多层级高速公路现场应急指挥信息系统研究

周星宇， 瞿 辉， 周晓梅

（中海网络科技股份有限公司，上海200135）

0 引 言

随着我国交通建设的快速发展，高速公路已经成为我国综合交通运输网络体系中的中坚力量。近几年，高速公路交通事故、自然灾害等各种突发事件给人民群众的生命财产造成重大损失。随着我国各个行业信息化建设的不断推进，为了提高突发事件应急处置效率，各省高速公路应急管理部门都在积极建设应急指挥信息系统。目前高速公路应急指挥信息系统的主要功能集中在省级应急指挥中心，只有发生重大突发事件时，部分省（市）高速公路管理部门会派出移动应急指挥车进驻现场，展开应急指挥工作。由于移动指挥车易受到周边环境限制，当高速公路发生阻断后，不能快速到达突发事件现场，不能完全满足现场应急指挥的需求。因此，为弥补上述问题带来的不足，提出了以高速公路路段监控分中心或收费站等，距离突发事件现场更近，且具备网络通信条件的路网节点来构建现场应急指挥信息系统的方法，与省中心应急指挥系统、移动指挥车形成互补，并作为基层单元（现场级）纳入多层级应急指挥体系。

1 应急指挥体系

目前，我国高速公路设立部—省两级应急管理机构，借助移动应急指挥车作为现场应急指挥场所。根据国家公路交通突发事件应急预案的要求，应设立国家—省—市—县4级应急管理机构。在高速公路应急管理中，缺少市、县级应急管理信息平台，不能向市、县级应急管理机构提供应急信息服务。考虑到高速公路沿线路段分中心和收费站的位置特点和数量，以及与省级应急指挥中心具备网络通信条件，因此提出利用现有路段分中心和收费站基础设施设立现场级应急指挥系统，与移动应急指挥车协同发挥现场应急指挥作用的设想。同时，现场应急指挥系统也可以为当地应急管理部门获取高速公路应急信息和参与应急处置提供服务。

图1 多层级高速公路应急指挥体系

2 现场应急指挥信息系统需求分析

2.1 功能定位

根据高速公路应急指挥体系业务流程，重特大事件发生后应派驻现场工作组开展应急指挥工作，建立现场指挥与省级应急中心指挥相结合的应急指挥体系，为现场应急指挥中心人员与省级应急指挥中心协调指挥、掌握实时路况信息、应急资源信息、联动其他相关应急救援部门、上报事件发展态势和向现场应急救援人员发出调度指令并提供服务。

2.2 功能需求

从业务流程分析来看，多层级高速公路现场应急指挥信息系统的主要职责是提供突发事件现场及周边路段的实时态势信息和应急资源信息，为应急指挥和应急会商提供依据。

1）全省域实时路段信息可视化展现

以图形化的方式在背景地图上显示各路段运行状态（缓慢、畅通和拥堵）、各收费站交通流量信息、收费站开启／关闭信息、各路段交通事件信息、各路段道路养护信息、各路段正在执行的应急预案信息和各路段应急资源信息等。

2）全省域实时气象信息可视化展现

以图形化方式在背景地图上显示各路段气象信息、基于路面布设的气象检测器和能见度检测器的设备信息、气象部门发布的权威气象信息，根据气象数据判别高速公路断面气象条件：大雾、冰雪、暴雨等。

3）全省域视频图像实时查看

以图形化方式在背景地图上显示摄像机的地理位置和名称，以列表方式按照路段分组显示摄像机，查看各个路段的实时视频，必要时可以遥控云台并改变摄像机的视野。

4）应急调度指令发布

系统应能与省级中心实现应急会商机制，通过会商可以利用省级中心应急指挥系统给联网收费系统发布事件控制区、影响区收费站的关闭或开启等信息，向联网监控系统发布机电设备控制指令等；应能对各路段应急救援队伍发出调度指令。现场应急指挥人员按照其职责对突发事件进行处置，在情况变化时发出调度指令，直到突发事件处置完毕时结束与其他系统的联动和协同。

3 现场应急指挥信息系统设计

3.1 架构设计

3.1.1 逻辑架构

多层级高速公路现场应急指挥信息系统应用软件采用分层的逻辑架构，包括展示层、服务层和数据通信层（见图3）。

（1）展示层即用户界面层，为用户提供人机交互的界面，完成系统监控、应急指挥等操作；

（2）服务层负责业务逻辑的实现，实现对业务逻辑的封装，隔离用户的界面和具体业务逻辑，关注点主要集中在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计；

（3）数据通信层负责与联网监控、联网收费等系统进行通信，完成数据信息的采集与控制指令的发送。

3.1.2 物理架构

主要反映软件系统运行时的动态结构，以及组成软件系统的目标程序如何部署到硬件上。考虑到系统汇集全省域视频资源和数据的需求，省级应急指挥中心是视频、监控、收费等系统汇集数据的节点，同时也能提供不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高性能的服务器，所以提出在省级应急指挥中心设计部署相关视频、数据服务软件，现场应急指挥中心部署客户端软件。

系统的目标软件程序根据任务不同分为客户端软件、一体化应急数据服务软件和流媒体服务软件，物理架构见图4。

客户端软件部署在现场指挥中心的个人计算机（Personal Computer，PC）上，是提供给现场指挥人员操作使用的人机界面软件；一体化应急数据服务软件部署在省级应急指挥中心的数据通信服务器上，负责与相关外场设备或其他外部系统的数据采集与控制命令下发；流媒体服务软件部署在省级应急指挥中心的流媒体服务器上，负责整合全省域内异构视频系统、提供客户端所请求的视频资源。

3.2 视频联网监控技术方案设计

当高速公路突发事件发生时，只有采集到全面和实时的现场信息，才能及时掌握突发事件现场的情况，为紧急救援及突发事件的应急处置提供有效的指挥和决策依据。与其它信息采集设备相比较，视频图像具有信息直观的特点。有时突发事件对高速公路的影响会波及到整个路段或相邻的几个路段，所以多层级高速公路现场应急指挥信息系统也需要能提供整个路段和相邻几个路段的视频图像信息。

为实现全省域视频资源的调阅需求，综合总体架构设计、通信网络条件、各路段视频系统硬件资源配置和视频传输通道的特点等因素，提出通过省级应急指挥中心通信节点汇集获取视频资源和控制视频设备的视频联网技术方案，在省级应急指挥中心部署流媒体服务软件。省级应急指挥中心的流媒体服务软件负责汇集各个路段分中心的视频资源，经过处理、整合后形成H.264标准数字视频流提供现场客户端，实现现场级应急指挥信息系统调阅全省域视频资源的需求。

3.2.1 视频联网控制

目前，我国各省高速公路视频监控系统的实现都具有逐级上传视频传输通道和由上到下的控制路由［1］。收费站路段监控图像上传到路段分中心的视频，多采用模拟视频光端机或数字非压缩视频光端机完成，路段分中心到省级中心由于传输距离较长，往往大于光端机的无中继传输距离，另外考虑到通信系统所提供的传输带宽，视频图像的上传采用数字压缩方式。视频控制目前多采用以视频模拟矩阵控制和数字视频平台计算机为主。视频控制矩阵间直接通过通信系统提供的数据通道，或由与矩阵相连的多媒体计算机通过以太网完成控制信号传输。

我国各省高速公路路段分中心运行的视频监控主要包括两大类：模拟视频矩阵系统和全数字视频平台。各个视频系统的技术标准和视频传输协议都不同。省级应急指挥中心与路段分中心实现视频联网控制的方案按路段分中心视频系统构建类型主要分为三种［2］（见表1）。

图4 多层级高速公路现场应急指挥信息系统逻辑架构

表1 视频联网控制方式表

3.2.2 视频传输设计

多层级高速公路现场应急指挥信息系统完成视频的请求、控制和传输的过程涉及到客户端软件和流媒体服务软件。流媒体服务软件部署在省级应急指挥中心，负责数字视频流的请求、处理和转发，是本视频联网技术方案实现的核心部分。客户端软件部署在现场应急指挥中心负责对数字视频解码查看。

客户端软件与流媒体服务软件间要建立2个传输通道，视频请求、摄像机控制命令的传输通道以及视频流的传输通道。视频请求、摄像机控制命令的传输通道主要负责视频请求命令、摄像机控制命令的发送与结果返回。该传输通道采用传输控制协议（Trans mission Contr ol Pr otocol，TCP）连接方式，由客户端软件向流媒体服务软件发起连接请求。视频流传输通道的建立，考虑到视频流的传输对实时性要求较高，选择采用用户数据报协议／网络之间互连协议（User Data Protocol Inter net Protocol）组播方式。UDP属于无连接协议，具有资源消耗小，处理速度快的优点，尽管在网络质量不佳的环境下协议数据包丢失会比较严重，但通常音频、视频和普通数据仍多使用UDP协议传送，因为视频、音频传输中即使偶尔丢失少量数据包，也不会对接收结果产生严重影响。另外，利用组播方式传输会减少发生网络出现拥塞的可能，UDP协议传输出现乱序，数据丢包的可能也会随之降低。

视频的请求、控制和传输过程：

（1）客户端软件发送视频请求、控制命令到流媒体服务软件；

（2）流媒体服务软件对客户端软件发来的相关命令信息进行解析后发往指定路段分中心的视频控制设备；

（3）如果是模拟视频控制设备，则将请求的视频资源切换到指定的编码器；如果是全数字视频平台，则将请求的视频资源以数字视频流的方式直接提供给省级应急指挥中心的流媒体服务器；

（4）流媒体服务软件根据指定的编码器信息，向指定的编码器发送获取视频流命令；

（5）流媒体服务软件将获取的视频流发送到指定的组播地址；

（6）客户端加入该组播地址，通过客户端的视频播放模块播放视频资源。

视频请求过程中的数据流向见图5。

图5 视频请求过程数据流向图

3.3 一体化应急指挥技术方案设计

根据需求分析，多层级高速公路现场应急指挥信息系统需要汇集全省域的路况、气象、应急资源等信息。与视频信息类似，各路段的路况、气象，收费站流量、应急资源等信息都在省级应急指挥中心汇聚，现场级应急指挥信息系统要想获取全省域的信息就需要与省级应急指挥中心的各系统交互。但是由于省级应急指挥中心的联网监控、联网收费、应急指挥等系统先行独立建设，有的系统没有为外部系统提供访问接口，所以现场级应急指挥系统无法实现与省级应急指挥中心各系统直接进行交互，需要在省级应急指挥中心整合各个独立系统数据信息提供给现场级应急指挥系统的客户端。

图6 一体化应急数据服务软件与其他系统的交互

基于架构设计的原则，一体化应急指挥技术方案也应按照分层面向服务的体系结构（Service－Oriented Architect ure，SOA）的思想进行实现。本方案提出在省级应急指挥中心设计1个基于 Web Ser vice的一体化应急数据服务软件，对联网监控、联网收费、省级中心应急指挥系统和其他外部相关系统的数据业务进行统一整合提供给现场应急指挥中心的客户端或其他外部请求者。一体化应急数据服务软件与其他系统的交互见图6。

根据Web Service的特点分析：

（1）由于Web Ser vice的数据重用性和跨平台操作的特点，利用Web Service整合的联网监控、联网收费等系统的数据不仅提供给现场级应急指挥信息系统的客户端，还可以提供给其他外部系统使用，满足了系统设计开放性原则；

（2）在特殊情况下，多层级现场应急指挥信息系统可能运行于突发事件发生现场就近的其他场所，只具备Inter net访问条件且不具备接入应急指挥局域网的条件，所以 Web Service的跨防火墙通信的特点，可以使运行在这些场所的现场应急指挥信息系统客户端能够请求到省级应急指挥中心发布的相关Web Service。

经上述两方面的考虑，Web Service技术具有良好的适用性。

3.3.1 Web Service接口定义

根据多层级高速公路现场应急指挥信息系统的需求分析，定义在省级应急指挥中心的数据通信服务器上发布Web Service对应的接口方法（见表2）。

表2 接口方法定义表

3.3.2 数据请求流程

（1）现场应急指挥系统客户端发送封装成简单对象访问协议（Si mple Object Access Pr otocol，SOAP）消息的数据请求，省级应急指挥中心的一体化应急数据服务软件接受SOAP请求，然后查找定义的WSDL（Web Ser vices Description Language）文件，找到相应的接口；

（2）一体化应急数据服务软件通过消息解析模块解析SOAP消息，获取参数；

（3）根据不同类型的消息请求，与省级应急指挥中心不同的外部系统进行交互，如获取路段信息的接口，内部实现与省级应急指挥中心的联网监控系统交互；

（4）将返回的结果信息封装成标准可扩展标记语言（Extensible Mar kup Language，XML）格式，返回给客户端SOAP消息。

5 结 语

提出了一种利用现有路段分中心和收费站建设现场应急指挥系统的方法，在全省形成多层级高速公路应急指挥体系，有利于提高应急指挥效率、提高交通信息化设施利用率。

利用流媒体技术和Web Service技术等现代计算机网络通信技术，给出了多层级高速公路现场应急指挥信息系统实现所需的关键技术方案，包括视频联网监控和一体化应急指挥的技术方案。

［1］ 张波.基于流媒体的高速公路视频实时监控系统［J］.交通世界，2011（11）：142－143.