新型道路管理系統淺析

劉 林，李夢茹

1.新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 831100 2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830000

道路基礎設施的建設是制約國家經濟和安全的主要因素之一，截止2018 年底，我國公路通車總里程達485.6 萬km，其中高速公路達14.2 萬km，國家高速公路網基本建成，居世界第一［1］。面對數量龐大的道路為保障其經濟和安全，實現由交通大國邁向交通強國，我國提出一系列建立可持續發展的交通強國計劃，其核心是保障它們在安全、可靠和經濟的狀態下為社會提供全天候服務。為實現這一目標一個強大而綜合的基礎設施管理系統必不可少。

1 道路管理系統在中國的發展

1.1 道路管理系統概念及總體進程

道路管理系統（Pavement Management System）簡稱PMS是運用現代管理科學理論、系統工程分析方法及計算機技術手段，收集道路相關信息情報，用于管理、計劃、分配預算和編制所有路面養護工作的程序，以實現社會資源最大化合理配置，提高決策效率的一套系統［2］又稱之為道路智能信息化管理。

從20 世紀80 年代起我國交通運輸機構便逐漸開始加入這種戰略性道路管理決策研究，到如今全球經濟一體化及我國市場經濟體制的建立，道路管理已成為當前各企業奮起直追的競爭技術，也是道路各學者激烈討論的前沿熱點。經過36 年的不斷深入，道路管理已經從企業具體職能轉向行業拓展階段，然而距離完善化的道路管理系統還有很長的路需要探索［3］。

1.2 道路管理系統盲點論述

國內現行的PMS 有以下幾個代表性弊端：

1.2.1 功能模塊化

PMS 是一個龐大的整體系統。從空間角度看路、橋、隧、坡隸屬于同種交通基礎設施，在區域空間上存在不可避免的連續性。然而各基礎設施卻獨立于一種管理系統，僅從獨立系統中得出的最佳決定未必是最優決策［4］。從時間維度看設計、施工、運營、報廢是各交通基礎實施必經的壽命周期階段，為在戰略上有效維護道路，需要從時間序列內分析問題和解決方案，因此必須積累道路整個生命周期中產生的信息［5］。然而各系統服務于基礎設施的某階段性管理，脫離全壽命周期視角，缺乏全盤分析。

1.2.2 數據管理碎片化

PMS 涉及海量多元數據的匯集及多源數據的融合。快速、準確的獲取道路信息是PMS 的關鍵所在［6］。從數據類型看需要整合時空數據，從數據量看要求長期大量屬性信息。一方面道路自動化檢測會遇到各種工況下難以精準獲取數據的問題，另一方面部門和地域間存在數據壁壘導致數據互不流通，數據積累不足宏觀決策難以進行。

1.2.3 數據挖掘表面化

PMS由項目級及網絡級管理組成［7］。理論上應由網絡級決策指導項目級優化，但由于目前數據為點采集方式缺乏連續式數據，數據清洗不足加上各單項指標數據關系挖掘不深，導致網絡級管理未真正發開。此外現存的項目級管理按不同地區管理要求采用不同的養護方案及指標進行排序，存在個別地區性能評價研究不足，衰減模型考慮因素不全，納入的備選方案有限，最終項目管理優化存在弊端。

1.2.4 人員技術單一化

PMS需要多專業及新興技術的不斷融合［8］。要打造一個完善的PMS，需要多領域研發人員的探索實踐，經濟投入和科技實力是重要的支持。管理系統科研人員面臨資金投入不足引起的技術狹隘化，同時不能與政府部門建立真正的聯系，引發理論不付諸實踐缺少反饋環節的結果。

2 國外道路管理系統

國外道路基礎設施管理相比國內領先20 年，尤其是美國從不斷完善的政策指導到科研資金投入，形成了領先的基礎設施管理。本文將剖析全球頂尖的交通基礎設施管理系統開發商Agileassets（美），來指導我國的道路管理系統的建設。

2.1 Agileassets 服務介紹

正如Agileassets 公司的名字所展示的，它是一家專門為基礎設施資產提供敏捷解決方案，以節省金錢、時間，拯救生命為導向的智能化決策提供者。Agileassets 平臺架構如圖1 所示。

（1）基礎：Agileassets 平臺基礎涉及系統管理、安全、配置及報告，并以此為資源池向用戶提供基礎服務。系統管理用于系統管理員創建和維護資產管理系統所需的代碼以及軟件的管理功能。安全方面公司團隊對運營和服務質量提供全天候綜合監控和預警，為防止功能及服務故障準備備用方案，從多層面進行網絡和系統安全檢查，集中化的管理讓數據更安全。報告支持多種格式的導出，并分詳細報告和總結性報告，用戶可依據自己的需求進行選擇。

圖1 Agileassets 平臺架構

（2）產品：Agileassets 平臺依據不同客戶需求對道路管理業務擴展，推出運營管理及計劃分析兩大類產品。計劃分析是針對單個及多個集成項目以改善投資決策及優化工作計劃的服務，針對各服務Agileassets 都有專業人員對各窗口、界面定義計算表達式。管理操作包含七種管理功能，較為全面的囊括了交通基礎設施的范圍。為各個管理對象從計劃、數據收集到審查、報告定制完整的解決方案。

（3）應用程序接口（API）：平臺提供多樣化API 可實現與第三方系統的無障礙對接，實現更新更智能的業務流程。將地理信息系統（GIS）接入，實現資產可視化空間管理。提供多個線性參考系系統（LRS）間接口，確保路段定義的一致性，解決多個路段合并及分離問題。

2.2 Agileassets 特點分析

針對Agileassets 所展現的服務，產品有如下特點：

2.2.1 柔性的管理

以客戶為中心，針對不同用戶提供定制服務，用戶能夠參與設計也可以選擇公司的交鑰匙管理。提供軟件即服務（software as a service，SaaS），由專業人員負責平臺維護管理，按需計費，用戶因此省去前期的IT 設施投入。

2.2.2 規范化的API

實現與多個系統的整合，不僅擴大數據收集還增加完整工作流，滿足更新更智能的系統服務。

2.2.3 科學化的服務

以數據驅動為基礎，采用分布式云計算。在匯集大數據后運用先進的計算模型評估、預測及決策，實現對多場景約束下的資金配置。

2.2.4 專業化的人才

為了將業務面向全球客戶，公司儲備了工程師、數學家、科學家、程序員、經濟學家、系統集成商和市場專家等多學科組織精英。在執行任務的同時，提供最權威的基礎設施管理軟件。

2.3 Agileassets 道路管理系統分析

選擇Agileassets 的各州政府對軟件功能使用情況各異，其中路面管理采用最為廣泛［9］。Agileassets 旗下的PMS 分為以下六大功能模塊，這里將詳細介紹數據庫、分析、報告及設置的內容，PMS 模塊功能見圖2。

圖2 PMS 模塊功能圖

（1）數據庫及GIS/Map：PMS 采用關系型數據庫，通過標準化API 接入涵蓋道路時空屬性大數據。通過GIS/LRS 結合GPS 的定位，將路段設置為統一可視化單元，為下一步道路分析做準備。

（2）分析：分析流程見圖3。調用數據庫內屬性（定義道路范圍、位置及每部分其他屬性）、性能（評估道路現狀）、歷史（確定道路結構）三大類數據，通過決策樹、預測和優化模型進行道路維護的分析決策。目前系統預測模型支持經典的線性及非線性模型，由用戶提供的自定義模型，及自動化的參數自更新。決策樹分預測和決策兩類。預測決策樹由用戶選擇的決策變量和性能定義值劃分父節點的子節點，并將其分支到父節點。每個分支的末端將被分配一個預測模型。最終決策由低層決策樹附加為高層決策樹完成，每底層決策樹對應一種治療方案，將幾個較低級別的決策樹分配到決策樹的較高級別部分。最終在對方案進行約束條件篩選后輸出優化方案路段、方法、時間的結果。

（3）報告：對最后的優化決策，系統支持自生成多種格式的詳細和總結性報告、自定義及圖表類報告。

圖3 PMS 分析流

（4）設置：管理層用戶可對施工（如材料編碼）、數據庫（如路面類型代碼）、網級分析（如約束）、性能（模型系數）及行政（道路政區）的表、列、參數和界面進行設置，滿足不同機構需求。

3 新型路面管理系統（NPMS）

針對我國道路管理系統的痛點及行業現狀，在總結分析Agileassets 管理系統的基礎上提出我國新型道路管理系統（NPMS）的構想。

3.1 NPMS 介紹

隨著工業4.0 的發展，互聯網和數字化技術成了各行業經濟增長的重要力量。為了最大化滿足路面養護管理的效益，PMS 的發展必將是以大數據為驅動的云計算管理系統。現提出基于云計算的NPMS 架構如圖4 所示。

圖4 NPMS 架構圖

NPMS 架構主要由三個層次組成最終客戶將通過互聯網在瀏覽器端享受服務。第一層為架構服務（IaaS）是系統的基礎設施服務層，主要包含網絡、計算機、存儲設備，能夠按需向用戶提供對應的服務，按需計費。第二層為平臺服務（PaaS）是通過互聯網為用戶提供一整套開發、運行和運營應用軟件的支撐平臺。核心在于標準化和規范化API 的提供，同時安全控制系統運行，進行用戶管理，通過將結構化數據分布式存儲高效挖掘路面大數據。第三層（SaaS）是通過互聯網提供軟件服務的軟件應用式。在這種模式下用戶無需花費資金用于硬件、軟件和開發團隊的建設，整個系統的維護交由廠商負責。通過互聯網用戶即可使用路面數據的查詢、健康評估、態勢預測及最終的決策，由于路面管理系統的應用單位多樣，為此系統提供平臺型SaaS 為客戶提供自定制功能。NPMS 具體子模塊及功能展示如圖5。

圖5 NPMS 子模塊及功能

NPMS 將根據用戶角色分配權限，一般用戶可選擇數據類別（如某年某區的路況數據）系統將提供多樣格式的數據供用戶查看輸出。用戶也可查看相應分析模型的類型及參數的選用，如果數據采取人工智能算法，那么用戶可以解到算法的類別。在分析模塊系統可以根據用戶贊同的評分標準輸出路面現狀評估報告，此外路面修復前后的性能預測及無約束的多修補方案也將展現在用戶面前。最終的決策也將以綜合和專題的報告輸出。管理者能夠自行設置界面格式，各類模型參數及計算表達式，當然對不同角色的使用者管理者可分配和定義權限。面對不同的使用對象，系統根據其業務流程，提供有的放矢的服務。與現存系統對接，最大化滿足客戶利益。

NPMS 的數據流程如圖6 所示。在大量數據進入系統后，數據將按性能評價、劃分評價單元、劃分養護類型、確定設計單元、養護方案設計、方案比選、優化養護單元的核心步驟最終確定合適的養護方案及時機。此外NPMS 要實現的另一核心問題就是網絡級與項目級的聯動效應，即解決在資金限制下納入更多費用考慮因素，從網絡級資金的減少配置項目級方案的優化。

圖6 系統數據流程

3.2 NPM 展望

真正實現智慧功能的NPMS，還需要歷經一段科研探索和推廣之路，以下提出幾點亟待解決的問題。

（1）數據的獲取。NPMS 是建立在可靠大數據支撐上的系統。NPMS 以自動化檢測車輸出的數據作為主要路況數據源，保證全天候高效的數據采集是系統的基礎工作之一。同時也需要各管理部門信息數據支持如工程歷史數據、基本信息數據等，融合構成庫存信息，實現以數據驅動的科學閉環管理。

（2）數據挖掘。NPMS 的核心是對大數據的處理。尋找單個數據源各指標間的數學關系，多元數據不同路段性能衰減差異，路段合并與分割，備選方案對比多因素的納入以及網絡級與項目級的聯動都需要更深層次的鉆研。

（3）政府支持。NPMS 的建立需要政府的積極推廣和推進。除了交通部更新的法律規范，各省、市管理部門也要主動配合，制定符合本區域的管理政策。倡導督促智能化管理的落實，促使合理健康市場競爭機制的形成。

（4）人才儲備。NPMS 是在不斷發展中壯大的系統。多元化和專業化的人才是發展中的不竭動力。緊跟時代的技術也要不斷融入在系統中，新的技術加不斷的創新，道路行業將會迎來巨大的變革。