基于云計(jì)算的智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心研究與設(shè)計(jì)

陳海天

摘要：為了可以更好地完成高速公路收費(fèi)、維護(hù)管理和安全管理等工作，文章主要分析了基于云計(jì)算的智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心研究與設(shè)計(jì)，建立智慧高速公路運(yùn)營(yíng)技術(shù)平臺(tái)，更加快速并精準(zhǔn)地完成高速公路的收費(fèi)、維護(hù)管理和安全管理等工作，可為建設(shè)智慧高速公路提供參考。

關(guān)鍵詞：交通;高速公路;云計(jì)算

中圖分類號(hào)：U412.366 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.049

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0179-04

0引言

在我國(guó)交通行業(yè)的不斷發(fā)展中，高速公路作為其中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展更為迅速。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截至2018年，我國(guó)的高速公路總長(zhǎng)就已經(jīng)達(dá)到了13.6萬(wàn)km。高速公路的快速發(fā)展也為我國(guó)運(yùn)輸服務(wù)業(yè)提供了強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力，從而提高了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。

在不斷發(fā)展的過(guò)程中，針對(duì)國(guó)內(nèi)的高速公路，已經(jīng)設(shè)立了各項(xiàng)分工明細(xì)的部門，如收費(fèi)中心、監(jiān)管中心等，這些部門與互聯(lián)網(wǎng)深度相結(jié)合，建立了較為完善的數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器，并且完善了其中的多種應(yīng)用功能。隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、GOS+BOM等技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于如何建立智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心也逐漸被人們所重視。

1 基于云計(jì)算的智慧高速公路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中心框架研究

1.1 云計(jì)算架構(gòu)與傳統(tǒng)IT架構(gòu)的比選

隨著云計(jì)算的不斷發(fā)展，各國(guó)對(duì)于云計(jì)算的重視程度也在持續(xù)增加。在2015年，黨中央與國(guó)務(wù)院共同發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)云計(jì)算創(chuàng)新發(fā)展培育信息產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)的意見(jiàn)》，表示將全力增強(qiáng)云計(jì)算服務(wù)能力，提高云計(jì)算自主創(chuàng)新能力以及大數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)利用。在2017年，云計(jì)算就已成功在重點(diǎn)領(lǐng)域占據(jù)了一定的地位，并形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈條和發(fā)展格局，加快了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)工信部也在2017年提出了《云計(jì)算發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃》，并表示在未來(lái)將從提升技術(shù)水平、增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)能力、推動(dòng)行業(yè)應(yīng)用、保障網(wǎng)絡(luò)安全、營(yíng)造產(chǎn)業(yè)環(huán)境等多個(gè)方面，推動(dòng)云計(jì)算的健康快速發(fā)展。同時(shí)，使用科學(xué)可靠的解決方案，進(jìn)一步保障云計(jì)算的發(fā)展環(huán)境，推動(dòng)核心技術(shù)的發(fā)展，使云計(jì)算服務(wù)能力達(dá)到國(guó)際的領(lǐng)先地位。

在國(guó)內(nèi)IT技術(shù)不斷進(jìn)步的推動(dòng)下，越來(lái)越多行業(yè)開(kāi)始應(yīng)用IT技術(shù)。但在傳統(tǒng)的IT基礎(chǔ)框架下，存在著資源匱乏、工作人員忙：于補(bǔ)救與部署工作這兩種不良情況，技術(shù)的復(fù)雜程度也不斷提高，從而拖延了應(yīng)用的上線時(shí)間。

為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工廠基礎(chǔ)框架的缺點(diǎn)，我國(guó)成功建立了完善的云計(jì)算框架。這項(xiàng)技術(shù)是通過(guò)采用多云處理器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用更為完善的管理方案，完成對(duì)系統(tǒng)的集中管理，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高資源使用率、降低服務(wù)器租用價(jià)格、推動(dòng)行業(yè)發(fā)展等目的。云計(jì)算架構(gòu)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，與傳統(tǒng)IT基礎(chǔ)框架相比，云計(jì)算框架具有資源有效利用、降低成本等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。因此，將云計(jì)算框架運(yùn)用到高速公路這一行業(yè)中，有著重要的發(fā)展意義。

1.2 基于私有云的智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心框架設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)已成功建立了高速公路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中心，包含收費(fèi)、稽查、監(jiān)測(cè)等多種業(yè)務(wù)，但由于其功能具有種類多、用戶多、計(jì)算多等特點(diǎn)，所以其業(yè)務(wù)具有獨(dú)有性，建立基于私有云的智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心就有著重要的意義。完善建立私有云智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心需要分層次，如分為基礎(chǔ)設(shè)施層、云服務(wù)層以及運(yùn)維業(yè)務(wù)支撐層等。

基礎(chǔ)設(shè)施層，其主要包含服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)這些基礎(chǔ)設(shè)施，并運(yùn)用這些基礎(chǔ)設(shè)施搭建出云平臺(tái)的物理環(huán)境?；A(chǔ)設(shè)施層的主要作用是通過(guò)虛擬化等技術(shù)，使服務(wù)器、儲(chǔ)存以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化構(gòu)建各類資源池，滿足基礎(chǔ)服務(wù)。

云服務(wù)層是指在云平臺(tái)中主要作為云計(jì)算中心的接口與平臺(tái)。云服務(wù)層在云平臺(tái)中主要承擔(dān)計(jì)算與分析等功能，可以為用戶提供更加完善的服務(wù)。

2 智慧高速公路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中心的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)及儲(chǔ)存資源池設(shè)計(jì)

2.1虛擬化計(jì)算設(shè)計(jì)

虛擬化計(jì)算，主要是通過(guò)對(duì)資源性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯性質(zhì)，再進(jìn)行計(jì)算。在運(yùn)算過(guò)程中通過(guò)將服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，使一臺(tái)服務(wù)器演化咸多臺(tái)或幾十臺(tái)的虛擬化服務(wù)器，從而形成資源池，降低物理?xiàng)l件的限制，提高資源的有效利用，增強(qiáng)計(jì)算能力。

2.2 虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

虛擬化網(wǎng)絡(luò)主要是通過(guò)分布式虛擬交換機(jī)進(jìn)行建立的，其中分布式交換機(jī)主要是起到了與各臺(tái)主機(jī)相互連通的鏈接作用。分布式交換機(jī)的兩端分別與虛擬機(jī)和物理以太網(wǎng)適配器相連，形成了網(wǎng)絡(luò)的互通，同時(shí)也建立了主機(jī)與虛擬機(jī)之間的聯(lián)系。

2.3 虛擬化儲(chǔ)存設(shè)計(jì)

虛擬化儲(chǔ)存設(shè)計(jì)主要將存儲(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并且仍然作為儲(chǔ)存容器，即將虛擬機(jī)轉(zhuǎn)化為一組文件儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。其中數(shù)據(jù)儲(chǔ)存是邏輯性的儲(chǔ)存容器，可以將存儲(chǔ)在其內(nèi)部的存儲(chǔ)設(shè)備特點(diǎn)掩蓋，并準(zhǔn)備相同的模型進(jìn)行虛擬機(jī)文件儲(chǔ)存。

在高速公路的運(yùn)營(yíng)中心中所需要的數(shù)據(jù)可以分為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。在虛擬化存儲(chǔ)中，兩種數(shù)據(jù)需要采用不同的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以采用磁盤陣列系統(tǒng)作為存儲(chǔ)資源池進(jìn)行存儲(chǔ)。而非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則需要將元數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)分開(kāi)，形成分布式的存儲(chǔ)方式。虛擬存儲(chǔ)池由多臺(tái)物理設(shè)備的存儲(chǔ)空間組合而成，可以提高存儲(chǔ)的利用率，提供更好的服務(wù)。虛擬化資源池示意圖如圖2所示。

2.4 云管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云管理系統(tǒng)在智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心中，主要負(fù)責(zé)對(duì)云資源、云服務(wù)、監(jiān)控等方面進(jìn)行管理工作。

其中云資源管理是對(duì)于各種性質(zhì)的資源進(jìn)行統(tǒng)一收集管理，并進(jìn)行池化工作。運(yùn)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及存儲(chǔ)等自動(dòng)化工具，將已經(jīng)收集到的資源轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)資源的管理與分配工作。

云服務(wù)管理則是為各類用戶提供訪司的通道與接口，可以使用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)于資源的查看、運(yùn)用與管理等操作。同時(shí)云服務(wù)管理也為云服務(wù)的請(qǐng)求過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一管理，并將各項(xiàng)服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)及系統(tǒng)的定義和規(guī)劃。

3 智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心目標(biāo)及功能設(shè)計(jì)

3.1智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

為建立更加完善的智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心平臺(tái)，需要建立一個(gè)完善的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，其建立方式主要運(yùn)用二維與三維模型。完善的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，與GIS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，運(yùn)營(yíng)中心將具有全面的信息數(shù)據(jù)以及完善的業(yè)務(wù)這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，也可以達(dá)到以下發(fā)展目標(biāo)：

（1）基于GIS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路線、收費(fèi)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)管、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等進(jìn)行展示。

（2）根據(jù)不同的出入口和標(biāo)識(shí)站，建立一個(gè)費(fèi)用的函數(shù)模型，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖和出入口車道與標(biāo)識(shí)站的流水，進(jìn)行綜合計(jì)算，計(jì)算出車輛的行走路線和精確費(fèi)用額度，并根據(jù)相關(guān)的規(guī)定，實(shí)施下發(fā)或降級(jí)的處理方案。

（3）可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到指定時(shí)間和地點(diǎn)的車流量、車牌照等信息數(shù)據(jù)。

（4）可以清晰地查看到高速公路中收費(fèi)站或管理中心等部門清分?jǐn)?shù)據(jù)。

（5）可以展示出車道與標(biāo)識(shí)站這些地點(diǎn)中所運(yùn)行的設(shè)備狀況以及各種緊急信息。

3.2 功能分析

智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心具有收費(fèi)、清分、結(jié)算等功能，以下對(duì)其中不同系統(tǒng)所具有的功能進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心為可以更好地進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用，建立以收費(fèi)車道、清分結(jié)算中心以及管理中心組成的三層框架結(jié)構(gòu)。其主要過(guò)程是在收費(fèi)車道采集信息數(shù)據(jù)，之后傳輸?shù)角宸纸Y(jié)算中心，清分結(jié)算中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析及檢查，并將一定的權(quán)限分配給收費(fèi)車道，收費(fèi)車道可以通過(guò)權(quán)限查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。其中收費(fèi)車道所收集的數(shù)據(jù)主要是通過(guò)規(guī)定的專線與清分結(jié)算中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，清分結(jié)算中心與管理中心則通過(guò)專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的流通。這種三層框架結(jié)構(gòu)的工作流程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的流通與共享。

清分結(jié)算中心的子系統(tǒng)是由各種不同功能的模塊所構(gòu)成，如報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、信息發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)管理等。

收費(fèi)車道子系統(tǒng)主要是對(duì)各種信息數(shù)據(jù)的收集和實(shí)時(shí)管理，但因?yàn)檐嚨婪N類的不同，其收集的數(shù)據(jù)和管理功能也存在不同。如ETC車道中的子系統(tǒng)主要包含了自動(dòng)扣費(fèi)、車道設(shè)備管理、特情處理等模塊。而MTC車道子系統(tǒng)則包含牌照信息搜集、收費(fèi)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等模塊。收費(fèi)車道子系統(tǒng)還有一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即交通流及設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要作用之一是對(duì)收費(fèi)車道所收集的信息，如車臉圖片、牌照識(shí)別數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次挖掘，在數(shù)據(jù)挖掘后，可以得出車輛軌跡分析、反推稽查等數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。另一主要作用是對(duì)設(shè)備設(shè)施的監(jiān)測(cè)，主要針對(duì)收費(fèi)車道中的車道設(shè)備、標(biāo)識(shí)站和清分結(jié)算中的軟硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件，并在突發(fā)事件發(fā)生后可以及時(shí)檢測(cè)，并交與相關(guān)部門進(jìn)行處理，從而快速恢復(fù)正常工作。

3.3 智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心性能要求

雖然智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心平臺(tái)具有眾多軟件功能，但這些功能需要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)：

（1）系統(tǒng)至少可以滿足并發(fā)用戶數(shù)上達(dá)到200個(gè)以上。

（2）系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)計(jì)算在多條路徑上至少70萬(wàn)的車輛，并可以在費(fèi)額下發(fā)過(guò)程中<5S。

（3）在本地、路段中心以及收費(fèi)站這三處進(jìn)行對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)的查詢，都可以快速調(diào)查，延遲時(shí)間<2S。

（4）應(yīng)用地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的3D模型，如收費(fèi)站等，其反應(yīng)時(shí)間≤10S。

4 結(jié)語(yǔ)

在近些年的發(fā)展中，高速公路行業(yè)融入了各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，具有完善的數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器。但在科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新的大環(huán)境下，如云計(jì)算、GIS網(wǎng)絡(luò)等的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的高速公路事業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，只有正確地認(rèn)識(shí)到智慧高速公路運(yùn)營(yíng)中心這一理念，科學(xué)合理地運(yùn)用先進(jìn)的云計(jì)算、GIS技術(shù)，才能更好地實(shí)現(xiàn)高速公路行業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步。