项目级高速公路智慧养护管理系统设计与实现

徐青杰，高申通，秦耀艺

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000）

为服务交通强国建设，交通运输部相继印发了《数字交通发展规划纲要》《“十四五”公路养护管理发展纲要》等一系列政策文件。文件明确指出在新一轮交通基础设施建设发展机遇期，要充分发挥新一代信息技术作用，以数字化引领公路养护管理转型升级，逐步提升公路基础设施养护管理智能化水平，全面提高高速公路养护管理效能。

截至2022 年底，河南省高速公路通车里程为8 009 km，其中已通车10 年以上路段总里程达5846km，占比约为72.9%。随着通车运营时间的增长，高速公路老龄化比例不断上升，一些早期建成通车的高速公路逐步进入养护高峰期[1]。根据《河南省高速公路网规划（2021—2035 年）》，随着高速公路“13445 工程”的实施，到“十四五”末，全省高速公路通车总里程将突破10 000 km，高速公路养护体量仍会呈现较为快速的增长趋势。高速公路基础设施养护管理工作将日益繁重，管养单位压力持续增加，面临着质量与规模的双重考验。由此，高速公路养护管理亟需进行数字化转型。

商南高速周口至南阳段（以下简称“周南高速”）起自商水县商南高速与宁洛高速交叉处，终至南阳市北绕城高速北约4.9 km 处，全长195.5 km，于2020 年1 月正式建成通车。周南高速具有新建里程大、基础资料齐全、新材料和新工艺推广应用力度大等特点，处于建养衔接关键时期。本文以实现周南高速道路资产建养衔接清晰、全面、数据标准为出发点，以满足行业管理数据报送及日常养护智慧化管理需求为主要目标，开展了项目级高速公路智慧养护管理系统的设计与实现研究。

1 国内外研究及应用现状

国外发达地区公路养护信息化发展基本紧跟计算机、互联网的发展进度[2]。国外公路运营管理信息化起步较早，发展较快，为国内公路养护管理信息化发展提供了可借鉴的经验。1971 年，国外首次出现了公路养护管理系统（PMS）的概念[3]。在20 世纪80 年代初期，研究人员对路面进行计算机和运筹学的方案研究，美国、加拿大等发达国家的许多州和省相继建立了网级路面管理系统[4-5]，其中较为有代表性的是1980 年的美国亚利桑那州建成的军事机场和城市道路管理系统PAVER，以及1983 年加拿大阿尔伯达省建立的公路信息和优先排序系统PIPPS[3]。到1995 年，国外已基本形成现代养护管理体系，能使用养护管理系统进行养护辅助决策、路况预测分析及养护资金合理分配[5]。

在1983 年，我国交通运输部公路科学研究所实施引进了我国第一套BSM 路面管理系统[3]。通过“八五”国家重点新技术推广项目“干线公路沥青路面管理系统（CPMS）全国推广应用”和“九五”国家重点新技术推广项目“路面管理系统（CPMS）全国推广应用（1996—2001）”的实施，从1998 年起，CPMS 系统在全国各省市公路管理部门开始广泛推广应用[3]，我国在现代化公路管理与养护技术方面取得了长足的进步。近年来，随着智慧交通“云、大、物、移、智”等新一代信息技术的突破和发展，国内公路养护也逐渐迈入数字化、信息化、智能化养护的新阶段。

由于国家、行业尚未出台针对高速公路养护信息化平台建设标准，缺乏总体规划[6]，建设的信息化管养平台架构设计不规范、数据标准不统一、质量参差不齐、信息化技术与日常养护业务流程融合不充分，存在较为严重的数据孤岛现象，实用性及系统可持续性不强。因此，项目级智慧养护管理平台的开发应充分考虑平台架构、数据标准及业务模式特点，破除传统的纯信息化处理模式，不仅是将线下业务搬到线上，更要打造实用、高效、能解决实际问题的智能化养护管理系统，为管理者提供科学的辅助决策。

2 项目级养护管理信息化系统定位分析

周南高速为2020 年新通车路段，作为河南省里程最长、投资最大的高速公路PPP 项目，具有新建里程大、基础资料齐全、新材料和新工艺推广应用力度大等特点。周南高速智慧养护管理平台建设应充分考虑业务管理需求，对平台实现功能进行精准定位与分析。

2.1 业务管理需求

周南高速公路智慧养护管理平台建设要以全要素道路资产精准数字化采集为基础，以建养数据衔接清晰、全面、标准一致，满足未来基础设施管养、行业管理数据一键智能报送要求为主要目标，要求同步实现采用信息化手段进行新材料/新技术路段性能长期跟踪、日常维修保养、道路扬尘治理等业务信息化、智能化监管，进而提升管养效能。

2.2 功能定位分析

分析周南高速智慧养护业务管理需求，该项目级信息化系统定位应聚焦在“基础设施数字化”“高效建养衔接”“项目、省、部数据互通”“业务智能化管理”4 个方面，具体如下。

2.2.1 基础设施数字化

周南高速基础设施数据量较大，涉及基础设施属性信息、空间位置信息、设计文件信息等海量专业数据，为进一步实现高效、精准建养衔接，必须对全线全要素道路资产进行高标准数字化，为标准数据库建设和功能应用开发奠定良好基础。

2.2.2 高效建养衔接

高速公路建养衔接过渡期最重要的就是处理好建设期数据与养护期数据的过渡问题，如设计桩号向养护桩号转换、结构物竣工图纸拆分配对、缺陷责任期问题移交及修复处理等工作都需要进行高效精准的数据处理，对项目级标准数据库的建立起到至关重要的作用。

2.2.3 项目、省、部数据互通

按照现有高速公路养护管理模式，交通运输部、河南省交通运输厅在行业管理层级需要项目公司定期、不定期报送统计年报、检测报告等业务数据，为避免系统间数据割裂，系统开发要充分结合部、省标准数据结构进行数据库搭建，同步预留数据接口，直接对接部、省行业管理平台，满足“多平台统一登录、多业务一键报送”的管理需求。

2.2.4 业务智能化管理

在满足多平台行业管理基础数据互通要求的同时，还应满足在该框架下，可直接定制化开发项目级业务管理应用功能的需求，借助GIS 可视化、大数据、物联网等技术手段实现高速公路信息化、智能化养护管理，这就要求系统在框架建设时应充分考虑系统兼容性和平台间基础数据互通方案可行性。

3 项目级养护管理信息化系统架构与功能设计

3.1 系统架构设计

周南高速公路智慧养护管理平台建设以实现资产设施数字化、精准建养衔接、行业数据互联互通和业务管理智能化等功能为主要目标。系统架构设计应充分考虑数据标准、部门联动、数据权限和业务类型等因素，建立完整的平台架构体系。

从横向上看，平台在部门联动方面，需要实现项目公司、省交通运输厅、交通运输部三级联动。在业务联动方面，需要实现公路基础设施、养护管理、业务报表等数据信息共享，实现自上而下的行业管理数据互联互通。从纵向上看，在完成周南高速公路全线全要素基础设施数字化采集任务之后，在满足行业管理数据双向互通基础上，应结合项目级管理需求，借助物联网、信息化、GIS 可视化等技术手段，开发养护管理业务智能化应用功能，开展项目公司内部不同业务部门之间信息资源共享服务，真正实现养护智能管理，指挥协调联动。

平台信息框架主要由外场终端感知网、路网监测与应急处置中心、网络传输、项目级数据中心、基础支撑平台和应用系统（智慧养护管理平台）构成，还包含有信息安全、标准规范、管理制度3 个保障体系。

3.1.1 外场终端感知网

外场终端感知网包括基础设施监测传感网，交通运行监测传感网、人员/车辆监测传感网，业务管理智能终端。①基础设施监测传感网包括桥梁、边坡等基础设施安全状态感知设备。②交通运行监测传感网包括沿线视频监控、交通流量等感知设备。③人员/车辆监测传感网主要涵盖外场人员定位卡、车辆定位器、水量/油量传感器、车辆扫盘监测传感器和车载视频监控等终端设备。④业务管理智能终端主要指手持移动终端。

3.1.2 路网监测与应急处置中心

路网应急处置中心包括两级，一级是项目级周南高速应急指挥中心，另一级是河南省级交通运输厅应急指挥中心，如遇重大事件可直接两级指挥联动。

3.1.3 网络传输

平台运行及外场数据回传主要依靠互联网和移动物联网技术。

3.1.4 项目级数据中心

周南高速项目级公路数据资源中心数据包括地理空间数据、公路属性数据、管理机构数据、业务人员数据、公路资产数据、路网监测数据、科学决策数据、专项养护数据、科技创新业务数据、小修保养业务数据和保洁监管业务数据11 类数据库。

3.1.5 基础支撑平台

基础支撑平台包括基础地理信息系统、资产管理平台、三维信息处理平台、北斗高精度定位平台、数据应用支撑平台及工作流平台，为业务应用提供有效支撑。

3.1.6 智慧养护管理平台

应用系统层主要是周南高速智慧养护管理平台，包括资产管理、路网监测、养护统计、科学决策、专项管理、防灾预警、文件公告、交通流量和年度评价9 大行业管理子系统，同时涵盖科技创新可视化、小修保养、保洁监管、数字指挥终端与一键求助小程序等5 大项目级管理子系统。

3.2 系统功能设计

3.2.1 行业管理功能

为保障项目公司-省-部多级基础业务数据互联互通，按照统一的数据标准要求，在省级养护平台通用数据库基础上，建立了项目级专用数据库，打通底层数据，确保数据质量精准、权威。高效集成省养护平台资产管理、路网监测、养护统计、科学决策、专项管理、防灾预警、文件公告、交通流量和年度评价9 个行业管理功能模块，有效满足交通运输部、河南省交通运输厅各层级行业管理业务数据互联互通、统一报送业务需求，打通数据底座，真正实现“一个平台、一网通办、一键登录”的数字化转型目标。

3.2.2 项目管理功能

针对周南高速公路养护管理项目级实际业务需求，搭建周口至南阳高速公路智慧养护管理平台（如图1 所示），定制化开发科技示范创新成果地图可视化、保洁作业监管、小修保养、一键求助小程序和数字化管养终端等日常养护管理应用功能，有效实现养护过程监督有力，养护管理智能高效。

图1 周口至南阳高速公路智慧养护管理平台（PC 端+APP 端）

1）科技示范创新成果地图可视化。在现有省厅养护管理平台公路资产管理系统的基础上，针对周南高速新材料、新技术的应用情况，建立新技术、新材料、新工艺示范应用数据库，实现基础数据增删改查等功能，并借助地理信息系统（GIS），实现养护管理平台新技术、新材料、新工艺示范应用的可视化查询与展示。

2）保洁作业监管。针对机械保洁、人工保洁等高速公路保洁作业绩效考核难的问题，建立保洁作业监管系统，在实现现场车辆、人员实时可视化监管基础上，系统自动生成月度、季度考核评价报表，实现高速公路保洁作业的精准监管。

3）小修保养。借助手机APP 形成病害发现、计划生成、任务派单、养护实施、验收的业务闭环和数据动态更新，实现道路状况上报和养护业务的动态督查督办。

4）高速一键救援微信小程序。针对高速公路交通事故等紧急情况时驾驶人定位耗时长、位置描述不准确等问题，借助高速公路基础设施地理信息开发高速一键救援微信小程序，快速定位报警人公里桩、上下行等位置信息，实现与监控系统数据联动，并通过短信通知路政人员，有效缩短接报警时间，以便及时采取科学有效处治措施，可显著降低次生事故发生率。

5）数字化管养终端。融合路网发展、基础设施分类统计、技术状况评定、视频监控等10 余项可视化主题，搭建项目级数字指挥终端，实现道路桥隧涵、养护工区、路产大队等统计数据宏观推送，实时查看养护作业情况，掌握最新路网运行状况。

4 项目级养护管理信息化系统技术特点

项目依托省厅现有河南省交通基础设施数据中心及智慧管理服务平台，借助基础设施数据标准化、多源异构数据整合、大数据分析及可视化等关键技术[7]，完成了周南高速项目级养护管理信息化系统开发工作。

4.1 基础设施数据标准化

在项目实施过程中，梳理基础设施数据库编码类型，编制了河南省地方标准DB41/T 2136—2021《高速公路基础设施数据库编目编码规则》[8]，明确规范了高速公路及其相关属性信息的分类方法、编码原则和分类代码，有效实现养护平台基础设施数据标准化。利用基础设施数据库标准化，促进了高速公路智慧养护信息化平台建设的数据一致性，提高了管养平台数据信息质量与使用效率，实现了高速公路建养数据的高效、精准衔接。

4.2 多源异构数据整合

根据周南高速公路管养模式及业务特点，在公路养护过程中产生数据的主要来源有基础设施属性档案资料、日常养护内业档案资料、专项养护实施全过程档案资料、结构物定期检测基础资料、结构物在线监测系统数据、道路视频监控数据及交通流量监测数据等。通过对多源异构数据特性进行分析，搭建了基于中间件结构的数据集成平台架构，屏蔽分布式系统异构性，仅存储数据的逻辑集成而不存储具体数据，解决了多源异构数据共享难点[7]；实现了项目级养护管理平台与行业管理级养护管理平台基础业务数据的互联互通，同步满足一键上报省交通运输厅及交通运输部行业管理数据的需求。

4.3 基于ArcGis 的数据可视化

在梳理项目级养护业务流程基础上，搭建了基于GIS 的基础地理信息平台系统架构，明确了基础设施地理信息库建设内容，实现基于GIS 的科技示范创新成果专题地图、交通事故、道路设施养护施工等信息的可视化，面向不同应用场景，提出了详细功能需求和数据传输要求，开发了数字化管养终端，使项目级养护管理平台各项业务数据展示效果更为突出。

5 结束语

本项目针对现有公路智慧养护管理系统存在的问题和应用痛点，以高速公路项目级智慧养护业务管理需求为出发点，分析了项目级养护管理信息化平台的功能定位，依托基础设施数据标准化、多源异构数据整合，基于ArcGis 的数据可视化等科技成果，搭建了集行业管理应用和项目级管理应用为一体的高速公路智慧养护管理平台。平台在实现直接对接部、省行业管理平台，满足行业管理数据报送基础上，同步完成建养数据高效衔接、科技示范创新成果地图可视化、保洁作业监管、小修保养流转、高速一键救援求助及数字化管养终端等项目级养护管理功能的研发与应用，有效促进了“多平台一键登录、多业务统一报送”高速公路养护管理数字化转型目标的实现，可为同类项目级高速公路智慧养护信息化平台建设提供参考。