可視化GIS技術在運維系統(tǒng)中的應用
在目前高速公路信息化領域中，物聯網技術的應用已達到一定的成熟度，但是隨著高速公路路網信息化的不斷發(fā)展以及規(guī)模的不斷擴大，隨之而來的業(yè)務復雜度不斷提升，系統(tǒng)的風險也越來越集中，給交通信息化領域中的運維管理能力帶來了極大的考驗。結合現狀，引用GIS技術的應用來加強運維系統(tǒng)管理能力是一種解決手段，GIS的應用讓運維系統(tǒng)結合ITS地理區(qū)域分布的特點，將基于動態(tài)分層地圖信息匯聚層專有技術與系統(tǒng)建設進行了有機融合，展現了基礎設施的靜態(tài)、動態(tài)信息及路網運行動態(tài)區(qū)域分布信息。
一、運維系統(tǒng)簡介
運行維護系統(tǒng)（以下簡稱運維系統(tǒng)），是以高速公路智能設施維護管理的科學化、信息化為目標，以計算機系統(tǒng)為平臺，以地理信息技術、網絡技術和信息管理技術為支撐，在設備管理的制度化、規(guī)范化的基礎上，提供支持機電系統(tǒng)正常運行的設備信息管理工具。
運行維護系統(tǒng)是對軟、硬件設施以及外場設施的運行狀態(tài)進行監(jiān)控、記錄、告警展示的系統(tǒng)。通過對內外場設施的實時監(jiān)控，可以快速發(fā)現智能化設備運行過程中存在的問題，為聯網中心各系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和高效運行提供保障，同時為聯網中心運維管理工作提供全方位、可靠、高效的管理操作手段，實現管理工作的信息化、規(guī)范化與標準化管理，全面提升運行維護的工作效率與管理水平。
二、GIS介紹
地理信息系統(tǒng)（GIS）技術是近些年迅速發(fā)展起來的一門空間信息分析技術，在資源與環(huán)境應用領域中，它發(fā)揮著技術先導的作用。GIS技術不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，還可以對資源環(huán)境管理和實踐模式進行快速和重復的分析測試，便于制定決策，進行科學和政策的標準評價，而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數據收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經濟效益，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術支持。
GIS在高速公路信息化系統(tǒng)中的應用可以實現高速公路交通信息、基礎設施、氣象信息等相關數據的實時展示、檢索，并為路段以及省中心其他系統(tǒng)提供GIS展示方面的服務。
利用GIS技術提供可視化操作平臺，將基礎資源信息、事件動態(tài)信息、業(yè)務協同信息集中展示，梳理事件處置流程，實現路網與路段之間的協作。利用自動檢測手段，減輕調度人員工作強度，減少人工漏判、誤判情況，保障數據安全、穩(wěn)定、高效、健康運行，提升對路況綜合信息的動態(tài)感知、快速響應和實時發(fā)布能力，及時掌握外場設施、設備運行狀況。
（一）GIS硬件架構
由于內網與外網在數據與應用安全上有不同的要求，所以從數據庫服務器到應用服務器內網與外網應分別硬件隔離。
1、內網應用方面
對于聯網中心與路中心的包括監(jiān)控調度、運維系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等內部系統(tǒng)，數據由數據中心GIS數據庫服務器、各系統(tǒng)屬性與實時歷史數據庫提供，功能服務由GIS服務平臺的出圖渲染服務器與査詢分析服務器發(fā)布，其中2臺服務器做硬件負載均衡與軟件負載均衡，均為IBM x3850 X5服務器。
2、外網應用方面
對于公眾服務平臺www.96777.com應用與手機應用等外網服務，基于安全性考慮在服務平臺之上由防火墻進行隔離。數據由兩臺外網數據庫服務器提供，數據中心數據庫通過核心交換機對其進行定期數據推送。功能服務由GIS服務平臺的出圖渲染服務器與査詢分析服務器發(fā)布，服務器做硬件負載均衡與軟件負載均衡，均為IBM x3850 X5服務器。
3、與各單位數據共享
交通廳信息中心遙感服務在數據中心的前置機中發(fā)布服務供內網應用調用，高速公路各路公司通過數據中心的文件共享服務器以及GIS服務平臺中的出圖渲染應用服務器進行數據服務發(fā)布共享。
具體GIS硬件架構設計如圖1所示。
（二）GIS軟件架構
G1S矢量數據在數據中心的GIS空間數據庫中存儲，關聯了資源屬性庫與實時歷史庫后供GIS服務平臺調用。GIS服務平臺在應用服務器時按功能應用封裝了常用的GIS功能接口，供不同應用系統(tǒng)開發(fā)調用使用。GIS服務平臺為內外網各系統(tǒng)提供數據服務與應用服務，并為相關單位提供數據服務共享：相關單位可通過調用此OGC標準的服務地址來構建其特定的專業(yè)應用子系統(tǒng)。
1、性能優(yōu)化
考慮到需滿足GIS并發(fā)數，尤其是外網應用，經調研最少需要達到100個瞬時GIS并發(fā)才能滿足需求，因此在內網或外網中，需要各配兩套iServer高級版平臺軟件，通過集群技術提高GIS并發(fā)。
2、接口封裝
將底層接口按實際功能與業(yè)務需求封裝成常用的開發(fā)接口，包括基本操作接口、實時渲染接口、査詢操作接口和空間分析接口等，以方便各應用調用開發(fā)與軟件維護。
3、數據服務共享發(fā)布
GIS服務平臺為內外網各系統(tǒng)提供數據服務與應用服務，并為相關單位提供數據服務共享。
具體GIS軟件架構設計如圖2所示。
三、GIS技術在運維系統(tǒng)中應用
以運維系統(tǒng)為例，配以GIS平臺為基礎數據平臺，保障了運維內場中機房設施相關數據采集的安全性及準確性，實現了對服務器、網絡及安全設備等的基礎設施的監(jiān)控支持，并且及時掌握了外場設施、設備運行狀況。
（一）數據保障
利用GIS自身空間數據分析以及矢量數據分析等特點，采集、貯存、管理、分析外場設備的相關數據。利用外場設備保障數據傳輸的同時，為內場運維系統(tǒng)及其他相關業(yè)務系統(tǒng)提供了數據質量上的保障。
這些數據質量可以通過數據建模方式得到保障，因為GIS能夠描述地表和大氣等的二維三維特征。
例如，GIS能夠將反映氣象信息中降雨量的雨量線迅速制圖。
這樣的圖稱為雨量線圖。通過有限數量的點的量測可以估計出整個地表的特征，這樣的方法已經很成熟。一張二維雨量線圖可以和G1S中相同區(qū)域的其他圖層進行疊加分析。
（二）設備展示的特性
利用GIS地圖實現對外場設備基礎數據GIS實時展示，通過GIS地圖的方式，展示設備的基礎數據，通過圖層控制工具，可以査看不同類型設備的點位和詳細信息。這樣的方式給用戶帶來的操作的直觀性、管理的實時性、控制的便捷性、信息的綜合性、分析的智能性、業(yè)務的聯動性都是無可比擬的。
1、操作的直觀性
用戶可以在地圖上直接對外場設備（如攝像機、情報板、交調設備等）進行快速定位和査詢，這些外場設備的整體和局域分布狀況均可以精準定位，用戶可以通過過濾條件選擇所想査看范圍內外場設備的信息。GIS地圖為用戶提供了可視化的査詢方式，如點選、面選（一定范圍選擇）、線性選擇（一條線上選擇）、多邊形選擇（多條不規(guī)則線選擇）等多重空間査詢條件，處于選中狀態(tài)的設備屬性信息，以攝像機為例，視頻的點的編號、型號、維護單位信息、樁號位置、所屬路公司等信息，便可在地圖上顯示出來。同時，GIS地圖還支持攝像機圖屬互動査詢，用戶不僅可以通過點擊地圖上的攝像機，査看其詳細信息，同樣也可以通過輸入攝像機編號，査詢出該攝像機的信息，從而實現底圖數據和文字信息的互査功能。
2、管理的實時往
GIS地圖的直觀性為用戶營造了一個圖文并茂、簡單便捷的使用環(huán)境，它對運維系統(tǒng)外場設備管理實時性的增強，也起了非常大的作用。比如攝像機，它可以提供24小時全天候以及全方位的圖像監(jiān)視功能，用戶可以在地圖上直接選定某個攝像機，調取監(jiān)測點的實時圖像，并可切換至運維系統(tǒng)界面、指揮中心上大屏幕顯示，為用戶提供最直觀的信息。同時還支持視頻圖像導航功能，在調出的視頻窗口點擊播放某一實時視頻時，該攝像機會在GIS地圖上高亮閃爍以及居中顯示，并能査看該攝像機的詳細信息，也就是說，可以提供實時圖像與地理數據的互査服務。
用戶還可以通過運維系統(tǒng)中GIS地圖接收每個攝像機的地理位置信息，并在地圖中輪巡播放指定的攝像機，幫助用戶實時掌握攝像機的監(jiān)控路徑，并且可以根據需要及時調整輪巡的時序和方式。
3、展示的動態(tài)性
GIS地圖支持用戶通過點擊某個外場設備，啟動該外場設備的檢索，在用戶設定地理位置和時間要求的情況下，系統(tǒng)能夠自動播放和展示符合要求的圖像及信息。通過這些信息可以實時了解路況信息，同時可以捕捉特定目標，描繪出特定目標的移動軌跡，如GPS信息査詢、交調流量信息等。
GIS技術以地理空間信息為橋梁，實現外場設備信息的集成，增加對圖像及其他信息的發(fā)掘能力，同時為智能分析、預案處理分析、業(yè)務聯動提供技術支撐。
4、信息的綜合性
信息的綜合性是指通過一系列的數據轉換和處理，使GIS數據與設備或其他數據關聯起來。用戶在GIS地圖上直接點擊、模糊査詢或列表選擇某個點位，可以迅速從運維系統(tǒng)所提供的功能菜單中調取各種所需信息，包括如下幾點。
（1）實時監(jiān)控，供用戶査看現場情況。
（2）設備所在的地理信息和周邊環(huán)境信息。
（3）設備運行狀態(tài)、設備質量、設備的有效性。
（4）設備周邊資源配置信息。這類信息的覆蓋范圍很廣，包括道路設施、水源布局、重點單位、所屬派出所、警用車輛、巡邏人員等，當遇到緊急狀況時，可以在GIS地圖上調出周邊資源配置信息，緊急調度可用人力物力，減少反應時間。
（5）設備的故障警告信息。當設備出現故障時，比如視頻打不開、信息中斷或設備損壞等，GIS地圖上該點位設備信息會出現紅色標記不停閃爍，同時運維系統(tǒng)產生一條設備損壞信息通知用戶。用戶通過GIS地圖直接點擊該設備節(jié)點，會以彈出窗口的形式顯示該設備的用途、類型、操作系統(tǒng)、IP地址、當前運行狀態(tài)、周邊維護單位等詳細信息，方便用戶準確發(fā)出指令及時解除故障。
（6）設備的維修情況和歷史記錄。用戶可以通過運維系統(tǒng)全面掌握所有設備的故障狀態(tài)，合理配備相應資源跟進維護。詳細的設備維修日志包括維修日期、維修人員、故障原因、解決方案等，與設備地理空間信息關聯顯示，為延長設備的使用壽命、提高故障處理能力、增強視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行的可持續(xù)性，儲備充分的信息資源。
5、分析的智能性
用戶可以直接通過運維系統(tǒng)中GIS地圖決速査看并統(tǒng)計內外場設備的損壞情況。通過分析，對各種原因產生的問題形成的相應可視化圖表進行排名展示，如監(jiān)控設備的運行狀態(tài)、故障率、故障因素、修復率等運維數據和指標，輔助管理和決策者對信息系統(tǒng)運行狀態(tài)進行全面把握，同時輔助管理者對信息系統(tǒng)設施設備運行維護工作進行績效分析、評價、考核。需包括如下幾點。
（1）硬件智能化
硬件部分包括外場設施設備和內場機房設施設備，均可在運維系統(tǒng)中的GIS地圖界面上査看設備的運行狀態(tài)情況。一旦設備出現損壞或者機房溫度、濕度、UPS供電等出現異常，在系統(tǒng)的GIS地圖界面上，將自動在損壞的設施設備或所在服務器上進行標紅顯示，除在運維系統(tǒng)中自動生成一條報警信息以外，同時對損壞原因或設備損壞次數等信息形成可視化圖形進行展示，及時讓用戶第一時間了解設備損壞情況及損壞原因等信息，方便用戶根據損壞原因找到修復的方式。
（2）軟件智能化
軟件部分包括對機房內服務器中運行的內部應用系統(tǒng)、程序及網絡環(huán)境的運行監(jiān)控。比如監(jiān)控傳輸數據是否穩(wěn)定，服務器當前TCP連接數、響應速度是否正常等。出現異常情況時，GIS地圖界面中會出現紅色閃爍標記并報警提示用戶，便于用戶快速發(fā)現、分析并解決問題，確保系統(tǒng)軟件的正常運行。
（3）移動端實時監(jiān)控管理
為了讓用戶更便捷地査看運維系統(tǒng)中內外場設施設備及系統(tǒng)運行狀態(tài)，針對現有網絡及業(yè)務的維護工作，結合PC端運維系統(tǒng)的功能應用，完成了手機端“運維系統(tǒng)”APP。“運維系統(tǒng)”APP實現了移動端與PC端業(yè)務流的交互，用戶可以通過手機端“運維系統(tǒng)”APP中有關GIS地圖界面，第一時間査看內外場設施設備的運作情況及系統(tǒng)運行狀態(tài)，并能夠實現遠程監(jiān)控、手動重啟等操作，使用戶能對現場維護工作進行實時反饋處理，提高工作效率。另外，根據“運維系統(tǒng)”的不同需要，將在未來逐步更新相應的功能模塊，使移動端的功能更完善，操作更便捷。
四、結束語
GIS的應用是運維系統(tǒng)的重要組成部分，在現有運維系統(tǒng)建設日趨完善的前提下，將GIS引入到高速公路中，成為當前高速公路運維管理系統(tǒng)的必然趨勢。隨著高速公路內外場硬件設施和軟件系統(tǒng)的建設以及移動通信技術的應用，建設符合高速公路運維管理系統(tǒng)的基本條件已經基本具備，將GIS技術作為一個信息平臺引入高速公路運維管理系統(tǒng)模式中，使之成為一個設備技術數據與査詢支撐平臺，是構建快速反應、和諧高速公路的一個重要方面，也是未來高速公路運維系統(tǒng)模式的發(fā)展方向，是信息化高速公路建設的代表。
作者：王世鯤 曹曉強 孫同心 單位：上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司
