智慧交通系统的总体框架体系

2020-06-19 10:58:26 17
摘要:智慧交通是信息技术与交通的有机融合,给整个交通行业带来了颠覆性的变革。基于现代信息系统架构,本文提出和讨论了智慧交通系统的总体框架体系及各主要部分的功能,并在此基础上分析智慧交通系统的设计和建设思路,从以设备为核心的传统设计和建设,转变为以服务为核心的设计和建设,智慧交通系统建设也由传统的交通基础设施建设转向交通运输综合服务建设。
基金项目:四川省交通运输科技项目“基于大数据的交通行业监管智慧化技术框架体系研究”,编号:2017-A-04

智慧交通作为信息技术与基础交通设施建设高速发展的融合,近年来炙手可热。2014年,交通运输部部长杨传堂做了《深化改革务实创新加快推进“四个交通”发展》的报告,提出将“四个交通”(即综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通)作为当前和今后一段时期交通运输发展的主旋律,并指出智慧交通是实现“四个交通”的关键。2017年,交通运输部印发《智慧交通让出行更便捷行动方案》,以智慧交通为主要抓手的交通运输信息化聚焦于交通运输服务、基础设施和决策监管等重要领域,加快智慧交通建设,提升基础能力,将目标着眼于“让交通出行更便捷、让运行管理更高效、让决策管理更科学”。

一、

交通行业信息化现状

信息化智能化水平是衡量交通运输现代化发展水平的重要标志。经过约二十年的建设和发展,交通行业信息化取得了一定进展,信息技术应用达到一定的水平。但从总体上看,信息化发展水平还较低,远不能满足建设现代综合交通运输体系的要求,主要体现在以下几个方面。
(一)基础薄弱
标准规范弱:虽然出台了部分标准和规范(包括国家标准和行业标准),能够解决某些点和线上(例如高速公路收费系统)的业务信息化问题,但总体上覆盖的范围有限,不能为智慧交通建设提供全局的指导。
硬件设施弱:目前已经建成的信息系统,大都采用了“烟囱式”架构,每一个IT系统都有自己的存储和IT设备,以及独立的管理工具和数据库。系统之间基本无法共享数据和信息,利用率较低,维护成本高,总体上硬件设施比较薄弱,无法满足现代交通运输的需求。
应用软件弱:首先是应用软件覆盖的业务范围非常有限;其次是应用软件的标准化程度低。
保障措施弱:一方面,专业人才队伍缺乏;另一方面,信息系统运营维护管理制度不尽完善,配套资金常常不能满足实际需要,缺乏长远发展规划。
由于信息化基础整体薄弱,交通行业监管严重地依赖于人工工作,自动化水平整体不高,影响了业务效率和业务水平,影响到智慧交通的发展。
(二)数据资源化水平低
数据标准化程度低:除个别业务领域(如收费)外,在交通行业建设、运营、养护、办公和公众服务等业务领域,都没有形成业务数据标准化所需的标准体系。
数据可共享水平低:由于“烟囱式”架构在已建成信息系统中的广泛采用,导致不同的信息系统各自使用独立的信息资源,包括各类数据资源。系统之间没有统一的数据交换标准,缺乏数据交换与共享,难以实现不同系统间的协同。
数据整合水平低:数据由不同的业务应用系统产生、管理和维护,且“烟囱式”架构导致不同业务应用的资源难以共享,从而影响了数据资源的整合水平。
数据深度分析和利用水平低:已开展的数据深度分析和利用工作总体上深度不足,对实际工作的指导作用有限,尚不具备有效支撑交通运输管理决策的能力。
总体上看,目前交通运输领域的“信息孤岛”现象较为严重,数据和信息的资源化水平总体不高,给交通数据的综合利用构成了障碍。

二、

智慧交通系统总体框架体系

交通行业是国民经济的基础产业,大规模推广和应用先进的信息技术(物联网、云计算、大数据、人工智能、无线传感等),能够有效节能降耗,合理配置资源,提高运输效率,从而更广、更快、更好服务于经济社会发展。发展智慧交通,促进“互联网+”便捷交通发展,让人民群众出行更便捷。打破传统的“烟囱式”条块分割,在系统层面做到交通行业信息系统整合和交通数据开放共享。
结合交通行业信息化、智慧交通系统建设及规划项目现状,基于现代信息技术发展,特别是云计算/大数据的参考架构,本文提出了智慧交通系统的总体框架体系,如图1所示,可以概括为“五层三体系”。
“五层”分为基础设施层、数据融合层、应用支撑层、应用系统层和门户层。
“三体系”分别是标准规范体系、信息安全体系及管理制度体系。

艾里克,物联网,智慧园区/公寓,智慧政务,工业物联网

(一)基础设施层
智慧交通系统的基础设施层,主要包括:虚拟化资源池、通信网络和终端设施等。
1、虚拟化资源池
虚拟化资源池的基础设施包括计算资源、存储资源、网络资源以及配套的机房、机架或机柜、供配电、空调、门禁等。贯彻基础设施即服务(IaaS)的设计思想,将包括主机、存储、网络及其他硬件在内的硬件设备虚拟化、云化、池化,形成一个弹性的基础设施资源池,并通过云管理平台进行统一管理和监控。
2、通信网络
智慧交通系统需要的通信网络应该是高度智能化、具有高度柔性和适应能力的网络,包括专用网和运营商网络,覆盖有线和无线网。满足可扩充性和灵活性、具备高安全性、确保服务质量保证(QoS)以及高效的可管理性。
3、终端设施
终端设施的覆盖面较广,是智慧系统的神经末梢,包括数据采集和感知设施、信息发布及执行设施等。
数据采集和感知设施主要分为自采和共享两个方面。(1)自采:主要依靠数据采集设施来采集交通运输数字化信息,包括基础设施数字化信息、交通视频、气象信息、交通流状态、交通事件、交通环境、交通运行管控、船舶、港口、航道、车辆收费、物流信息等动态数据。(2)共享:是指从其他系统平台获取数据。
信息发布及执行设施:包括情报板、广播、电子指示标志、置于服务区等场所的智能屏、微信/微博等公众号以及互联网网站服务等。
(二)数据融合层
支持交通基础数据全局统一的采集、存储和服务,包括数据抽取(清洗/转换/加载)、数据仓库、数据集市,形成结构化数据库和非结构化数据库。结构化数据包括基础数据库、业务数据库、主体数据库等,非结构化数据包括视频、图片、文档等,建立起元数据管理。
建成全面、完善、权威的交通行业基础数据库,实现各应用系统之间信息共享与交换,实现基础数据的综合管理和综合应用,为各级管理机构提供辅助决策支持、为公众交通信息服务提供数据支持,提供了打破传统信息系统的烟囱式布局的有效途径。
建立规范可行的数据采集机制、数据更新机制、数据共享机制,从根本上保证交通数据资源的全面规范采集、及时有效更新、合理共享与交换。
(三)应用支撑层
应用支撑层贯彻工具即服务(TaaS)的思想,负责为智慧交通系统提供必要的开发工具、管理工具、分析工具、工程设计工具以及其他的工具服务。
开发工具包括应用软件开发工具、C/S软件开发工具和B/S软件开发工具,提供统一的平台化系统软件支撑服务,包括服务的定义、注册、管理、发布以及服务控制台等。
管理工具应包括统一权限管理工具,可实施工作流管理工具等。
分析工具应包括机器学习和人工智能算法工具、可视化分析工具、大数据处理工具、数据挖掘工具和预测分析工具等。
工程设计工具应包括三维BIM+GIS集成环境。BIM模型应包含交通基础设施的完整的真实信息,具备信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性。
这些平台服务需要满足云架构的部署方式,通过虚拟化、集群、负载均衡等技术提供云状态服务,并可以根据需要随时定制及扩展。
(四)智慧应用层
智慧应用层包括交通行业的主要业务处理系统。业务处理系统是对业务处理过程进行针对性支持的信息系统,是完成具体工作的工具。工作人员能够使用信息化工具,将交通基础设施作为一种资源进行全方位的管理,也能对交通基础设施维护的全过程提供信息化支撑。
智慧应用系统基于融合的交通大数据和统一的支撑工具,提供交通运行综合监测、应急处置、设施管理与维护、预测分析、行业监管、公众服务及可视化等业务应用,形成业务覆盖全面、重点突出、兼具分析广度和深度的体系化、自动化、智能化的分析应用体系,为交通运输管理者提供科学规划与决策的依据。
在云计算环境下,智慧应用产品的最终表现形式更为丰富多样。在云平台上,软件可以是一种服务(如SaaS),可以是一个WebServices,也可以是一个PC应用或手机应用,更可以是当下流行的微博/微信公众号等形式。
(五)门户层
门户层面向终端用户提供访问智慧交通系统的用户界面,包括内部用户和公众用户。支持包括个人计算机(PC)和移动终端(智能手机、平板电脑等)的多种手段,以及客户端(Client)、浏览器和移动应用(APP)等形式。
信息发布设备包括:设置在交通基础设施沿线现场的情报板、控制中心/服务区的大屏、信息发布网站、移动APP、微信/微博公共号、短信、广播、电子指示标识以及导航地图类第三方互联网应用软件。
(六)信息安全体系
信息安全体系是智慧交通系统安全稳定运行的重要保障和必要条件。依据《中华人民共和国网络安全法》、《信息安全等级保护管理办法》(公通字[2007]43号)和最新的网络安全等级保护2.0标准规定的安全要求,全面评估系统安全威胁对三类受侵害客体的侵害程度,综合确定系统的安全保护等级,在此基础上制定智慧交通系统的信息安全策略,确保信息系统的安全,特别是数据安全。
构建统一的安全平台,实现统一入口、统一认证和统一授权等功能,使智慧交通系统生产流程在受控和受保护的情况下进行,为平安智慧交通系统提供经济、有效的安全服务,保障系统安全运行。
根据《大数据安全标准化白皮书》,保障数据不被窃取、破坏和滥用,以及系统的安全可靠运行,需要构建包括系统层面、数据层面和服务层面的大数据安全框架,从技术、管理和运行等方面多维度保障应用和数据安全。
(七)标准规范体系
交通行业智慧化信息系统标准规范体系主要包括以下几方面:
(1)充分利用现有的ICT(信息通信技术)标准规范体系,包括但不限于通信工程、系统与软件工程、物联网、云计算、大数据、人工智能等方面的标准规范;(2)在充分利用现有标准体系成果的基础上,针对交通行业特点和现有标准体系的不足,加以必然的完善,并补充必要的新标准。
(八)管理制度体系
建立完善的管理制度体系,包括管理制度、管理机构、人员管理、系统建设管理和系统运维管理。安全管理和服务应满足网络安全等级保护2.0对管理方面的要求。
以云计算平台上线正式运行后的常态化安全保障工作为目标,针对自评、测评、审计、检查、加固等各服务环节,建立适合智慧交通系统管理运维的常态化检测和安全服务机制。

三、

智慧交通系统建设思路

智慧交通系统是信息技术与交通的有机融合,打破了传统信息化系统的烟囱式条块分割,建立起交通数据信息融合、利用与共享,并且在信息安全和标准体系等方面都带来崭新的进步。但是,智慧交通建设不仅仅是在系统体系架构上的改变,更重要的是建设思路的转变。
(一)面向服务的思路
智慧交通给整个交通行业带来颠覆性的变革,系统的建设需要与时俱进,从设计设备/设施转向设计服务,厂商需要从卖设备转向卖服务,建设思路由传统的交通基础设施建设转向交通运输服务建设。
在上述总体框架体系中,已经体现了面向服务的设计思路,如:基础设施层贯彻的就是基础设施即服务(IaaS),应用支撑平台建设贯彻了平台即服务(PaaS),建立在大数据平台基础上的智慧应用层贯彻了软件即服务(SaaS);这些思路也是云计算平台、数据中心等智慧交通系统建设的基本思路,这里不再赘述,下面重点说一下数据。
贯彻数据即服务(DaaS)的设计理念,通过在线的方式来提供数据资源、数据能力,包括交通数据的整合管理、处理工具及综合利用。建立在统一的交通数据基础上,对内提供统一数据资源及数据处理工具支撑,所有智慧应用使用同一套数据资源池;对外提供统一的数据共享与交换服务支撑。从而形成以交通数据为中心的智慧交通数据服务架构,如图2所示。

艾里克,物联网,智慧园区/公寓,智慧政务,工业物联网

数据即服务从逻辑上可以分为两个层面,(1)数据+工具:数据由数据仓库进行管理,包括数据更新管理机制;工具是针对交通数据的处理工具,包括大数据、人工智能算法等。(2)数据服务:提供覆盖“建管养用”各个方面的数据支撑服务,各上层应用系统可在此基础上建立。
(二)软件定义底层
智慧交通系统的核心在于数据,而数据主要来源于交通数字化,包括广泛的交通基础设施数字化、泛在感知数字化、运输工具及交通运输服务信息数字化等。数字化思想不仅仅在于把传统的设施如桥隧信息数字化(如BIM),监控视频结构化处理等,更重要的是设计思路上的转变。
传统的思路是以设备所能提供的能力为核心,通过组合的方式建立系统,这种建设方式并不适合智慧交通系统。在智慧交通系统的建设中,要以服务为出发点,包括基础设施建设。基于这个因素,提出了软件定义底层,彻底改变目前底层的状态。
传统的方式是询问设施或设备能够提供什么数据,软件定义底层是要求底层提供哪些数据,通过什么途径发布信息。以道路气象服务为例。
传统的方式:从气象部门获取气象信息,更适合大范围、面上的气象服务,并不适合交通运输所需要的带状气象服务要求,无法提供精准气象信息服务;独立的气象设施也存在功能单一等方面的问题。
软件定义底层,立足于为交通运输提供精准的气象服务:(1)使用微型气象站对高速公路的常规气象要素进行监测,如温度、湿度、风速、雨量等;(2)使用能见度气象仪或通过对视频实时分析,获取实时的、准确的道路能见度状态;(3)使用遥感式路检器监测道路的冰雪厚度等参数,为控制行车速度提供支撑;(4)利用大数据工具、人工智能算法工具,融合分析历史气象数据、外部共享气象数据及地理基础数据,对道路交通气象状态进行预测,从而大幅度提升交通运输气象监测、预警和处理能力。
简而言之,面向服务的软件定义底层,能够紧紧围绕需要提供的服务来决定底层所需要的数据采集从而确定所布设的设施。

四、

结束语

智慧交通系统的建设,不是传统系统那样的“烟囱式”布局,不能依靠设备堆砌方式来实现,而是需要有统一的、开放的、适应技术发展的系统架构。更重要的是思维方式的转变,设计和建设不再以设备为中心,而是以数据、以服务为中心。





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