高速公路管理信息系统中的共用信息平台

同济大学 杨东援 徐士伟 贾俊刚

内容提要

在高速公路管理信息系统的分步实施的建设过程中，需要认真考虑对系统的可靠衔接和统一性的保证。本文针对省级高速公路管理信息系统的建设要求，深入研究了各子系统之间共享信息的组织问题，提出了建立共用信息平台的技术方案。

关键词：公路 管理信息系统 数据共享 共用信息平台

  1. 引言

    2. 我国的高速公路管理信息系统的建设出现了值得关注的趋势：系统管理范围要求从单条路线扩展到整个高速公路网络（例如某省管理系统一期工程的建设规模就达到800公里左右）；综合利用交通信息增强宏观决策和调控能力的意识增强（例如某市在收费系统招标要求中明确提出，收费是调控交通需求的重要手段，为此收费系统必须具有提供相关决策参考信息的功能）；开始制定高速公路管理信息系统的总体规划，并以此作为分期实施的交通监控系统、收费系统、公众信息发布系统等的宏观指导方案。

    我们在制定某省级高速公路管理信息系统总体方案的过程中，为实现用户方“统一规划、统一标准、统一设计、分期实施”的要求，研究了对分步、分散建设的各种高速公路管理子系统如何进行系统整合的方法，以及相应的系统设计概念和技术方案。

    本文所提出的共用信息平台是进行系统整合的重要工具。共用信息平台首先是一种规划概念：在系统规划阶段明确逐步扩展的系统各部分之间相互衔接关系，确定接口和功能衔接要求；共用信息平台也是一种管理控制概念：在系统建设阶段明确的目标，可以通过投资建设要求等方式加以保证；共用信息平台又是一种技术概念：以此提供系统整合的技术依托。
  2. 高速公路信息系统逐步递进的发展战略

    3. 高速公路管理[1]信息系统是由多个子系统构成的复杂信息系统，一般至少包括如表1所示的组成部分，其中决策支持[2]等子系统称为信息增值服务系统。按照知识化、科学化管理要求，系统功能不仅需要完成各种事物性管理任务，而且需要逐步形成高速公路的“管理神经网络”，有效沟通各部门之间的信息联系，实现将数据组织成为信息，将信息提炼成为知识，将知识融入整个管理，全面支持事务管理、决策分析、制定战略过程的目标。

    表1 高速公路信息系统的组成

    系统名称

    系统类型

    对其他系统的依赖性

    高速公路收费系统

    事务管理

    *

    高速公路监控系统

    事务管理

    *

    高速公路设计资料工程数据库

    数据管理

    *

    高速公路养护管理系统

    事务管理

    **

    高速公路事故信息分析系统

    决策支持

    ***

    高速公路灾害应急管理系统

    指挥系统

    **

    高速公路公众信息服务系统

    信息发布

    ***

    高速公路网规划决策支持系统

    决策支持

    ***

    高速公路战略决策支持系统

    决策支持

    ***

    注：* 对其他系统的依赖性小；** 对其他系统的依赖性中等；***对其他系统的依赖性强。

    由于需要一个积累经验，建立技术和管理基础的过程，我们不可能一下子建设一个功能完美的高速公路信息系统。同时，又必须尽可能避免子系统在分步开发过程中的反复修改，以保持系统开发的相对稳定性。逐步递进发展，是解决上述矛盾的一种有效方式。

    逐步递进发展的方式是抓住总体功能控制性规划设计，确定子系统之间的接口衔接关系。当子系统的外部关联明确之后，再进入先期建设子系统的详细设计。我们将其称为总体控制设计，分块详细设计，分期实施，递进发展的积木式建设方式。
  3. 高速公路信息管理系统中的信息共享

为实现逐步递进发展的方式，需要预先分析高速公路管理信息系统各子系统之间的数据联系关系，这种关系具有如下特点：

整个信息系统运行依赖四个子系统提供基础数据:监控系统——道路交通流量、车速等；收费系统——高速公路出入口OD数据等；设计施工资料工程数据库——道路几何设计数据；道路养护管理系统——道路铺装情况等。

各子系统对数据的时间要求存在着一定的需求差异，如监控系统关注的是现状数据，规划决策支持系统、事故信息分析系统等关注的是累积的历史数据和现状数据的结合。

路网规划决策支持系统要求路段年平均日交通流量就基本能够满足需要，而事故信息分析系统所需要的数据则要细致得多。应采用共用数据详细程度层次化方法，来满足不同的数据服务需求。

图1说明了在各子系统直接联系的情况下，相互之间的数据流通状态。

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图1中各数据流的具体构成情况见表2。

表2 信息管理系统各子系统间数据流内容

编号

数据流

数据内容

1

监控系统向事故信息分析系统所传送的数据。

事故发生时，该路段的交通流量、交通流车速

2

道路监控系统向路网规划决策支持系统发送的数据

各路段（不包括立交匝道）的年平均日交通量，路段平均车速，路段5分钟流量与地点车速的抽样数据。

3

道路监控系统向战略决策支持系统发送

各路段（不包括立交匝道）的年平均日交通量、路段平均车速。

4

道路监控系统向公众信息发布系统发送

各路段及立交5分钟时段平均流量、路段车速情况和路段交通情况图像。

5

收费系统向规划决策支持系统发送

年平均日OD交通量，各种时间不均匀系数，交通的车种构成（客货构成，大小车型等）。

6

工程数据库向公众信息发布系统发送

道路电子地图（数据更新时）。

7

工程数据库系统向规划决策支持系统发送

道路交叉口坐标位置、互通式立交形式、道路路段里程及车道数（均仅在数据更新情况下或具有特殊查询要求时发送）。

8

工程数据库向灾害应急管理系统发送

道路交叉口坐标位置、互通式立交形式、道路路段里程及车道数、道路各种桥梁基本设计图纸等（均在数据更新情况下发送）。

9

道路养护管理系统向灾害应急管理系统发送

桥梁维修情况和道路设施完好状态评估情况。

10

收费系统向监控系统发送

动态OD数据以及车型构成信息。

11

工程数据库向监控系统发送

道路路段及立交几何设计参数（当数据更新时发送）。

12

道路养护管理系统向监控系统发送

道路路面状态数据。

13

监控系统向道路养护管理系统发送

各路段年平均日交通量。

14

工程数据库向事故信息分析系统发送

道路几何设计参数（包括路段及立交）。

15

收费系统向道路养护管理系统发送

年平均OD交通量，按照车辆轴重分类的车辆构成抽样调查数据。

16

事故信息分析系统向公众信息发布系统发送

交通事故分析报告信息。

17

道路养护管理系统向公众信息发布系统发送

道路施工养护信息。

在各子系统直接进行信息传送情况下，存在系统共用数据缺乏明确的维护责任，数据的统一性难以保证，接口设计受到其他子系统功能要求的牵制等问题，影响逐步递进开发方式的实现。一种有效的改进方案是采用共用信息平台的方式进行系统共用信息的管理：共用信息平台担负高速公路管理信息系统中共用信息的中转中心的职责，各承担数据采集的子系统按照一定规则将共用数据发送给共用数据平台，由共用信息平台进行规范化处理后加以存储，根据需求规则或者子系统的请求，采用规范格式将数据发送出去。这时的数据流情况如图2所示。

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4.共用信息平台

共用信息平台的确切含义是对整个高速公路管理信息系统共用数据组织结构和传输形式的一种规范化定义，以及一个对共用数据进行组织、存储、查询、通讯等管理服务的数据仓库[3]系统。

共用信息平台的责任在于：

从实现形式上看，共用信息平台具有分布式数据仓库的特征。对于各子系统经常使用的数据存储在共用信息平台自身的数据库中，而一些偶然使用的细节数据则仅在共用信息平台中纪录存放位置、更新时间、数据结构等信息，遇到查询请求时共用信息平台首先从相应子系统中提取数据，而后转送给等待服务的客户。图3显示了共用信息平台的结构。

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图3 共用信息平台的结构

5.面向用户的共用数据组织关系描述

    面向用户的共用数据组织关系描述，是为各子系统进行数据查询时提供可理解的数据间关系说明。这种数据关系包括：有关数据在空间位置及时间上的联系，数据的确切含义等。共用信息平台通过共用数据规范保障对外服务的信息透明度，其中涉及如下与用户查询密切相关的基本概念：参照系、数据类型、数据粒度。

5.1 路网参照系

由于交通信息系统涉及的各种事件(点事件,例如交通事故、地点车速等；区域事件，例如路段行驶车速等)，需要在具有空间位置表现能力的系统（例如GIS-T）中定位，所以需要为整个高速公路管理信息系统建立统一参照系作为空间信息组织框架。

路网参照系采用一种类似里程桩号的方式定义各种交通事件的发生位置，构成交通信息空间组织框架。为了适应不同的数据详细程度要求，路网参照系采用了能够从细致向粗略变换的三套参照系：基本路网参照系、中观路网参照系、宏观路网参照系（参见图4）。

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图4 三种路网参照系之间的关系

  1. 基本路网参照系

基本路网参照系提供了道路路段以及立交的几何数据详细描述，利用它能够精确确定交通事件的空间位置。

基本路网参照系采用图（X,A）来描述路网拓扑关系，其中X为结点的集合，而A为有向边的集合。结点对应于高速公路的交叉点，采用平面坐标值描述其空间位置，采用结点编码与其他数据之间建立联系；边对应于两个结点之间的高速公路路段，采用两端结点编号定义在路网中的拓扑关系，采用几何样条曲线描述边的平面位置关系，采用直线和圆曲线描述边的纵断面线形。在基本路网参照系中有一种特殊的边——连接边，用于描述立交的连接匝道几何参数。

2）中观路网参照系

中观路网参照系描述了路网结点的空间位置，路网结点之间的道路连接情况，连接路段的长度，以及连接路段的空间位置情况。与基本路网参照系相比，中观路网参照系省略了道路互通式立交的连接方式，以及出入口的细致情况。

3）宏观路网参照系

宏观路网参照系用于说明路网的宏观情况，描述了路网结点的空间位置、路网结点之间的道路连接情况，以及连接路段的长度。与基本路网参照系相比，宏观路网参照系省略了道路的连接方式（互通式立交的详细情况），路线的详细空间位置，以及出入口的情况。

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图5 三种路网参照系的可视化示例

5.2 共用数据类型

(1)道路技术数据

    道路技术数据：包括道路几何参数（平面线形参数、纵断面线形参数、横断面线形参数）及路面铺装数据。道路几何参数由高速公路设计资料工程数据库提供，道路铺装数据由高速公路设计资料工程数据库提供原始数据，由高速公路养护管理系统提供更新数据。

(2)交通流特征数据

    交通流特征数据定义在路网参照系之上，其数据具有车种构成、数量、数据粒度等方面的特征。

(3)OD数据

确切地讲是高速公路出入口OD数据，它定义在空间结点对参照系之上，其数据具有数量、车种构成和粒度等特征。

5.3 数据粒度层次

信息粒度是反映信息详细程度的概念。为适应不同子系统信息需求的详细程度不同，共用信息平台采用信息粒度层次对数据进行必要的组织。

(1)道路技术数据的粒度是通过路网参照系三层结构体系来提供的.

参照系之间的变换通过抽象运算来加以完成，即从下层参照系数据中略去部分细节数据，获得高一层次的参照系。

(2)交通流特征数据粒度反映了交通流数据在时间和空间上的细致程度。

按照时间轴划分为： 5分钟交通特征（合计流量、平均车速、平均密度）、小时交通流特征（合计流量、平均车速、平均密度）、日交通流特征（合计流量、平均车速、平均密度）、月平均交通流特征（月平均日交通量、平均车速、平均密度）、年平均交通流特征（年平均日交通量、平均车速、平均密度）。

按空间轴划分为：道路分段（网络中边的一段）、路段（两个交叉点之间的路段）、路线（如104国道）上的交通流特征。

(3)OD数据粒度反映了时间上的细致程度

OD数据划分为：日OD量、周平均日OD量、月平均日OD量、年平均日OD量。

6.共用信息平台所提供的信息服务方式

6.1 依据共用数据规范的数据查询

      根据路网参照系确定空间范围（例如济青高速公路K100+325至K120+383或二分公司管辖等）后，选择数据类型（道路技术数据、交通流数据、OD数据），确定时间范围，定义输出格式，进行数据查询。在查询过程中，可以根据SQL-92进行相应的数据查询的操作。

6.2 主题查询

      主题查询是根据某种事先设计好的数据组织结构进行查询的方式，例如：道路几何线形与交通事故之间的关系、道路交通与社会经济发展之间的关系等。对于各种主题，系统提供事先设计的主体内容索引将相关图表、数据组织在一起。

6.3 提供“共用信息底图”

    共用信息底图是共用信息平台中最为基本的共用数据。它的实际表现形式为地理信息系统中的电子地图。在高速公路网管理信息系统中，信息底图按照信息的粒度，分别采用了宏观参照系、中观参照系及基本参照系三种方式支持不同决策分析。在该数字地图上辅以相应粒度的交通流量数据，便构成了共用信息平台的信息底图。

7. 结束语

信息是组织起来的数据，知识是经过提炼的信息。在建设功能较强的省级高速公路管理系统的过程中，为保证提高系统整体效率，需要高度重视信息组织问题，以实现系统有效整合。共用信息平台是针对将省级高速公路管理信息系统逐步建成行业管理的“神经网络”而提出的重要概念，与系统规划管理、投资目标管理等手段有效结合，将有助于实现提高系统整体效率的目的。课题组正在进行的共用信息规范、数据组织结构、数据质量管理、信息传输规程等工作将进一步完善共用信息平台的设计理论与实践。

参考文献

  1. [美]美国运输部联邦公路管理局，潘文敏等译，高速公路管理，西安：西北工业大学出版社，1990年。
  2. 杨东援，交通规划决策支持系统，上海：同济大学出版社，1997年。
  3. [美]Tom Hammergren，曹增强等译，数据仓库技术，北京：中国水利水电出版社，1998年。