多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)研究

周星宇， 瞿 輝， 周曉梅

（中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

隨著我國交通建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路已經(jīng)成為我國綜合交通運輸網(wǎng)絡(luò)體系中的中堅力量。近幾年，高速公路交通事故、自然災(zāi)害等各種突發(fā)事件給人民群眾的生命財產(chǎn)造成重大損失。隨著我國各個行業(yè)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，為了提高突發(fā)事件應(yīng)急處置效率，各省高速公路應(yīng)急管理部門都在積極建設(shè)應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)。目前高速公路應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)的主要功能集中在省級應(yīng)急指揮中心，只有發(fā)生重大突發(fā)事件時，部分?。ㄊ校└咚俟饭芾聿块T會派出移動應(yīng)急指揮車進(jìn)駐現(xiàn)場，展開應(yīng)急指揮工作。由于移動指揮車易受到周邊環(huán)境限制，當(dāng)高速公路發(fā)生阻斷后，不能快速到達(dá)突發(fā)事件現(xiàn)場，不能完全滿足現(xiàn)場應(yīng)急指揮的需求。因此，為彌補(bǔ)上述問題帶來的不足，提出了以高速公路路段監(jiān)控分中心或收費站等，距離突發(fā)事件現(xiàn)場更近，且具備網(wǎng)絡(luò)通信條件的路網(wǎng)節(jié)點來構(gòu)建現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)的方法，與省中心應(yīng)急指揮系統(tǒng)、移動指揮車形成互補(bǔ)，并作為基層單元（現(xiàn)場級）納入多層級應(yīng)急指揮體系。

1 應(yīng)急指揮體系

目前，我國高速公路設(shè)立部—省兩級應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)，借助移動應(yīng)急指揮車作為現(xiàn)場應(yīng)急指揮場所。根據(jù)國家公路交通突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案的要求，應(yīng)設(shè)立國家—省—市—縣4級應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)。在高速公路應(yīng)急管理中，缺少市、縣級應(yīng)急管理信息平臺，不能向市、縣級應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)提供應(yīng)急信息服務(wù)?？紤]到高速公路沿線路段分中心和收費站的位置特點和數(shù)量，以及與省級應(yīng)急指揮中心具備網(wǎng)絡(luò)通信條件，因此提出利用現(xiàn)有路段分中心和收費站基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)立現(xiàn)場級應(yīng)急指揮系統(tǒng)，與移動應(yīng)急指揮車協(xié)同發(fā)揮現(xiàn)場應(yīng)急指揮作用的設(shè)想。同時，現(xiàn)場應(yīng)急指揮系統(tǒng)也可以為當(dāng)?shù)貞?yīng)急管理部門獲取高速公路應(yīng)急信息和參與應(yīng)急處置提供服務(wù)。

圖1 多層級高速公路應(yīng)急指揮體系

2 現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)需求分析

2.1 功能定位

根據(jù)高速公路應(yīng)急指揮體系業(yè)務(wù)流程，重特大事件發(fā)生后應(yīng)派駐現(xiàn)場工作組開展應(yīng)急指揮工作，建立現(xiàn)場指揮與省級應(yīng)急中心指揮相結(jié)合的應(yīng)急指揮體系，為現(xiàn)場應(yīng)急指揮中心人員與省級應(yīng)急指揮中心協(xié)調(diào)指揮、掌握實時路況信息、應(yīng)急資源信息、聯(lián)動其他相關(guān)應(yīng)急救援部門、上報事件發(fā)展態(tài)勢和向現(xiàn)場應(yīng)急救援人員發(fā)出調(diào)度指令并提供服務(wù)。

2.2 功能需求

從業(yè)務(wù)流程分析來看，多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)的主要職責(zé)是提供突發(fā)事件現(xiàn)場及周邊路段的實時態(tài)勢信息和應(yīng)急資源信息，為應(yīng)急指揮和應(yīng)急會商提供依據(jù)。

1）全省域?qū)崟r路段信息可視化展現(xiàn)

以圖形化的方式在背景地圖上顯示各路段運行狀態(tài)（緩慢、暢通和擁堵）、各收費站交通流量信息、收費站開啟／關(guān)閉信息、各路段交通事件信息、各路段道路養(yǎng)護(hù)信息、各路段正在執(zhí)行的應(yīng)急預(yù)案信息和各路段應(yīng)急資源信息等。

2）全省域?qū)崟r氣象信息可視化展現(xiàn)

以圖形化方式在背景地圖上顯示各路段氣象信息、基于路面布設(shè)的氣象檢測器和能見度檢測器的設(shè)備信息、氣象部門發(fā)布的權(quán)威氣象信息，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)判別高速公路斷面氣象條件：大霧、冰雪、暴雨等。

3）全省域視頻圖像實時查看

以圖形化方式在背景地圖上顯示攝像機(jī)的地理位置和名稱，以列表方式按照路段分組顯示攝像機(jī)，查看各個路段的實時視頻，必要時可以遙控云臺并改變攝像機(jī)的視野。

4）應(yīng)急調(diào)度指令發(fā)布

系統(tǒng)應(yīng)能與省級中心實現(xiàn)應(yīng)急會商機(jī)制，通過會商可以利用省級中心應(yīng)急指揮系統(tǒng)給聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)發(fā)布事件控制區(qū)、影響區(qū)收費站的關(guān)閉或開啟等信息，向聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布機(jī)電設(shè)備控制指令等；應(yīng)能對各路段應(yīng)急救援隊伍發(fā)出調(diào)度指令?，F(xiàn)場應(yīng)急指揮人員按照其職責(zé)對突發(fā)事件進(jìn)行處置，在情況變化時發(fā)出調(diào)度指令，直到突發(fā)事件處置完畢時結(jié)束與其他系統(tǒng)的聯(lián)動和協(xié)同。

3 現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)設(shè)計

3.1 架構(gòu)設(shè)計

3.1.1 邏輯架構(gòu)

多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用分層的邏輯架構(gòu)，包括展示層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)通信層（見圖3）。

（1）展示層即用戶界面層，為用戶提供人機(jī)交互的界面，完成系統(tǒng)監(jiān)控、應(yīng)急指揮等操作；

（2）服務(wù)層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)邏輯的封裝，隔離用戶的界面和具體業(yè)務(wù)邏輯，關(guān)注點主要集中在業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)等與業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計；

（3）數(shù)據(jù)通信層負(fù)責(zé)與聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)收費等系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)信息的采集與控制指令的發(fā)送。

3.1.2 物理架構(gòu)

主要反映軟件系統(tǒng)運行時的動態(tài)結(jié)構(gòu)，以及組成軟件系統(tǒng)的目標(biāo)程序如何部署到硬件上?？紤]到系統(tǒng)匯集全省域視頻資源和數(shù)據(jù)的需求，省級應(yīng)急指揮中心是視頻、監(jiān)控、收費等系統(tǒng)匯集數(shù)據(jù)的節(jié)點，同時也能提供不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高性能的服務(wù)器，所以提出在省級應(yīng)急指揮中心設(shè)計部署相關(guān)視頻、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件，現(xiàn)場應(yīng)急指揮中心部署客戶端軟件。

系統(tǒng)的目標(biāo)軟件程序根據(jù)任務(wù)不同分為客戶端軟件、一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件和流媒體服務(wù)軟件，物理架構(gòu)見圖4。

客戶端軟件部署在現(xiàn)場指揮中心的個人計算機(jī)（Personal Computer，PC）上，是提供給現(xiàn)場指揮人員操作使用的人機(jī)界面軟件；一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件部署在省級應(yīng)急指揮中心的數(shù)據(jù)通信服務(wù)器上，負(fù)責(zé)與相關(guān)外場設(shè)備或其他外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制命令下發(fā)；流媒體服務(wù)軟件部署在省級應(yīng)急指揮中心的流媒體服務(wù)器上，負(fù)責(zé)整合全省域內(nèi)異構(gòu)視頻系統(tǒng)、提供客戶端所請求的視頻資源。

3.2 視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)方案設(shè)計

當(dāng)高速公路突發(fā)事件發(fā)生時，只有采集到全面和實時的現(xiàn)場信息，才能及時掌握突發(fā)事件現(xiàn)場的情況，為緊急救援及突發(fā)事件的應(yīng)急處置提供有效的指揮和決策依據(jù)。與其它信息采集設(shè)備相比較，視頻圖像具有信息直觀的特點。有時突發(fā)事件對高速公路的影響會波及到整個路段或相鄰的幾個路段，所以多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)也需要能提供整個路段和相鄰幾個路段的視頻圖像信息。

為實現(xiàn)全省域視頻資源的調(diào)閱需求，綜合總體架構(gòu)設(shè)計、通信網(wǎng)絡(luò)條件、各路段視頻系統(tǒng)硬件資源配置和視頻傳輸通道的特點等因素，提出通過省級應(yīng)急指揮中心通信節(jié)點匯集獲取視頻資源和控制視頻設(shè)備的視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，在省級應(yīng)急指揮中心部署流媒體服務(wù)軟件。省級應(yīng)急指揮中心的流媒體服務(wù)軟件負(fù)責(zé)匯集各個路段分中心的視頻資源，經(jīng)過處理、整合后形成H.264標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻流提供現(xiàn)場客戶端，實現(xiàn)現(xiàn)場級應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)調(diào)閱全省域視頻資源的需求。

3.2.1 視頻聯(lián)網(wǎng)控制

目前，我國各省高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)都具有逐級上傳視頻傳輸通道和由上到下的控制路由［1］。收費站路段監(jiān)控圖像上傳到路段分中心的視頻，多采用模擬視頻光端機(jī)或數(shù)字非壓縮視頻光端機(jī)完成，路段分中心到省級中心由于傳輸距離較長，往往大于光端機(jī)的無中繼傳輸距離，另外考慮到通信系統(tǒng)所提供的傳輸帶寬，視頻圖像的上傳采用數(shù)字壓縮方式。視頻控制目前多采用以視頻模擬矩陣控制和數(shù)字視頻平臺計算機(jī)為主。視頻控制矩陣間直接通過通信系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)通道，或由與矩陣相連的多媒體計算機(jī)通過以太網(wǎng)完成控制信號傳輸。

我國各省高速公路路段分中心運行的視頻監(jiān)控主要包括兩大類：模擬視頻矩陣系統(tǒng)和全數(shù)字視頻平臺。各個視頻系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和視頻傳輸協(xié)議都不同。省級應(yīng)急指揮中心與路段分中心實現(xiàn)視頻聯(lián)網(wǎng)控制的方案按路段分中心視頻系統(tǒng)構(gòu)建類型主要分為三種［2］（見表1）。

圖4 多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

表1 視頻聯(lián)網(wǎng)控制方式表

3.2.2 視頻傳輸設(shè)計

多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)完成視頻的請求、控制和傳輸?shù)倪^程涉及到客戶端軟件和流媒體服務(wù)軟件。流媒體服務(wù)軟件部署在省級應(yīng)急指揮中心，負(fù)責(zé)數(shù)字視頻流的請求、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，是本視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案實現(xiàn)的核心部分。客戶端軟件部署在現(xiàn)場應(yīng)急指揮中心負(fù)責(zé)對數(shù)字視頻解碼查看。

客戶端軟件與流媒體服務(wù)軟件間要建立2個傳輸通道，視頻請求、攝像機(jī)控制命令的傳輸通道以及視頻流的傳輸通道。視頻請求、攝像機(jī)控制命令的傳輸通道主要負(fù)責(zé)視頻請求命令、攝像機(jī)控制命令的發(fā)送與結(jié)果返回。該傳輸通道采用傳輸控制協(xié)議（Trans mission Contr ol Pr otocol，TCP）連接方式，由客戶端軟件向流媒體服務(wù)軟件發(fā)起連接請求。視頻流傳輸通道的建立，考慮到視頻流的傳輸對實時性要求較高，選擇采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議／網(wǎng)絡(luò)之間互連協(xié)議（User Data Protocol Inter net Protocol）組播方式。UDP屬于無連接協(xié)議，具有資源消耗小，處理速度快的優(yōu)點，盡管在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳的環(huán)境下協(xié)議數(shù)據(jù)包丟失會比較嚴(yán)重，但通常音頻、視頻和普通數(shù)據(jù)仍多使用UDP協(xié)議傳送，因為視頻、音頻傳輸中即使偶爾丟失少量數(shù)據(jù)包，也不會對接收結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，利用組播方式傳輸會減少發(fā)生網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的可能，UDP協(xié)議傳輸出現(xiàn)亂序，數(shù)據(jù)丟包的可能也會隨之降低。

視頻的請求、控制和傳輸過程：

（1）客戶端軟件發(fā)送視頻請求、控制命令到流媒體服務(wù)軟件；

（2）流媒體服務(wù)軟件對客戶端軟件發(fā)來的相關(guān)命令信息進(jìn)行解析后發(fā)往指定路段分中心的視頻控制設(shè)備；

（3）如果是模擬視頻控制設(shè)備，則將請求的視頻資源切換到指定的編碼器；如果是全數(shù)字視頻平臺，則將請求的視頻資源以數(shù)字視頻流的方式直接提供給省級應(yīng)急指揮中心的流媒體服務(wù)器；

（4）流媒體服務(wù)軟件根據(jù)指定的編碼器信息，向指定的編碼器發(fā)送獲取視頻流命令；

（5）流媒體服務(wù)軟件將獲取的視頻流發(fā)送到指定的組播地址；

（6）客戶端加入該組播地址，通過客戶端的視頻播放模塊播放視頻資源。

視頻請求過程中的數(shù)據(jù)流向見圖5。

圖5 視頻請求過程數(shù)據(jù)流向圖

3.3 一體化應(yīng)急指揮技術(shù)方案設(shè)計

根據(jù)需求分析，多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)需要匯集全省域的路況、氣象、應(yīng)急資源等信息。與視頻信息類似，各路段的路況、氣象，收費站流量、應(yīng)急資源等信息都在省級應(yīng)急指揮中心匯聚，現(xiàn)場級應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)要想獲取全省域的信息就需要與省級應(yīng)急指揮中心的各系統(tǒng)交互。但是由于省級應(yīng)急指揮中心的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)收費、應(yīng)急指揮等系統(tǒng)先行獨立建設(shè)，有的系統(tǒng)沒有為外部系統(tǒng)提供訪問接口，所以現(xiàn)場級應(yīng)急指揮系統(tǒng)無法實現(xiàn)與省級應(yīng)急指揮中心各系統(tǒng)直接進(jìn)行交互，需要在省級應(yīng)急指揮中心整合各個獨立系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息提供給現(xiàn)場級應(yīng)急指揮系統(tǒng)的客戶端。

圖6 一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件與其他系統(tǒng)的交互

基于架構(gòu)設(shè)計的原則，一體化應(yīng)急指揮技術(shù)方案也應(yīng)按照分層面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service－Oriented Architect ure，SOA）的思想進(jìn)行實現(xiàn)。本方案提出在省級應(yīng)急指揮中心設(shè)計1個基于 Web Ser vice的一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件，對聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)收費、省級中心應(yīng)急指揮系統(tǒng)和其他外部相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一整合提供給現(xiàn)場應(yīng)急指揮中心的客戶端或其他外部請求者。一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件與其他系統(tǒng)的交互見圖6。

根據(jù)Web Service的特點分析：

（1）由于Web Ser vice的數(shù)據(jù)重用性和跨平臺操作的特點，利用Web Service整合的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)收費等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不僅提供給現(xiàn)場級應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)的客戶端，還可以提供給其他外部系統(tǒng)使用，滿足了系統(tǒng)設(shè)計開放性原則；

（2）在特殊情況下，多層級現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)可能運行于突發(fā)事件發(fā)生現(xiàn)場就近的其他場所，只具備Inter net訪問條件且不具備接入應(yīng)急指揮局域網(wǎng)的條件，所以 Web Service的跨防火墻通信的特點，可以使運行在這些場所的現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)客戶端能夠請求到省級應(yīng)急指揮中心發(fā)布的相關(guān)Web Service。

經(jīng)上述兩方面的考慮，Web Service技術(shù)具有良好的適用性。

3.3.1 Web Service接口定義

根據(jù)多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)的需求分析，定義在省級應(yīng)急指揮中心的數(shù)據(jù)通信服務(wù)器上發(fā)布Web Service對應(yīng)的接口方法（見表2）。

表2 接口方法定義表

3.3.2 數(shù)據(jù)請求流程

（1）現(xiàn)場應(yīng)急指揮系統(tǒng)客戶端發(fā)送封裝成簡單對象訪問協(xié)議（Si mple Object Access Pr otocol，SOAP）消息的數(shù)據(jù)請求，省級應(yīng)急指揮中心的一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件接受SOAP請求，然后查找定義的WSDL（Web Ser vices Description Language）文件，找到相應(yīng)的接口；

（2）一體化應(yīng)急數(shù)據(jù)服務(wù)軟件通過消息解析模塊解析SOAP消息，獲取參數(shù)；

（3）根據(jù)不同類型的消息請求，與省級應(yīng)急指揮中心不同的外部系統(tǒng)進(jìn)行交互，如獲取路段信息的接口，內(nèi)部實現(xiàn)與省級應(yīng)急指揮中心的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)交互；

（4）將返回的結(jié)果信息封裝成標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Mar kup Language，XML）格式，返回給客戶端SOAP消息。

5 結(jié) 語

提出了一種利用現(xiàn)有路段分中心和收費站建設(shè)現(xiàn)場應(yīng)急指揮系統(tǒng)的方法，在全省形成多層級高速公路應(yīng)急指揮體系，有利于提高應(yīng)急指揮效率、提高交通信息化設(shè)施利用率。

利用流媒體技術(shù)和Web Service技術(shù)等現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，給出了多層級高速公路現(xiàn)場應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)實現(xiàn)所需的關(guān)鍵技術(shù)方案，包括視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和一體化應(yīng)急指揮的技術(shù)方案。

［1］ 張波.基于流媒體的高速公路視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)［J］.交通世界，2011（11）：142－143.