基于大数据的干线公路管养一体化技术路径研究

于丽梅,王亚欣,严 琦

（1.吉林省交通科学研究所,吉林 长春 130012; 2.中公高科养护科技股份有限公司,北京 100095）

0 引言

根据“智慧公路”建设规划和《数字交通“十四五”发展规划》等行业指导意见，该研究积极响应“十四五”规划提出采用大数据技术构建“协作有序、高效运转”的干线公路管养平台，提高公路养护管理效率，实现养护的信息化、数字化、智能化，建立各运营高速公路信息的交换共享机制，以满足大规模公路管养数字化管理应用，为进一步提升公路养护管理水平和科学决策能力提供良好的解决方案。

1 公路管养系统研究背景

1.1 研究背景

目前，关于公路综合养护管理的体系与技术，已在美国、加拿大等一些发达国家大量应用。自20世纪80年末，国内也逐步开展了公路管理信息化建设的相关研究，目前已有一些地区初步建成了高速公路数据库，并与GIS进行了交互检索，基本上能满足日常养护管理的需要，一定程度上为养护管理的可视化、现代化、科学化提供支撑。但随着公路交通事业和信息化及数字化技术的不断发展，高速公路养护和资产管理的要求越来越高，主管部门面临的问题和挑战也越来越多，当前的干线公路网养护管理尚存在一些问题有待进一步解决。

1.2 公路管理养护系统存在的问题

1.2.1 公路业务管理数字化程度低

目前业务应用系统体系不完整，很多重要的业务没有建设相应的系统，造成业务系统体系整体性缺失，无法充分实现利用业务应用系统对业务本身进行有效管理的目标。在过去的工作中，日常的养护工作更多的只是靠手工和日常管理工作中的经验进行判断，更多的是被动等待问题的出现。如哪里出现问题就解决哪里的问题，造成被动式、突击式的低效工作方式[1]，一直缺乏一个有效的集成化公路管养系统，工作中的信息化和数字化应用水平有待提高。

1.2.2 路网有效监管手段缺乏

现有系统建设不完善，集成化低，功能单一，单个系统仅能够服务于单个部门的业务管理，导致项目的决策者、管理者对现有路、桥、隧等公路状况的检查评定、养护等业务的进展情况难以全面、及时、准确地了解和掌握，同时在应急处置、运行监测、公众服务等业务管理方面也缺少数字化技术的支撑。

1.2.3 现有数据资源管理分散

数据资源管理缺少顶层设计和规划，现有数据分散于各子业务系统中进行单独管理，一体化和协调性较差，数据之间缺乏共享和集成，造成一数多源，数据的总体质量较低，进而影响数据的使用效率、利用效率和效益，造成低效的工作模式。

1.2.4 公路信息统计分析与决策支持能力不足

目前各业务系统侧重单一的业务应用，仅解决了管理工作中几个环节的信息化和数字化需求。现有管养系统缺乏数据挖掘、综合分析和辅助决策功能，无法为行业管理者和行业决策者的宏观分析、养护决策提供有力的技术支撑[2]。

1.2.5 公路信息服务能力不足

公路信息的服务能力在以下三个方面有所欠缺：①由于现有系统数据资源分散，缺少必要的技术手段将现有数据资源集成，为行业管理和决策提供服务，无集成化、一体化的工作环境；②缺乏公众服务手段和渠道，无法进一步提升公众服务能力；③现有Web端系统及程序架构的应用缺少更为灵活的信息服务手段。如，移动终端。

2 总体框架设计

2.1 主要内容

管养系统的建设对增强路网信息采集能力、整合和利用公路信息资源、提高日常业务管理水平、制定养护科学决策具有重要意义，能够提高公路基础设施运行效率和效益，实现行业内信息共享与联动，发挥高速公路行业整体效益，其带来的社会效益和间接经济效益是显著的。该系统设计坚持以需求为导向、以应用促发展的方针，根据需求分析，提出“一张图”“一个库”“多应用系统”“一个平台”和“一个基础支撑配套系统”的建设思路[3]。

“一张图”即公路地理信息基础平台。利用已有地理信息资源或互联网共享地图服务，建立规范的公路交通地理信息服务体系。为其他信息化、数字化系统提供基础支撑。

“一个库”即公路资产养护基础数据库，用于管理管辖路网各类路况数据，包括路线、路基、路面、桥隧构造物及沿线设施等；数据范围涵盖路网管理的属性数据、路况数据、养护数据、工程数据、交通数据、图像数据等。是数字化各应用系统分析、决策、集成展示及信息发布的基础。

“一个平台”即公路可视化综合展示平台，集成路线、路面、桥梁、隧道等主要公路路况的所有基础数据，以地理信息系统、高清前方图像、路面图像、桥隧构造物图像等不同方式，可视化展示公路主要资产的基础属性、检测数据、评价数据、决策数据、养护历史数据等公路资产管理需要的各类信息。

“一个基础支撑配套系统”即系统平台运行所需的软硬件支撑环境建设，主要包括服务器、操作系统、数据库软件、磁盘阵列、GIS中间件等[4]。

系统建设目标：实现数据标准化、业务规范化，加强信息沟通；提高管理力度与效率，提升企业社会形象；构建信息网络化，促进资料合理利用，实现信息的共享；实现公路运营事业部的信息化、全面化、多元化、可视化管理。通过系统的建设，实现路网资产数据共享管理、提高养护资金使用效率与效益；实现数据深度挖掘，提升养护科学决策水平，为经济发展和公众出行服务提供快捷、高效、安全的公路交通运输条件。

2.2 总体框架

基于上述建设思路，完善管理系统总体建设架构，如图1所示。

图1 公路管养系统总体建设架构

（1）基础环境层：主要依托现有管理平台补充管养系统运行所需的软硬件，包括服务器、存储设备、数据库软件、地图中间件等内容。

（2）数据资源层：数据层为各类应用系统开发提供数据支撑。在整合现有数据资源的基础上，建立并形成高速公路路况数据库、基础数据库、业务数据库。

（3）数据交换层：为管养系统各项应用功能提供数据服务，主要提供数据抽取、数据交换、数据校核、数据加载、数据共享等服务[5]。

（4）综合应用层：是整个平台业务功能及应用的实现，依靠数据资源层和数据交换层所提供的数据与技术支撑，为各类用户提供对应业务的应用窗口。

（5）用户层：通过整合集成现有系统、新建系统，为用户提供统一的登录和门户应用，同时系统支持Web端、移动端服务。

3 关键技术研究

3.1 可视化公路综合展示平台

建设可视化公路综合展示平台，集成路线、路面、桥梁、隧道等主要公路路况数据，以地理信息系统、高清前方图像、路面图像、桥隧构造物图像等不同方式。一张图可视化展示公路主要路况的基础属性、检测数据、评价数据、决策数据、养护历史数据等公路资产管理需要的各类信息。综合展示平台主要功能如下：

（1）展示管养高速公路的路面技术状况分布情况，在电子地图上直观查看全公路网的路面技术状况（以千米为单位），包括路面性能指数PQI及分项指标路面破损指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙指数RDI、路面抗滑性能指数SRI和路面结构强度指数PSSI的路况分布图，以不同的颜色表示技术状况的“优、良、中、次、差”。

（2）展示管养高速公路的路面养护需求情况，在电子地图上直观查看全路网的养护需求（以千米为单位），以不同的颜色表示“日常养护、中修、大修”[6]。

（3）展示某条路线的公路技术状况和养护需求分布情况，在电子地图上直观查看该路线的技术状况和养护需求，以不同的颜色表示不同等级的技术状况（“优、良、中、次、差”）和养护方案（“日常养护、中修、大修”）。

（4）对于公路技术状况较差或养护需求为大中修的路段，可深入查看检测明细曲线数据，包括每10 m的路面破损率DR、每20 m的路面平整度指数IRI、每10 m的路面车辙深度RD、每10 m的路面横向力系数SFC等。并可按曲线桩号动态查看当前路面的前方图像，对检测明细数据进行校核，必要时可查看路面病害明细图像。

（5）展示各条路线的养护历史，在地图上展示该路线的当前技术状况直方图。以甘特图的形式展示不同年限沿桩号的历史养护工程分布情况，可查看各养护工程的基本情况、养护维修情况、养护投资情况及现场施工图像等。此外，可扩展桥梁、隧道综合信息展示功能，包括桥隧的基本信息、病害信息、等级评定结果、桥梁图像信息、病害图像信息等。

3.2 安全管理系统

安全管理系统主要实现各级单位对养护安全相关工作的管理，包括应急预案管理、灾毁事件管理、养护施工点管理、应急事件处置等。其中，应急资源管理包括对应急物资站点、应急人员、应急专家、应急工作组、应急抢险队伍、应急预案等安全应急信息的管理。通过系统操作，为进行应急物资、人员调度和应急预案匹配等提供支撑。应急事件处置基于系统和手机端操作，实现对发现上报的道路阻断事件、公路灾害、交通事故、养护施工等应急事件的智能指挥调度。包括对应急事件的发起上报、地图定位、预案匹配、物资与队伍调度、通信指挥、监控现场视频、事件跟踪和结束灾害应急的全流程管理调度；形成对每个安全应急事件的全过程动态跟踪管理。交互应用系统具有查看、添加、修改、删除、打印、Excel导入、Excel导出等功能权限应用。应急事件结果可与GIS地图交互、定位、查询[7]。系统可与相关管理人员的手机绑定，在传递信息时，将信息内容以短信的形式发送至有关人员的手机。实现应急事件发现、应急事件入库、应急事件上报、选择通知人员、应急短信群发的系统业务流程。

3.3 GIS地图服务

地理信息系统（GIS）是一种特定的十分重要的空间信息系统。通常，地图是GIS的表现形式，但是GIS深层是空间信息的处理，所以从GIS地图上可以获取地理空间信息的直观的印象，更可以通过GIS获取大量的其他信息，如地物与周边地物的关系。

GIS地图服务平台主要对高速公路空间及属性数据进行管理，可以为该研究中需要GIS支持的业务应用提供GIS地图服务支撑。地图服务平台的选用需综合考虑目前产品的易用性、熟悉程度、经济性及满足该项目二次开发应用需求等情况。

4 发展趋势

4.1 公路建设全要素数字化

运用现代信息技术，如 BIM、卫星遥感、三维建模等，进行公路设施项目规划设计、施工和运营各个阶段的数字公路的全过程建模。运用大数据技术，将公路路况的动态和静态信息整合起来，从而达到对公路基础建设的全要素的数字化。

4.2 公路路况感知智能化

选择先进的技术和设备，利用物联感知、视频识别、微波测量等技术，对感知终端进行科学规划，对公路基础设施、交通运行状况进行全方位的动态感知，建立一个全覆盖的状态感知网络。尤其要加强对公路路况关键环节的感知与预警[8]。

4.3 公路路况数据治理的标准化

针对目前高速公路“一数一源”的不彻底和不充分的问题，制订规范的数字管理规范，采用数字管理技术，彻底突破各个部门和各个层次之间的信息障碍，以数据为驱动，构建“数据链”，提高高速公路资产管理的能力与水准。

4.4 公路业务协同治理的一体化

以公路设施的全生命周期为基础，运用云计算、大数据、人工智能等技术进行数据挖掘，通过对公路管养的深入研究与运用，实现各部门多场景在线一体化协作管理，重塑公路养护管理方式，优化企业管理过程，推进企业管理和产业政策从静态到动态，从泛化到量化。

5 结语

该文分析了公路管养系统建设的现状和存在问题，并提出了整体框架及关键技术，最后结合当前信息化和数字化技术发展，阐述其发展趋势，以长效机制建设为保障的设计理念，向行业充分展示了信息化建设的关键点。公路资产管理系统的建设，实现了行业内信息共享与联动，对提高养护科学决策具有重要意义，同时也对公路行业信息化持续健康发展起到了积极作用，也必将带动公路行业信息化建设的新高潮，由此信息化网络和硬件、软件开发的投入，产生了明显的经济效益和社会效益。