天津高速公路集團：基于大數據中臺的高速公路數字化創新成果應用

本文為由《中國企業報》集團、《互聯網周刊》共同發起的“2023全國企業數字化建設優秀案例征集”活動中，入選的優秀案例。

紙引未來網訊1、建設概況

（一）項目背景

2021年2月，國務院國資委印發《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》，提出“運用5G、云計算、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，探索構建適應企業業務特點和發展需求的‘數據中臺’‘業務中臺’等新型IT架構模式，加快形成集團級數字技術賦能平臺，為業務數字化創新提供高效數據及一體化服務支撐”。與此同時，在新基建浪潮的推進下，智慧高速成為我國基礎設施建設的熱點之一。近年來，國務院、交通運輸部相繼發布了一系列智慧交通政策文件，并先后開展交通控制網及智慧公路試點、交通強國單位試點工作，賦予智慧高速新優勢、新動能。

為響應國資委企業數字化創新發展的要求，服務高速集團持續高質量發展，服務天津市“數字公路”、“交通強國”建設，2021年以來，經多方調研和仔細籌備，天津高速集團組織完成了“天津高速集團數據中臺”建設，并圍繞當前最急迫的道路養護需求建成了“養護數據庫”，初步實現了高速公路數據資源的匯聚和科學管理，實現了數字賦能科學養護，為集團“數字化轉型”添磚加瓦。在此基礎上圍繞智慧高速運行調度與數字孿生開展探索新應用。

（二）項目概況

天津市高速集團數據中臺是面向集團內數字化業務的數據資源匯聚管理和支撐服務平臺，是集團數字化業務的數據中樞。數據中臺從2020年開始策劃，2021年正式開始一期建設并在年底開始投入使用。目前，天津高速集團數據中臺已具備數據資產、數據開發、數據質量、數據安全、數據運維、數據服務、數據分析等10大功能模塊，初步實現數據“源→接入→處理→計算→分析→服務→共享→運維”的全生命周期閉環治理和應用；并建成了成本、質量（養護）、OA管理、項目管理、卡口過車五大數據倉庫，為集團業務數字化、數字業務化提供了基礎條件。

另外，建成了集團與路網中心的專線網絡，實現了全市高速公路交通流量、運行速度、重點車輛GPS等數據接入數據中臺，伴隨未來公路中心數據中臺建成，將逐步實現更多行業數據共享共用。

為加快推進可視、可測、可控、可服務的智慧高速公路運行監管體系的形成。建設智慧高速公路運行管理系統與數據孿生應用，完成管理部門高速業務系統數據匯聚，完成高速“人—車—路—環境”態勢全域全時感知，基于實際道路運行態勢、交通事件，形成前端路側設備、信息發布的管控，輔助管理部門基于實際道路、環境、交通情況完成管控決策。打造高速公路智信息發布管控平臺，實現“資源整合、降本增效”。

（三）資金投入及說明

2021年啟動項目建設，累計投入358萬元。

2、建設內容

（一）集團數據中臺

（1）數據中臺整體架構

考慮到數據保密性，天津聯網中心推送的運營收費數據以及其他一些數據，經過脫敏處理后，要求保存在高速集團的內部網絡中。

數據中臺數據存儲部分部署在集團內私有云，負責存儲中臺對接的各種類型數據，包括結構化數據和非結構化數據，從而保證數據在內網的安全、可控。數據中臺的應用服務部分在公有云部署，負責各種類型數據的接收、清洗、計算、統計等，同時對外提供數據接口，允許授權終端訪問指定的數據資源。數據中臺兩個部分相互配合，做到數據的分級分層在公有云和內部機房之間動態流動、應用之間的相互通信和硬件資源的充分利用。

（2）數據中臺主要功能

從功能上講，總體分成技術工具集、數據源、大數據資源資產平臺、統一業務支撐平臺、數據應用等幾個部分：

技術工具集包括分布式存儲、實時計算、離線計算、ETL數據轉換、作業調度、資源管理等部分。

數據源包括原始數據來源，以及把數據源數據引入數據中臺之后，在數據中臺中存儲的數據庫等部分。在本項目建設中，數據源部分僅包含在數據中臺的數據庫部分，并不包含數據源本身，但需要和數據源對接。

大數據資源資產平臺包括數據體系、數據資產體系、數據服務體系等部分。數據體系包括結構化數據、半結構化數據、非結構化數據等部分。數據資產體系包括數據視圖、數據安全、數據質量、數據開發等部分。數據服務體系包括交互服務、查詢服務、分析服務、接口服務等部分。

統一業務支撐平臺建成產品集，包括數據集成、數據資產管理、數據安全、數據運維、數據服務、數據開發、數據算法、統一地圖服務、APP查詢管理、大數據計算、數據資產可視化等所有功能，也可以提供從屬平臺的數據集成、數據安全、數據開發、大數據計算平臺等所有功能。

數據應用由數據中臺提供統一的數據和算法支撐服務，根據業務需求開展即時應用需求。中臺能夠隨高速公路業務發展對數據算法進行擴展，中臺算法庫集成更多的高速公路業務相關的數據算法，包括設備設施健康狀況監控與預測算法、設備設施效費比計算與評估算法、養護計劃安排算法等。

（3）數據中臺特色能力

Ø 統一地圖服務

統中臺提供統一的地圖服務器，并在地圖進行更新的時候，動態同步到使用該地圖服務器的各個應用系統中。統一地圖服務支持柵格圖層、矢量圖層，以及建筑物等專題圖層。

Ø 數據資產可視化

通過將數據指標進行配置，可以快速生成可視化圖表，并可以對可視化圖表的樣式進行個性化調整，如下圖所示。帶有地理信息的數據可以通過可視化模塊展示在地圖上，并對數據層的樣式進行自定義調整，快速生成專題地圖。

通過將外場設備等資產信息數字化，可以在地圖上展示所有的設備，使用戶可以快速掌握當前的設備狀態以及數據接入狀態，識別異常設備，為設備維修提供依據。

在數據中臺應用過程中，隨著所管理數據的逐漸增加，數據之間的關系會逐漸變得復雜并難以管理，系統提供完整的數據全生命周期血緣可視化功能，完整展示每一條數據鏈條以及數據鏈條上的對應任務，保證數據全流程安全、可控。同時，可以對數據進行篩選和過濾，方便進行快速定位。

Ø 地圖與軌跡匹配

中臺分別提供了百米樁、GPS坐標點與地圖匹配的算法。地圖匹配（Map Matching）是指將百米樁或GPS行車軌跡的經緯度采樣序列與數字地圖路網匹配的過程，其本質上是平面線段序列的模式匹配問題。根據考慮采樣點的時間范圍和計算結果的及時性，本項目主要采用局部/增量算法作為匹配方法。局部/增量算法是貪婪算法，每次確定一個匹配點，下個點從已經確定的匹配點開始搜索，根據距離和方向相似性來找到局部最優點或邊。

Ø 運行指標計算

基于GPS與地圖匹配計算結果，篩選所有處于GPS時間處于目標時間段的數據，統計每個路段的總樣本覆蓋距離(L)和總樣本覆蓋時間(t)，使用L/t即可獲得對應路段旅行車速。通過調用GPS速度算法，可以直接計算路段、路線、路網的速度。

Ø 養護指標計算

養護指標主要為以線路百米樁號為基礎的PQI、PCI、BCI等技術路況檢測評定數據。中臺能夠實現對路線、路網養護技術狀況指標的分項計算與地圖匹配顯示。路線養護指標計算參考《JTG 5210-2018 公路技術狀況評定標準》。路線PQI、PCI、BCI等技術路況檢測評定指標，等于該路線內所有評定單元指標結果的算術平均值。路網養護指標等于公路網內所有路線的評定單元指標結果的長度加權平均值。

（4）數據中臺技術優勢

Ø 靈活適配、符合國產化

擁抱開源技術，沒有方言、沒有強綁定、拒絕被綁架，靈活適配各種需求。系統全部國產化，符合國產化要求。

Ø 數據一本賬、所見即所得

所有的原始數據、指標數據、數據血緣、數據質量形成完整的數據指標體系，數據家底一本賬，貫穿每一類數據的全生命周期。

分析人員通過SQL，一站式調用數據庫、分析型數據庫、大數據計算服務，快速即席獲得期望監測指標

Ø 建模即數據接入、即數據服務

通過對數據源和原始數據模型、質量要求的建模，自動完成數據接入程序生成，并可以便捷動態部署數據接入程序，并在數據接入過程中，實時監控數據接入質量，發生異常時，及時報警。

通過對結果數據模型、質量要求的建模，自動完成數據對外服務接口程序的生成，并自動化部署，并在提供數據服務時，實時監控數據服務質量，發生異常時，及時報警。

Ø 高性能文件存儲、高性能算法設計

采用自有核心技術，文件分級分塊并行存儲，有效聚合磁盤存儲帶寬和網絡帶寬，做到文件存儲速度線性擴展，支撐大文件的存儲和處理。

對交通領域基礎數據和指標計算，研發出業界領先的數據處理分析算法，大大提升數據處理分析速度和精度

（二）科學養護決策應用

（1）科學養護數據庫建設

公路交通發展已經進入由公路建設為主向建養并重轉變的新階段，為適應新的形勢要求，深入推進天津市高速公路養護高質量發展，中臺圍繞“公路養護”板塊建設了養護數據庫，實現了以道路基礎設施、檢測評價數據為主的數據全量集成，為設施數字化、養護專業化、管理現代化提供堅實數字底座。

目前養護數據庫主要接入了收費站、服務區、隧道、橋梁、涵洞、路段、路基、路面、基層、路面結構、路線、平曲線、豎曲線、縱坡、橫斷面等15個基礎設施數據表，以及技術狀況評定數據、氣象資料、日常養護數據、交通量統計數據等19個養護數據表。

（2）科學養護決策應用情況

Ø 動態化養護指標統計

基于養護數據庫的PCI、PQI、RQI、RDI、破損率等檢測評定數據，在數據中臺的數據分析模塊，針對每類評價指標，均建立了地圖展示、歷年變化趨勢分析、線路區間分析、路線分項養護指標分析、路線等路率橫向對比等指標視圖。針對每個統計模塊，均支持各指標統計模塊的可視化配置，可任意選擇圖表可視化類型、查詢條件、展示指標、坐標軸展示項等進行統計指標的展示。即便業務人員不懂開發，也可以自己任意配置統計指標項。

Ø 自定義養護數據看板

中臺的數據分析模塊可以任意拖拽已建立的統計指標視圖，自定義組合可視化看板展示模塊（類似于大屏樣式）。以PQI養護看板為例（圖7），養護看板展示了PQI地圖展示模塊、PQI歷年變化趨勢模塊、PQI線路區間分析模塊、PQI路線橫向對比模塊，在一張視圖上就可以從全局、縱向、橫向全面分析路面質量情況。

（三）智慧運行調度應用

依托數據中臺匯聚路網運行數據、視頻云平臺監控數據及交通事件信息數據，利用既有大屏和運營指揮中心，建設面向高速路網的高速集團大屏幕綜合監測決策分析系統。通過各路數據匯集，形成8大全市高速公路信息GIS一張圖，并結合通行數據信息、12t貨車GPS、服務區卡口、互聯網信息等手段，實現對高速集團管轄高速公路的整體運行狀態綜合監控和通行能力實時分析評價，為決策者提供更為直觀、可視化的指揮和調度參考，保障高速公路安全有序運行，并為信息發布提供了有力信息支持。

路網基礎信息專題匯總高速集團運營路網基礎里程信息（全市高速建設里程、全是高速收費里程、高速集團建設里程、高速集團收費里程），高速公路門架總數量及省界和境內門架數量，監控設施數量和監控設施在線率、監控設施接入率，情報板的總數量和情報版的接入率，底部展示高速集團在建項目情況，掌握路網運行情況。

路網通行信息專題通過接入12t及以上貨車GPS數據計算的高速公路網實時交通指數、當日指數時鐘和高速公路交通事件本周排行的統計監測；統計高速公路通行量（通行總量、客車流量、貨車流量、入境流量、出市流量、跨境流量、本地流量）并統計各道路累計通行總量，掌握路網當日及實時運行狀態和交通事件信息及詳情，對高速路網進行相應的決策處置。

路網一張圖專題展示公路網設備設施分布，通過不同類型圖層切換來展示，為決策者提供更為直觀、可視化的指揮和調度參考。地圖匯聚收費站、門架、服務區、道路視頻、情報板、光伏、光網、交通事件便于掌握路網實時動態數據。

收費站專題展示收費站的總數量、總開啟數、總車道數、總開啟車道數，以及分ETC車道、混合車道的總數量，便于掌握收費運行狀態。匯總統計各收費站進出口的總通行量數據，及各收費站的通行量及車道數量，以此來衡量收費站保通保暢工作壓力、收費站交通管控等提供依據。

服務區專題實時展示運營服務區數量、服務區接待車流量、服務區停車位數量和停車位使用率以及兩客一危、12噸貨車、小客車、新能源汽車等指標統計數據，對接各服務區視頻監控平臺，實時抓取設備在線及故障情況，點擊展示視頻進行播放，為服務區運營規劃提供數據支撐。

（四）智慧高速與數字孿生應用

立足津薊高速重要客運、旅游通道定位，針對節假日擁堵、交通事故頻發等問題，集團定制化開展智慧高速場景建設。秉承“創新引領、試點先行”的建設理念，建設了集監測、管控、服務、管理于一體的項目級智慧高速公路運行管理系統，支持3大類9項智慧應用落地，實現全路段快速通行（運行態勢精準感知、硬路肩開閉管控、智慧收費）、全天候安全保障（雨霧天安全通行、匝道分合流誘導）、全過程智慧養管（隧道機器人、智慧巡檢車、機電設施智慧運維、智能養護決策）。

同時，津薊數字孿生系統實現了對路段基礎設施、周邊環境、車輛等要素的真實模擬。系統通過毫米波雷達將沿線車輛、交通事件等進行捕捉，并在模型上進行實時展示和軌跡還原；通過物聯網技術，可進行情報板信息遠程調整；未來，還將與高速集團機電運維系統、養護科學決策系統等進行深度融合，使管理人員足不出戶即可輕松掌握高速公路運行狀況。

智慧高速與數字孿生應用主要包括如下內容：

Ø 交通運行狀態全要素感知

滿足交通管理者、運營者需求，提供實時和周期性交通數據等信息，用于進行道路交通管制和優化決策、降低安全風險、提高道路運行效率。提供對車、路、環境的智能感知，自動發現異常及風險，提供科學數據支撐管理者進行分析預判，提供集成化智能化的處理控制手段及時消除異常情況，保障路網安全、暢通，并提供量化指標分析評價為長期運營提供決策依據。為保障津薊交通安全出行，促進津薊高速信息化、數字化管理，提升道路運行狀態的監控能力及道路事故處理能力是當前智慧高速公路運行管理系統的迫切要求。

主要運行感知維度包括道路運行狀態及客流趨勢、公路基礎設施運行態勢、公路運行態勢、公路環境態勢、公路交通突發（阻斷）事件態勢以及相鄰公路的養護施工、突發事件（阻斷）等情況進行進行監測，及時掌握交通車輛運行態勢變化，為高速運行管理協調指揮提供支撐，也為道路安全風險管理及事件發生時及時發現提供保障。

Ø 車道級交通仿真與管控

對車道級車輛信息進行實時1：1可視化，具體包括行駛車道、行駛位置（以樁號為準）、行駛時間、行駛車輛顏色。針對交通事件管控場景對當前路段路側情報板顯示點位信息，可通過點擊情報板（信息屏、信息標）設施點位展示樁號、部署方向、顯示內容、硬路肩開關狀態、顯示內容圖像。在目常管理中需要對路段運行狀態進行分析評價后，根據具體情況采取對應管控策略予以保障交通通行安全性和效率。在路段發生特情時（比如路網在各種惡劣天氣條件下或發生重、特大交通事故等各類突發性事件），各級管理人員將針對具體情況，根據“現場處置，統一協調，分級負責，快速高效”的工作原則，會同有關部門共同采取相應措施。

Ø 數字孿生全要素可視化

利用建筑信息模型、地理信息系統、物聯網等技術，研究提出梁橋輕量化快速建模、全要素設施和全業務鏈條可視化表達等方法，搭建公路基礎設施資產管理數字孿生平臺，并在津薊高速公路開展路段級示范應用。實現了高速公路基礎設施、交安設施、機電設施全要素設施可視化表達，實現全要素設施虛擬-現實的一一映射，并打造了數字孿生路段、數字孿生隧道、數字孿生收費站、數字孿生服務區等重點場景。

在智慧服務區場景實現了設施3D可視化、停車信息發布與重點車輛監測等智能分析。智慧隧道將通行車輛的特征、行駛狀態、交通狀況等信息直觀地在平臺展示，管理人員能隨時掌握隧道內流量情況和設備運行狀況，從而更高效、更直觀、更準確地發現和處置各類應急突發事件，提升隧道安全應急管控能力。智慧收費站數字孿生系統圍繞收費站場景，以靜態數據采集、融合處理建模為基礎，以收費數據疊加、可視化展示為方向將收費廣場運行狀態、ETC車輛交易情況實時仿真可視化展示。

3、應用亮點及創新性

（一）建設成果與效益

（1）聚合集團數據資源構建統一管理服務平臺，奠定數字化轉型發展數據基礎底座

針對集團分支機構眾多、業務系統分散產生的數據一致性和數據孤島問題，按照天津高速集團數字化轉型總體框架，構建完成面向集團內數字化業務系統的數據資源匯聚管理和支撐服務平臺，完成成本、養護、OA管理、項目管理、卡口監測5大數據倉庫建設，具備數據資產、數據開發、數據質量、數據安全、數據運維、數據服務、數據分析等10大功能模塊，實現數據“源→接入→處理→計算→分析→服務→共享→運維”的全生命周期閉環治理和應用，為集團業務數字化、數字業務化提供了規模化應用的基礎條件，可為高速公路建設、運營、經營提供150余項數據服務能力，助力高速公路運營管理效率。

（2）基于數據中臺能力開展數字化應用，助力智慧高速建設

依托中臺數據與模型能力，為適應數字公路新形勢要求，開展多項數字化應用，成效顯著。

一是科學養護決策。針對高速公路進入由建設為主向建養并重轉變的新階段，中臺圍繞科學養護決策，完整構建公路樁號體系與地理空間體系映射，實現了以道路基礎設施、檢測評價數據為主的數據全量集成，進行養護技術狀況的一張圖應用，實現路網、路線、路段三級評價指標計算展示，服務養護計劃決策與方案制定。

二是智慧運行調度。面向全集團路網級數字化運行和調度需要，基于數據中臺，將高速集團各系統、各板塊數據融合，構建基礎設施與路網運行一張圖應用，全面匯總展示集團資產概況，進行路網、收費站、服務區運營大數據多維度分析，實現高速公路網運行一圖盡覽、一站調度。

三是數字孿生應用。面向數字孿生應用場景構建，依托中臺提供基礎設施與車輛動態數據資源并結合數字孿生技術引擎，在津薊高速開展智慧高速試點，構建路段級數字孿生、車道級實時仿真、雨霧天通行、硬路肩管控、匝道分合流誘導、交通事件管控6大類應用場景。

（二）應用亮點

本項目成果沉淀出一套“數據治理方法+系統平臺建設”關鍵技術體系，具有極強的可復制性與示范性

（1）面向業務的底層數據治理方法體系

圍繞高速公路基礎設施與多維度業務屬性數據整合形成了一套完整的治理方法體系。首先，實施源頭數據的源數據采集和分析，獲取數據特征，并形成數據資源目錄，其次，構建數字公路主體數據的統一模型，將主體數據和各業務系統之間建立映射關系，使同一公路基礎設施設備在多個業務系統中的業務屬性數據經過清晰轉化后實現整合，最后，實施閉環的數據質量管理，制定校驗規則，實施校驗，質量報告，源頭整改，提升數據質量。

（2）“中臺+應用”的數字化轉型發展模式

采用“中臺+應用”的數字化轉型發展模式，實現了大數據、人工智能等新技術與交通行業深度融合，依托中臺全生命周期閉環治理和應用工具，完成數據資源的標準化、規范化與一體化，基于中臺成熟的交通行業指標體系與算法模型體系提供高質量的數據服務，滿足資產管理、養護決策、路網運行、應急指揮、數字孿生等多場景靈活適配與快速部署需要。

（三）主要創新點

將中臺技術與交通大數據融合創新應用是本項目的最大特征。

一方面，充分發揮中臺技術在數據接入、存儲、管理、服務及算法設計等全生命周期環節的能力與工具保障，確保適配集團系統與數據不斷演進、業務與場景靈活變化的需要。

另一方面，基于對業務與交通大數據的透徹解讀，構建涵蓋交通態勢感知、設施管理養護、運營指揮調度、交通仿真預測多領域的行業算法模型庫，提供面向交通數字化業務開箱即用的算法服務，大幅度降低應用開發難度與周期，保障并助力集團數字化轉型工作有序開展。

（四）可復制性與示范性

本項目成果沉淀出一套“數據治理方法+系統平臺建設”關鍵技術體系，具有極強的可復制性與示范性

（1）面向業務的底層數據治理方法體系

圍繞高速公路基礎設施與多維度業務屬性數據整合形成了一套完整的治理方法體系。首先，實施源頭數據的源數據采集和分析，獲取數據特征，并形成數據資源目錄，其次，構建數字公路主體數據的統一模型，將主體數據和各業務系統之間建立映射關系，使同一公路基礎設施設備在多個業務系統中的業務屬性數據經過清晰轉化后實現整合，最后，實施閉環的數據質量管理，制定校驗規則，實施校驗，質量報告，源頭整改，提升數據質量。

（2）“中臺+應用”的數字化轉型發展模式

采用“中臺+應用”的數字化轉型發展模式，實現了大數據、人工智能等新技術與交通行業深度融合，依托中臺全生命周期閉環治理和應用工具，完成數據資源的標準化、規范化與一體化，基于中臺成熟的交通行業指標體系與算法模型體系提供高質量的數據服務，滿足資產管理、養護決策、路網運行、應急指揮、數字孿生等多場景靈活適配與快速部署需要。

4、下一步工作思路

（一）可行性與可持續性

集團高速公路數據中臺已全面完成建設，在數字底座能力與規范數據資源的支撐下，后續將圍繞中臺底座進行整體業務升級及業務賦能，如運營指揮調度、機電設施運維、科學養護決策、公眾出行服務、資產設施呈現等核心應用場景，全方位提高交通運營的安全性和效率。

（二）下一步工作部署

下一步，天津高速公路集團將繼續深入推進數據資源整合與數字化轉型，圍繞路產管理、養護科學決策、路網運行保暢、安全應急調度等，以業務為驅動數字化應用場景創新與落地，實現由傳統交通基礎設施建設運營企業向交通新基建平臺型企業、智慧高速公路數字運營商的角色突破。

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