高速公路运营管理大数据技术及一体化平台

2021年度湖南省交通科技项目：高速公路运营管理大数据技术及一体化平台研究（编号：202144）

高速公路运营管理与信息化平台建设

（一）国内现状

我国高度重视高速公路智能化建设工作，2018年交通运输部印发《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》面向北京、浙江、广东等9个省市差异化开展新一代国家交通控制网和智慧公路试点示范，提出基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理、“互联网+路网综合服务、新一代国家交通控制网六大试点方向。

围绕交通强国示范建设和新型基础设施建设部署，全国各地纷纷以智慧高速公路作为融合基础设施的重要抓手，大力开展5G、人工智能、云计算等新一代信息技术在高速公路的深度融合应用研究。例如，北京大兴新机场高速成为国内首条具备“防冰融雪”功能的高速公路，并通过智慧高速新收费系统、仿真推演与电子沙盘打造智慧管理体系等手段成为京津冀首条“6+1”智慧高速公路：吉林省高速公路智能化示范工程依托珲乌高速公路和吉舒联络线，致力于打造“一条智慧路、一条节能路、一张健康监测网和一个一体化平台”，重点开展基础设施数字化、基于大数据的路网综合管理和“互联网+”路网综合管理等建设任务。

总体上，国内智慧高速相关研究依然处于探索阶段，尚未形成标准化定义及功能框架，但“设施数字化、车路协同、管理主动化、路网综合管理”的智慧高速发展理念与研究方向基本建立，随着新一代无线通信、自动驾驶、人工智能等技术进一步发展，未来5年智慧高速公路将进入规模化建设阶段。

（二）国外现状

当前欧洲、日本、美国等发达国家和地区都在大力推进高速公路智能化建设。欧洲以主动交通管控为基本路径推进智慧高速建设，以奥地利高速公路主动管理系统为例，围绕交通流主动式引导，注重对拥堵、事故、天气等异常情况的动态监测与及时响应，目前该系统已覆盖800多公里高速公路，运行效果显著，实现车辆事故减少35%受伤公众数量减少30%。日本依托ETC2.0，推进高速公路智能化管理服务，在融合道路交通信息通信系统（VICS）和ETC不停车收费系统功能基础上，推出世界首款DSRC大容量双向通信设备ITSSpot，提供拥堵预测及路径规划、特殊车辆运行规律及轨迹追溯、动态费率调整、异常驾驶行为识别等智能出行引导及运营管理服务。

美国、欧洲、日本等主要发达国家率先推动智慧道路及自动驾驶发展，主要集中在技术研发、测试验证、政策引导等方面，在道路自动化、自动驾驶、主动管控等方面研究处于世界领先水平，可以为我国智慧高速公路发展提供经验借鉴。同时，需要结合我国国情及路网实际情况，探索出一条适合我国的智慧高速高质量发展之路。

1. 技术原理

（1）高速公路海量多源异构数据采集以及共享交换技术。

项目针对高速公路海量异构数据采集、存储与共享技术，实现交通感知数据、管理数据、服务数据、运营数据、互联网第三方数据等多源数据统一接入、标准化处理及存储，解决高速公路系统中各个子系统和部门之间形成的“信息孤岛”，为高速公路智慧化运营搭建统一稳定、高效的数据底座，为后续数据挖掘利用及业务协同提供数据支撑。

（2）面向高速公路智慧运营管理的大数据分析算法设计与实现。

目前高速公路管理系统运行分析工作大都仅停留在统计报表方面，大量数据沉睡未被充分利用，管理决策智能化程度低。项目针对智慧高速不同的业务应用场景需求,构建面向高速公路智慧运营管理的大数据分析算法,包括路网运行特征指标融合计算、行程时间预测节假日车流及拥堵路段预测、车辆收费路径还原等系列算法模型的设计与实现，以提升数据融合应用深度，更好地发挥数据价值，提升运营管理智慧化水平。

（3）智慧高速一体化综合运营管理集成应用技术研究及平台构建。

当前高速公路路段公司应用系统基本按各业务部门需求独立建设，系统相互孤立，缺乏统筹，不同系统之间未进行联通与协调联动业务管理难以闭环。项目以满足用户需求为导向，采用行业成熟稳定的系统架构，研究高速公路综合运营管理集成应用技术，研究保障平台安全可靠运行的标准规范体系，研发实用、稳定、开放的一体化综合运营管理平台。

2. 技术特点

（1）创新高速公路运营模式，打造路网管理智慧中枢

针对高速公路机电系统分散建设、设备协议和业务系统标准不统一等问题，以“一底座基础连通、一张图运行监控、一张网协同联动”为核心，推行“集中管理”建设与运营理念，通过自主研发数据中台，采用“云-边-端”技术架构，在数据层面打破信息孤岛，接入前端监控摄像机、毫米波雷达、激光雷达、微波车检器、气象检测设备、可变情报板、ETC门架等30余类共1800多种设备，在数据侧建立统一的信息采集、汇聚、计算、分析和共享标准，提升数据治理和应用价值；在业务层面打破条块分割，基于海量异构数据，构建一套自上而下的营运管理路径，弥补现有信息化系统应用和传统业务管理过程中的缺陷不足，全面提升运营管理质量和效率；在机制层面打破部门壁垒，构建了集运行监测、智慧隧道、团雾诱导、结冰预警、应急调度、收费稽核、智慧服务区、机电运维等业务的一体化集成平台，打破传统的业务条块分割，实现资源整合与高效利用，打造“可视、可测、可服务”高速公路智能运营管理新模式。

（2）研发大数据实时分析技术，打造运营管理决策中枢

平台汇聚基础信息、路网监测、设施状态、应急指挥、收费交易、机电运维等动静态多源数据，通过海量多源异构数据采集技术，搭建数据中台，采用分布式大数据计算框架，实现对高速运营数据的进行采集和整合，并经过大数据处理形成高速专题数据库。以高速公路专题数据为基础，以运行驾驶舱为核心，运用神经网络、关联规则分析、贝叶斯网络、支持向量机等大数据分析挖掘技术，建立包含路网特征分析、行程时间预测、节假日车流及拥堵路段预测、拥堵状态下道路分流策略及效果评估、车辆收费路径还原等系列算法模型，搭建多场景、多维度、多层次的高速公路运营决策指标体系，成功打造具备多源信息融合能力、强计算分析能力的高速运营管理决策中枢，实现营运指标精准预测，异常指标实时告警，考核评价主动分析，管理决策从被动滞后到主动快速的转变，为科学管理提供数据支撑。

（3）建立可视化智能调度技术，打造事件协同处置中枢

平台通过标准化接入毫米波雷达、隧道CO/VI传感器、高清摄像机等感知设备，实现高速公路运营管理智慧化感知。同时，基于高速公路业务规则，重塑业务管理流程，围绕高速业务各个环节，对高速公路人、事、物进行流程化管理，提高运营管理人员工作效率。针对应急指挥调度沟通效率低、事件响应不及时等问题，对高速指挥调度工作流程统一再造，构建全闭环指挥调度体系，简化处置节点和处置命令，形成“接报－分析－处置－发布”的业务闭环。基于GIS地图和可视化引擎，研发智能调度技术，根据设定业务规则，智能推荐管控及处置策略，调度任务一键下发移动APP，协同交警、路政、养护等跨部门和系统间资源调配，实现一键化和可视化协同调度，显著提升交通事故处置和清障作业效率，降低二次事故发生风险。

（4）算法模型创新

高速公路收费站出口拥堵状态估计模型：基于高速公路收费数据提出了收费站出口运行状态评价体系，该体系基于行程速度与自由流速度的差异程度构建运行指数来评价收费站出口运行状态，基于运行指数设计运行等级划分标准来判别收费站出口拥堵；重大节假日公路交通流量预测模型：基于现有的公路交通调查观测站点采集流量数据信息，通过移动平均对观测站日均流量进行趋势预测，再基于节前两周的观测站日均流量同比进行修正预测（突发情况预测），通过权衡趋势预测和突发情况预测获得观测站预测流量，进一步基于观测站点数据向上集成，并统计分时、分日等特征参数，从而实现预测分日分时流量。

3. 技术路线

项目按照“前期调研→技术研究或系统开发→工程应用→总结完善→完成验收”的总路线开展，拟采取的技术路线如下图所示：

（1）在吸收借鉴现有规范及研究成果的基础上，研究海量异构数据融合与共享关键技术，形成智慧高速数据集成与治理相关标准规范。

（2）充分挖掘高速运营管理业务需求，以数据驱动决策，提出基于大数据融合分析的运营管理综合决策体系。

（3）充分借鉴国内外交通信息化、智能化建设经验，研究智慧高速平台“标准化、集成化、服务化”相关技术，研发智慧高速综合运营管理平台。

4. 成果应用情况

（1）成果应用实例

项目成果已经顺利通过验收与软件测评，并运用于平益高速公路、绕城高速西南段、衡永高速公路、现代投资管辖路段共计830km，市场潜力巨大。

（2）测评报告与验收证书

湖南省交通建设质量监督检测有限公司测评报告、湖南省交通运输厅验收证书等。

（3）知识产权情况

发明专利一项《一种基于ETC的路网运行状态方法、系统和存储介质》、论文两篇《高速公路智慧服务区综合管理平台方案研究及应用》《基于收费数据的高速公路路网运行状态评估方法研究》、软件著作权四项《智慧高速综合运营管理平台》《高速公路掌上通APP》《高速公路应急指挥调度平台》《高速公路信息发布平台》等。

我国自20世纪80年代开始修建高速公路以来，全国高速公路规模发展迅速，截至2020年底，中国高速公路里程已突破16万km。近年来随着交通强国成为我国的国家战略，智慧高速等相关规划及配套支持政策频出。根据高速公路建设投资情况和中国智能交通协会公布的数据，2012—2020年，中国高速公路智能化市场规模从198亿元增长至600亿元，呈现不断上升的趋势，随着中国高速公路智能化建设的进一步发展，市场规模将持续攀升。

目前，我国高速公路智能化建设处于快速发展阶段，发展方向主要建立在对管理系统的智能化升级上。高速公路的智能化建设，是适应社会发展的必然要求，也是高速公路实现自身发展的必然路径。随着现代信息通信技术、网络技术、传感技术等先进技术的不断更新升级，高速公路总里程的持续增加，以及维护、升级改造的不断实施，预计未来我国高速公路智能化行业市场规模将不断增长，到2026年我国高速公路智能化行业市场规模将突破1200亿元，年化增长率在13%左右。

当前我国各高速公路运营管理手段还是以传统视频监控为主，辅助生产管理系统较多，相互割裂不能关联处理，随着运营管理日趋繁重，对高速公路运营管理精细化、扁平化、规范化和高效化要求日益提高，因此，项目研发的智慧高速一体化综合运营管理平台市场前景巨大。

技术持有单位：湖南省交通科学研究院有限公司

联系人：戴剑军，电话：13548684027，邮箱：690130481@qq.com，传真：0731-85215953。

基于云计算+GIS 的大件运输智能审查系统关键技术研究

2020年度湖南省交通科技项目：基于云计算+GIS 的大件运输智能审查系统关键技术研究（编号：202045）。

公路大件运输许可技术审查

发达国家大件运输研究比我国起步早，已经建立了较为成熟的大件运输安全评估系统，有着较为完善的法律体系；部分国家开发了大件运输线路优化系统，能为大件运输业服务，这些成果都是建立在大量的实际工程和理论分析计算的基础上。

我国大件运输业是随着运输任务的逐渐增多，以解决实际需求为导向而逐渐发展，主要分为两方面：一方面是组织方案中的某些具体关键步骤进行研究，主要研究内容包括大件运输路径通过性评估、运输路径的最优化选择、道路线路和桥涵的故障排除工作、大件运输货物装卸和加固方法研究、桥梁承载能力和过桥安全性评估方法研究；另一方面是针对于某一特定大件运输任务，进行大件运输组织方案的制订，主要集中在保证经济成本的前提下路径最优化选择、货物装卸加固方案和路线安全性评估研究。国内对大件运输的系统研究起步相对较晚，大件运输信息化审批系统的研究非常薄弱，尤其体现在建立的道路路网信息数据库不够完善，各省开发进度不够统一等问题，导致我国与美、德等一些国家的大件运输行业存在一定差距，会导致人力、财力等方面的资源浪费，降低大件运输审批效率。

1. 技术原理

根据湖南省大件运输安全评估行业的发展趋势和实际情况，通过融合GIS地图和云计算技术，搭建了湖南省大件运输智能审查平台，研发了大件运输智能审查系统。平台集成了车辆申报信息智能快速审查、桥梁安全智能评估、智能选线三大核心功能，可实现大件运输车辆安全评估“一键式”审查，系统功能实现了对审批流程的全覆盖。

（一）大件运输车辆申报信息智能快速审查关键技术

为解决大件运输车辆申报信息审查慢、周期长、人工成本高的短板，项目组创新性地采用GIS+云计算（GISCloud）技术实现车辆申报信息的智能快速审查。其基本原理为：将车辆通行限制条件（车辆几何尺寸满足要求，总重、轴重满足免验算要求等）植入至GIS地图中，在整体系统中将GIS作为基本服务对象，通过互联网络连接数量众多的约束节点（车辆通行限制条件）形成GIS“云”，同时建立对应的“云”资源库，即几何限制条件数据库，主要包括：互通收费站限高、匝道独柱墩限重、主线限高等，然后按照GIS的应用需求进行“云”资源的动态部署和配置，通过“云”资源的虚拟化，向上层提供应用服务。云计算以GIS基础服务设施为服务支撑平台，以GIS基础信息数据和GIS应用程序为应用支撑平台。

根据上述理论，项目团队开发了基于GIS+云计算的大件运输车辆申报信息智能快速审查系统，该系统可根据大件运输车辆申请信息，调用GIS路网地图和“云”资源库（几何限制条件数据库），对线路上途径所有几何限制点（包括但不限于收费站长宽高、隧道限高、独柱墩重量限制、阻断点信息）进行判别，给出车辆能否通行的结论。

（二）大件运输桥梁安全智能评估系统研发关键技术

为解决传统桥梁验算模式存在的周期长、无法批量分析等短板，项目组采用云计算手段，通过运用分布式数据存储和处理技术，实现大量模型数据高效存储与并行计算，解决传统关系型数据库难以支持模型库数据存储与统一管理的难题。运用Hadoop的分布式文件系统HDFS提供的分布式存储方法，将不同线路、不同类型的桥梁模型文件数据块存储在不同的数据节点。实现模型库数据分层、动态分配存储，从而有效提高数据读写性能。同时，项目组完成了模型库中的桥梁模型与GIS地图中桥梁信息的匹配工作，实现了计算核心与平台的融合。对于进入桥梁安全智能评估平台的申请信息需求，系统将根据信息中的路线数据，结合GIS地图自动调取对应路线上的模型库数据，完成多座桥梁的并行计算分析，极大提升计算效率。

（三）大件运输车辆通行路线智能选线系统研发关键技术

大件运输一般存在多条可能的通行线路，为从各线路中选出最优通行路径，需综合考虑各方面的因素。项目组基于最优化理论，以通行路径上桥梁承载能力、线路施工阻断信息等作为约束条件，以通行路径最短为目标函数，构建大件运输线路最优路径的数学模型。根据优化理论，项目组研发了大件运输智能选线系统模块，系统模块集成了GIS地理信息，将优化程序部署于云服务器并接入GIS地图，智能快速审查及智能安全评估无法通过时，系统自动进入智能选线模块。调用云计算手段，精确、高效地实现路径最优决策。

2. 技术特点

大件运输智能审查系统整合了湖南省高速公路路网、桥梁、隧道、收费站等信息，实现了大件运输技术审查“一键化”，相比于传统模式，大件运输智能审查系统具有以下技术特点：

（1）行业领先：基于GIS平台+云计算技术的大件运输智能审查系统，系国内大件运输许可审批领域第一款能同时完成超几何尺寸和超重大件运输许可技术审查的智能系统，具有明显的技术领先性。

（2）高效快捷：智能审查系统能够覆盖大件运输技术审查全部流程，实现“快速审查－桥梁评估－优选线路－出具结果”一键式审查，可极大缩短技术审查时间、优化审批环节、提高审批效率，突破了原有人工审查方式面临的诸多瓶颈，可满足未来审查数量快速增长的需要。

（3）精确可靠：智能审查系统建立了完善的几何尺寸限制节点数据库和桥梁模型库，并采用规范要求的有限元算法进行桥梁安全评估，可精准判别车辆途经路线是否满足通行要求，避免人工审查方式可能存在的人员疏忽等问题，也可避免一些省份采用经验算法存在法理漏洞问题。

（4）便于管理：智能审查系统在实现审查过程完全数字化的同时，还具有数据管理、数据统计的功能，便于管理机构对审查数据进行查询、统计和分析，可为后续工作的开展提供充足的数据支撑，解决了人工审查过程中存在的资料管理困难的问题。

（5）潜力巨大：智能审查系统建立了完善的公路基础数据库、GIS地图数据库、几何尺寸限制节点数据库、桥梁模型数据库，实现了各类信息的高度集成。同时，系统还可与省级政务平台、管养平台实现数据交互。系统未来可为交通大数据分析、交通设施智能管养等相关工作的开展提供强有力的支撑，具有巨大的拓展应用潜力。

3. 主要技术指标

（1）大件运输车辆申报信息智能快速审查关键技术。研发大件运输车辆申报智能快速审查系统，基于GIS地理信息建立覆盖全省高速公路的数据库，并对线路上关键节点进行标注（限高、限宽、最小转弯半径限制等），同时系统将依据行业规范自动判定车货载重等信息的准确性，实现对车辆通行能力的快速智能判定。

（2）大件运输桥梁安全智能评估系统研发关键技术。研发大件运输桥梁安全智能评估系统，通过提前建立好桥梁模型库，并将桥梁结构验算分析软件部署于云服务器中，当运输线路选定和大件运输车车辆荷载确定后，通过系统直接调出运输线路桥梁模型并加载大件运输车车辆荷载，进行规范规定的承载能力极限状态和正常使用极限状态标准验算，自动生成计算报告并给出能否安全通行的评估结论。

（3）大件运输车辆通行路线智能选线系统研发关键技术。研发大件运输车辆通行路线智能选线系统，通过将高速公路间的互通枢纽作为节点，利用节点将高速线路分割为多个区间，并对区间赋予通行信息（桥梁定检等级、线形最小半径、里程等）来判断该区间是否可作为大件运输车辆通行线路。系统自动分析选出可供选择的大件运输线路，同时依据建设年代、线路里程、线路桥梁定检等级等信息进行大件运输车辆通行线路最优决策。

4. 成果应用情况

成果应用实例：本研究的创新性成果已成功应用于湖南省公路大件运输许可技术审查，应用地址为湖南省政务服务大厅交通政务窗口。

项目成果可实现对大件运输车辆通行审批的“一键式”智能化快速评估与信息化管理，可大大缩减桥梁通行安全评估工作时间，可极大提升相关行政部门审批效率，降低运输企业成本。与人工审批方式不同，采用计算机技术代替人工审查大件运输申请许可，对申请数量增长造成的影响可忽略不计。大件运输智能审批系统关键技术，具有行业领先性、审批快速性及精准性、审批流程覆盖全面性、审批过程智能化、数字化等优势，可有力推进大件运输审批行业向高水平、高精度、智能化、集成化、快速化方向发展。系统建立覆盖全省的桥梁模型库和路网数据库，还能为湖南省公路管养、救援抢险等工作的进一步开展提供强有力的数据分析与服务。技术审查全过程进行数字化台账管理，并对车辆数据、通行路径数据、桥梁技术状况等数据进行分类统计。为研究解决大件运输可能带来的桥梁耐久性问题、交通安全问题以及相关规范编制提供数据支撑。系统还设有审批过程评估、事后评估管理等功能，可有效改变现有模式采用纸质资料存档，信息查询困难，车辆信息、通行信息难以统计等现状，在公路大件运输许可技术审查等公路运维管养方面具有广阔的应用推广前景。

技术持有单位：湖南省交通科学研究院有限公司

联系人：吴欣；电话：13723968624；邮箱：272113152@qq.com；传真：0731-85215953。

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