保麗霞

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200125）

0 引言

高速公路是綜合交通運(yùn)輸中重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。截止2018年3月，我國高速公路里程達(dá)13.6萬km。便捷的路網(wǎng)極大地增強(qiáng)了運(yùn)輸服務(wù)能力，提高了物流、人流的周轉(zhuǎn)效率，促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

多數(shù)省市的高速公路運(yùn)行監(jiān)測和收費(fèi)中心建設(shè)都比較早，數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、存儲以及應(yīng)用功能都在逐步升級和完善。隨著云計算、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及GIS+BIM的發(fā)展，新一代的智慧高速公路運(yùn)營中心建設(shè)逐步提上日程。

1 基于云計算的智慧高速公路網(wǎng)運(yùn)營中心框架研究

1.1 云計算架構(gòu)與傳統(tǒng)IT架構(gòu)的比選

2015年1月，黨中央、國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)云計算創(chuàng)新發(fā)展培育信息產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)的意見》（國發(fā)〔2015〕5號），提出大力發(fā)展云計算服務(wù)，實施云計算工程，大力發(fā)展計算、存儲資源租用和應(yīng)用軟件開發(fā)部署平臺服務(wù)。到2017年，云計算在重點領(lǐng)域的應(yīng)用得到深化，產(chǎn)業(yè)鏈條基本健全，初步形成安全保障有力，服務(wù)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新協(xié)同推進(jìn)的云計算發(fā)展格局，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

2017年4月，工信部印發(fā)《云計算發(fā)展三年行動計劃（2017－2019年）》提出在軟件定義網(wǎng)絡(luò)、新型架構(gòu)計算設(shè)備、超融合設(shè)備、綠色數(shù)據(jù)中心、模塊化數(shù)據(jù)中心、存儲設(shè)備、信息安全產(chǎn)品等方面實現(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)品突破，帶動信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)支撐能力。積極發(fā)展安全可靠的云計算解決方案，在重要信息系統(tǒng)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，探索利用云計算系統(tǒng)架構(gòu)和模式彌補(bǔ)軟硬件單品性能不足，推動實現(xiàn)安全可靠軟硬件產(chǎn)品規(guī)模化應(yīng)用。

在傳統(tǒng)IT基礎(chǔ)架構(gòu)環(huán)境中，業(yè)務(wù)迅速發(fā)展給IT帶來很大壓力：服務(wù)器需求不斷增多，機(jī)房空間、電力成為瓶頸，導(dǎo)致應(yīng)用所需服務(wù)器資源緊張；系統(tǒng)管理人員日常忙于補(bǔ)救和新的部署工作，技術(shù)復(fù)雜性使得部署時間越來越長，導(dǎo)致應(yīng)用上線時間延長。

云計算通過資源池技術(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器和硬件服務(wù)器隔離，使硬件資源切片使用，提供邏輯虛擬服務(wù)器為應(yīng)用提供服務(wù)，不但物理資源得到充分利用，而且機(jī)房壓力減少，整體投資下降。虛擬化技術(shù)把虛擬服務(wù)器保存成文件，通過復(fù)制文件提供了快速部署基礎(chǔ)。表1為云計算架構(gòu)與傳統(tǒng)IT架構(gòu)方案比選。

結(jié)合這幾年云計算技術(shù)的發(fā)展，云平臺在資源利用、按需配置、快速部署、擴(kuò)展維護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢，因此，考慮到高速公路網(wǎng)清分結(jié)算運(yùn)營中心的需求，建議可采用私有云平臺對存儲、計算資源進(jìn)行合理配置。

表1 云計算架構(gòu)與傳統(tǒng)IT架構(gòu)方案比選

1.2 基于私有云的智慧高速公路運(yùn)營中心框架設(shè)計

高速公路網(wǎng)運(yùn)營中心具有收費(fèi)、清分、交通流量分析、稽查、監(jiān)管等業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用功能復(fù)雜、種類繁多，并發(fā)用戶數(shù)多，存儲、計算需求也較大，業(yè)務(wù)具有專屬性。因此，有必要建立基于私有云的高速公路網(wǎng)運(yùn)營中心，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、云基礎(chǔ)架構(gòu)層、云服務(wù)層和運(yùn)維業(yè)務(wù)支撐層等（見圖1）。

基礎(chǔ)設(shè)施層：是云平臺的物理環(huán)境，主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及存儲等設(shè)備。在此基礎(chǔ)上采用虛擬化、分布式存儲等云計算技術(shù)，實現(xiàn)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲的虛擬化，構(gòu)建計算資源池、存儲資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)。

云基礎(chǔ)架構(gòu)層：在基礎(chǔ)設(shè)施層上，通過虛擬化技術(shù)對基礎(chǔ)設(shè)施（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲設(shè)備等）進(jìn)行資源池化和彈性管理，實現(xiàn)動態(tài)資源池的構(gòu)建；通過云計算操作系統(tǒng)，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心的服務(wù)及業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，提高運(yùn)維及運(yùn)營效率；通過建立統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建統(tǒng)一的信息門戶、統(tǒng)一的身份認(rèn)證系統(tǒng)和安全可靠的公共數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建設(shè)先進(jìn)實用的應(yīng)用支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)各個應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)共享。

云服務(wù)層：是云計算中心與最終用于交互的接口和平臺。通過該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)云計算中心統(tǒng)一提供運(yùn)算、分析、流程等服務(wù)，為用戶提供整體的云應(yīng)用和服務(wù)。

運(yùn)維業(yè)務(wù)支撐層：包括云數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營和支持、云數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)管理、云安全管理等。

圖1 基于私有云的智慧高速公路運(yùn)營中心框架

2 智慧高速公路網(wǎng)運(yùn)營中心的計算、網(wǎng)絡(luò)及存儲資源池設(shè)計

2.1 虛擬化計算設(shè)計

虛擬化計算將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，使一臺服務(wù)器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務(wù)器，不受限于物理上的界限，使CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態(tài)管理的資源池，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理。

可以創(chuàng)建虛擬機(jī)，并對集群資源進(jìn)行管理，包括資源自動動態(tài)調(diào)度（包含負(fù)載均衡和動態(tài)節(jié)能）、虛擬機(jī)管理（包含創(chuàng)建、刪除、啟動、關(guān)閉、重啟、休眠、喚醒虛擬機(jī)）、存儲資源管理（系統(tǒng)盤、用戶盤和共享盤的管理）、虛擬機(jī)安全管理（包含自定義虛擬局域網(wǎng)或使用安全組）。

2.2 虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

采用分布式虛擬交換機(jī)方式建立虛擬化網(wǎng)絡(luò)。每臺主機(jī)都鏈接到分布式交換機(jī)中。分布式交換機(jī)的一端是與虛擬機(jī)相連的虛擬端口，另一端是與虛擬機(jī)所在主機(jī)上的物理以太網(wǎng)適配器相連的上行鏈路。通過它可以連接主機(jī)和虛擬機(jī)，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互通。

2.3 虛擬化存儲設(shè)計

存儲虛擬化是將存儲設(shè)備抽象為數(shù)據(jù)存儲，虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)存儲中作為一組文件存儲在自己的目錄中。數(shù)據(jù)存儲是邏輯容器，類似于文件系統(tǒng)，將各個存儲設(shè)備的特性隱藏起來，并提供一個統(tǒng)一的模型來存儲虛擬機(jī)文件。

智慧高速公路網(wǎng)運(yùn)營中心存儲的數(shù)據(jù)主要有兩類：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲資源池可采用傳統(tǒng)的高性能磁盤陣列系統(tǒng)；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲資源池采用元數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相分離的方式，通過分布式存儲技術(shù)，將多臺物理設(shè)備中的存儲空間聚合成一個虛擬存儲池，充分發(fā)揮存儲系統(tǒng)的性能和磁盤利用率，為用戶提供文件系統(tǒng)的共享功能。

2.4 云管理系統(tǒng)設(shè)計

云管理系統(tǒng)主要承擔(dān)云資源管理、云服務(wù)管理、配置管理、流程管理、監(jiān)控管理及容量管理。

云服務(wù)管理主要提供用戶訪問接口，實現(xiàn)云資源的展示、請求、管理等用戶操作接口。支撐云服務(wù)請求的流程管理，對各服務(wù)項目具體定義和部署設(shè)計。

云資源管理對虛擬化或物理資源進(jìn)行資源納管和池化，通過服務(wù)器自動化、網(wǎng)絡(luò)自動化、存儲自動等管理工具將納管后的資源管理抽象為統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)各類資源的部署。

3 智慧高速公路運(yùn)營中心目標(biāo)及功能設(shè)計

3.1 智慧高速公路運(yùn)營中心實現(xiàn)目標(biāo)

基于GIS-T+BIM建設(shè)智慧高速公路運(yùn)營中心平臺，路段采用二維，出入口車道、標(biāo)識站采用三維模型，形成地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，所有的計算、應(yīng)用和展示基于GIS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“一張圖、全方位數(shù)據(jù)、全業(yè)務(wù)流程”，具備收費(fèi)清分結(jié)算、收費(fèi)管理、運(yùn)營維護(hù)、監(jiān)督管理、數(shù)據(jù)分析與輔助決策、安全管理、收費(fèi)稽查等七大應(yīng)用體系。達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）依托GIS實現(xiàn)對所有動態(tài)車流數(shù)據(jù)、多義路徑識別、費(fèi)額計算、路段、收費(fèi)站統(tǒng)計、設(shè)備設(shè)施監(jiān)測、稽查、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘等展示。

（2）對任意兩點（出入口、標(biāo)識站）建立費(fèi)用函數(shù)模型，費(fèi)率動態(tài)可調(diào)整，基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖和匯聚的出入口車道、標(biāo)識站流水，實時計算各車輛的準(zhǔn)確路徑及費(fèi)額，按照算法約定下發(fā)及降級處理。

（3）基于GIS能夠?qū)崟r展示任意劃分段的車流量、速度、過車牌照等數(shù)據(jù)。

（4）基于GIS展示為各路段中心、收費(fèi)站等查詢、瀏覽的清分?jǐn)?shù)據(jù)。

（5）基于GIS展示車道、標(biāo)識站的設(shè)備運(yùn)行狀況及報警、修復(fù)等信息。

3.2 功能研究

智慧高速公路運(yùn)營中心應(yīng)具備收費(fèi)、清分、交通流及設(shè)備設(shè)施監(jiān)測、通行卡管理、稽查、安全、數(shù)據(jù)分析、運(yùn)維、服務(wù)等功能。

智慧高速公路運(yùn)營中心采用“收費(fèi)車道—省級清分結(jié)算中心—國家中心”三層架構(gòu)。M TC和ETC收費(fèi)車道的數(shù)據(jù)傳輸至高速公路收費(fèi)清分結(jié)算中心，在該平臺上進(jìn)行入口數(shù)據(jù)匯聚、多義路徑識別及費(fèi)額計算、出口收費(fèi)管理、清分結(jié)算、稽查、統(tǒng)計、共享、收費(fèi)大數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)應(yīng)用，為各路段中心、收費(fèi)站開設(shè)獨(dú)立權(quán)限，可實時查詢權(quán)限內(nèi)的收費(fèi)及相關(guān)數(shù)據(jù)?？ü就ㄟ^專線與清分中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與共享，清分中心通過專網(wǎng)與國家中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。第三方支付平臺通過互聯(lián)網(wǎng)與上海市高速公路清分結(jié)算中心進(jìn)行結(jié)算，系統(tǒng)預(yù)留未來ETC的拓展業(yè)務(wù)。圖2為智慧高速公路運(yùn)營中心三級架構(gòu)圖。

圖2 智慧高速公路運(yùn)營中心三級架構(gòu)圖

清分結(jié)算中心子系統(tǒng)主要由收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)GIS圖層及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、出入口及標(biāo)識站數(shù)據(jù)匯聚、多義路徑識別、收費(fèi)管理、通行費(fèi)拆分與結(jié)算、營改增數(shù)據(jù)匯聚與共享、運(yùn)營維護(hù)、稽查、監(jiān)管、數(shù)據(jù)分析及輔助決策、黑名單更新、費(fèi)率更新、各路段中心客戶端功能、收費(fèi)站客戶端功能、系統(tǒng)參數(shù)管理、報表統(tǒng)計/查詢/打印、票證及通行券管理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、信息發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)管理、操作權(quán)限管理、密鑰管理、安全認(rèn)證等模塊構(gòu)成。

收費(fèi)車道子系統(tǒng)按照M TC、ETC車道進(jìn)行劃分。ETC車道子系統(tǒng)主要包括RSU管理、接收更新中心系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、實時費(fèi)額接收、自動扣費(fèi)、車道設(shè)備管理、本地費(fèi)額計算、特情處理等模塊。M TC車道子系統(tǒng)主要包括發(fā)卡、接收更新中心系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、牌照識別信息匯聚、實時費(fèi)額接收、收費(fèi)、清卡、車道設(shè)備管理、本地費(fèi)額計算、特情處理等模塊。

交通流及設(shè)備設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)可以對匯聚到中心的車道、標(biāo)識站牌照識別數(shù)據(jù)、車臉圖片，結(jié)合收費(fèi)數(shù)據(jù)等對車輛進(jìn)行軌跡分析、反推稽查、出行規(guī)律及偏好分析等數(shù)據(jù)挖掘。主要包括：車輛軌跡分析、牌照識別準(zhǔn)確率分析、牌照識別與實際收費(fèi)的核對、反推稽查、車輛出行規(guī)律及偏好分析等。對高速公路網(wǎng)（含省界站）的車道設(shè)備、標(biāo)識站、通信以及清分結(jié)算中心的軟硬件進(jìn)行在線監(jiān)測，對異常及故障的設(shè)備自動報警，經(jīng)人工確認(rèn)后報所屬項目公司進(jìn)行維修管理，并跟蹤維修及恢復(fù)狀態(tài)。

3.3 智慧高速公路運(yùn)營中心性能要求

智慧高速公路運(yùn)營中心平臺及軟件功能總體上應(yīng)達(dá)到以下性能要求：

（1）系統(tǒng)支持最大并發(fā)用戶數(shù)不小于200個（具體可根據(jù)最大請求的車道數(shù)確定）；

（2）系統(tǒng)支持并發(fā)計算多義性路徑識別車輛數(shù)70萬輛以上（根據(jù)同時在網(wǎng)車流量確定），實時費(fèi)額下發(fā)延遲小于5 s；

（3）本地及路段中心、收費(fèi)站查詢收費(fèi)系統(tǒng)任意數(shù)據(jù)響應(yīng)時間小于2 s；

（4）收費(fèi)站、標(biāo)識站的3D模型啟用反應(yīng)時間小于10 s。

4 結(jié)論

搭建了基于云計算的智慧高速公路運(yùn)營中心框架，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、云基礎(chǔ)架構(gòu)層、云服務(wù)層和運(yùn)維業(yè)務(wù)支撐層等，對虛擬化計算、虛擬化網(wǎng)絡(luò)、虛擬化存儲以及云管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，提出了基于GIS-T+BIM的智慧高速公路運(yùn)營中心平臺，實現(xiàn)“一張圖、全方位數(shù)據(jù)、全業(yè)務(wù)流程”，具有收費(fèi)清分結(jié)算、收費(fèi)管理、運(yùn)營維護(hù)、監(jiān)督管理、數(shù)據(jù)分析與輔助決策、安全管理、收費(fèi)稽查等應(yīng)用功能。提出了最大并發(fā)用戶數(shù)、多義性路徑識別計算最大并發(fā)用戶數(shù)、響應(yīng)時間、模型反應(yīng)時間等系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)。