探討大數據在高速公路預防性養護中的應用

谷 明

（黔東南公路建設養護有限公司,貴州 凱里 556000）

0 引言

交通運輸業的高速發展對我國經濟繁榮至關重要，作為基礎性產業之一，交通運輸業的發展水平直接決定了我國經濟發展狀況[1]。現階段，傳統公路養護措施已經無法滿足經濟社會發展對道路維護的要求，養護管理策略也存在滯后性。隨著大數據技術的應用，公路養護管理水平得以提升，養護效果明顯改善，公路運行水平有所提高，交通運輸業產業升級推動了經濟貿易高速發展[2]。基于此，為達到增加公路使用壽命、節約成本支出、精簡養護支出的目的，該文基于大數據技術，對公路預防性養護中小型養護維修前置、大中修后延的效果進行了總結。該文重點分析公路監測、整治決策、養護實行、病害預告等環節中AI技術、大數據、物聯網應用的效果[3]。

1 預防性養護內涵及外延

預防性養護多用于高速公路路基路面，常見于路面結構受損且強度足夠的情況，通過病害成因分析、病害調查、發展預判，找到可能存在的病害威脅，通過預防性維護，保障路面服役性能達標，確保路面運營功能。預防性養護中，早期病害調查重點分析路基路面基層設計與實際車輛符合性、路基填料穩定性、路面排水狀況等細節。在隧道和橋梁的預防性養護中也可以根據上述內容進行早期病害項目的排查，通過預防性養護達到增加使用壽命、延長服役時間、降低壽命周期養護支出的目的。路基注漿、路面灌縫、階段性檢測、日常性觀測，均為橋梁道路預防性維護中的常用技術與檢測項目[4]。

為更好區分預防性養護的內涵與外延，可對公路養護的常規定義進行對比性討論，從操作層面上理解，預防性養護可認知為改正性養護。以路基路面為例，路基路面的改正性養護包括路基注漿、路面坑槽切塊挖補、路面銑刨加鋪等。預防性養護與常規公路養護，最典型的區別在于兩者的實施時機，早發現、早處理是預防性養護的基本原則，前置養護是預防性養護的主要措施，延長壽命周期是預防性養護的根本目標。由此可見，預防性養護與管理機構精細化管理的目標相吻合，應更加注重提高道路體驗感，注重對養護資金的合理使用，以提升其經濟性。

2 預防性養護數據分類構成及其內在關系

高速公路早期養護管理決策的數據多為自行收集，數據采集環節需花費高額的成本，且數據可利用度不足。大數據技術應用后，公路養護中可實現跨行業、跨領域數據資源共享，顯著降低數據采集成本，打破數據壁壘，提高資源流動性，實現多樣本綜合性分析，改善數據資源可利用度，豐富數據價值。高速公路預防性養護中，在合適的時間選擇合適的技術，對目標道路進行大數據分析，結合決策數據，以制定合理的養護方案。互聯網行業是大數據的發源地，在公路預防性養護中需通過精確篩選對“相關大數據”進行有效分析和對資源的合理調度，以提高數據匹配度，為科學決策提供指南[5]。

2.1 前期研究、設計、施工等基礎檔案類數據

在高速公路規劃設計到施工建設的全流程中，大量相關檔案資料均可成為預防性養護“相關大數據”的一部分。審批階段政府部門核實的工程可行性研究報告、項目立項書、國土部門審批的環保評估報告；設計過程中的水文資料、結構設計書、地質縱斷勘探報告、設計圖紙等；施工過程中的招標書、施工合同、實驗數據、竣工圖紙等，均可作為大數據的基礎數據來源，在項目建成通車后由建設單位移交至運營管理部門[6]。上述工序涉及資料均屬于基礎檔案范疇，可將相關數據作為系統建模基礎進行立體化歸檔。通過對基礎數據資料的充分收集與歸檔，借助大數據技術實施存儲、建檔，形成動態、立體、豐富的信息數據庫，為公路全壽命管理提供準確的路網信息來源，形成全面覆蓋、真實有效的公路資產全壽命信息資源數據庫。

圖1 公路資產全壽命信息數據庫組成

2.2 經常性養護數據

公路養護部門以交通運輸部下發的技術評定標準為基礎，結合高速公路路況制定技術評估細則，收集橋梁、涵洞、隧道、沿線設施等基礎數據資料，并對日常道路養護工作日志、路面評定資料、巡查記錄等進行綜合技術評估。

工作實踐中發現上述數據存在不同程度問題，尤其是在高速公路里程明顯增加和日常養護工作業務量迅速提升的形勢下，日常養護、專項維修等工作由不同單位分包實施，導致各類數據的獲取時間、規范性、準確性等指標參差不齊，使經常性養護數據資料質量不佳。故此，需對經常性養護數據制定統一的規范性標準，通過大數據應用，提高數據標準化程度，減少人工養護帶來的數據偏差與質量問題，逐步實現檢測設備化、數據智能化、監測自動化。通過數據共享機制建設與完善，積累和豐富工作經驗，形成基于路基路面、橋梁、隧道等施工單元的數據體系，實現數據互聯互通[7]。結合高速公路技術評定標準，實現對經常性養護數據的科學評定，對各單元工作質量和工作進度有效評估，為預防性養護大數據形成奠定基礎。

2.3 大中修、改擴建數據

建設完工并投入使用的高速公路項目，隨著使用年限的增加，會面臨項目改擴建、大中修等情況，原道路使用情況、改造后數據收集，都將為高速公路預防性養護策略制定提供參考。高速公路預防性養護是基于上述大數據完成，并通過對大數據的分析與整合，實現大中修周期延長的目的以確保道路質量。某省高速公路采取既定管理策略、管理要求、技術手段的網絡管理系統進行預防性養護，對路網多項目進行綜合技術、經濟分析與決策，詳細流程如下：多設備現場檢測→人工數據采集→系統數據分析→專家決策樹建立→基于約束條件形成養護計劃。預防性養護詳細流程如圖2 所示。

圖2 某地區路面養護管理系統的流程

2.4 定期監測、檢測、監控或特殊檢測數據

運營狀態下的高速公路定期數據檢測是預防性養護的重要環節，尤其洪水、暴雨、地震、冰凍等特殊天氣下的數據監測與收集是早發現、早預防、早處理的關鍵，也是確保養護效果的基礎。

行車痕跡、車輛類型、節假日峰值等信息的定期分析與匯總，對準確了解橋梁、涵洞、路基路面結構力學特征有重要意義，也是獲取環境數據的有效措施。橋梁、隧道、涵洞等結構物，對道路運行安全有重要影響，通過組織專業結構檢測，有利于道路養護管理機構獲取豐富的安全性評估數據。

2.5 大氣環境數據

高速公路直接與自然環境接觸，與大氣環境相關的大數據在高速公路預防性養護中的合理利用，必然會發揮重要價值。依托技術支撐，將環境數據、交通狀況、設施檢測等資料匯總，借助大氣環境數據模型，以實現大氣環境數據的分級管理。通過大數據應用與模型建設，實現養護策略的科學修正，依托大數據和樣本分析，為公路預防性養護目標的實現保駕護航。

通過對數據類別的精準判斷與科學評估，為數據共享機制建設和數據轉化系統形成提供參考，從而提高大數據的預測能力，為節約養護成本做出貢獻。隨著科技快速發展，智能化、機械化將會逐步取代人工，成為養護工作的重要特征，通過大數據的深度挖掘，為預防性養護工作的精準性、針對性、全面性決策提供依據[8]。

3 物聯網、AI、5G 等新興技術的應用

顯而易見，隨著物聯網、AI、5G 技術高速發展，預防性養護將會朝著行業內大數據集合、數據共享的方向發展，并且伴隨著數據處理手段的革新，最終實現智慧物聯。人們對新生事物的好奇促使智慧物聯網技術得到迅速發展與應用，手機操控電燈、辦公室智能化空調、戶外預定自動蒸飯等都是智慧物聯網技術的應用案例，但上述場景并未達到物聯網的最高境界。家庭場景應用的物聯網技術普及到高速公路預防性養護管理中，依托智慧高速公路體系進行互聯互通，實現數據自動化檢測、采集、跟蹤、分析、處置，從而降低運營成本，改善工作效率。

基于物聯網技術特點，其效率隨著應用場景擴展和接入對象的不斷豐富顯著增加。借助AI 技術與智慧物聯網的應用，可通過傳感器，準確獲取作用對象的數據，借助機器學習和數據分析提效增速，達到共同協調的目的[9]。

龐大的AI 智慧物聯網場景在智慧公路上應用，需要龐大的計算能力支持，而隨著5G 技術的快速發展，高速、高精度、多接入對象、低延遲的工作場景將成為理想化目標，也為智慧物聯場景豐富提供了新方向。

4 智慧公路實現智能預防性養護

智行和智感是目前國內試運行階段智慧公路項目的主要特征，在不同層次、不同位置、不同結構層中埋入傳感器，獲取路況信息并進行智慧檢測與反饋，為道路安全出行出謀劃策。冰凍路段、隧道、涵洞、橋梁、易發團霧、大填大挖段等特殊路段，通過實時監控系統部署，準確掌握車輛類型、車速、流量、胎壓等數據，經智能化檢測設備完成數據提取與分享，共同并入到公路養護大數據中。智慧公路通過大數據技術將結構物基本信息、公路路面信息、沿線交安設施信息與地面摩擦力、路面限速、行車流量、天氣、彎道半徑等數據融合，借助機器學習完成自動化決策，即實現智控與智決[10]。

國內，部分省份在高速公路養護中嘗試依托大數據技術建立道路模型，通過現狀模型與設計模型的比對，準確評估道路現狀，對可能存在的病害類型科學預測，為預防性養護措施的精準落實提供幫助。與此同時，通過基于大數據技術的道路模型設計，實現對養護管理環節路基路面、隧道、涵洞、橋梁等不同場景下通車狀態評估，獲取準確的技術參數，借助可視化技術獲取運行狀態。AI 技術的應用提高了設備智能化水平，新型可識別模塊的應用提高了模型自動檢測水平，從而使高速公路全面監控成為現實，自我感知與健康監測為智慧高速公路預防性養護方案優化提供了參考。

5 結論

結合該文分析，高速公路養護技術水平是影響道路交通運輸質量的重要因素。即高速公路預防性養護的智慧水平，會直接影響公路運營安全與效益；智慧公路建設中AI 技術、物聯網技術、設備視覺、自動感知監測技術的應用，提高了預防性養護智能化水平，實現了公路結構物、道路主體、沿線設備、路面信息的精準識別；通過智能傳感技術應用探測可能存在的問題，將信息實時反饋至管理平臺，提高快速響應水平，增強交通監測能力，提升預警水平。由此可知，養護管理技術的提升是高速公路預防性養護的基礎，隨著云計算、AI 技術、物聯網等大數據技術的普及應用，養護管理體系的智能化顯著提升，為高速公路預防性養護中大數據技術的應用探索指明方向。