探讨大数据在高速公路预防性养护中的应用

谷 明

（黔东南公路建设养护有限公司,贵州 凯里 556000）

0 引言

交通运输业的高速发展对我国经济繁荣至关重要，作为基础性产业之一，交通运输业的发展水平直接决定了我国经济发展状况[1]。现阶段，传统公路养护措施已经无法满足经济社会发展对道路维护的要求，养护管理策略也存在滞后性。随着大数据技术的应用，公路养护管理水平得以提升，养护效果明显改善，公路运行水平有所提高，交通运输业产业升级推动了经济贸易高速发展[2]。基于此，为达到增加公路使用寿命、节约成本支出、精简养护支出的目的，该文基于大数据技术，对公路预防性养护中小型养护维修前置、大中修后延的效果进行了总结。该文重点分析公路监测、整治决策、养护实行、病害预告等环节中AI技术、大数据、物联网应用的效果[3]。

1 预防性养护内涵及外延

预防性养护多用于高速公路路基路面，常见于路面结构受损且强度足够的情况，通过病害成因分析、病害调查、发展预判，找到可能存在的病害威胁，通过预防性维护，保障路面服役性能达标，确保路面运营功能。预防性养护中，早期病害调查重点分析路基路面基层设计与实际车辆符合性、路基填料稳定性、路面排水状况等细节。在隧道和桥梁的预防性养护中也可以根据上述内容进行早期病害项目的排查，通过预防性养护达到增加使用寿命、延长服役时间、降低寿命周期养护支出的目的。路基注浆、路面灌缝、阶段性检测、日常性观测，均为桥梁道路预防性维护中的常用技术与检测项目[4]。

为更好区分预防性养护的内涵与外延，可对公路养护的常规定义进行对比性讨论，从操作层面上理解，预防性养护可认知为改正性养护。以路基路面为例，路基路面的改正性养护包括路基注浆、路面坑槽切块挖补、路面铣刨加铺等。预防性养护与常规公路养护，最典型的区别在于两者的实施时机，早发现、早处理是预防性养护的基本原则，前置养护是预防性养护的主要措施，延长寿命周期是预防性养护的根本目标。由此可见，预防性养护与管理机构精细化管理的目标相吻合，应更加注重提高道路体验感，注重对养护资金的合理使用，以提升其经济性。

2 预防性养护数据分类构成及其内在关系

高速公路早期养护管理决策的数据多为自行收集，数据采集环节需花费高额的成本，且数据可利用度不足。大数据技术应用后，公路养护中可实现跨行业、跨领域数据资源共享，显著降低数据采集成本，打破数据壁垒，提高资源流动性，实现多样本综合性分析，改善数据资源可利用度，丰富数据价值。高速公路预防性养护中，在合适的时间选择合适的技术，对目标道路进行大数据分析，结合决策数据，以制定合理的养护方案。互联网行业是大数据的发源地，在公路预防性养护中需通过精确筛选对“相关大数据”进行有效分析和对资源的合理调度，以提高数据匹配度，为科学决策提供指南[5]。

2.1 前期研究、设计、施工等基础档案类数据

在高速公路规划设计到施工建设的全流程中，大量相关档案资料均可成为预防性养护“相关大数据”的一部分。审批阶段政府部门核实的工程可行性研究报告、项目立项书、国土部门审批的环保评估报告；设计过程中的水文资料、结构设计书、地质纵断勘探报告、设计图纸等；施工过程中的招标书、施工合同、实验数据、竣工图纸等，均可作为大数据的基础数据来源，在项目建成通车后由建设单位移交至运营管理部门[6]。上述工序涉及资料均属于基础档案范畴，可将相关数据作为系统建模基础进行立体化归档。通过对基础数据资料的充分收集与归档，借助大数据技术实施存储、建档，形成动态、立体、丰富的信息数据库，为公路全寿命管理提供准确的路网信息来源，形成全面覆盖、真实有效的公路资产全寿命信息资源数据库。

图1 公路资产全寿命信息数据库组成

2.2 经常性养护数据

公路养护部门以交通运输部下发的技术评定标准为基础，结合高速公路路况制定技术评估细则，收集桥梁、涵洞、隧道、沿线设施等基础数据资料，并对日常道路养护工作日志、路面评定资料、巡查记录等进行综合技术评估。

工作实践中发现上述数据存在不同程度问题，尤其是在高速公路里程明显增加和日常养护工作业务量迅速提升的形势下，日常养护、专项维修等工作由不同单位分包实施，导致各类数据的获取时间、规范性、准确性等指标参差不齐，使经常性养护数据资料质量不佳。故此，需对经常性养护数据制定统一的规范性标准，通过大数据应用，提高数据标准化程度，减少人工养护带来的数据偏差与质量问题，逐步实现检测设备化、数据智能化、监测自动化。通过数据共享机制建设与完善，积累和丰富工作经验，形成基于路基路面、桥梁、隧道等施工单元的数据体系，实现数据互联互通[7]。结合高速公路技术评定标准，实现对经常性养护数据的科学评定，对各单元工作质量和工作进度有效评估，为预防性养护大数据形成奠定基础。

2.3 大中修、改扩建数据

建设完工并投入使用的高速公路项目，随着使用年限的增加，会面临项目改扩建、大中修等情况，原道路使用情况、改造后数据收集，都将为高速公路预防性养护策略制定提供参考。高速公路预防性养护是基于上述大数据完成，并通过对大数据的分析与整合，实现大中修周期延长的目的以确保道路质量。某省高速公路采取既定管理策略、管理要求、技术手段的网络管理系统进行预防性养护，对路网多项目进行综合技术、经济分析与决策，详细流程如下：多设备现场检测→人工数据采集→系统数据分析→专家决策树建立→基于约束条件形成养护计划。预防性养护详细流程如图2 所示。

图2 某地区路面养护管理系统的流程

2.4 定期监测、检测、监控或特殊检测数据

运营状态下的高速公路定期数据检测是预防性养护的重要环节，尤其洪水、暴雨、地震、冰冻等特殊天气下的数据监测与收集是早发现、早预防、早处理的关键，也是确保养护效果的基础。

行车痕迹、车辆类型、节假日峰值等信息的定期分析与汇总，对准确了解桥梁、涵洞、路基路面结构力学特征有重要意义，也是获取环境数据的有效措施。桥梁、隧道、涵洞等结构物，对道路运行安全有重要影响，通过组织专业结构检测，有利于道路养护管理机构获取丰富的安全性评估数据。

2.5 大气环境数据

高速公路直接与自然环境接触，与大气环境相关的大数据在高速公路预防性养护中的合理利用，必然会发挥重要价值。依托技术支撑，将环境数据、交通状况、设施检测等资料汇总，借助大气环境数据模型，以实现大气环境数据的分级管理。通过大数据应用与模型建设，实现养护策略的科学修正，依托大数据和样本分析，为公路预防性养护目标的实现保驾护航。

通过对数据类别的精准判断与科学评估，为数据共享机制建设和数据转化系统形成提供参考，从而提高大数据的预测能力，为节约养护成本做出贡献。随着科技快速发展，智能化、机械化将会逐步取代人工，成为养护工作的重要特征，通过大数据的深度挖掘，为预防性养护工作的精准性、针对性、全面性决策提供依据[8]。

3 物联网、AI、5G 等新兴技术的应用

显而易见，随着物联网、AI、5G 技术高速发展，预防性养护将会朝着行业内大数据集合、数据共享的方向发展，并且伴随着数据处理手段的革新，最终实现智慧物联。人们对新生事物的好奇促使智慧物联网技术得到迅速发展与应用，手机操控电灯、办公室智能化空调、户外预定自动蒸饭等都是智慧物联网技术的应用案例，但上述场景并未达到物联网的最高境界。家庭场景应用的物联网技术普及到高速公路预防性养护管理中，依托智慧高速公路体系进行互联互通，实现数据自动化检测、采集、跟踪、分析、处置，从而降低运营成本，改善工作效率。

基于物联网技术特点，其效率随着应用场景扩展和接入对象的不断丰富显著增加。借助AI 技术与智慧物联网的应用，可通过传感器，准确获取作用对象的数据，借助机器学习和数据分析提效增速，达到共同协调的目的[9]。

庞大的AI 智慧物联网场景在智慧公路上应用，需要庞大的计算能力支持，而随着5G 技术的快速发展，高速、高精度、多接入对象、低延迟的工作场景将成为理想化目标，也为智慧物联场景丰富提供了新方向。

4 智慧公路实现智能预防性养护

智行和智感是目前国内试运行阶段智慧公路项目的主要特征，在不同层次、不同位置、不同结构层中埋入传感器，获取路况信息并进行智慧检测与反馈，为道路安全出行出谋划策。冰冻路段、隧道、涵洞、桥梁、易发团雾、大填大挖段等特殊路段，通过实时监控系统部署，准确掌握车辆类型、车速、流量、胎压等数据，经智能化检测设备完成数据提取与分享，共同并入到公路养护大数据中。智慧公路通过大数据技术将结构物基本信息、公路路面信息、沿线交安设施信息与地面摩擦力、路面限速、行车流量、天气、弯道半径等数据融合，借助机器学习完成自动化决策，即实现智控与智决[10]。

国内，部分省份在高速公路养护中尝试依托大数据技术建立道路模型，通过现状模型与设计模型的比对，准确评估道路现状，对可能存在的病害类型科学预测，为预防性养护措施的精准落实提供帮助。与此同时，通过基于大数据技术的道路模型设计，实现对养护管理环节路基路面、隧道、涵洞、桥梁等不同场景下通车状态评估，获取准确的技术参数，借助可视化技术获取运行状态。AI 技术的应用提高了设备智能化水平，新型可识别模块的应用提高了模型自动检测水平，从而使高速公路全面监控成为现实，自我感知与健康监测为智慧高速公路预防性养护方案优化提供了参考。

5 结论

结合该文分析，高速公路养护技术水平是影响道路交通运输质量的重要因素。即高速公路预防性养护的智慧水平，会直接影响公路运营安全与效益；智慧公路建设中AI 技术、物联网技术、设备视觉、自动感知监测技术的应用，提高了预防性养护智能化水平，实现了公路结构物、道路主体、沿线设备、路面信息的精准识别；通过智能传感技术应用探测可能存在的问题，将信息实时反馈至管理平台，提高快速响应水平，增强交通监测能力，提升预警水平。由此可知，养护管理技术的提升是高速公路预防性养护的基础，随着云计算、AI 技术、物联网等大数据技术的普及应用，养护管理体系的智能化显著提升，为高速公路预防性养护中大数据技术的应用探索指明方向。