程 翠， 肖莉英

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400074)

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基于云計(jì)算的高速公路交通安全預(yù)警

程 翠， 肖莉英

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400074)

為完善高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)和提升預(yù)警的準(zhǔn)確性，本文基于云計(jì)算技術(shù)，研究高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng). 詳細(xì)分析了信息采集子系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng). 本系統(tǒng)采用傳感設(shè)備實(shí)時(shí)定期采集高速公路運(yùn)行狀態(tài)各項(xiàng)信息，使用通信技術(shù)將海量數(shù)據(jù)輸入信息處理服務(wù)器，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云計(jì)算中心服務(wù)器，由此提供數(shù)據(jù)評(píng)估與預(yù)警等云計(jì)算服務(wù)，并將預(yù)警信息通過(guò)信息發(fā)布設(shè)備進(jìn)行發(fā)布.

高速公路；預(yù)警系統(tǒng)；云計(jì)算

近年來(lái)，我國(guó)的高速公路交通事故率在逐漸下降，表明在交通安全預(yù)警方面取得了一定成績(jī). 但與國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的交通事故率特別是高速公路交通事故率仍然比較高. 近年來(lái)我國(guó)的高速公路通車(chē)?yán)锍滩粩嘣黾?，相?yīng)的預(yù)警系統(tǒng)和管理策略也必須要不斷地完善，才能解決通車(chē)?yán)锍淘黾訋?lái)的許多問(wèn)題. 截止2013年，我國(guó)高速公路通車(chē)總里程已達(dá)到10.4萬(wàn)km[1]，顯然，其預(yù)警管理系統(tǒng)的發(fā)展與總里程的增加存在很大程度上的矛盾. 基于物聯(lián)網(wǎng)，可將高速公路、傳感器、數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)評(píng)估等融合為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)采集到難以計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)，而基于云計(jì)算可以對(duì)高速公路的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，提高數(shù)據(jù)分析的效率和質(zhì)量[2]. 因此，有必要在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)對(duì)高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)深入研究.

關(guān)于高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了相關(guān)研究. 國(guó)外研究主要側(cè)重于3個(gè)方面. 一是高速公路交通安全事故的預(yù)防，如Marcel boschung，Schmitten發(fā)明了路面結(jié)冰預(yù)警裝置等；二是評(píng)估在交通事故情況下高速公路的應(yīng)急響應(yīng)能力，如：Robert L·Bertini 等利用存儲(chǔ)的 ITS 數(shù)據(jù)，研究了俄勒岡州波特蘭高速公路交通事件響應(yīng)的程序效用，Ahmed Abdel-Rahim等利用微觀仿真技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了高速公路的分流路線計(jì)劃；三是優(yōu)化配置應(yīng)急車(chē)輛等救援資源，主要有Saini Yang 等研究了限定區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)緊急車(chē)輛調(diào)度與路線誘導(dǎo)模型[3-4]. 國(guó)內(nèi)安全預(yù)警研究方面也有一定的成果，主要是交通事件的檢測(cè)與預(yù)測(cè)的研究，通過(guò)采集交通基礎(chǔ)信息、分析交通安全的現(xiàn)狀、建立交通安全預(yù)警模型、構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)體系、確定預(yù)警的警限方法，從而對(duì)道路交通安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)警. 胡裕軍等構(gòu)建了一種基于WebGIS的交通事故預(yù)警系統(tǒng)[5]；易正俊等提出了一種利用粗糙集理論建立交通安全預(yù)警模型[6]；陳曉東等提出了一種基于交通流理論的高速公路安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，闡述了系統(tǒng)的信息采集與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等[7]. 上述研究都是利用單一的結(jié)構(gòu)理論研究建立模型，沒(méi)有考慮過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)的雙層結(jié)合利用，尚需進(jìn)一步深入研究.

本文基于云計(jì)算技術(shù)，通過(guò)研究高速公路系統(tǒng)中信息采集、信息數(shù)據(jù)處理、判別預(yù)警等技術(shù)，從邏輯上構(gòu)建了基于云計(jì)算的高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)，并分析了該系統(tǒng)的組成，包括信息采集子系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng).

1 高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 邏輯架構(gòu)模型

根據(jù)對(duì)云計(jì)算的理解，可歸納新興的云計(jì)算包括計(jì)算和服務(wù). 計(jì)算部分主要的任務(wù)是將分布的資源整合成資源池，并按需求動(dòng)態(tài)配置供上層應(yīng)用；服務(wù)部分主要任務(wù)是連接用戶(hù)，為用戶(hù)提供獲取各種服務(wù)入口，并且可以在沒(méi)有相關(guān)知識(shí)的情況下獲得所需服務(wù). 然而，針對(duì)處理高速公路預(yù)警管理中的海量時(shí)間序列數(shù)據(jù)正是云計(jì)算可以滿(mǎn)足的[8-9].

基于云計(jì)算的架構(gòu),根據(jù)已存在的高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)的組成和功能，作者從邏輯上將其劃分為6個(gè)部分，包括物理資源層、資源抽象后的虛擬化層、資源控制層、服務(wù)層以及貫穿整個(gè)過(guò)程的安全層、管理層[10]. 如圖1所示，為基于云計(jì)算的高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖.

1.1.1 物理資源層

物理資源層包含網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)的物理設(shè)備，包括可納入IaaS層的高速公路管理部門(mén)數(shù)據(jù)中心設(shè)備設(shè)施以及連接各基礎(chǔ)設(shè)施的光纖或網(wǎng)絡(luò)等.

1.1.2 虛擬化資源層

虛擬化資源層是利用云計(jì)算技術(shù)從物理層將資源抽象出來(lái)，使資源成為可調(diào)配的，如此資源就可以大規(guī)模地使用，并且可作為服務(wù)對(duì)外提供.

1.1.3 資源控制層

資源控制層主要是管理虛擬資源，并為應(yīng)用層(服務(wù)層)提供服務(wù).

1.1.4 應(yīng)用程序/服務(wù)層

應(yīng)用程序/服務(wù)層包括SaaS(Software as a Service)應(yīng)用程序、PaaS(Platform as a Service)環(huán)境和IaaS(Infrastructure as a Service)環(huán)境(信息處理云平臺(tái)). 信息處理云平臺(tái)主要由應(yīng)用層上的各種軟件和管理底層資源組成，主要包括數(shù)據(jù)挖掘、存儲(chǔ)管理、負(fù)載均衡等管理底層資源軟件以及計(jì)算模型、中間件等. PaaS環(huán)境即可擴(kuò)展的運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)存儲(chǔ). SaaS應(yīng)用程序面向最終用戶(hù)，對(duì)安全預(yù)警系統(tǒng)的功能進(jìn)一步封裝后以方便的可操作方式提供給上層應(yīng)用. 在上述模塊的支撐下，可以向用戶(hù)提供的服務(wù)有：高速公路預(yù)測(cè)預(yù)警信息服務(wù)、基礎(chǔ)信息服務(wù)以及綜合信息查服務(wù).

1.1.5 安全層

安全層是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的安全，從上至下形成分層防護(hù)的縱深防御體系，包括用戶(hù)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全、平臺(tái)安全、系統(tǒng)安全等.

1.1.6 管理層

管理層包括服務(wù)管理、資源管理、基礎(chǔ)設(shè)施管理、部署管理等，它是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行配置進(jìn)行管理，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)各層面的運(yùn)行狀況，優(yōu)化配置資源，提高資源整體效率.

圖1 基于云架構(gòu)的高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成圖

高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)主要面向高速公路管理部門(mén)(交警、路政等)、參與者(駕駛員、乘客等)、服務(wù)者(消防等機(jī)構(gòu)、企業(yè))，用于對(duì)影響交通安全的因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、并發(fā)布預(yù)警信息，保證高速公路系統(tǒng)處于有秩序的安全狀態(tài)，其核心是監(jiān)控、預(yù)測(cè)、通過(guò)信息發(fā)布矯正人的交通活動(dòng)行為. 它由信息采集、處理、發(fā)布子系統(tǒng)3部分組成. 圖2為基于云計(jì)算高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成圖.

信息采集系統(tǒng)主要是應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)，實(shí)時(shí)采集高速公路運(yùn)行狀態(tài)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù).

信息處理子系統(tǒng)主要是將海量數(shù)據(jù)輸入信息數(shù)據(jù)處理平臺(tái)之后，信息數(shù)據(jù)處理平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳輸至云計(jì)算中心運(yùn)用預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警模型對(duì)其進(jìn)行分析和處理，判別道路的交通安全態(tài)勢(shì)，最終確定道路的交通安全狀態(tài)的預(yù)警警度和預(yù)警信息.

圖2 基于云計(jì)算交通安全預(yù)警系統(tǒng)框架

2 高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)信息采集子系統(tǒng)

高速公路交通安全預(yù)警信息采集子統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示.

圖3 信息采集子系統(tǒng)

在任何一個(gè)預(yù)警系統(tǒng)中，信息采集系統(tǒng)都是不可或缺的. 高速公路安全預(yù)警系統(tǒng)也不例外，高速公路交通管控措施、安全管理方案的制定、運(yùn)行安全狀態(tài)的評(píng)估等都必須以精準(zhǔn)的交通信息采集為基礎(chǔ). 所以，確定如何對(duì)哪些信息及時(shí)且準(zhǔn)確的采集是預(yù)警系統(tǒng)建立和高效運(yùn)行的前提. 采集數(shù)據(jù)主要分為動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)和靜態(tài)信息數(shù)據(jù)，如表1所示.

3 高速公路安全預(yù)警系統(tǒng)信息處理子系統(tǒng)

高速公路安全預(yù)警系統(tǒng)信息處理子系統(tǒng)框架如圖4所示.

本系統(tǒng)中，云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的必要條件就是高效高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸. 隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭苍絹?lái)越多，大致分為有線傳輸和無(wú)線傳輸. 而無(wú)線傳輸將會(huì)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)男纶厔?shì)，它實(shí)現(xiàn)了傳感器之間、傳感器與控制中心之間的直接通訊，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將采用無(wú)線傳輸.

高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)多層次的系統(tǒng)，具有測(cè)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、采樣頻率高的特點(diǎn). 因此本系統(tǒng)利用云計(jì)算的核心技術(shù)海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)技術(shù)，主要有一個(gè)中心數(shù)據(jù)和若干個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù). 其中，中心數(shù)據(jù)庫(kù)為大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，它的作用主要表現(xiàn)在3點(diǎn)：與Internet結(jié)合；協(xié)調(diào)各個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理維護(hù).

4 高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)信息發(fā)布子系統(tǒng)

預(yù)警信息發(fā)布子系統(tǒng)是將交通安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果作為輸入，并據(jù)此調(diào)用相應(yīng)預(yù)警信息庫(kù)中的文件判斷相應(yīng)的預(yù)警警度和預(yù)警信息，并通過(guò)信息發(fā)布設(shè)施發(fā)布. 它是高速公路交通安全預(yù)警系統(tǒng)中必不可少的部分，若沒(méi)有信息發(fā)布系統(tǒng)，用戶(hù)就無(wú)法真正獲得交通安全的狀態(tài)(交通信息、緊急情況等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息). 預(yù)警信息發(fā)布子系統(tǒng)主要包括通信系統(tǒng)和預(yù)警信息發(fā)布設(shè)施. 信息發(fā)布系統(tǒng)構(gòu)造如圖5所示.

表1 采集數(shù)據(jù)類(lèi)別及設(shè)備

圖4 信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖5 高速公路信息發(fā)布系統(tǒng)框架

信息發(fā)布設(shè)施是信息發(fā)布子系統(tǒng)的終端設(shè)備，可為駕駛員提供良好的預(yù)警信息. 設(shè)備主要包括可變信息情報(bào)板、可變限速標(biāo)志、交通廣播、通信廣播、信號(hào)燈系統(tǒng)、公共信息查詢(xún)系統(tǒng)、車(chē)載信息終端等.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于云計(jì)算的概念，研究了高速公路交通安全

預(yù)警系統(tǒng)，包括信息采集、信息處理、判別等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建信息采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)3個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速公路全方位重點(diǎn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)，有助于提高高速公路預(yù)警效率和精確性，提升高速公路服務(wù)水平和安全運(yùn)行可靠度.

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局. http:∥www.stats.gov.cn/.

[2] 張力平. 云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的美妙融合[J]. 電信快報(bào), 2014(6): 34.

[3] Baird T. Toward a contingency model of strategic risk taking[J]. Academy of Management Review, 1985.

[4] G. R. Winham. Issues in international crisis management[J]. Harvard Business Review, 1995.

[5] 胡裕軍. 基于WebGIS的交通事故預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京: 南京大學(xué), 2005.

[6] 易正俊. 基于粗糙集的道路交通事故預(yù)警算法研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2007.

[7] 陳曉東. 基于交通流理論的高速公路安全預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué)， 2011

[8] 朱近之. 智慧的云計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2011.

[9] 王劍飛. 云計(jì)算[EB/OL]. [2015-05-05]. http:∥blog. sina. com. cn/s/blog_4a875f140102dyie. html.

[10] 范增祿, 薛峰. 并行計(jì)算編程技術(shù)淺析[J]. 福建電腦, 2007(3): 42-44

Highway Traffic Safety Advance Warning System Based on Cloud Computing

CHENG Cui, XIAO Li-ying

(School of Traffic & Transportation， Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To improve the highway traffic safety warning system and enhance the accuracy of the warning, this paper proposed an highway traffic safety warning system based on cloud computing technology. In this paper, three subsystems were analyzed: information collection subsystem, information data processing systems and information dissemination subsystem. The system uses real-time sensing devices on state highway to collect the information; the communication technology transfers the data over the network to a cloud computing center server, where data assessment was conducted to produce advance warnings as a part of cloud computing services, and the advance warnings will be published through information dissemination devices.

highway; advance warning systems; cloud computing

10.13986/j.cnki.jote.2015.03.002

2015- 03- 19.

程 翠(1989—)， 女， 重慶云陽(yáng)人， 碩士， 研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理, E-mail：ccgqlf927520@163.com.

U 495

B

1008-2522(2015)03-05-05