基于GIS的高速公路建管维全寿命周期信息化应用

张忠刚,钟德超,李一锋,刘 荣,谭 军

(1.中铁开发投资集团有限公司,云南昆明 650118; 2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610000; 3. 成都金隧自动化工程有限责任公司,四川成都 610000)

1 高速公路监控现状及趋势分析

1.1 国外研究现状及趋势

高速公路的监控，最早开始于单体隧道，如美国的LONWORKS 分布式公路隧道监控系统(TMCS)技术是美国Echelon 公司20 世纪90 年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术；德国PhoenixContact 公司20 世纪80 年代中期推出的INTERBUS 现场总线技术和日本OMRON 公司20世纪70 年代中期推出的Controller Link 环网控制技术，在隧道监控方面都有广泛的应用。

自从美国提出“数字地球”的概念，到今天为推动我国国民经济信息化进程而进行的“数字政府”、“数字城市”，无不展示出21世纪将是一个信息技术高度集中、迅猛发展的数字时代。随着全球定位系统技术(GPS)、遥感系统技术(RS)、地理信息系统技术(GIS)及其集成“3S”技术，在农业资源、森林、水利、城市建设、环境、人口等几十个领域的应用，作为国家基础设施之一的公路交通，也会以空间地理信息系统技术为依托，借助计箅机及其网络技术，把与公路相关的数据信息化、数字化，实现从勘察设计、建设、养护运营等环节上对公路工程进行数字化管理，在此背景下，“数字公路”的概念被提出来了。

1.2 国内研究现状及趋势

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020)明确提出，要把智能交通管理系统作为交通运输领域的6个优先发展主题之一。2014年全国交通运输工作会议上，交通运输部党组书记、部长杨传堂作了题为《深化改革务实创新加快推进“四个交通”发展》的工作报告，要集中力量加快推进“四个交通”——综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通发展。

在2011年大数据技术逐渐渗入智能交通领域，经过三年的快速发展，到2014年大数据在智能交通领域取得了收益性成果，并且在2014市场规模达到2.75亿元，预计2020年应用市场规模达到190.74亿元，年均复合增长率超过100 %，可见大数据在智能交通领域发展态势较好。

2017年，交通运输部印发《推进智慧交通发展行动计划(2017—2020年)》，计划明确指出力争到2020年在基础设施建设中实现重大交通基础设施项目BIM(建筑信息模型)技术全生命周期应用。2017年2月24日，国务院办公厅印发《关于促进建筑业持续健康发展的意见》。指出加快推进BIM技术在规划勘察、设计施工和运营维护全过程过程的集成应用，实现工程建设全生命周期数据共享和信息化管理。

2 高速公路统一监控系统提出

高速公路交通安全管理、日常营运管理、相关基础设施和机电设备的管理是高速公路管理的重要内容，根据对本项目路线、构造物特点的分析，要提升本项目建设及运营管理水平，必须解决好以下几个问题。

(1)在交通管理方面要提高沿线路段、隧道运营监控管理水平，全线必须要建设一个统一的集中监控和应急指挥调度平台，才能很好的解决全线隧道群之间、隧道群与路段之间、区域路网之间的协同联控。

(2)在日常运营管理方面，要提高服务区、收费站、变电所等沿线设施的的管理和服务水平，必须实现信息化、智慧化管理，并能由全线统一集中管理监控。

(3)在安全管理方面，要能实时掌握路基、边坡、桥梁、隧道、山体等结构物变形和灾害从施工到运营全过程全生命周期的安全监测数据，保障建筑施工和运营安全。

(4)对于本项目大规模的机电设备，也必须要建立一套完善的设备集中运维管理系统，以提升管理维护水平，提高效率，保证机电设备的良好运行。

因此，要解决以上问题，建设一套各类业务统一的一体化平台是十分有必要的，平台包含了运营监控平台(包含路段、隧道、服务区监控等)、应急救援通信平台、机电设备运维管理在线监测平台、基础设施监测平台(桥梁、边坡、隧道)，可以为高速公路实现信息化、智慧化、服务化的综合管理提供技术和平台支撑，实现高速公路“高速、高效、安全、舒适”的营运。

3 智慧高速全寿命周期综合监控平台

智慧高速全寿命周期综合监控平台建设为研发目标，从多源信息共享协同、集群工程系统融合、多机电设备智能联动、远程智能控制等角度，开展高速公路智慧高速全寿命周期综合监控平台研究。

3.1 监控平台系统的设计原则

3.1.1 实用性、先进性与成熟可靠性并用的原则

系统设计需要充分考虑高速公路交通监控的系统特点，技术上遵循先进性、实用性与成熟可靠性并重的原则。

3.1.2 通用性、可扩展性的原则

系统需要采用组态化搭建，采用统一的、友好的监控界面，适应监控操作风格，无经验的普通操作员亦能轻松实现监控操作，且隧管站与路中心监控采用同一版本，提供可修改的专家级控制预案和多功能选项，通用性强，功能强大。

3.1.3 标准化、规范化构建原则

按项目施工方案和实施方案，系统建设按统一标准与规范，加强标准化和规范化建设，总体规划、分阶段实施，确保系统内各系统上下网络顺畅，衔接互联成为一个整体，系统留有与国家、省及相关业务部门信息系统相衔接的接口。

3.1.4 技术先进性与适用性原则

系统建设时按实际需要确定功能结构与规模，既采用成熟的先进技术，又避免脱离实际。当前网络技术发展迅速，新的设备不断涌现并趋于成熟，在满足实用性的基础上，系统起点设置高，尽量选用先进的网络技术及通信设施，将计算机网络应用的技术水平定位在一个较高的层次上，以适应各部门的业务需要。充分发挥现有业务系统的优势，利用现有业务信息资源，尽可能降低现有系统整合的工作量。

3.1.5 可靠性、安全性原则

系统设计充分考虑到可靠性，能长期无故障工作。系统充分考虑安全策略和安全机制，确保系统的安全性。

3.2 监控平台总体框架

综合监控平台软件系统软件需要采用集成化、智能化的全新监控软件。监控系统软件要求可根据各情况进行调整，以适应联网监控的高速公路管理的实际需求。

各级监控系统软件模块开发应符合国家开放式标准，并应严格遵守国家法律、法规及相关标准的规定。各级监控系统之间的网络通信必须遵循统一的约定，应采用国际通用的TCP/IP网络通信规约。

各级监控软件系统的设计和选型应符合“简单、自然、友好、一致”以及坚持图形用户界面(GUI)的设计原则，以此保持友好的人机界面，以便于监控系统各等级用户的使用和操作，增强监控软件系统的易用性。各级监控软件可采用B/S构架或B/S和C/S相结合的构架。

监控系统软件中心级、本地级两级的设计应遵循分级、分类的设计原则。

监控系统软件需要采用平台无关的、松耦合、标准化、高重用的软件，架构应该采用模块化结构。

监控系统软件编制过程中应明确各级管理软件之间的数据传输内容以及传输结构，确保各级监控软件之间的信息互通。

监控系统软件应具备有效性、可靠性、可理解性、可维护性、可适应性、可移植性、可追踪性、可互操作性、可扩充性和模块式结构，并且满足用户需求。

3.3 监控平台软件模块构成

综合监控平台软件系统应至少具备但不限于以下功能模块。

3.3.1 基础编码模块

应该能够满足遵余高速公路基础编码标准，路段及隧道监控管理软件应能够满足本路段的编码定义标准，包括路网代码、路段代码、管理部门代码、设备代码等；同时，各级监控管理部门应严格执行监控软件的基础编码标准。

3.3.2 信息汇集模块

需能实时汇集各机电设备上传的相关数据信息，包括遥信数据、遥测数据。

3.3.3 视频管理模块

应提供数字视频图像实时切换、数字视频图像录像、数字视频图像查看、远程视频控制功能。

可对下级上传视频信号进行监视，同时实现对相应信号源进行控制。

3.3.4 交通监测模块

应提供对本路段的路网交通设备运行状态进行实时监测和控制的功能，并可根据要求，显示特定路况的实时信息。

3.3.5 应急预案模块

应提供可预先制订针对本路段应急事件处置预案的功能，提供多种应急事件植入功能，应急预案需要根据权限控制能够进行动态编辑调整。

3.3.6 应急事件处置模块

当突发事件发生后，系统应可根据事件等级和类型，依据相应的处理预案，启动相应的应急事件处理程序。应包括人工或自动调用应急预案两种方式，在预案的执行过程中，能够图形化反应出预案的执行情况和执行结果。

3.3.7 信息发布模块

应提供交通诱导信息、气象信息的整理、编辑列表、单点发布、批量发布、更新的功能。

(1)对重要信号发布的内容进行审核。

(2)支持将汇集到的发布信息进行分类整理，并可及时更新至数据库。

3.3.8 气象监测模块

应实时接收或采集本路段公路气象信息，进行气象信息处理和对外发布，并参考路网上各路段的历史气象监测记录，进行本路段气象监测和预警，最大限度地提高路网通行能力和服务水平。

3.3.9 数据交换模块

应满足当地区域中心进行数据交换和互操作的要求，并符合《公路网运行监测与服务暂行技术要求》的有关规定。

3.3.10 设备管理模块

应能对本路段管理范围内的机电设备进行管理，对机电设备的故障进行实时显示，对无法接收到数据或数据值超标的机电设备进行故障实时显示，提供人工置设备故障的功能，需要能够提供机电设备的维护人员列表。

4 高速公路监控系统功能

4.1 基于GIS电子地图图形化的路段监控

采用GIS电子地图反映高速公路沿线设施的地理信息，能生成显示详细路线图为基础的路况背景图，静态显示包括地形、地物、道路、河流、地面构造物及沿线的有关设施，如服务区、管理所、养护工区、医院等。

提供所有路段的重点对象静态信息查询，包括：路段段面、隧道、立交、桥梁、收费站等位置、桩号、配置信息等，以电子地图图形显示，可进行各种电子地图图形化操作能够在电子地图上动态显示重点监控对象的交通拥堵状况、道路封闭管制状况、交通事件事故状况、灾害事件状态、道路养护维修状况，这些路段路况信息可通过手动、自动(通过系统获得火灾、通过交通量运算得到拥堵状况等)、其它系统获取。

提供对路段所有机电设备的数据采集和控制，如：车辆检测仪、可变情报板、限速标志、气象仪、摄像机等。

4.2 路况信息管理

对高速公路宏观管理者来说除了关心路段各个机电设备设施的运行情况外，更需要关心是整个路段段面、互通立交、桥梁、收费站、隧道、服务区等重点结构物的交通实时路况，这些实时路况包括：

(1)道路拥堵状况，包括：畅通、拥挤、拥堵。

(2)道路封闭及管制情况，包括：正常通行、单车道封闭、全车道封闭、限量放行等等。

(3)交通事故事件情况，包括：交通事故、突发交通流、交通管制等。

(4)灾害事件情况，包括：气象灾害、冰雪灾害、地质灾害、火灾、暴雨灾害等。

(5)道路施工养护维修情况，包括：养护类型、预计工期、通行措施等。

(6)路段各区段电力供电状态，包括：主电源供电、UPS/EPS供电、完全停电、电力停电状况信息、UPS及备电供电信息等。

4.3 交通流量实时监测

单点、区间车流量统计及图形化显示；在监控图显示车流量专题图；能够显示各互通之间的段面车流量信息，以柱状图的方式显示其流量大小。内置交通拥堵算法，根据段面车流量情况实现对交通拥堵和交通事件的预警。

对路段沿线车辆检测仪，包括：线圈车检和微波车检测进行数据获得和流量分析：

(1)对各个车检仪数据进行远程获取，包括：实时数据和周期统计数据

(2)对各个车检仪的数据进行分析、统计，通过交通算法计算出各路段段面、立交的拥堵状态。通过数据分析、统计各收费站、立交的交通汇总流量。

4.4 气象信息实时监测

气象环境专题图层，气象数据的实时动态显示；通过内置气象算法，实现气象预警功能。

能够对路段的气象仪设备的数据进行读取和分析：

(1)对各个位置气象仪的数据进行分析，检验分析后进行进行气象数据分析。

(2)能够通过可变情报板对气象局或气象仪检测的准确校验过的气象信息进行发布。

4.5 情报板的智能发布

为了提高操作员的工作效率，系统提供有可变情报板的批量发布功能，即对于同类型的情报板，可以指定发布相同的播放列表。为了提高操作员的工作效率，系统提供有可变情报板的批量发布功能，可对不同同类型的情报板，自动适应发布内容，可进行批量追加和撤销。

(1)实现不同类型的情报板自动排版和分页。

(2)保留原有内容追加发布。

(3)上次发布内容的批量撤销。

4.6 应急预案的植入

隧道监控软件要求能够植入各种应急情况下的应急处置预案，包括正常情况下、交通管制情况下、交通阻塞情况下、道路养护与维修情况下、污染物浓度超标情况下、火灾情况下的相应多种联动处理预案，这些预案根据相应的控制原则由专家评审和编辑后提供，应具权威性、实用性。

4.7 子系统联动

隧道监控系统能提供对各个子系统事件及报警的联动处理，包括：与图像事件检测子系统的事件报警联动、与数字图像编/解码器视频子系统的报警切换联动、与网络视频存储服务器的录像及报警联动、与火灾监控子系统的联动、与路段监控子系统的信息联动、与紧急电话和广播子系统的信息联动。

4.8 监控数据的综合查询

隧道监控软件能把实时设备数据和操作员操作的所有信息，包括：设备检测值数据、操作记录数据、事件记录数据、预案执行记录数据、设备通讯记录数据等等数据写入数据库中，由数据分析软件对数据进行统一查询管理分析。数据分析软件具有：

(1)设备数据多种方式查询分析功能。

(2)操作数据的多种方式查询分析功能。

(3)数据统计、报表生成功能。

(4)数据分析、打印功能。

4.9 机电设备运行状况在线侦测及管理

应能对本路段管理范围内的机电设备运行状况进行在线监测，对机电设备的故障进行实时显示(包括设备本身的故障和通讯故障)，提供人工置设备故障的功能，需要能够提供与机电维护系统的数据接口。可显示设备的故障状态、报修情况、维修情况。

对隧道内的通风系统、照明系统的用电情况进行管理。分析每个隧道通风、照明的能能耗情况，同时可以与历史耗能、其它隧道的耗能情况进行对比。通过能效管理达到节约耗电量的目的。

4.10 综合大屏展示及专题图

高速公路监控涉及到各类数据的获取与展示，如交通流量，设备状态，气象，能耗，污染物等。这些数据种类多，在系统上的分布散，查看不便，利用率较低。为更清晰地展示这些数据，故将同一类数据集中到一个页面形成专题图来展示，通过专题图可以直观地掌握整个路段和隧道的相关情况。采用专题图把复杂的数据图形化，呈现给用户的是一个图形化的展示界面，能够一目了然地得到想要的信息。通过专题图能够直观展示各类型的数据，通过智能化分析，把分析结果进行图形化显示，增强了系统的智能化程度。

专题图包括：通风专题图、照明专题图、交通流量专题图、设备故障专题图、电力能耗专题图、气象专题图、综合汇总性专题图。

4.11 报警和故障处置功能

当系统收到报警或故障信号，将在系统软件上给出动画提示，包括：弹出消息框、声音提示、显示动画等，进行视频切换和电视墙的联动，同时将会添加相应的报警列表。

操作人员在收到报警后需要及时做出处置，对于不同级别的报警设置有对应的时效性要求，如果在规定的时间内未及时做出处理，将会对该操作人员产生不良考核记录。

4.12 公众出行服务功能

运营管理者还需要掌握路段的交通出行信息，包括：公路基础信息、交通流量信息、交通路况信息、气象信息等，系统能够通过可变情报板、诱导屏、路段广播等手段进行交通实时路况信息和出行信息的信息共享与发布，提供公众行信息出行服务，在应急事件发生时能够提供则事故、分流信息。从而保证高速公路良好的运营服务水平。

4.13 基于大数据的数据挖掘、和辅助决策功能

大数据深入挖掘分析及多元化系统组件服务延续定制，包括：交通拥堵分析、交通事件事故预判分析、隧道内行车安全分析、灾害及救援方案分析、交通智能诱导等深入交通及设施状况的分析，将大数据的价值深入挖掘并造福于真实的场景应用。

通过整合挖掘系统车流量数据、车辆类型组成比例有效地反映各路网车辆负荷状况和高速公路的运力组成及演变，对管理部门服务质量的提高、指导运营管理、路网的规划、资源的有效使用、路面的科学保养都具有重要的参考意义，为领导提供决策参考。

4.14 移动监控功能

将现有监控管理“移动化”、“可视化”、“综合化”，让管理者的办公管理更加自由方便。让管理者通过移动设备，随时承地进行移动信息化路网监控，包括：高速公路运行路况查看、车流量情况查看、隧道内各类机电设备运行监控、外场设备监控、移动视频监控等。

4.15 建设期信息查询功能建议

对设计、建设期的资料进行管理，在运营期遇到的问题可以追溯查找到建设期乃至设计期的资料，为运营管理带来帮助。对设计期，建设期的资料进行归类管理，提供设计与建设期资料的快速追溯查找服务。

4.16 基础设施安全监测平台功能

要能实时掌握路基、边坡、桥梁、隧道、山体等结构物变形和灾害从施工到运营全过程全周的安全监测数据，保障建筑施工和运营安全。

4.17 模拟仿真培训系统功能

为方便对监控人员进行系统培训和模拟演练，系统提供仿真教学模块，能够以一个仿真平台模拟实现系统各个模块的功能，很好实现了对监控人员的集中培训和操演，做到了以下功能：

(1)让监控人员对系统的各个功能和系统性能进行了全盘使用和全方面掌握。

(2)在应急事件发生让监控人员能够从容应急按系统流程逐步操作。

4.18 机电设备运营维护系统功能

通过对高速公路机电设备基本信息、故障及维护登记、故障及维护审批处置及出入库、备品备件等器件等的信息化管理，通过对机电维护专项工程的管理，为高速公路机电设备的维护提供及时准确的业务信息，合理安排维护人员，系统为实现维护工作过程标准化控制奠定了基础。

5 结束语

基于GIS的高速全寿命周期信息化应用，将智慧高速的多类智能化元素融入其中和实质性的应用，将提升整个高速公路的全程信息化监控能力，提供日常以及突发事件信息的快速有效发布、救援资源的实时监视和调度，提高数据共享能力和资源的监视调度能力，对建设高可靠、可管理高速公路交通运行和信息管理体系，会提供有力的技术支持和保障，从而极大的提高高速公路现代化管理水平；提高风机、照明等设备智能化控制水平，实现事故状况下的最佳控制策略及节能运营，结合智能调光系统，预计可节约10 %左右的通风、照明能耗；通过智能移动服务信息平台建设，促进高速公路智能化营运服务水平，给人们带来便捷的出行信息服务，促进高速公路沿线旅游发展，推动地方经济发展，产生巨大的经济效益；同时，研究成果可以向艰险复杂山区，环境恶劣、生态脆弱地区高速公路和全国其它高速公路推广和应用，全面提升高速公路的智能管理水平和服务水平，市场应用前景巨大。