浅谈实现精准定位和资产可视化的高速公路养护管理系统

陈志清

(福建省高速公路集团有限公司漳州管理分公司，福建 漳州 363005)

1 概述

公路养护管理是公路交通工作的基础，对保障路网整体效能，促进公路交通更好地适应经济社会发展和人民群众安全便捷出行具有十分重要的意义[1]。近年来，我国大力推动公路养护管理转型发展，提出要统筹推进交通强国建设，积极推进“互联网+便捷交通”，借助先进的互联网技术进行改革创新，促进服务提质升级，努力构建更加畅通、安全、智慧、绿色的公路交通网络成为养护发展的必然趋势。

现有的高速公路养护管理普遍采用传统作业方式，存在以下不足。

①在开展高速公路网命名编号调整工作时，一般先对主要控制点进行放样，确定其准确桩号，再采用人工滑滚轮、拉皮尺等方式逐个确定公里牌、百米桩的位置。里程桩号的确定主要采用人工方式，耗时长、易出错，并且在通车高速公路上长时间步行存在较大安全风险。同时，由于长短链、弯道等因素的影响，采用该方法得到的非控制点里程桩号可能与实际位置存在较大偏差。

②道路设施损坏时，确定路损位置、收集路损施工信息、整理影像资料往往耗费大量的人力和时间，并且在整理过程中易出错、遗漏。当特定位置再次出现损坏时，难以调取该位置的历史损坏、维修记录等信息，不利于养护对策的分析和制定。

③路面大中修从病害调查到设计、施工，往往耗时数个月以上时间。在此期间，在行车荷载和气候条件作用下，路面病害程度可能已经加深，施工单位进场后若直接按设计图施工，可能导致病害处治不到位，影响养护工程质量。

④路面养护施工时的施工数据及影像资料的存档、处理，仍主要采用人工收集整理方式，该方法效率低、无法随时调取查看，不利于后续的工程档案整理及调取，同时不利于同一位置路面再次损坏时的原因探查，影响针对性的处治措施的制定。

⑤指路标志、里程牌等交通标志受台风等自然灾害侵袭损毁后，由于缺乏数字化、可视化信息，需要恢复标志时，查找原来的版面内容及结构类型资料往往较为困难，耗时耗力。

在“互联网+”时代，电子信息技术和移动互联网技术得到快速发展，为了优化传统作业流程、推进养护转型升级、提高养护管理信息化水平，福建省高速公路集团有限公司漳州管理分公司开发了一套可实现里程桩号精准定位和资产可视化的高速公路智慧养护管理系统。

2 系统内核

高速公路智慧养护管理系统是采用高精度的GPS定位、人工智能、计算机图形学等先进信息技术，结合工程测绘原理研发而成。管理平台包含服务器端后台、网页版前端和手机App端三大模块。服务器端后台基于Spring MVC框架，采用具备高稳定性的大型网站主流开发语言Java编写，搭载性能卓越服务稳定的开源Mysql数据库。网页版前端采用HTML5+CSS3+JavaScript等语言开发实现。手机端基于谷歌发布的集成开发工具Android Studio，采用Java、XML等语言构建。

“枕席而卧，则清泠之状与目谋，瀯瀯之声与耳谋，悠然而虚者与神谋，渊然而静者与心谋。”即：“枕石席地而卧，清澈明净的溪水使我眼目舒适，潺潺的水声分外悦耳，那悠远寥廓、恬静幽深的境界使人心旷神怡。”

为了实现高速公路里程桩号的快速精准定位，首先，利用Android系统的原生API获取精准的位置信息；然后，引入高速公路工程图纸中的线形要素，结合谷歌的高精度电子地图；最后，通过系统自研的核心算法，快速准确地计算出所在GPS位置信息对应的里程桩号，并利用大数据分析对计算桩号进行再次校正，进一步提升稳定性和可靠性。

为了提升公路养护大中修方案制定的及时性、科学性和准确性，提高参与养护各方的沟通效率，该系统根据《公路沥青路面养护设计规范》(JTG 5421-2018)和《公路技术状况评定标准》(JTG 5210-2018)，定制研发了一套集快速的人工病害调查、自动化的路面破损指标PCI计算、智能化的维修方案推荐、即时精准的消息提醒、高效化的报表整理导出等功能的跨平台软件。

在电脑PC端采用BS(浏览器-服务器)架构，主要利用了Bootstrap、BootstrapTable、G2plot等主流开源web端框架以及阿里巴巴旗下蚂蚁金服开发的G6图可视化引擎，软件维护和升级方便,只要能上网就能升级且不需要安装额外的软件，使用PC端浏览器就能够使用该系统的各个功能。

在手机App端，由于需要频繁使用桩号实时定位功能，为避免服务器压力过大，该系统采用了CS(客户机-服务器)架构，使得大部分的运算是在个人智能手机上运行,一方面降低了服务器的计算压力，另一方面由于直接在个人智能手机上进行运算，减少了网络通信的时间消耗，该系统的使用流畅性也得到了提高，改善了用户的使用体验。利用个人智能手机搭载的GPS定位芯片，配合基站、WLAN位置和系统自带的桩号转换算法进行里程桩号的实时高精度定位。采用了Luban图片压缩算法，能在保证图片清晰度的条件下，将几个MB甚至几十个MB的图片压缩至200kB左右，节省大量的存储空间，同时避免大量的应用数据导致个人手机卡顿。此外，该系统还使用了大量的移动端主流框架，如：Fastjson、Picasso、Okhttp、SmartTable、GlideImageLoader等，用来提高移动App端应用的稳定性、可靠性以及美观性，提高用户的使用体验。

为了提升公路资产管理的数字化、信息化水平，提高养护工作效率，该系统通过收集主要构造物及标志牌等资产的影像、GPS位置、施工参数及图纸等信息，结合谷歌的高精度电子地图，实现了公路资产的数字化管理和在电子地图上的可视化。

3 主要功能

高速公路智慧养护管理系统主要包含路网改造、路损调查、动态设计、施工管理、工程量统计及变更管理、主要构造物及标志牌可视化六大模块，如图1所示。

图1 系统功能

3.1 路网改造

该模块需要先人工手持智能手机，到部分控制点(桥梁、隧道)采集该点位的经纬度信息。区别于复杂的放样流程，该方法操作简单，仅需操作人员站在控制点上，打开已安装在个人智能手机的App相应模块即可，无需使用其他专业设备。采集到控制点的经纬度信息，再导入公路路线平面图中的直线、曲线、转角数据，该系统就能够在地图(如谷歌地图、腾讯地图、百度地图、高德地图等)上面绘制出高速公路路线图，实现路线上所有点位的里程桩号的精准定位。使用时，养护人员仅需打开手机App，选择路线、路幅后，即可实时显示所处位置的里程桩号(在同一位置使用不同安卓手机、在不同时间的定位偏差不超过5米)，如图2所示。选择路牌类型并拍照保存后，系统即可自动计算该路牌位置的偏差值。

图2 里程桩号实时精准定位

3.2 路损调查

图3 路损调查录入界面

3.3 动态设计

该模块主要是为了解决路面大中修时，从病害调查、确定维修设计方案到施工的整个周期较长导致施工单位进场后因病害情况已加剧无法按图施工的问题。为保证病害调查信息能真实反映当前的路面损坏情况，调查人员至少在施工的一天前，开展徒步病害调查，现场实时获取病害位置准确桩号、拍摄病害照片、录入病害信息到系统。该系统对上传的病害调查数据进行自动整合归档，并结合《公路沥青路面养护设计规范》以及《公路技术状况评定标准》，自动计算出路面损坏指标PCI，如图 4 、图 5 所示。设计人员可参考系统计算出的路面损坏指标和路面病害影像，动态、科学地调整维修设计方案，监理、业主单位通过该系统确认设计方案后，施工单位便可按此设计方案施工。从病害调查到施工单位开始施工这个流程可以缩短到数个小时内[5]。

图4 对病害调查数据自动整合，计算路面损坏指标PCI

图5 病害调查数据及影像

3.4 施工管理

该模块将病害调查、施工等数据与对应的GPS位置信息进行绑定，与现有的高精度电子地图(如谷歌地图、高德地图、百度地图、腾讯地图等)结合，实现以下效果：在路面修复性养护完成后，养护人员在高速公路上巡查时，打开个人智能手机接入该系统。该系统便可通过所处位置的GPS信息，调取系统内存档的病害调查、施工数据的GPS位置信息，实时显示养护人员所处位置一定范围内的路面养护施工前和施工后信息。再利用桩号与设计单位制定的维修方案进行关联，便可实现对路面修复性养护前损坏情况、维修设计、养护施工情况以及路面现状进行全程可视化跟踪，实现路面再次损坏原因全程可追溯，为路面的再次损坏维修方案的制定提供数据支持。利用近几年快速发展的Web端图表可视化技术，在该系统上可以看到历年的路面检测指标PQI、PCI、RDI、SRI等可视化对比，以路面破损指标PQI为例，其效果图如图6所示。通过历年数据对比，可以对路面的维修质量实现可视化跟踪。在该显示界面上，通过滑动下方的按钮，可查看特定桩号范围内的相应路面指标。

图6 某高速历年路面破损指标PQI的可视化对比

3.5 工程量统计和变更管理

该模块打破传统作业方式存在的信息孤岛。首先，将病害调查数据、路面维修方案、施工数据等全部录入到该系统中。然后，利用该系统的数据整合功能，以桩号作为纽带，实现病害调查、维修方案、施工数据的关联。最后，利用该系统的报表导出功能，一键自动导出整套工程变更报表。

该报表包含：工程变更申请书、病害明细表、病害调查影像资料、各段落的路面破损指标PCI及对应的病害统计数据、工程变更方案确认单、现场维修方案与原设计图纸的对比表、工程变更数量确认单、施工数量与维修方案对比表、局部病害处治数量表、工程数量表以及对应的影像资料、工程变更令、新增单价申请批复单、工程变更费用申请批复单等。

为了让参建各方随时能了解到各类关键工程量统计数据和施工设计对比数据、工程完成进度等，该系统添加了施工工程量分类及实时统计功能，只要接入该系统，便可随时查看到各类关键统计数据，更好地把握工程的进度。

3.6 主要构造物和标志牌可视化

该模块由养护人员对路线上的所有桥梁、涵洞、隧道等主要构造物和标志牌进行里程桩号定位，拍摄实物影像并上传，系统便可自动对数据进行整合，生成对应的报表，各类标志及主要构造物的数量、位置、影像资料一目了然，实现公路路产的数字化[6]。

此外，利用标志及主要构造物的GPS位置信息、现场拍摄的影像资料，结合高精度电子地图和工程图纸，该系统不仅将实物与其竣工图进行了数据关联，还创新地实现了各类标志及主要构造物在电子地图上的可视化，无论是在手机或电脑上都可以随时查看任意标志牌所在的位置、描述及影像资料，如图7所示。

图7 公路资产在电子地图上的可视化

4 结论

高速公路智慧养护管理系统已在漳州管理分公司的日常养护、路面养护施工中得到了广泛的运用，提高了工作效率和养护管理信息化水平。

①得益于里程桩号的快速精准定位，养护人员仅需打开手机App，即可实时显示所处位置准确的里程桩号，无需花费时间通过找现场的公里牌和百米牌来推算桩号；养护人员发现路损时，可一键获取里程桩号，智能提醒记录路损情况，节省了现场记录时间和事后整理上报时间，路损登记及修复流程运转更为快速、便捷。

②在路面大中修养护施工时，运用该系统，从病害调查、维修方案制定及确认到施工整个流程更为迅速快捷，节省了工期；可实现对路面修复性养护前的损坏情况、维修设计、养护施工以及路面现状进行全过程跟踪，可对路面再次损坏原因进行追溯，为养护决策提供技术支持；可一键导出特定桩号范围内的工程量数据和工程变更报表，节约了大量的人力和时间，同时保证了数据的完整性和可靠性，为计量支付和后期审计工作提供便利。

③该系统实现了公路交通标志和主要结构物等公路资产在电子地图上的可视化，借助系统可随时查看交通标志的历史信息，提高损毁重建工作效率和质量。

5 结束语

我国公路经历30年左右的快速建设后，正迎来一个公路养护维修高峰。我国长期以来的“重建轻养”观念，导致公路养护基础十分薄弱，养护任务艰巨，大量早期修建的公路陆续进入改扩建及大中修养护阶段，养护费用的投入正在快速增长，养护费用将逐步超过建造费用。发展公路，必须坚持建、管、养并重原则。贯彻全寿命周期成本理念，开展科学规范的养护管理，加强养护管理创新，积极推进四新技术运用，才能提高公路的运行质量和经济效益[7]。

实践证明，利用卫星定位、大数据、人工智能等先进信息技术开发的可实现里程桩号精准定位和资产可视化的高速公路智慧养护管理系统，具有广阔的发展前景，能够推动养护管理的转型升级，对提高养护工作效率，降低养护成本、保障养护质量有极大促进作用。