基于大数据的高速公路智能养护系统研究

胡 娟

（湖北交投高速公路发展有限公司， 湖北 武汉 430050）

近年来， 大数据已成为一项重要技术， 在科技、 商业、 医疗、 交通、 金融、 教育、 体育等领域得到了越来越多的关注。 基于大数据的高速公路智能养护系统是结合高速公路养护管理中各类数据源的产生， 和大数据技术在高速公路养护管理中的作用而设计的， 旨在促进高速公路养护管理水平的进一步提升， 为科学决策提供数据支撑， 全面实现运营网络“管理信息化、 检测数字化、 养护精益化” 的目标。

1 高速公路养护管理中的大数据

1.1 大数据的概念

在维基百科中关于大数据的定义为： 大数据是指利用常用软件工具来获取、 管理和处理数据所耗时间超过可容忍时间的数据集。 这里的大数据是相对的意思， 并不是绝对的， 没有明确定义多大的数据量才能成为大数据。 它只强调数据本身的特征， 例如大量数据， 多种类型和快速增长。 总之， 与传统数据相比， 大数据具有Volume （规模大）、 Velocity （处理速度快）、 Variety（种类多） 和Value （数据价格客观） 的 “4V” 特点。

1.2 大数据现阶段的应用

早在1980 年， 阿尔文托夫勒等人就指出过大数据时代即将来临。 此后经过几十年的发展，随着云计算， 移动互联网和物联网等技术的出现， 人们逐渐认识到大数据的重大意义。

目前， 大数据的应用已经十分普及。 在智慧城市建设中， 大数据也被应用于基于城市实时交通信息、 天气数据和社交网络来优化交通情况。基于大数据技术的支撑实现城市各个部门之间数据库信息的互联互通， 进而提高市民的生活质量。

通过大数据在智慧城市应用中可以看出， 大数据最核心的应用就是预测， 通过预测来调度资源和辅助制定决策。

1.3 高速公路养护管理中的数据源

作为国家基础设施的重要组成部分， 高速公路在养护管理过程产生的海量数据， 主要包含以下几类：

一是高速公路基础数据。 包括高速公路设计、 施工、 竣工等文件数据； 路线概况、 里程及桩号、 路基、 路面、 沿线设施的基本情况数据；收费站， 机电设备类型、 品牌等基本信息数据。

二是高速公路养护过程中产生的数据。 根据交通部有关规定， 高速公路应按频次每年做技术状况评定， 因此会产生包括路面、 路基、 桥隧构造物、 沿线设施和机电设备的状况评定数据。 同时， 作为日常养护工作内容， 土建、 机电养护公司必须进行日常检查与清洁维护， 需填写相应的巡检报告， 以及道路病害、 机电设施故障也会形成资料数据。

三是日常监测、 监控资料数据。 在健康环境监测系统采集的数据， 以及交通监控系统、 视频监控系统、 收费系统等对道路行驶车辆进行实时监控产生的大量数据。

以上是高速公路养护管理过程中产生的主要数据， 数量规模大、 种类多， 并且其价值不可估量， 符合大数据的特点。

2 高速公路养护管理现状分析及信息系统应用的发展历史

2.1 高速公路养护管理面对的现状

根据国务院发布的 《“十三五” 现代综合交通运输体系发展规划》， 到2020 年， 基本建成安全、 便捷、 高效、 绿色的现代综合交通运输体系， 部分地区和领域率先基本实现交通运输现代化， 以网络覆盖加密拓展、 综合衔接一体高效、运输服务提质升级、 智能技术广泛应用、 绿色安全水平提升为主要发展目标。

随着国家政策体制改革， 经济发展， 高速公路通车里程和交通流量不断增长， 面对公众出行新需求、 高速公路复杂的运营状况， 高速公路养护管理面临着新挑战。 因此， 高速公路要从发生病害、 故障后修复的被动模式， 转变为预防性养护的主动模式， 以个人经验指导转变为数据分析决策指导。

2.2 高速公路养护管理中信息系统应用的发展历史

在公路养护管理领域， 较早采用的信息化技术为路面管理系统 （PMS）。 在20 世纪70 年代，公路出行需求激增而公路维护资源投入有限， 对道路维护工程项目进行资源优化配置的需求逐渐受到重视， 因此应用PMS 管理路面维护。

目前， 高速公路养护管理系统， 具备资产档案管理、 办公和流程管理的功能。 它能够逐级显示各路段和节点的巡查和养护情况， 能够基于第三方地图反映路段、 站所、 病害信息以及机电设备故障信息。 其移动客户端主要作为日常巡查的数据采集设备， 提供远程数据支持和定位服务。

2.3 大数据技术在高速公路养护管理中带来的改变

大数据， 就是从传统的随机抽样变为全样本分析， 数据不再是单一的， 而是种类繁多、 规模庞大的。 数据来源应该由本企业或部门采集变为各行业各领域的数据开放共享， 打破信息孤岛，降低数据采集成本。 管理决策应该由依赖专家、领导个人经验转变为以数据分析为科技依据。

根据国内外研究结果， 当公路处于健康状态时， 延长其使用寿命的费用， 要远低于病害发生、 机电故障发生后修复的费用。 所以， 路面和机电设备预防性养护策略是关键。 利用高速公路运营过程中的海量数据， 应用数据挖掘技术， 分析路面病害、 机电设备故障与影响因素的相关关系。 这样可以预测其发生的可能性，实现提前养护和快速反应， 并有效降低养护成本和损失。

3 基于大数据的高速公路智能养护系统设计

3.1 总体设计

系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构示意图

在系统软件的总体构架中， 以操作系统、 商用数据库等基础软件为支撑层； 建设地理信息、公路资产、 日常巡查和小修养护等专题数据库，作为系统的模型层； 构建GIS、 图像识别、 三维显示等公共组件， 为控制应用层提供基础功能；控制应用层在GIS 图形平台的基础上， 建立巡查、 养护、 专项检查、 大中修管理、 移动智能设备APP、 统计分析、 辅助决策等功能模块。 视图层作为各功能模块提供用户访问的图形界面。 通过外部接入层提供的设计接口， 可以接入桥隧和视频监控系统。

3.2 拓扑结构

系统部署拓扑结构如图2 所示。

图2 系统部署拓扑结构示意图

用户经网络防火墙、 路由器， 访问系统和数据服务器， 设立“养护信息中心” 及系统管理员，各级用户通过局部互联网和内部无线网接入系统。该系统可以连接独立的桥梁、 隧道健康监测系统以及路政视频监控系统。 检测、 设计、 施工等外部授权用户可通过互联网登录访问本系统。

3.3 应用系统设计

（1） 系统首页

用户登录系统后， 即显示系统首页。 主要内容有： 路网总览图、 养护快报和图片新闻、 考核信息栏、 任务通知栏、 规范文档和工具下载栏。

（2） 公路资产管理数据库

基础数据库包括： 路线、 路基路面、 桥梁、隧道、 涵洞通道、 互通立交、 服务区、 收费站、安全设施和设备、 景观绿化等基础信息及其建设图纸、 图形数据。 数据库系统主要功能包括： 数据编辑、 查询统计、 可视化、 数据传输和安全权限管理。

（3） 地理地质信息平台

高速公路GIS 图形平台为养护管理提供了一种全新的信息共享模式。 按管理层及不同分别设置“路网——线路——节点” 三层GIS 图形和数据内容。

一是高速公路路网技术状况总图。 二是高速公路线路总体图。 三是重要工点详图， 包括二维平面图和三维视图。 四是整合原有的道路视频监控系统， 并将视频信息与地图进行匹配， 实现对公路资产的空间信息和属性视频信息的交互式查询。

（4） 日常巡检管理模块

编制巡查计划， 根据预设频率， 系统自动创建和发布 《巡查任务单》， 也可以应急创建巡查任务。 巡视人员受领任务后， 执行并填报报告，提交审核， 确定公路技术状况。 需要养护维修时， 进入相应的管理模块。

（5） 专项检查管理模块

编制专项检查计划， 根据预设频率， 系统自动创建和发布 《专项检查任务单》。 也可以根据日常巡查情况， 提出专项检查的申请。 专项检查中新发现的病害， 系统将建立病害档案， 保存在数据库中， 以备日后跟踪检查和对照。 通过GIS平台， 可以显示出历次病害的数据变化情况和对比图像。 经过养护维修后， 已消除的病害， 系统将关闭其档案。

（6） 小修养护管理

小修养护管理模块包括： 养护任务单的自动或手动创建、 发布、 执行、 反馈、 施工日志台帐管理和任务评价功能， 可以监控小修养护工作的时间进度和工料机数量； 对工作质量进行评价和结算。

（7） 专项工程大中修项目管理

该模块是一个小型的工程项目管理子系统。主要功能包括： 立项管理， 预算审批管理， 工程合同管理， 进度计划管理， 竣工验收管理， 计量和支付管理。

（8） 统计分析

统计分析功能是辅助决策系统的重要组成部分， 用于对养护业务数据进行检索汇总， 并通过图表直观地展示。 主要包括： 计划进度完成情况、 费用分布、 时序分析、 黑点统计、 车辆运行情况分析、 机电设备情况分析等内容。

（9） 移动智能设备APP

移动智能终端APP 是通过与信息系统远程连接而实现数据交互， 并部署在平板电脑或智能手机上的应用程序。

（10） 路面、 桥梁和隧道管理子系统

针对路面、 桥梁和隧道建设的专项管理子系统， 建立长期的公路病害跟踪数据库。 依托系统大数据， 实现路面性能检测与评价自动化； 预测路面结构性能和疲劳退化； 实现桥隧病害三维定位和GIS 可视化显示； 管理应急处置方案； 实现桥隧技术状况实时跟踪和预警； 实现管理养护辅助决策等功能。

4 主要创新点

4.1 基于GIS 及三维技术， 实现桥隧病害、 机电设备可视化显示

在传统的养护管理方式中， 对公路现状特征的存储与管理， 养护部门在信息处理时通常使用的是节点-弧段模型。 这一信息模型能够比较好的反应高速公路的静态特征， 但随着高速公路投入使用， 其各方面信息都可能出现变化， 再使用原有的节点-弧段模型则无法对高速公路的动态信息进行描述， 因此已经不能较好的应用于养护部门的信息数据处理工作中。

三维GIS 技术即地理信息系统技术， 是一门综合性较强的科学技术， 它结合了地理学、 地图学、 遥感以及计算机技术。 现阶段三维GIS 技术已经在汽车导航、 手机定位等多个领域得到了广泛应用， GIS 技术能够实现对地理数据的输入、存储以及分析等功能， 并能对辐射范围内的地理空间数据进行高效处理， 而高速公路具有线路长、 复杂性高的特点， 因此应用三维GIS 技术能够对高速公路桥隧病害、 机电设备信息进行可视化处理， 通过其提供的电子地图， 工作人员能够真实的观看到高速公路的图片、 录像的信息， 并根据其显示的路面情况制定出专题地图， 从而更加针对性的展开公路的养护工作。

4.2 基于决策树算法， 建立评估决策系统

针对高速公路的路面病害、 桥隧病害、 机电设备故障， 通过评价决策数据模型算法， 结合相关规范标准， 对其路面、 桥隧病害， 机电设备故障等级进行评价。

评估决策系统包含多个独立的算法子程序，包括路面养护评估指标体系、 桥梁养护评估指标体系、 隧道养护评估指标体系， 机电设备养护评估指标体系。 利用大数据技术， 根据不同的方案要求、 系统评估结果选择不同的养护策略。

4.3 利用大数据技术， 建立多源的公路资产全寿命信息数据库

要充分利用大数据的特性， 收集和管理公路行业的所有信息， 将公路建设图纸， 路线、 路基路面、 桥梁、 隧道、 涵洞通道、 互通立交、 服务区、 收费站、 安全设施和设备、 景观绿化等基础信息， 并且存储和建档全部公路信息。 并且将视频图像与空间地图相结合， 建立起一个丰富的、动态的、 多源的公路资产全寿命信息数据库。

5 市场分析

系统目标客户主要包括： 养护单位， 土建养护施工单位、 机电养护施工单位不具有决策权或管理权， 按合同或任务单执行相应工作； 运营单位， 主要分为高层管理人员及养护管理人员； 交通管理部门， 在智能养护系统建立后， 可实现应急指挥调度， 实时掌握交通事故等突发情况， 进一步研究制定解决方案快速响应。

随着经济不断发展， 高速公路里程也在不断增加， 系统应用范围也会不断扩大。 此外， “大数据”、 “智能养护” 也写入了 《交通运输信息化 “十三五” 发展规划》， 为该平台的推广实施提供了有力的制度保障。 因此， 基于大数据的高速公路智能养护管理平台具有广阔的前景。

6 经济及社会效益

6.1 经济效益

目前该系统应用范围涵盖湖北省交投多个高速公路运营公司以及养护施工单位、 监理单位等。 现高速公路养护信息管理平台已建立二十多条路段 （路面资产、 桥梁资产、 隧道资产）， 及包含通风、 监控、 通信、 照明设施在内等机电设备资产。

以鄂西北运营公司为例， 系统投入应用后，每年节省预计30 万元养护费用， 由此可见， 系统具备推广的经济价值。

6.2 社会效益

（1） 统一、 规范养护作业和管理的工作制度， 进一步建立健全高速公路路网养护管理相关的企业标准和法规制度。

（2） 推动高速公路养护信息化， 如共享数据库的建设、 智能移动终端的广泛应用， 从而提升了我国信息化的总体发展水平。

（3） 提高安全预警能力， 将各类桥隧日常巡查信息、 健康监测信息进行整合， 进行动态分析提高安全预警能力， 保障高速公路安全运营。

7 应用前景展望

（1） 形成养护中心数据库、 动态的信息数据库， 实现对病害全面、 系统和非静态管理。 及时掌握病害的类型、 数量、 发展趋势、 处治进程，给养护管理工作提供可靠的计划和统计依据， 从而提高养护管理预测水平。

（2） 利用中心数据库海量数据， 将高速公路养护过程中机电设备信息、 日常养护数据、 故障信息、 备品备件数据汇总， 建立各种模型为养护管理工作提供科学的数据依据。 同时也为高速公路机电系统预防性运维提供科学依据， 通过系统标准化检测及评价手段， 为运营单位提供切实有效的养护报告及方案。

（3） 结合高速公路视频监控系统、 交通监控系统， 既可以实时掌握交通事故等突发情况， 进一步研究制定解决方案快速响应。 又可以向驾驶人员及时推送路况信息， 以及绕行建议路线， 提升路网整体服务水平。

8 结语

大数据技术对于高速公路智能系统的应用起到了极大作用， 对养护管理工作有着重大的意义。 需要结合施工养护管理、 数据分析等多方面知识， 才能真正做到利用大数据技术， 提高公路养护管理水平， 发挥公路养护数据的利用效率，更好的服务于社会。