北斗高精度定位技术在公路养护管理中的应用

文|李树远

北京交科公路勘察设计研究院有限公司

关键字：北斗高精度定位；公路养护管理；交通运输应用

一、前言

交通运输业作为国民经济和社会发展的基础性、先导性服务业，是科技创新的重要赋能领域，在数字交通背景下亟需结合新技术实现数字化转型。随着我国高速公路网的健全，公路养护任务日渐繁重，社会出行的快速发展，对公路养护管理工作提出的要求也越来越高[1]。

随着北斗卫星导航系统应用规模的持续扩大和机制环境的不断完善，北斗高精度定位技术目前已逐步成为交通运输业多领域的主要应用技术，包括营运车辆监管、路网状态监测、调度与出行服务、海上应急救助等方面，为交通运输领域内各种业务提供精准定位和保障支撑。作为北斗系统最大的民用用户之一，交通运输行业北斗深度应用将推动北斗系统升级发展，同时北斗产业化发展也将进一步赋能交通运输行业高质量发展[2]。

在我国进行交通强国建设的背景下，北斗系统在高速公路信息化领域中也得到了极为广泛的应用[3]。因此，面对公众对于便捷化、安全化出行日益增长的需求，面对公路养护管理数字化、自动化、全息化感知的需求，可与北斗高精度定位技术结合，推进公路养护管理业务精细化和智慧化转型，推动以北斗高精度定位为核心的多领域技术资源整合，促进各主体间信息共享和业务协同，对形成智慧、高效的公路养护管理具有十分重要的意义。

二、公路养护管理概述及特点

公路交通是支撑国家经济发展与社会进步的重要基础设施，在经济生活中占据重要地位。公路建成通车后，为保持公路完好状态，防止其使用质量下降，则需要采取公路养护措施，不断进行公路更新改善，维持公路的通行能力和服务水平。根据交通运输部行业标准《公路养护技术规范》，公路养护包括对公路路基、路面、桥梁、涵洞、渡口、隧道、路线交叉、公路防灾与突发事件处置、交通工程及沿线设施等全面养护，对公路养护的管理包括信息化管理、养护工程管理、公路日常巡查和档案管理，以及对养护主体、养护人员全方位多层次的管理。

据2021年交通运输行业发展统计公报统计，年末全国公路总里程528.07万公里，公路养护里程525.16万公里，占公路总里程比重为99.4%。公路交通发展的主要任务逐渐从建设时代到养护时代，公路养护管理已变得繁重而紧迫，正处于发展的关键阶段。然而，公路养护管理，无论是日常巡查管理还是信息与人员管理，均具有作业面广、成本高、人力需求大的特点，传统落后的道路养护管理技术，例如人工目测、手工丈量检测、人工桥梁或边坡监测、人工纸质记录管理等，效率低、安全隐患大、养护成本高，已不能满足当今养护管理作业工作量和工作强度需求。

随着北斗导航、大数据、人工智能、边缘计算等先进技术的发展，在政策和市场的引导下，基于北斗高精度定位，综合运用各类智能方式的公路养护管理向着自动化、数字化、智能化方向发展，具备自动采集、识别与传输、智能预警与分析功能，打造先进、安全、高效的公路养护管理模式，实现公路养护管理智能化发展目标。

三、政策支持

交通运输业目前处于基础设施发展、应用领域扩展、高新技术融合的关键时期。近年来，我国重视基础设施数字化建设，推动北斗在交通运输领域的应用，在公路养护领域提出整合并充分利用公路全资产、全寿命建养数据，推动全生命周期的智慧化、信息化养护管理业务整合。

《数字交通发展规划纲要》提出以“数据链”为主线，构建数字化的采集体系方面，推动交通基础设施规划、设计、建造、养护、运行管理等全要素、全周期数字化，并提出让交通运输成为北斗导航的民用主行业[4]。

《交通强国建设纲要》明确要求大力发展智慧交通，构建综合交通大数据中心体系，推进北斗卫星导航系统应用。强化交通基础设施养护，加强基础设施运行监测，提高养护专业化、信息化水平，增强设施耐久性和可靠性[5]。

《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》提出要把发展北斗时空信息服务在交通运输行业深度覆盖，推动先进信息技术应用，逐步提升公路基础设施规划、设计、建造、养护、运行管理等全要素、全周期数字化水平。鼓励应用公路智能养护设施设备，提升在役交通基础设施检查、检测、监测、评估、风险预警以及养护决策、作业的快速化、自动化、智能化水平，提升重点基础设施自然灾害风险防控能力[2，6]。

《国家综合立体交通网规划纲要》提出要打造全覆盖、可替代、保安全的行业北斗高精度基础服务网，推动行业北斗终端规模化应用。全方位布局交通感知系统，与交通基础设施同步规划建设，部署关键部位主动预警设施，提升多维监测、精准管控、协同服务能力[7]。

《“十四五”公路养护管理发展纲要》提出要以数字化引领公路养护管理升级转型升级，为车路协同、北斗应用、自动驾驶等提供支持，加快公路技术状况检测及养护装备研发，重点是公路桥隧、交安设施等自动化快速监测装备、无人化养护施工装备研发，研制推广公路养护智能化应用[8]。

四、基于北斗的公路养护管理架构体系

基于北斗的公路养护管理架构体系由感知层、传输层、数据层、支撑层、应用层共五层架构组成（图1）。感知层主要用于获取包括位置信息在内的各类传感信息，主要包括各类北斗车载终端设备、北斗基础设施监测设备、北斗隧道位置扩展设备、北斗智慧锥桶、北斗安全帽等。传输层用于支撑基于北斗高精度定位各类数据的实时传输，包括北斗卫星系统、运营商专网、高速公路通信专网等部分组成。数据层将数据进行汇聚，形成北斗位置数据库、用户数据库、公路管养专题数据库、交通基础设施数据库、各类传感器数据库等数据资源，对数据进行分层处理，同时对数据进行安全管理，保障数据的高效管理。支撑层包括云环境主机设备、网络设备、安全设备、存储设备、虚拟化设备等硬件设备和北斗位置大数据平台、北斗地基增强平台、北斗高精度地图服务系统、人工智能训练识别模型等软件系统。应用层是针对公路智慧化管养需求，打造公路数字化采集及巡检、交通基础设施数字化监测、综合养护管理等多方面的应用管理系统，可以按照养护业务实际工作对应养护管理模块并进行系统集成，为管理者科学地制定养护计划、养护规划提供辅助决策支撑。

图1 基于北斗的公路养护管理架构图

五、北斗高精度定位技术在公路养护管理的典型场景

利用北斗高精度定位技术，融合物联网、大数据、GIS、高精度地图、AI等信息化技术手段，提升北斗智能化应用水平，实现公路养护管理全业务数字化、可视化、智能化，包括路线、路段、桥梁等结构物全方位感知和展示，人员车辆、物资设备和养护路段的北斗定位轨迹采集，以及养护工程量、资金等报表统计审核、养护计划、物资设备自动化管理，应急处置等，为建设便捷、高效、绿色、安全的智慧公路提供基础（图2）。

图2 北斗高精度定位技术在公路养护管理的典型场景应用示意图

1.公路数字化采集及巡检

传统的高速公路养护管理巡检工作主要依靠人工巡检和纸质记录的方式来进行，但在高速公路发展的新形势下，这种模式显然不能满足高效的养护需求[9]。公路数字化采集及巡检方面可推动智能化北斗前端硬件设备应用，运用北斗加持的人工智能算法与硬件在空间信息获取上的创新，深度融合了北斗定位、视觉以及AI算法实现自动化提取空间信息。针对道路裂缝、破损、积水等不同的深度学习训练模型，融合神经网络样本和公路养护业务需求，实现公路病害快速自动提取。

利用车载智能巡检终端，通过高清摄像头、北斗高精度定位模块和人工智能识别模型，能够实时地检测和定位各类养护巡查要素，有效识别路面病害监测、绿化带缺失、路面标线损坏、交安设施损坏等问题。通过车载智能终端获取高清的图像，利用深度学习和边缘计算技术，实现巡检自动化和标准化，巡检结果基于北斗系统全数字化记录，并与公路数字化采集与巡检业务对接。

在养护巡检车上部署车辆智能巡检设备，经过高清视频采集、病害切图入库，上传到公路数字化养护平台后，通过地图查询与历史数据对比实现自动巡检、自动上传、智能识别、智能监管等技术与服务手段提高巡检效率，减少人为参与造成的疏漏和隐患。通过统一的数据接口或通信设备与移动端、管理端互动，查看移动端反馈的位置、影像和病害信息，对发现的病害进行小修保养，生成并跟踪小修保养流程，直至养护完成病害消除。

2.交通基础设施数字化监测

高精度卫星定位技术可以用于高速公路基础设施开展宏观与微观相结合，面与点相结合，周期与实时相结合的有效安全监测[10]。公路养护管理中的交通基础设施数字化监测，集成北斗高精度定位模块、光学传感器、惯导模块等应用，为交通基础设施运营期内的科学化、信息化管养提供技术支撑，为数字化监测提供数据保障和快速更新的闭环体系。

交通基础设施健康监测系统是利用北斗高精度定位、视频监测、智能监控、物联网、智能采集等技术对长大桥、老旧危桥、高危边坡、危险隧道和涵洞等交通基础设施运行状态进行智能实时健康监测和人工智能预警，实现全生命周期的健康监测管理。利用北斗高精度定位和短报文技术，对中大型桥梁、高危边坡等重大交通基础设施进行智能化、信息化、自动化在线监测，能够全面掌握交通基础设施运营的安全状况。

在桥梁监测过程中，通过在结构物合理布设GNSS监测传感器以及其他不同类型传感器对结构物状态进行监测。通过对结构变形监测、结构应力（应变）实时监测、吊杆监测等实时监测，动态回传实时数据，及时发现危险问题。

在边坡监测养护中，北斗高精度定位技术对路段边坡易出现灾害位置的地表位移进行自动化精准监测，北斗位移监测获得位移变化趋势，并获得位移变化速度及加速度监测。同时结合深孔位移监测、地下水位监测、雨量监测等各灾害因素指标项，为边坡日常养护、管理和突发事件应急处置发挥重大作用。

另外，北斗高精度定位技术可融合其他传感器监测手段，对交通基础设施重点监测，还可以对各监测点的数据可以进行日度、周度、月度、季度、年度以及任意指定周期内的数量统计，并进行同比、环比分析，生成相应的统计分析报表。针对桥梁监测、边坡监测等各种营运数据进行分析处理，从变化趋势、预警变化、各类构造物统计等不同角度对基础设施的日常业务管理进行相关分析，通过实时预警、数据建模分析等技术对基础设施情况进行预测与养护指导，提高基础设施的安全与健康状况。

3.综合养护管理

综合养护管理通过北斗高精度定位、大数据处理等技术实现对道路养护主体、养护人员全方位多层次的管理，深度服务于公路养护业务，实现全网数字化感知。

利用北斗智慧锥桶，基于北斗定位的物联网道路作业安全预警设备，可精准采集位置数据，一键上报交通事件，将数据推送第三方，实现车路协同环境下的道路安全作业和设备状态可监测的高效管理，实现养护作业定位等服务，以便向道路监控调度系统或公众发布道路事故位置。

在养护巡查过程中，生成巡查计划并下达养护任务，实时采集巡查人员轨迹，利用北斗安全帽、北斗养护人员工卡，提供“位置+通信”服务的卡片式定位通话终端。在养护作业时自动上传养护路段位置信息，对养护工程进行精准管理，提供位置信息实时推送给第三方，以及公路情报板、交通电台，为公众提供出行服务。在清障救援时摆放在现场可以提供精准定位，及时报送到监控中心。在养护人员管理上可以利用基于北斗的定位通话终端，实现远程精准定位、通话、SOS求救、电子围栏、历史轨迹、远程关机等功能，用于北斗养护人员在道路施工、道路阻断等场景下，对现场养护施工作业人员进行远程定位、通话和监控。

基于北斗高精度定位可对应急物资、避难场所等位置查看，管理人员在应急指挥过程中各类资源、人员的位置、数量及预案进行综合分析，在突发事件下支持完成突发事件的应急处置指挥调度。

六、未来发展展望

1.以需求为导向

正确分析国家政策、社会发展方向，正确理解当前技术的发展阶段和形势走向，准确把握北斗在新时代智慧交通背景下需求，坚持创新、开放共享、绿色发展理念，结合实际需求开展北斗应用，充分把北斗高精度技术和无人机等设备运用到公路养护管理信息化建设中，不断提升公路养护管理的智能化水平，提高公路的安全保障和服务能力。

2.提升技术服务能力

遵循自主创新、科技强国等国家战略，鼓励公路管理人员、技术人员主动学习前沿技术，在公路养护管理的制度上、技术上和模式上进行系统性的探索与创新，依托现有技术快速实现北斗+公路养护管理示范工程建设，通过应用示范促进北斗技术迭代更新，形成技术与应用的良性互动，推广北斗高精度定位技术与智慧公路的业务融合应用。其他技术的融合应用，形成科学合理的养护管理技术指标，开展智慧决策研究，不断拓展北斗在交通运输领域应用的深度和广度。

3.加快标准体系建设

持续推动标准化建设，开展公路基础设施数字化监测研究，形成符合我国实际的公路养护管理理论体系和综合应用方案，推动公路智慧化管养领域标准体系建设，形成技术+政策+标准+应用的一体化支撑体系，注重创新赋能发展、与产业融合发展，推动北斗在交通运输领域的发展。

4.开展智慧决策研究

融合大数据、云计算实现公路养护管理数据实现多维分析和辅助决策，通过加强日常养护数据、检测数据、道路历史数据等的趋势分析，同时结合各公路自身养护管理工作开展数据的深度应用性分析，依托养护管理系统开展养护管理科学决策工作。

七、结语

北斗卫星导航系统是我国重要的战略基础性设施，也是支持智慧高速发展的重要基础[10]，推动北斗高精度定位技术与交通运输领域的融合对我国交通运输行业以及社会经济发展具有重要意义。利用北斗卫星高精度定位技术、物联网、大数据等先进的信息科学技术，对公路养护巡检和基础设施进行科学化、自动化的检测及预警，可建立一套系统的、反应迅速的基于北斗的公路养护管理架构体系，突出北斗在公路数字化采集及巡检、交通基础设施数字化监测、综合养护管理等多方面的应用。未来，北斗导航定位技术将推动数据资源赋能交通发展，需要结合公路基础设施建管养运对时空信息的切实需求，打造空天地一体化的交通基础设施全周期监管体系，推进与