基于新一代信息技术的农村公路基础设施数据更新管理系统功能架构研究

马 骁，王 臻，张 龙,2，刘柳杨，刘明霞

（1.交通运输部科学研究院 数字交通实验室，北京 100029；2.中国人民大学 信息学院，北京 100872）

0 引言

十九大以来，习近平总书记多次对“四好农村公路”建设做出重要指示，深刻指出要建好、管好、护好、运营好农村公路[1]。新时代背景下，交通运输部大力开展“四好农村公路”建设[2]，在中央资金支持下，全国新建改建农村公路超过127.5万km，以县城为中心、乡镇为节点、建制村为网点的农村公路交通网络已初步形成[3]。

针对当前全国农村公路的建设形势与建设规模，为掌握全国农村公路建设项目情况、掌握乡（镇）建制村通达情况，保证中央资金[4]有效使用，交通运输部连续多年开展了农村公路基础设施数据更新工作（以下简称“更新工作”）。

部省两级交通运输主管部门建设了农村公路基础设施更新信息系统（以下简称“更新系统”）以支持相关工作。以年度《全国农村公路基础数据和电子地图更新方案》（以下简称“更新方案”）为数据采集与上报标准[5]，各省根据自身情况开发部署相应的软件系统。当前，江苏、重庆、四川等11个省市统一部署了“e-Road”农村公路基础设施更新系统（见图1），其余省份采用了自行开发的系统。

图1 e-Road农村公路更新系统功能架构

以“e-Road”为代表的更新系统依据更新工作要求进行了针对性设计，提供了农村公路基础设施更新所需功能。更新系统主要依托于GIS系统，基于“更新方案”开发，以数据填报与GPS道路线形实采等方式进行数据更新工作，面对新一代信息处理技术解译提取的项目属性数据，缺乏录入接口与融合能力。同时由于更新系统设计及开发时间较早，缺乏与其他信息系统的数据共享与交换能力，因此，需要研究及设计基于新一代信息技术的农村公路基础设施数据更新系统，针对原有系统的不足，提升信息数据解译能力与跨系统数据共享交换能力，满足基础设施更新工作需要。

本文通过归纳总结新时代农村公路建设特点，立足于近年来有关管理部门发布的相关政策及规定，结合近年来获得广泛应用的高分辨率卫星遥感影像、基于深度学习的人工智能技术及日渐成熟的道路实景采集与无人机航测等技术，研究提出了适用于新时代农村公路发展建设特点、充分利用新一代信息技术优势的农村公路基础设施数据更新系统功能架构。

1 新时代农村公路数据更新信息化管理特点

在已有建设规模的基础上，新时代农村公路建设重点转向补齐交通设施短板。依照《中共中央国务院关于打赢脱贫攻坚战三年行动的指导意见》（简称《指导意见》）[6]、《交通运输脱贫攻坚三年行动计划（2018—2020年）》（简称《三年行动计划》）[7]的要求，在打好交通扶贫脱贫攻坚战方面，交通运输部将以示范县为载体，推进贫困地区“四好农村公路”建设。

结合上述任务目标，农村公路基础设施数据更新管理系统，将为综合分析全国农村公路建设进展情况、合理安排农村公路投资计划等重要工作提供信息支撑[8]。

未来的农村公路基础设施数据更新工作将呈现出三方面特点[9]：

（1）由于项目建设面向贫困地区村镇，建设地区偏远、建设数量大、空间分布分散，加大了现场信息获取难度与集中管理难度；

（2）基础设施数据更新要求采用GPS技术等方式实地测量并上报结果[10]，建设项目的空间分布特点在一定程度上提升了测量与巡查难度，提高了使用信息系统管理项目信息、基础设施变更信息以进行项目信息化管理的技术及设备要求；

（3）部分贫困地区处在气象及地质灾害多发地区，当地农村公路建设项目多面临较高概率的自然灾害风险。随着对中央资金监管的日趋严格，灾害发生期间的气象报告将是后期申请重建资金的重要依据[11]。

2 新一代信息技术对基础设施更新工作的影响

新时代农村公路建管特点对基础设施更新信息系统功能提出了新的要求，以往的功能架构与应用模式需要与新要求相适应；近年来人工智能、高分辨率遥感影像广泛应用带来新的技术分析方法，也为更新工作提供了崭新的视角。

（1）人工智能技术对非结构化数据提供准确的提取及分析能力

基于深度学习的人工智能技术在近年来的快速发展，使其在影像分类、图像特征提取等方面获得了广泛应用[12]。原有图像分类技术无法对影像内目标物进行较为准确的定量分析，使得更新工作中的现场影像仅能作为参考信息。而基于深度学习的人工智能技术能较好地提取出现场影像中各类交通运输设施符号，更能进一步提取出高分辨率遥感影像中未被遮挡覆盖的农村公路路网[13-14]。因此，人工智能使农村公路基础设施更新工作现场采集的照片、视频等非结构化数据可作为与GPS等数据相同用途的结构化数据，用于更新工作的定量分析。

（2）高分辨率遥感影像为非现场更新提供数据支撑

随着高分2号遥感卫星投入使用，由交通运输部筹备建立的“高分交通数据中心”开始为交通运输行业提供亚米级遥感影像数据。在农村公路基础数据更新方面通过引入高分遥感影像数据，一方面可对农村公路建设情况进行核查[15]；另一方面，结合人工智能技术，同一地域多时相的高分遥感影像可使更新工作基于高视角、广时域空域开展，获取路面巡查目视信息以外的更多宏观数据。

（3）数据资源交换共享提供建设信息多源获取与交叉核验渠道

随着各类信息系统的不断建设升级，“烟囱式”“孤岛式”现象日渐显现。为消除该现象，交通运输部建立了部省两级的交通运输资源共享交换平台[16]，并留有与气象、国土、水利等部门的数据接口。利用资源共享交换平台，可实现更新工作相关全行业各类信息系统的开放数据检索[17]，也可实现与其他行业的信息联动。例如通过与气象部门的数据接口，可获取灾毁恢复重建路段灾害发生时段的气象报告，作为更新、重建及资金申请依据等。

（4）道路实景采集技术、无人机航测技术等为更新数据准确性提供可靠判断

道路实景、无人机航测等技术随着图像处理技术的发展获得了快速进步。依托人工智能技术，道路实景、无人机航测等技术能够有效分离监测区域道路及相关基础设施目标[18]，为更新工作提供可供分析计算的现场可视化数据。

3 基于信息耦合链的人工智能基础设施更新管理系统架构

3.1 系统功能目标与总体架构

为适应新时代农村公路建设及数据更新工作的特点，使部、省、市、县各级交通运输主管部门能够全面详细掌握所辖区域农村公路基础设施数据，更新工作管理系统应当提供流程清晰、分类合理的功能模块，同时充分应用新一代信息处理技术，对采集的非结构化数据进行自动化或半自动化解译分析，通过共享交换平台获取建设项目在其他信息平台的相关信息，以相互耦合的同物多源信息提升更新数据的准确性。

遥感影像处理分析、道路实景抽样调查等模块应充分利用基于深度学习的人工智能技术进行准确的目标提取。通过人工智能高精度提取遥感影像中的路网结构，用于农村公路路网更新、建设进度核查以及提取道路实景中的路面状态及路侧设施。更新数据的精确可靠是保证农村公路建设管理工作顺畅、平稳开展的基础。依照上述目标，同时从信息系统设计开发角度出发，系统逻辑架构应当相互分立，但业务数据传递与操作又需要在不同功能模块间保持连贯。

综上所述，系统应当实现以下主要功能目标[19-20]：

（1）部、省、市、县各级农村公路基础设施更新对象的各类属性的多源数据耦合，将相互独立的业务数据、影像数据、气象数据与外业实采数据等多信息源数据进行归一化处理，在不同数据间建立时间、空间尺度的链式关联；并提供农村公路基础信息、增量更新信息的展示、查询及项目管理能力。

（2）具备农村公路项目建设的辅助督查、核查功能，提供时空多尺度信息，提高核查效率，输出用于督查、核查的可视化参考信息，并依据模板自动生成专题核查报告。

（3）具备工作流协助能力，后台接入投资计划管理系统农村公路项目库，依据项目库信息对项目管理、外业实采及内业处理等工作进行实时协助。

（4）提供基础地理信息服务，相关信息经许可后可接入部、省两级信息交换平台。

3.2 系统功能架构

为实现上述目标，以业务流程为导向，以后台数据流向作为中枢，并遵循信息系统“实用性、开放性、可扩展性、可维护性与管理分级”的设计原则[21]，更新系统划分为数据融合、项目管理、综合业务支撑、外业实采4个子系统。系统功能架构如图2所示。

图2 农村公路增量更新系统功能架构

更新系统以管理功能分级，应当划分为部、省、市、县4级，鉴于当前部级与各省交通运输主管部门均已建设了较为完善的信息数据资源池，基于资源集中利用的原则，系统部署分为部、省两级[22]。

部署架构如图3所示。

图3 农村公路增量更新系统部署架构

4 基于视角管理的更新系统数据流框架

在提出信息耦合的更新系统功能框架的基础上，需要进一步对后台数据流向进行约束管理，确保后台数据不因模块的功能分立导致数据被切割及碎片化，以及数据间的相互校核制约人为产生的数据填报误差。因此，需要将同一公路设施离散存储的多属性数据进行耦合处理，形成一条完整的信息链。但系统内既有人员填报数据，也有通过技术手段测量获取的数据，因此有必要对数据审核及分类处理；形成信息链的属性信息也需要通过合理的规则进行上报与下发；系统提供的融合及汇总信息也为交通运输主管部门提供了有效的建设项目监管依据（见图4）。

图4 系统框架与实用规则

4.1 数据分类与融合

根据数据源不同，农村公路建设项目属性数据需要进行分类以用于不同目标的控制与管理。本文定义了两类数据源，分别是“主视角数据”及“外视角数据”，定义如下：

（1）主视角数据指通过系统人工填报的数据，具有主观性，需要通过约束性手段进行独立核验；

（2）外视角数据指通过第三方获得的，非人工填报的项目建设信息，如卫星影像、道路实景信息、气象信息等，具有一定客观性，可在一定程度上对填报数据进行交叉核验。

为了保证农村公路基础设施更新过程中不同来源数据间的独立性，无需现场采集的外视角数据，如遥感影像等，置于省级节点获取；需要现场采集的外视角数据在采集后传输至省级节点。

外视角数据与主视角数据在经过耦合与融合处理后，生成基础设施增量更新的时空连续链式信息，能挖掘同一公路设施的不同属性间的联系，基于这种联系，可提供操作界面对信息进行可视化及图形化查阅。

4.2 更新数据流上报

更新数据的填报与实采工作由地市、县乡级交通运输主管部门完成。综合考虑量级机构的数据计算与处理能力以及本地数据存储安全等因素，数据应上报至省级节点，利用省级交通运输信息系统资源池进行复杂计算与数据交换。

（1）为保证基础设施增量更新数据安全，上报数据汇总至省级节点进行数据融合，通过包括人工智能在内的多类信息技术协同处理，形成归一化的相互耦合的农村公路基础设施数据增量更新时空信息，同时包含项目地理信息与关键时间节点气象信息。

融合后的项目信息由省级节点汇总后，分级别、分权限分发至省及所辖市县交通运输管理部门。

（2）由省级管理部门汇总的基础设施更新信息经确认无误后，报送至部级系统。

4.3 部省级项目评价与督察

农村公路基础设施数据更新的目的之一，是辅助部、省两级交通运输主管部门对监督管理范围内的农村公路建设项目进行统一的督察与评价工作。因此，更新系统应当能够为相关工作提供相应的数据与业务支持。

（1）在省级节点自动化/半自动生成项目综合分析与评价报告，并分级别、分权限分发至所辖市县。

（2）部级节点依据各省项目数据信息生成部级相关报告，并分权限分发至各省交通运输主管部门。

（3）部级节点依据各省建设情况生成督查辅助报告，省级节点依据各省实际情况生成省级督察辅助报告，为部省两级独立或共同开展相关督查工作提供汇总及参考信息；辅助报告同时可对主视角信息进行核验，确保录入信息的准确性。

5 更新系统功能详细架构

5.1 数据融合子系统

数据融合子系统是更新系统处理及分析数据的核心子系统，基于当前前沿的信息处理技术，用于对遥感数据、外业实采数据（卫星定位数据、按需的道路实景数据及无人机航摄数据等）的解译及数据融合。由于前沿技术快速发展更新，分析算法的实现应当采用易插取设计，便于在技术更替时平滑升级。

根据子系统的功能要求，子系统共可分解为3个子模块。

（1）遥感影像处理分析模块

主要用于农村公路建设项目卫星影像的处理分析，包括卫星影像的自动化/半自动化处理，进行图像镶嵌以及通过人工智能进行遥感影像中的农村公路线形等基础设施提取等。

（2）外业实采数据模块

主要用于外业实地采集数据的处理及后期加工，包括项目线形GPS实测数据以及道路基础设施实景采集数据（按需）、无人机航测数据（按需）等。

（3）时空信息解译融合模块

主要用于GIS系统中，将不同时间、空间的项目卫星影像解译数据、外业实采数据及系统人工填报数据进行耦合，建立统一的项目基础设施信息及增量更新信息库，以提供时空连贯的项目基础设施信息与增量更新信息。

5.2 项目管理子系统

农村公路基础设施数据增量更新工作的开展与管理需要详实的项目信息作为支撑，而项目信息的获取，可通过“数据交换共享模块”，分级别导入全国或本省农村公路建设项目库数据信息，作为基础设施数据更新的项目信息依托。

（1）基础设施数据更新审核及管理模块

提供农村公路基础设施数据增量更新的地方上报入口，进行增量更新数据的在线填报；提供部、省、市、县四级交通运输管理部门不同权限的项目管理功能，依据权限划分同步或异步填报、审批、调整项目数据，实现业务流的多级、多部门协作。

（2）更新数据汇总与查询模块

提供农村公路建设项目信息与上报增量更新信息的汇总整合功能，以建设项目为基本单位，以时间为轴向，对基础设施数据、增量更新数据进行汇总整合，提供清晰的项目更新序列；提供“县—市—省—部”的项目信息逐级上报功能；提供分级别、分权限的综合查询功能。

（3）项目建设情况综合分析与评价模块

针对增量更新数据的真实性、实时性等属性，提供部、省分级别的评价报告；为部、省、市、县四级管理部门提供分权限的农村公路建设督察信息辅助功能；利用数据融合子系统，对卫星影像解译数据、道路实采数据（GPS、道路实景、无人机航摄等）及系统填报数据进行自动化或半自动化综合评价比对，将不同监测手段获得的农村公路建设项目基础设施数据及增量更新数据进行归一化判读。

（4）项目库管理维护模块

提供项目库的管理维护相关功能，根据权限不同可进行项目基础设施及增量更新数据的分类、报送、管理及内容调整等功能。

5.3 综合业务支撑子系统

4G移动网络在全国农村地区获得广泛覆盖，系统应具备移动办公能力，打通内外业的空间阻隔，使外业工作成为内业工作的时空延伸；同时其他功能模块均在不同侧面为更新系统的运行提供相应的技术与业务支撑。

（1）移动办公业务模块

提供手持终端设备（手机、平板电脑等）的移动办公功能，提供适用于手持终端设备使用的功能与相应操作界面，提供关键工作的消息推送等功能。

（2）基础地理信息控制管理支撑模块

依托GIS系统提供农村公路建设项目数据的基础地理信息，并叠加至“数据融合子系统”；提供相关信息的管理。

（3）专题地图制作及输出模块

为交通运输管理部门决策及管理提供必要的专题地图制作及输出功能。

（4）项目建设气象信息评价与支持模块

接入权威气象部门的数据发布共享系统，为农村公路项目基础设施管理、增量更新工作提供气象信息支持。在建设项目遇到因气候原因导致未按期竣工、进行基础设施的灾毁恢复重建以及其他需要时，系统自动抽取该关键时间节点或时段内权威部门发布的气象报告，推送至“数据融合子系统”，生成包含关键时间节点气象数据的建设项目时空信息。

该模块为各级交通运输主管部门针对报送的农村公路基础设施损毁、项目建设进度延后等情况进行相关决策时，提供及时可信的气象信息。

（5）部、省、市、县数据交换与共享模块

该模块提供将系统内可供开放共享的数据推送至部省两级资源交换共享平台的功能，以及从平台抽取与农村公路建设项目相关数据等共享交换功能；提供与部、省、市、县其他有关单位及其业务信息平台进行数据资源交换共享的功能。

（6）系统设置及权限控制管理模块

该模块为部、省、市、县用户提供不同级别的权限管理功能；依据不同权限为系统管理员提供后台管理功能。

（7）可视化展示模块

该模块为具备可视化展示设备的交通运输管理单位提供分级别与分权限的可视化展示及输出功能。

5.4 外业实采子系统

外业实采子系统是实现外业数据采集的重要功能组成，通过配置相应的采集设备，结合信息处理前沿技术，获取所辖区域农村公路的现场信息。

（1）卫星定位线形点位采集模块

提供通过车载或手持卫星定位终端（GPS、北斗等）进行农村公路道路线形的采集功能；提供向“数据融合子系统”导入数据的功能。

该模块具备宽口径兼容能力，最大限度复用现有设备，避免重复投资。

（2）道路实景抽样调查模块

对于需要采集道路实景、无人机航摄等信息的路段，提供相关数据采集后的导入功能，对相关数据进行自动化/半自动化处理；提供向“数据融合子系统”导入数据的功能。

6 结语

当前，随着新时代“四好农村公路”建设的大力开展，农村公路建设范围向贫困与偏远地区偏移。建设项目在空间的扩展，使交通运输主管部门面对农村公路基础设施数据更新工作也必须做出适应性的改变。为使更新系统能够适应这种变化，提出了面向新时代农村公路建设的基于新一代信息处理技术的农村公路基础设施更新系统的功能架构与系统业务流程。基于信息耦合链式的功能架构能够使原有信息系统摆脱“数字文件柜”的应用模式，使更新系统数据处理分析能力具备一定智能水平；并且新形式的监管数据，例如高分辨率遥感影像、道路实景影像与无人机影像，不再仅作为影像资料，而是借助于新一代信息处理技术解译出监测项目关键属性的矢量化数据，使其在更新系统中成为可供计算与分析的数据。

较之已有系统，本文提出的功能架构能够提取与融合同一目标的多源、多维度信息，能够对同一建设项目的基础数据、外观现状、线形走向等进行定性、定量分析。依托现有成熟技术与已部署相关系统，功能架构实现具有一定的可行性。

对新一代信息技术框架下的农村公路基础设施更新系统功能架构的研究，能够为提升部、省、市、县农村公路更新数据准确性、提升更新工作管理效率，进而为提升农村公路项目规划与管理水平发挥积极的促进作用，存在一定的推广空间及价值。接下来研究工作将进一步集中于提升同一建设项目多源属性的耦合以及基于深度学习的人工智能技术路网提取的相关算法与技术研究。