方式來(lái)提升本身性能不必考慮其它模塊的情況。

此外，相比于ESB 來(lái)說(shuō)SOA 更加精細(xì)，更多的以獨(dú)立的進(jìn)程的方式存在，互相之間并無(wú)影響；提供的接口方式更加通用化，各種終端都可以調(diào)用，無(wú)關(guān)語(yǔ)言、平臺(tái)的限制；更傾向于分布式去中心化的部署方式，適用于多遂管理的系統(tǒng)建設(shè)，可支持多隧道設(shè)施接入和統(tǒng)一中心的區(qū)域設(shè)施管理。

（2）設(shè)備接口不統(tǒng)一、協(xié)議不兼容

由于地下道路硬件廠商品牌繁多，會(huì)出現(xiàn)各外場(chǎng)終端軟件接口不統(tǒng)一、軟件協(xié)議不兼容、數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不一致、軟件硬件緊密耦合度不高、功能擴(kuò)充彈性低的問(wèn)題，難以滿足產(chǎn)線升級(jí)和重組需求，且整合不易。

2 地下道路新綜合管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文提出云-邊-端的架構(gòu)，本系統(tǒng)架構(gòu)具備可擴(kuò)展性，能打通系統(tǒng)數(shù)據(jù)壁壘，在構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析等方面具有天然優(yōu)勢(shì)，部分上云，云控平臺(tái)，節(jié)約化建設(shè)[4]。

“云”指的是中心計(jì)算、存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)，“邊”指的是部分業(yè)務(wù)，如融合多重算法模型于一體的邊緣工控機(jī)等邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備診斷、智能視頻識(shí)別、預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能，“端”指的是交通視頻監(jiān)控、交通流量采集、信號(hào)控制、信息發(fā)布、位置服務(wù)、火災(zāi)探測(cè)等外場(chǎng)終端設(shè)備。

首先從系統(tǒng)架構(gòu)層面，提出了基于驅(qū)動(dòng)級(jí)物聯(lián)接入總線的云邊端架構(gòu)，從底層技術(shù)架構(gòu)解決目前平臺(tái)的存在不足。系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一協(xié)議、統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)共享、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互聯(lián)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

主要包含感知層、基礎(chǔ)資源層、傳輸層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層、交互層[5-7]，詳見(jiàn)系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層：主要包括交通視頻監(jiān)控設(shè)備、交通流量采集設(shè)備、信號(hào)控制設(shè)備、信息發(fā)布設(shè)備、位置服務(wù)設(shè)備、緊急呼叫設(shè)備、火災(zāi)探測(cè)設(shè)備等。負(fù)責(zé)地下環(huán)路和地下道路內(nèi)各類數(shù)據(jù)的采集，是地下道路建設(shè)的基礎(chǔ)。通過(guò)智能化外場(chǎng)設(shè)備的布設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)路和地下道路人、車、路和環(huán)境信息的全息感知。

基礎(chǔ)資源層：包括基礎(chǔ)云平臺(tái)感知，規(guī)范地整合了基礎(chǔ)硬件資源等底層資源，在物理硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上采用虛擬化云技術(shù)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)運(yùn)算等硬件資源的虛擬化服務(wù)，為上層提供具備彈性伸縮能力、負(fù)載均衡、高可用性的基礎(chǔ)設(shè)施，從而提升硬件設(shè)施的利用效率，并提供相關(guān)的運(yùn)行監(jiān)控及資源調(diào)度功能。

傳輸層：通過(guò)監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)、LAN、4G 打通外場(chǎng)設(shè)施設(shè)備與管理中心的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一張網(wǎng)的傳輸。

數(shù)據(jù)支撐層：采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘分析等手段構(gòu)建具備數(shù)據(jù)共享與交互、數(shù)據(jù)管理與服務(wù)以及數(shù)據(jù)的融合共享等功能的數(shù)據(jù)中臺(tái)。建設(shè)基于BIM+GIS+數(shù)字孿生引擎的數(shù)字孿生底座，通過(guò)數(shù)字孿生底座和數(shù)據(jù)中臺(tái)的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用和分析研判等功能。

業(yè)務(wù)層：主要包括智慧監(jiān)管和智慧運(yùn)營(yíng)模塊，智慧監(jiān)管模塊包含綜合監(jiān)控-區(qū)域級(jí)地下交通設(shè)施監(jiān)控、交通管控交通路網(wǎng)、安全管控等子模塊，智慧運(yùn)營(yíng)模塊包含資產(chǎn)管理、運(yùn)營(yíng)管理、移動(dòng)巡檢、能耗分析與管理等子模塊。通過(guò)搭建應(yīng)用分析模型，實(shí)現(xiàn)地下空間綜合應(yīng)用業(yè)務(wù)智慧化、綜合管理智能精細(xì)一體化、指揮調(diào)度應(yīng)急指揮精準(zhǔn)化。

交互層：通過(guò)APP、工作站、大屏等多種渠道，加強(qiáng)智慧地下道路平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)，提升包括公眾、領(lǐng)導(dǎo)、運(yùn)維人員等不同用戶的參與感、認(rèn)同感和獲得感。

2.2 平臺(tái)功能模塊完善

（1）交通管控功能

交通管控功能包括交通運(yùn)行狀態(tài)全息感知、交通態(tài)勢(shì)研判、交通管控與引導(dǎo)，能夠提供交通事故預(yù)警、周邊交通狀態(tài)信息及交通燈信息等實(shí)時(shí)信息。從而實(shí)現(xiàn)接入本平臺(tái)的地下道路設(shè)施的區(qū)域級(jí)交通路網(wǎng)管控，實(shí)時(shí)掌握區(qū)域路網(wǎng)交通運(yùn)行狀況，保障行車通暢、減少事故并在事件發(fā)生后及時(shí)做出反應(yīng)。

（2）智慧防災(zāi)功能

a.智慧消防

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)感知及報(bào)警、預(yù)警，減少誤報(bào)漏報(bào)率；實(shí)現(xiàn)地下道路溫度場(chǎng)、煙氣場(chǎng)的重構(gòu)；構(gòu)建動(dòng)態(tài)建立疏散預(yù)案，并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估；能實(shí)現(xiàn)對(duì)消防系統(tǒng)評(píng)估。

b.智慧防汛

平臺(tái)模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下道路防洪相關(guān)參數(shù)的感知，包括外場(chǎng)積水相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)接入、外部天氣預(yù)警信息接入。

c.聯(lián)動(dòng)預(yù)案功能

預(yù)案聯(lián)動(dòng)模塊分為日常運(yùn)營(yíng)控制管理模塊和應(yīng)急預(yù)案控制管理模塊。

（3）應(yīng)急聯(lián)動(dòng)功能

a.日常運(yùn)營(yíng)控制管理

日常運(yùn)營(yíng)控制管理模塊應(yīng)具有方案編輯功能，系統(tǒng)管理員可以對(duì)已有的方案進(jìn)行修改，也可制作新方案，添加到系統(tǒng)中。日常管理模塊應(yīng)包括交通控制、通風(fēng)控制、照明控制、給排水控制等不同工況的要求。

b.應(yīng)急預(yù)案控制管理

應(yīng)急預(yù)案控制管理模塊應(yīng)能夠具備對(duì)交通事件、火災(zāi)、水災(zāi)、環(huán)境異常、斷電、惡劣天氣、地質(zhì)災(zāi)害、特殊事件等突發(fā)工況的管理，此外還應(yīng)包括對(duì)地下環(huán)路交通影響較大的計(jì)劃性維修養(yǎng)護(hù)和突發(fā)災(zāi)害后的維修養(yǎng)護(hù)工況的管理。

（4）智慧運(yùn)營(yíng)功能

地下道路智慧運(yùn)管模塊是一套針對(duì)地下道路管養(yǎng)系統(tǒng)的綜合服務(wù)模塊。主要功能包括人員及組織結(jié)構(gòu)管理、資產(chǎn)管理、養(yǎng)護(hù)規(guī)范管理、作業(yè)排班管理、檢查管理、清洗養(yǎng)護(hù)管理、機(jī)電設(shè)備報(bào)警管理等核心業(yè)務(wù)功能。

2.3 與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)系統(tǒng)比較分析

（1）與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)功能對(duì)比

通過(guò)在感知層、基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層、展示支撐層、安全合規(guī)等方面比較，在各層級(jí)均有顯著的補(bǔ)充完善和提升，詳見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)平臺(tái)與新一代綜合管控平臺(tái)功能對(duì)比表

（2）與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)平臺(tái)的可拓展性、安全性、可靠性、升級(jí)成本、容錯(cuò)能力、可用性、服務(wù)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表3，采用云架構(gòu)的構(gòu)建，不僅可以降低信息化構(gòu)建成本和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高資源配置效率、提升智慧交通管理水平、提高平臺(tái)安全性，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的融合，為數(shù)據(jù)價(jià)值的提升奠定基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)的加持，提供更加高階的場(chǎng)景化服務(wù)。

表3 傳統(tǒng)平臺(tái)與新一代綜合管控平臺(tái)性能對(duì)比表

3 結(jié)論

地下道路運(yùn)行是城市安全有序運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，是城市高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容?！跋虻叵乱臻g”成為城市發(fā)展的重要方向。以地下道路建設(shè)為契機(jī)，基于智能化技術(shù)建立智慧地下道路綜合管控平臺(tái)，能夠有效推進(jìn)地下道路基礎(chǔ)設(shè)施智慧化提升，提高地下道路運(yùn)行效率和事件處置能力，維護(hù)城市基礎(chǔ)設(shè)施有序運(yùn)行?；诮y(tǒng)一的智慧地下道路綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理與預(yù)警預(yù)測(cè)全面監(jiān)管，是推動(dòng)城市地下道路管理手段、管理模式、管理理念創(chuàng)新的重要舉措。