城市地下道路綜合管控平臺架構設計研究與應用

張海城，劉 藝，游克思

[上海市政工程設計研究總院（集團）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動車或兼有非機動車、行人通行的城市道路[1]。近年來，土地資源緊缺，出于對生態保護、改善環境、提升區域功能以及提高城市綜合競爭力等多重因素的考慮，城市地下道路數量越來越多，規模越來越大。

智慧地下道路是采用先進的數據多源采集手段、精準的多源異構數據融合技術、強大的數據挖掘處理算法、高效的云平臺架構，引入“動態化、平臺化、自動化、智慧化”四化交通思維，挖掘數據信息價值，實現智慧地下道路高效、安全和節能的運營，全面提升地下道路系統運行效率和管理水平，為管理決策、工程建設、運維管理、公眾出行等提供信息服務。

近年來，黨中央、國務院、相關部委密集出臺智慧交通發展、智慧城市戰略的相關指導文件，為新時期交通發展提供了新機遇。2022 年3 月，交通運輸部、科學技術部聯合發布的《“十四五”交通領域科技創新規劃》提出要推動智慧交通與智慧城市協同發展，大力發展智慧交通，推動云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、區塊鏈、人工智能等新一代信息技術與交通運輸融合，加快北斗導航技術應用，開展智能交通先導應用試點，逐步為智慧地下道路的建設提供了有力保障。

1 地下道路綜合監控系統現狀調研與問題分析

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行實地調研。

1.1 現狀綜合監控系統平臺功能分析

目前綜合監控系統功能包含視頻監控、交通監控、設備環境監控、有線電話及廣播、火災自動報警與消防聯動、通信網絡，詳細功能如表1 所示。

表1 綜合監控系統現狀功能

傳統地下道路綜合監控系統配置了上述六大子系統等相關機電與信息化系統，初步實現了隧道的基礎管控功能，如交通流量信息采集系統、交通視頻監控系統、情報板信息發布系統、隧道超高檢測系統等[2-3]。

針對地下道路管理的新需求、精細化管控和服務等，傳統監控系統功能存在一定不足。

（1）交通管控功能需要提升增強

傳統地下道路綜合監控平臺對地下道路內車輛監測顆粒度低，對地下道路的運行狀況感知不夠全面，導致應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）應急救援功能不夠完善，水災監測手段不足

傳統地下道路綜合監控系統現階段功能無法滿足不斷新增的業務需求，如水災、火災等事件，均未有較為規范的體系和可預知的監測手段。

（3）運維管理養護不足，人工巡查，需要智能化巡檢。

傳統地下道路監控系統智能化程度較低，信息處置自動化水平不足，大部分問題是通過人工主動發現，系統無法在第一時間將各類事件推送至運管人員，處置效率低。系統未建立基于數據融合的問題監測發現機制與事件處置機制，聯動處置難，不能滿足地下道路運行管理聯動指揮、決策支撐的需要。

（4）對數據挖掘分析能力弱，需要大數據分析功能。

地下道路內布設的各個系統作為監測管控的抓手，積累了大量的監測數據，而目前數據標準化程度低、數據可共享水平低、數據深度分析和利用水平低，已開展的數據深度分析和利用工作總體上深度不足，對實際工作的指導作用有限，尚不具備有效支撐地下道路管理運行決策的能力。

（5）指揮調度手段單一，應急聯動處置難

當前，運管中心指揮調度多為電話通知，現場一線處置人員多數未攜帶手持終端設備，無法第一時間獲知事件信息，應急聯動處置效率低下。

1.2 現狀綜合監控系統平臺技術架構與問題分析

（1）常規軟件架構分析

常規軟件架構基本可滿足綜合監控平臺的功能需求，目前常規地下道路常用軟件架構主要為ESB架構等傳統架構。常規軟件架構ESB 主要優點如下：

a.靈活性

根據需求變化，可重新編排服務或應用程序。

b.對IT 資產的復用

使企業的信息化建設真正以業務或應用為核心，業務人員根據需求編排服務，不需要考慮技術細節。

但傳統軟件架構在軟件接口統一性、服務編排靈活度、IT 資源利用方面均存在不足，存在的弊端也不可忽視。

c.應用復雜度增加，更新、維護困難

簡單的應用會隨著時間的推移而逐漸變大，那么開發團隊將會面臨很多問題，其中最主要問題就是這個應用太復雜，以至于任何單個開發者都很難進行二次開發或維護，特別是那些剛加入團隊的開發人員，可能難以理解和修改應用程序。

d.易造成系統資源浪費

雖然使用負載均衡的方式可以對項目中的服務容量進行水平擴展，但是也會導致其他不需要擴展的服務也進行了相應的擴展，這種擴展會極大的浪費資源。

e.影響開發效率

當應用越大時，啟動時間就會越長。開發和調試的過程中，如果有很大一部分時間都要在等待中渡過，那么必然會對開發效率有極大的影響。

f.應用可靠性低

傳統單體應用架構在運行時的可靠性比較低，當所有模塊都運行在一個進程中時，如果任何一個模塊中出現了一個Bug，可能會導致整個進程崩潰，從而影響到整個應用。

g.不利于技術的更新

傳統單體應用架構一旦選定使用某些技術，則后期的開發和擴展將在這些技術的基礎上實現。如果需要更改某種技術，則可能需要將整個應用全部重新開發，這種成本是非常大的。

h.存儲方式單一

傳統單體架構所有的模塊都共用一個數據庫，一旦某個系統存儲出現問題，可能會導致整個數據庫數據錯亂等問題。

本文建議采用的微服務架構，具有以下幾個優點：

a.易于開發和維護

由于微服務單個模塊就相當于一個項目，開發這個模塊，我們就只需要關心這個模塊的邏輯即可，代碼量和邏輯復雜度都會降低，從而易于開發和維護。

b.啟動較快

相對單個微服務來說，相比于啟動傳統單體框架的整個項目，啟動某個模塊的服務速度明顯是要快很多的。

c.局部修改易部署

在開發中發現問題，如果是傳統單體架構，就需要重新發布并啟動整個項目，非常耗時間。微服務則不同，可以針對性的對軟件模塊出現的問題進行修復,修復后的軟件模塊部署相對簡單，不必重啟整個項目從而大大節約時間。

d.按需伸縮

傳統單體架構在想擴展某個模塊的性能時不得不考慮到其他的模塊的性能會不會受到影響，對于微服務而言，完全不是問題，任何模塊通過任何方式來提升本身性能不必考慮其它模塊的情況。

此外，相比于ESB 來說SOA 更加精細，更多的以獨立的進程的方式存在，互相之間并無影響；提供的接口方式更加通用化，各種終端都可以調用，無關語言、平臺的限制；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建設，可支持多隧道設施接入和統一中心的區域設施管理。

（2）設備接口不統一、協議不兼容

由于地下道路硬件廠商品牌繁多，會出現各外場終端軟件接口不統一、軟件協議不兼容、數據格式標準不一致、軟件硬件緊密耦合度不高、功能擴充彈性低的問題，難以滿足產線升級和重組需求，且整合不易。

2 地下道路新綜合管控平臺設計

本文提出云-邊-端的架構，本系統架構具備可擴展性，能打通系統數據壁壘，在構建大數據分析等方面具有天然優勢，部分上云，云控平臺，節約化建設[4]。

“云”指的是中心計算、存儲的節點，“邊”指的是部分業務，如融合多重算法模型于一體的邊緣工控機等邊緣計算節點，能實現智能設備診斷、智能視頻識別、預測性維護等功能，“端”指的是交通視頻監控、交通流量采集、信號控制、信息發布、位置服務、火災探測等外場終端設備。

首先從系統架構層面，提出了基于驅動級物聯接入總線的云邊端架構，從底層技術架構解決目前平臺的存在不足。系統統一標準、統一協議、統一管理、數據共享、實現業務互聯。

2.1 系統架構設計

主要包含感知層、基礎資源層、傳輸層、數據支撐層、應用層、交互層[5-7]，詳見系統架構見圖1。

圖1 系統架構圖

感知層：主要包括交通視頻監控設備、交通流量采集設備、信號控制設備、信息發布設備、位置服務設備、緊急呼叫設備、火災探測設備等。負責地下環路和地下道路內各類數據的采集，是地下道路建設的基礎。通過智能化外場設備的布設，實現對環路和地下道路人、車、路和環境信息的全息感知。

基礎資源層：包括基礎云平臺感知，規范地整合了基礎硬件資源等底層資源，在物理硬件設施的基礎上采用虛擬化云技術，實現存儲運算等硬件資源的虛擬化服務，為上層提供具備彈性伸縮能力、負載均衡、高可用性的基礎設施，從而提升硬件設施的利用效率，并提供相關的運行監控及資源調度功能。

傳輸層：通過監控工業以太網、LAN、4G 打通外場設施設備與管理中心的網絡，實現一張網的傳輸。

數據支撐層：采用先進的數據采集、精準的多源異構數據融合技術以及強大的數據挖掘分析等手段構建具備數據共享與交互、數據管理與服務以及數據的融合共享等功能的數據中臺。建設基于BIM+GIS+數字孿生引擎的數字孿生底座，通過數字孿生底座和數據中臺的融合應用，實現數據綜合應用和分析研判等功能。

業務層：主要包括智慧監管和智慧運營模塊，智慧監管模塊包含綜合監控-區域級地下交通設施監控、交通管控交通路網、安全管控等子模塊，智慧運營模塊包含資產管理、運營管理、移動巡檢、能耗分析與管理等子模塊。通過搭建應用分析模型，實現地下空間綜合應用業務智慧化、綜合管理智能精細一體化、指揮調度應急指揮精準化。

交互層：通過APP、工作站、大屏等多種渠道，加強智慧地下道路平臺的運營，提升包括公眾、領導、運維人員等不同用戶的參與感、認同感和獲得感。

2.2 平臺功能模塊完善

（1）交通管控功能

交通管控功能包括交通運行狀態全息感知、交通態勢研判、交通管控與引導，能夠提供交通事故預警、周邊交通狀態信息及交通燈信息等實時信息。從而實現接入本平臺的地下道路設施的區域級交通路網管控，實時掌握區域路網交通運行狀況，保障行車通暢、減少事故并在事件發生后及時做出反應。

（2）智慧防災功能

a.智慧消防

系統能實現對環境參數感知及報警、預警，減少誤報漏報率；實現地下道路溫度場、煙氣場的重構；構建動態建立疏散預案，并進行實時評估；能實現對消防系統評估。

b.智慧防汛

平臺模塊能實現對地下道路防洪相關參數的感知，包括外場積水相關傳感器數據接入、外部天氣預警信息接入。

c.聯動預案功能

預案聯動模塊分為日常運營控制管理模塊和應急預案控制管理模塊。

（3）應急聯動功能

a.日常運營控制管理

日常運營控制管理模塊應具有方案編輯功能，系統管理員可以對已有的方案進行修改，也可制作新方案，添加到系統中。日常管理模塊應包括交通控制、通風控制、照明控制、給排水控制等不同工況的要求。

b.應急預案控制管理

應急預案控制管理模塊應能夠具備對交通事件、火災、水災、環境異常、斷電、惡劣天氣、地質災害、特殊事件等突發工況的管理，此外還應包括對地下環路交通影響較大的計劃性維修養護和突發災害后的維修養護工況的管理。

（4）智慧運營功能

地下道路智慧運管模塊是一套針對地下道路管養系統的綜合服務模塊。主要功能包括人員及組織結構管理、資產管理、養護規范管理、作業排班管理、檢查管理、清洗養護管理、機電設備報警管理等核心業務功能。

2.3 與傳統綜合監控系統平臺系統比較分析

（1）與傳統綜合監控系統平臺功能對比

通過在感知層、基礎資源層、數據支撐層、應用層、展示支撐層、安全合規等方面比較，在各層級均有顯著的補充完善和提升，詳見表2。

表2 傳統平臺與新一代綜合管控平臺功能對比表

（2）與傳統綜合監控系統平臺性能對比

通過對平臺的可拓展性、安全性、可靠性、升級成本、容錯能力、可用性、服務的穩定性等方面進行對比，詳見表3，采用云架構的構建，不僅可以降低信息化構建成本和生產運營成本，提高資源配置效率、提升智慧交通管理水平、提高平臺安全性，還可以實現數據與業務的融合，為數據價值的提升奠定基礎，通過數據分析、人工智能等技術的加持，提供更加高階的場景化服務。

表3 傳統平臺與新一代綜合管控平臺性能對比表

3 結論

地下道路運行是城市安全有序運行的重要基礎，是城市高質量發展的重要內容?！跋虻叵乱臻g”成為城市發展的重要方向。以地下道路建設為契機，基于智能化技術建立智慧地下道路綜合管控平臺，能夠有效推進地下道路基礎設施智慧化提升，提高地下道路運行效率和事件處置能力，維護城市基礎設施有序運行?；诮y一的智慧地下道路綜合管控平臺，實現運行管理與預警預測全面監管，是推動城市地下道路管理手段、管理模式、管理理念創新的重要舉措。