北斗高精度定位技術(shù)在公路養(yǎng)護管理中的應(yīng)用

文|李樹遠(yuǎn)

北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司

關(guān)鍵字：北斗高精度定位；公路養(yǎng)護管理；交通運輸應(yīng)用

一、前言

交通運輸業(yè)作為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性服務(wù)業(yè)，是科技創(chuàng)新的重要賦能領(lǐng)域，在數(shù)字交通背景下亟需結(jié)合新技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著我國高速公路網(wǎng)的健全，公路養(yǎng)護任務(wù)日漸繁重，社會出行的快速發(fā)展，對公路養(yǎng)護管理工作提出的要求也越來越高[1]。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模的持續(xù)擴大和機制環(huán)境的不斷完善，北斗高精度定位技術(shù)目前已逐步成為交通運輸業(yè)多領(lǐng)域的主要應(yīng)用技術(shù)，包括營運車輛監(jiān)管、路網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、調(diào)度與出行服務(wù)、海上應(yīng)急救助等方面，為交通運輸領(lǐng)域內(nèi)各種業(yè)務(wù)提供精準(zhǔn)定位和保障支撐。作為北斗系統(tǒng)最大的民用用戶之一，交通運輸行業(yè)北斗深度應(yīng)用將推動北斗系統(tǒng)升級發(fā)展，同時北斗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也將進一步賦能交通運輸行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[2]。

在我國進行交通強國建設(shè)的背景下，北斗系統(tǒng)在高速公路信息化領(lǐng)域中也得到了極為廣泛的應(yīng)用[3]。因此，面對公眾對于便捷化、安全化出行日益增長的需求，面對公路養(yǎng)護管理數(shù)字化、自動化、全息化感知的需求，可與北斗高精度定位技術(shù)結(jié)合，推進公路養(yǎng)護管理業(yè)務(wù)精細(xì)化和智慧化轉(zhuǎn)型，推動以北斗高精度定位為核心的多領(lǐng)域技術(shù)資源整合，促進各主體間信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，對形成智慧、高效的公路養(yǎng)護管理具有十分重要的意義。

二、公路養(yǎng)護管理概述及特點

公路交通是支撐國家經(jīng)濟發(fā)展與社會進步的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在經(jīng)濟生活中占據(jù)重要地位。公路建成通車后，為保持公路完好狀態(tài)，防止其使用質(zhì)量下降，則需要采取公路養(yǎng)護措施，不斷進行公路更新改善，維持公路的通行能力和服務(wù)水平。根據(jù)交通運輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》，公路養(yǎng)護包括對公路路基、路面、橋梁、涵洞、渡口、隧道、路線交叉、公路防災(zāi)與突發(fā)事件處置、交通工程及沿線設(shè)施等全面養(yǎng)護，對公路養(yǎng)護的管理包括信息化管理、養(yǎng)護工程管理、公路日常巡查和檔案管理，以及對養(yǎng)護主體、養(yǎng)護人員全方位多層次的管理。

據(jù)2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報統(tǒng)計，年末全國公路總里程528.07萬公里，公路養(yǎng)護里程525.16萬公里，占公路總里程比重為99.4%。公路交通發(fā)展的主要任務(wù)逐漸從建設(shè)時代到養(yǎng)護時代，公路養(yǎng)護管理已變得繁重而緊迫，正處于發(fā)展的關(guān)鍵階段。然而，公路養(yǎng)護管理，無論是日常巡查管理還是信息與人員管理，均具有作業(yè)面廣、成本高、人力需求大的特點，傳統(tǒng)落后的道路養(yǎng)護管理技術(shù)，例如人工目測、手工丈量檢測、人工橋梁或邊坡監(jiān)測、人工紙質(zhì)記錄管理等，效率低、安全隱患大、養(yǎng)護成本高，已不能滿足當(dāng)今養(yǎng)護管理作業(yè)工作量和工作強度需求。

隨著北斗導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算等先進技術(shù)的發(fā)展，在政策和市場的引導(dǎo)下，基于北斗高精度定位，綜合運用各類智能方式的公路養(yǎng)護管理向著自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，具備自動采集、識別與傳輸、智能預(yù)警與分析功能，打造先進、安全、高效的公路養(yǎng)護管理模式，實現(xiàn)公路養(yǎng)護管理智能化發(fā)展目標(biāo)。

三、政策支持

交通運輸業(yè)目前處于基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域擴展、高新技術(shù)融合的關(guān)鍵時期。近年來，我國重視基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化建設(shè)，推動北斗在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用，在公路養(yǎng)護領(lǐng)域提出整合并充分利用公路全資產(chǎn)、全壽命建養(yǎng)數(shù)據(jù)，推動全生命周期的智慧化、信息化養(yǎng)護管理業(yè)務(wù)整合。

《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》提出以“數(shù)據(jù)鏈”為主線，構(gòu)建數(shù)字化的采集體系方面，推動交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計、建造、養(yǎng)護、運行管理等全要素、全周期數(shù)字化，并提出讓交通運輸成為北斗導(dǎo)航的民用主行業(yè)[4]。

《交通強國建設(shè)綱要》明確要求大力發(fā)展智慧交通，構(gòu)建綜合交通大數(shù)據(jù)中心體系，推進北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。強化交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護，加強基礎(chǔ)設(shè)施運行監(jiān)測，提高養(yǎng)護專業(yè)化、信息化水平，增強設(shè)施耐久性和可靠性[5]。

《交通運輸部關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出要把發(fā)展北斗時空信息服務(wù)在交通運輸行業(yè)深度覆蓋，推動先進信息技術(shù)應(yīng)用，逐步提升公路基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計、建造、養(yǎng)護、運行管理等全要素、全周期數(shù)字化水平。鼓勵應(yīng)用公路智能養(yǎng)護設(shè)施設(shè)備，提升在役交通基礎(chǔ)設(shè)施檢查、檢測、監(jiān)測、評估、風(fēng)險預(yù)警以及養(yǎng)護決策、作業(yè)的快速化、自動化、智能化水平，提升重點基礎(chǔ)設(shè)施自然災(zāi)害風(fēng)險防控能力[2，6]。

《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》提出要打造全覆蓋、可替代、保安全的行業(yè)北斗高精度基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)，推動行業(yè)北斗終端規(guī)?；瘧?yīng)用。全方位布局交通感知系統(tǒng)，與交通基礎(chǔ)設(shè)施同步規(guī)劃建設(shè)，部署關(guān)鍵部位主動預(yù)警設(shè)施，提升多維監(jiān)測、精準(zhǔn)管控、協(xié)同服務(wù)能力[7]。

《“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》提出要以數(shù)字化引領(lǐng)公路養(yǎng)護管理升級轉(zhuǎn)型升級，為車路協(xié)同、北斗應(yīng)用、自動駕駛等提供支持，加快公路技術(shù)狀況檢測及養(yǎng)護裝備研發(fā)，重點是公路橋隧、交安設(shè)施等自動化快速監(jiān)測裝備、無人化養(yǎng)護施工裝備研發(fā)，研制推廣公路養(yǎng)護智能化應(yīng)用[8]。

四、基于北斗的公路養(yǎng)護管理架構(gòu)體系

基于北斗的公路養(yǎng)護管理架構(gòu)體系由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層共五層架構(gòu)組成（圖1）。感知層主要用于獲取包括位置信息在內(nèi)的各類傳感信息，主要包括各類北斗車載終端設(shè)備、北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測設(shè)備、北斗隧道位置擴展設(shè)備、北斗智慧錐桶、北斗安全帽等。傳輸層用于支撐基于北斗高精度定位各類數(shù)據(jù)的實時傳輸，包括北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、運營商專網(wǎng)、高速公路通信專網(wǎng)等部分組成。數(shù)據(jù)層將數(shù)據(jù)進行匯聚，形成北斗位置數(shù)據(jù)庫、用戶數(shù)據(jù)庫、公路管養(yǎng)專題數(shù)據(jù)庫、交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫、各類傳感器數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)資源，對數(shù)據(jù)進行分層處理，同時對數(shù)據(jù)進行安全管理，保障數(shù)據(jù)的高效管理。支撐層包括云環(huán)境主機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、存儲設(shè)備、虛擬化設(shè)備等硬件設(shè)備和北斗位置大數(shù)據(jù)平臺、北斗地基增強平臺、北斗高精度地圖服務(wù)系統(tǒng)、人工智能訓(xùn)練識別模型等軟件系統(tǒng)。應(yīng)用層是針對公路智慧化管養(yǎng)需求，打造公路數(shù)字化采集及巡檢、交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化監(jiān)測、綜合養(yǎng)護管理等多方面的應(yīng)用管理系統(tǒng)，可以按照養(yǎng)護業(yè)務(wù)實際工作對應(yīng)養(yǎng)護管理模塊并進行系統(tǒng)集成，為管理者科學(xué)地制定養(yǎng)護計劃、養(yǎng)護規(guī)劃提供輔助決策支撐。

圖1 基于北斗的公路養(yǎng)護管理架構(gòu)圖

五、北斗高精度定位技術(shù)在公路養(yǎng)護管理的典型場景

利用北斗高精度定位技術(shù)，融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS、高精度地圖、AI等信息化技術(shù)手段，提升北斗智能化應(yīng)用水平，實現(xiàn)公路養(yǎng)護管理全業(yè)務(wù)數(shù)字化、可視化、智能化，包括路線、路段、橋梁等結(jié)構(gòu)物全方位感知和展示，人員車輛、物資設(shè)備和養(yǎng)護路段的北斗定位軌跡采集，以及養(yǎng)護工程量、資金等報表統(tǒng)計審核、養(yǎng)護計劃、物資設(shè)備自動化管理，應(yīng)急處置等，為建設(shè)便捷、高效、綠色、安全的智慧公路提供基礎(chǔ)（圖2）。

圖2 北斗高精度定位技術(shù)在公路養(yǎng)護管理的典型場景應(yīng)用示意圖

1.公路數(shù)字化采集及巡檢

傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護管理巡檢工作主要依靠人工巡檢和紙質(zhì)記錄的方式來進行，但在高速公路發(fā)展的新形勢下，這種模式顯然不能滿足高效的養(yǎng)護需求[9]。公路數(shù)字化采集及巡檢方面可推動智能化北斗前端硬件設(shè)備應(yīng)用，運用北斗加持的人工智能算法與硬件在空間信息獲取上的創(chuàng)新，深度融合了北斗定位、視覺以及AI算法實現(xiàn)自動化提取空間信息。針對道路裂縫、破損、積水等不同的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本和公路養(yǎng)護業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)公路病害快速自動提取。

利用車載智能巡檢終端，通過高清攝像頭、北斗高精度定位模塊和人工智能識別模型，能夠?qū)崟r地檢測和定位各類養(yǎng)護巡查要素，有效識別路面病害監(jiān)測、綠化帶缺失、路面標(biāo)線損壞、交安設(shè)施損壞等問題。通過車載智能終端獲取高清的圖像，利用深度學(xué)習(xí)和邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)巡檢自動化和標(biāo)準(zhǔn)化，巡檢結(jié)果基于北斗系統(tǒng)全數(shù)字化記錄，并與公路數(shù)字化采集與巡檢業(yè)務(wù)對接。

在養(yǎng)護巡檢車上部署車輛智能巡檢設(shè)備，經(jīng)過高清視頻采集、病害切圖入庫，上傳到公路數(shù)字化養(yǎng)護平臺后，通過地圖查詢與歷史數(shù)據(jù)對比實現(xiàn)自動巡檢、自動上傳、智能識別、智能監(jiān)管等技術(shù)與服務(wù)手段提高巡檢效率，減少人為參與造成的疏漏和隱患。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口或通信設(shè)備與移動端、管理端互動，查看移動端反饋的位置、影像和病害信息，對發(fā)現(xiàn)的病害進行小修保養(yǎng)，生成并跟蹤小修保養(yǎng)流程，直至養(yǎng)護完成病害消除。

2.交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化監(jiān)測

高精度衛(wèi)星定位技術(shù)可以用于高速公路基礎(chǔ)設(shè)施開展宏觀與微觀相結(jié)合，面與點相結(jié)合，周期與實時相結(jié)合的有效安全監(jiān)測[10]。公路養(yǎng)護管理中的交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化監(jiān)測，集成北斗高精度定位模塊、光學(xué)傳感器、慣導(dǎo)模塊等應(yīng)用，為交通基礎(chǔ)設(shè)施運營期內(nèi)的科學(xué)化、信息化管養(yǎng)提供技術(shù)支撐，為數(shù)字化監(jiān)測提供數(shù)據(jù)保障和快速更新的閉環(huán)體系。

交通基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測系統(tǒng)是利用北斗高精度定位、視頻監(jiān)測、智能監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、智能采集等技術(shù)對長大橋、老舊危橋、高危邊坡、危險隧道和涵洞等交通基礎(chǔ)設(shè)施運行狀態(tài)進行智能實時健康監(jiān)測和人工智能預(yù)警，實現(xiàn)全生命周期的健康監(jiān)測管理。利用北斗高精度定位和短報文技術(shù)，對中大型橋梁、高危邊坡等重大交通基礎(chǔ)設(shè)施進行智能化、信息化、自動化在線監(jiān)測，能夠全面掌握交通基礎(chǔ)設(shè)施運營的安全狀況。

在橋梁監(jiān)測過程中，通過在結(jié)構(gòu)物合理布設(shè)GNSS監(jiān)測傳感器以及其他不同類型傳感器對結(jié)構(gòu)物狀態(tài)進行監(jiān)測。通過對結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力（應(yīng)變）實時監(jiān)測、吊桿監(jiān)測等實時監(jiān)測，動態(tài)回傳實時數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)危險問題。

在邊坡監(jiān)測養(yǎng)護中，北斗高精度定位技術(shù)對路段邊坡易出現(xiàn)災(zāi)害位置的地表位移進行自動化精準(zhǔn)監(jiān)測，北斗位移監(jiān)測獲得位移變化趨勢，并獲得位移變化速度及加速度監(jiān)測。同時結(jié)合深孔位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、雨量監(jiān)測等各災(zāi)害因素指標(biāo)項，為邊坡日常養(yǎng)護、管理和突發(fā)事件應(yīng)急處置發(fā)揮重大作用。

另外，北斗高精度定位技術(shù)可融合其他傳感器監(jiān)測手段，對交通基礎(chǔ)設(shè)施重點監(jiān)測，還可以對各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可以進行日度、周度、月度、季度、年度以及任意指定周期內(nèi)的數(shù)量統(tǒng)計，并進行同比、環(huán)比分析，生成相應(yīng)的統(tǒng)計分析報表。針對橋梁監(jiān)測、邊坡監(jiān)測等各種營運數(shù)據(jù)進行分析處理，從變化趨勢、預(yù)警變化、各類構(gòu)造物統(tǒng)計等不同角度對基礎(chǔ)設(shè)施的日常業(yè)務(wù)管理進行相關(guān)分析，通過實時預(yù)警、數(shù)據(jù)建模分析等技術(shù)對基礎(chǔ)設(shè)施情況進行預(yù)測與養(yǎng)護指導(dǎo)，提高基礎(chǔ)設(shè)施的安全與健康狀況。

3.綜合養(yǎng)護管理

綜合養(yǎng)護管理通過北斗高精度定位、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)實現(xiàn)對道路養(yǎng)護主體、養(yǎng)護人員全方位多層次的管理，深度服務(wù)于公路養(yǎng)護業(yè)務(wù)，實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)字化感知。

利用北斗智慧錐桶，基于北斗定位的物聯(lián)網(wǎng)道路作業(yè)安全預(yù)警設(shè)備，可精準(zhǔn)采集位置數(shù)據(jù)，一鍵上報交通事件，將數(shù)據(jù)推送第三方，實現(xiàn)車路協(xié)同環(huán)境下的道路安全作業(yè)和設(shè)備狀態(tài)可監(jiān)測的高效管理，實現(xiàn)養(yǎng)護作業(yè)定位等服務(wù)，以便向道路監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)或公眾發(fā)布道路事故位置。

在養(yǎng)護巡查過程中，生成巡查計劃并下達(dá)養(yǎng)護任務(wù)，實時采集巡查人員軌跡，利用北斗安全帽、北斗養(yǎng)護人員工卡，提供“位置+通信”服務(wù)的卡片式定位通話終端。在養(yǎng)護作業(yè)時自動上傳養(yǎng)護路段位置信息，對養(yǎng)護工程進行精準(zhǔn)管理，提供位置信息實時推送給第三方，以及公路情報板、交通電臺，為公眾提供出行服務(wù)。在清障救援時擺放在現(xiàn)場可以提供精準(zhǔn)定位，及時報送到監(jiān)控中心。在養(yǎng)護人員管理上可以利用基于北斗的定位通話終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)定位、通話、SOS求救、電子圍欄、歷史軌跡、遠(yuǎn)程關(guān)機等功能，用于北斗養(yǎng)護人員在道路施工、道路阻斷等場景下，對現(xiàn)場養(yǎng)護施工作業(yè)人員進行遠(yuǎn)程定位、通話和監(jiān)控。

基于北斗高精度定位可對應(yīng)急物資、避難場所等位置查看，管理人員在應(yīng)急指揮過程中各類資源、人員的位置、數(shù)量及預(yù)案進行綜合分析，在突發(fā)事件下支持完成突發(fā)事件的應(yīng)急處置指揮調(diào)度。

六、未來發(fā)展展望

1.以需求為導(dǎo)向

正確分析國家政策、社會發(fā)展方向，正確理解當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展階段和形勢走向，準(zhǔn)確把握北斗在新時代智慧交通背景下需求，堅持創(chuàng)新、開放共享、綠色發(fā)展理念，結(jié)合實際需求開展北斗應(yīng)用，充分把北斗高精度技術(shù)和無人機等設(shè)備運用到公路養(yǎng)護管理信息化建設(shè)中，不斷提升公路養(yǎng)護管理的智能化水平，提高公路的安全保障和服務(wù)能力。

2.提升技術(shù)服務(wù)能力

遵循自主創(chuàng)新、科技強國等國家戰(zhàn)略，鼓勵公路管理人員、技術(shù)人員主動學(xué)習(xí)前沿技術(shù)，在公路養(yǎng)護管理的制度上、技術(shù)上和模式上進行系統(tǒng)性的探索與創(chuàng)新，依托現(xiàn)有技術(shù)快速實現(xiàn)北斗+公路養(yǎng)護管理示范工程建設(shè)，通過應(yīng)用示范促進北斗技術(shù)迭代更新，形成技術(shù)與應(yīng)用的良性互動，推廣北斗高精度定位技術(shù)與智慧公路的業(yè)務(wù)融合應(yīng)用。其他技術(shù)的融合應(yīng)用，形成科學(xué)合理的養(yǎng)護管理技術(shù)指標(biāo)，開展智慧決策研究，不斷拓展北斗在交通運輸領(lǐng)域應(yīng)用的深度和廣度。

3.加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

持續(xù)推動標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，開展公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化監(jiān)測研究，形成符合我國實際的公路養(yǎng)護管理理論體系和綜合應(yīng)用方案，推動公路智慧化管養(yǎng)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，形成技術(shù)+政策+標(biāo)準(zhǔn)+應(yīng)用的一體化支撐體系，注重創(chuàng)新賦能發(fā)展、與產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，推動北斗在交通運輸領(lǐng)域的發(fā)展。

4.開展智慧決策研究

融合大數(shù)據(jù)、云計算實現(xiàn)公路養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)實現(xiàn)多維分析和輔助決策，通過加強日常養(yǎng)護數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、道路歷史數(shù)據(jù)等的趨勢分析，同時結(jié)合各公路自身養(yǎng)護管理工作開展數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用性分析，依托養(yǎng)護管理系統(tǒng)開展養(yǎng)護管理科學(xué)決策工作。

七、結(jié)語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)性設(shè)施，也是支持智慧高速發(fā)展的重要基礎(chǔ)[10]，推動北斗高精度定位技術(shù)與交通運輸領(lǐng)域的融合對我國交通運輸行業(yè)以及社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。利用北斗衛(wèi)星高精度定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進的信息科學(xué)技術(shù)，對公路養(yǎng)護巡檢和基礎(chǔ)設(shè)施進行科學(xué)化、自動化的檢測及預(yù)警，可建立一套系統(tǒng)的、反應(yīng)迅速的基于北斗的公路養(yǎng)護管理架構(gòu)體系，突出北斗在公路數(shù)字化采集及巡檢、交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化監(jiān)測、綜合養(yǎng)護管理等多方面的應(yīng)用。未來，北斗導(dǎo)航定位技術(shù)將推動數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，需要結(jié)合公路基礎(chǔ)設(shè)施建管養(yǎng)運對時空信息的切實需求，打造空天地一體化的交通基礎(chǔ)設(shè)施全周期監(jiān)管體系，推進與