項目級高速公路智慧養(yǎng)護管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

徐青杰，高申通，秦耀藝

（河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000）

為服務交通強國建設，交通運輸部相繼印發(fā)了《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》《“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》等一系列政策文件。文件明確指出在新一輪交通基礎設施建設發(fā)展機遇期，要充分發(fā)揮新一代信息技術作用，以數(shù)字化引領公路養(yǎng)護管理轉(zhuǎn)型升級，逐步提升公路基礎設施養(yǎng)護管理智能化水平，全面提高高速公路養(yǎng)護管理效能。

截至2022 年底，河南省高速公路通車里程為8 009 km，其中已通車10 年以上路段總里程達5846km，占比約為72.9%。隨著通車運營時間的增長，高速公路老齡化比例不斷上升，一些早期建成通車的高速公路逐步進入養(yǎng)護高峰期[1]。根據(jù)《河南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2021—2035 年）》，隨著高速公路“13445 工程”的實施，到“十四五”末，全省高速公路通車總里程將突破10 000 km，高速公路養(yǎng)護體量仍會呈現(xiàn)較為快速的增長趨勢。高速公路基礎設施養(yǎng)護管理工作將日益繁重，管養(yǎng)單位壓力持續(xù)增加，面臨著質(zhì)量與規(guī)模的雙重考驗。由此，高速公路養(yǎng)護管理亟需進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

商南高速周口至南陽段（以下簡稱“周南高速”）起自商水縣商南高速與寧洛高速交叉處，終至南陽市北繞城高速北約4.9 km 處，全長195.5 km，于2020 年1 月正式建成通車。周南高速具有新建里程大、基礎資料齊全、新材料和新工藝推廣應用力度大等特點，處于建養(yǎng)銜接關鍵時期。本文以實現(xiàn)周南高速道路資產(chǎn)建養(yǎng)銜接清晰、全面、數(shù)據(jù)標準為出發(fā)點，以滿足行業(yè)管理數(shù)據(jù)報送及日常養(yǎng)護智慧化管理需求為主要目標，開展了項目級高速公路智慧養(yǎng)護管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)研究。

1 國內(nèi)外研究及應用現(xiàn)狀

國外發(fā)達地區(qū)公路養(yǎng)護信息化發(fā)展基本緊跟計算機、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進度[2]。國外公路運營管理信息化起步較早，發(fā)展較快，為國內(nèi)公路養(yǎng)護管理信息化發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗。1971 年，國外首次出現(xiàn)了公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)（PMS）的概念[3]。在20 世紀80 年代初期，研究人員對路面進行計算機和運籌學的方案研究，美國、加拿大等發(fā)達國家的許多州和省相繼建立了網(wǎng)級路面管理系統(tǒng)[4-5]，其中較為有代表性的是1980 年的美國亞利桑那州建成的軍事機場和城市道路管理系統(tǒng)PAVER，以及1983 年加拿大阿爾伯達省建立的公路信息和優(yōu)先排序系統(tǒng)PIPPS[3]。到1995 年，國外已基本形成現(xiàn)代養(yǎng)護管理體系，能使用養(yǎng)護管理系統(tǒng)進行養(yǎng)護輔助決策、路況預測分析及養(yǎng)護資金合理分配[5]。

在1983 年，我國交通運輸部公路科學研究所實施引進了我國第一套BSM 路面管理系統(tǒng)[3]。通過“八五”國家重點新技術推廣項目“干線公路瀝青路面管理系統(tǒng)（CPMS）全國推廣應用”和“九五”國家重點新技術推廣項目“路面管理系統(tǒng)（CPMS）全國推廣應用（1996—2001）”的實施，從1998 年起，CPMS 系統(tǒng)在全國各省市公路管理部門開始廣泛推廣應用[3]，我國在現(xiàn)代化公路管理與養(yǎng)護技術方面取得了長足的進步。近年來，隨著智慧交通“云、大、物、移、智”等新一代信息技術的突破和發(fā)展，國內(nèi)公路養(yǎng)護也逐漸邁入數(shù)字化、信息化、智能化養(yǎng)護的新階段。

由于國家、行業(yè)尚未出臺針對高速公路養(yǎng)護信息化平臺建設標準，缺乏總體規(guī)劃[6]，建設的信息化管養(yǎng)平臺架構設計不規(guī)范、數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、質(zhì)量參差不齊、信息化技術與日常養(yǎng)護業(yè)務流程融合不充分，存在較為嚴重的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，實用性及系統(tǒng)可持續(xù)性不強。因此，項目級智慧養(yǎng)護管理平臺的開發(fā)應充分考慮平臺架構、數(shù)據(jù)標準及業(yè)務模式特點，破除傳統(tǒng)的純信息化處理模式，不僅是將線下業(yè)務搬到線上，更要打造實用、高效、能解決實際問題的智能化養(yǎng)護管理系統(tǒng)，為管理者提供科學的輔助決策。

2 項目級養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)定位分析

周南高速為2020 年新通車路段，作為河南省里程最長、投資最大的高速公路PPP 項目，具有新建里程大、基礎資料齊全、新材料和新工藝推廣應用力度大等特點。周南高速智慧養(yǎng)護管理平臺建設應充分考慮業(yè)務管理需求，對平臺實現(xiàn)功能進行精準定位與分析。

2.1 業(yè)務管理需求

周南高速公路智慧養(yǎng)護管理平臺建設要以全要素道路資產(chǎn)精準數(shù)字化采集為基礎，以建養(yǎng)數(shù)據(jù)銜接清晰、全面、標準一致，滿足未來基礎設施管養(yǎng)、行業(yè)管理數(shù)據(jù)一鍵智能報送要求為主要目標，要求同步實現(xiàn)采用信息化手段進行新材料/新技術路段性能長期跟蹤、日常維修保養(yǎng)、道路揚塵治理等業(yè)務信息化、智能化監(jiān)管，進而提升管養(yǎng)效能。

2.2 功能定位分析

分析周南高速智慧養(yǎng)護業(yè)務管理需求，該項目級信息化系統(tǒng)定位應聚焦在“基礎設施數(shù)字化”“高效建養(yǎng)銜接”“項目、省、部數(shù)據(jù)互通”“業(yè)務智能化管理”4 個方面，具體如下。

2.2.1 基礎設施數(shù)字化

周南高速基礎設施數(shù)據(jù)量較大，涉及基礎設施屬性信息、空間位置信息、設計文件信息等海量專業(yè)數(shù)據(jù)，為進一步實現(xiàn)高效、精準建養(yǎng)銜接，必須對全線全要素道路資產(chǎn)進行高標準數(shù)字化，為標準數(shù)據(jù)庫建設和功能應用開發(fā)奠定良好基礎。

2.2.2 高效建養(yǎng)銜接

高速公路建養(yǎng)銜接過渡期最重要的就是處理好建設期數(shù)據(jù)與養(yǎng)護期數(shù)據(jù)的過渡問題，如設計樁號向養(yǎng)護樁號轉(zhuǎn)換、結構物竣工圖紙拆分配對、缺陷責任期問題移交及修復處理等工作都需要進行高效精準的數(shù)據(jù)處理，對項目級標準數(shù)據(jù)庫的建立起到至關重要的作用。

2.2.3 項目、省、部數(shù)據(jù)互通

按照現(xiàn)有高速公路養(yǎng)護管理模式，交通運輸部、河南省交通運輸廳在行業(yè)管理層級需要項目公司定期、不定期報送統(tǒng)計年報、檢測報告等業(yè)務數(shù)據(jù)，為避免系統(tǒng)間數(shù)據(jù)割裂，系統(tǒng)開發(fā)要充分結合部、省標準數(shù)據(jù)結構進行數(shù)據(jù)庫搭建，同步預留數(shù)據(jù)接口，直接對接部、省行業(yè)管理平臺，滿足“多平臺統(tǒng)一登錄、多業(yè)務一鍵報送”的管理需求。

2.2.4 業(yè)務智能化管理

在滿足多平臺行業(yè)管理基礎數(shù)據(jù)互通要求的同時，還應滿足在該框架下，可直接定制化開發(fā)項目級業(yè)務管理應用功能的需求，借助GIS 可視化、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術手段實現(xiàn)高速公路信息化、智能化養(yǎng)護管理，這就要求系統(tǒng)在框架建設時應充分考慮系統(tǒng)兼容性和平臺間基礎數(shù)據(jù)互通方案可行性。

3 項目級養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)架構與功能設計

3.1 系統(tǒng)架構設計

周南高速公路智慧養(yǎng)護管理平臺建設以實現(xiàn)資產(chǎn)設施數(shù)字化、精準建養(yǎng)銜接、行業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和業(yè)務管理智能化等功能為主要目標。系統(tǒng)架構設計應充分考慮數(shù)據(jù)標準、部門聯(lián)動、數(shù)據(jù)權限和業(yè)務類型等因素，建立完整的平臺架構體系。

從橫向上看，平臺在部門聯(lián)動方面，需要實現(xiàn)項目公司、省交通運輸廳、交通運輸部三級聯(lián)動。在業(yè)務聯(lián)動方面，需要實現(xiàn)公路基礎設施、養(yǎng)護管理、業(yè)務報表等數(shù)據(jù)信息共享，實現(xiàn)自上而下的行業(yè)管理數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。從縱向上看，在完成周南高速公路全線全要素基礎設施數(shù)字化采集任務之后，在滿足行業(yè)管理數(shù)據(jù)雙向互通基礎上，應結合項目級管理需求，借助物聯(lián)網(wǎng)、信息化、GIS 可視化等技術手段，開發(fā)養(yǎng)護管理業(yè)務智能化應用功能，開展項目公司內(nèi)部不同業(yè)務部門之間信息資源共享服務，真正實現(xiàn)養(yǎng)護智能管理，指揮協(xié)調(diào)聯(lián)動。

平臺信息框架主要由外場終端感知網(wǎng)、路網(wǎng)監(jiān)測與應急處置中心、網(wǎng)絡傳輸、項目級數(shù)據(jù)中心、基礎支撐平臺和應用系統(tǒng)（智慧養(yǎng)護管理平臺）構成，還包含有信息安全、標準規(guī)范、管理制度3 個保障體系。

3.1.1 外場終端感知網(wǎng)

外場終端感知網(wǎng)包括基礎設施監(jiān)測傳感網(wǎng)，交通運行監(jiān)測傳感網(wǎng)、人員/車輛監(jiān)測傳感網(wǎng)，業(yè)務管理智能終端。①基礎設施監(jiān)測傳感網(wǎng)包括橋梁、邊坡等基礎設施安全狀態(tài)感知設備。②交通運行監(jiān)測傳感網(wǎng)包括沿線視頻監(jiān)控、交通流量等感知設備。③人員/車輛監(jiān)測傳感網(wǎng)主要涵蓋外場人員定位卡、車輛定位器、水量/油量傳感器、車輛掃盤監(jiān)測傳感器和車載視頻監(jiān)控等終端設備。④業(yè)務管理智能終端主要指手持移動終端。

3.1.2 路網(wǎng)監(jiān)測與應急處置中心

路網(wǎng)應急處置中心包括兩級，一級是項目級周南高速應急指揮中心，另一級是河南省級交通運輸廳應急指揮中心，如遇重大事件可直接兩級指揮聯(lián)動。

3.1.3 網(wǎng)絡傳輸

平臺運行及外場數(shù)據(jù)回傳主要依靠互聯(lián)網(wǎng)和移動物聯(lián)網(wǎng)技術。

3.1.4 項目級數(shù)據(jù)中心

周南高速項目級公路數(shù)據(jù)資源中心數(shù)據(jù)包括地理空間數(shù)據(jù)、公路屬性數(shù)據(jù)、管理機構數(shù)據(jù)、業(yè)務人員數(shù)據(jù)、公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)、路網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、科學決策數(shù)據(jù)、專項養(yǎng)護數(shù)據(jù)、科技創(chuàng)新業(yè)務數(shù)據(jù)、小修保養(yǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)和保潔監(jiān)管業(yè)務數(shù)據(jù)11 類數(shù)據(jù)庫。

3.1.5 基礎支撐平臺

基礎支撐平臺包括基礎地理信息系統(tǒng)、資產(chǎn)管理平臺、三維信息處理平臺、北斗高精度定位平臺、數(shù)據(jù)應用支撐平臺及工作流平臺，為業(yè)務應用提供有效支撐。

3.1.6 智慧養(yǎng)護管理平臺

應用系統(tǒng)層主要是周南高速智慧養(yǎng)護管理平臺，包括資產(chǎn)管理、路網(wǎng)監(jiān)測、養(yǎng)護統(tǒng)計、科學決策、專項管理、防災預警、文件公告、交通流量和年度評價9 大行業(yè)管理子系統(tǒng)，同時涵蓋科技創(chuàng)新可視化、小修保養(yǎng)、保潔監(jiān)管、數(shù)字指揮終端與一鍵求助小程序等5 大項目級管理子系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)功能設計

3.2.1 行業(yè)管理功能

為保障項目公司-省-部多級基礎業(yè)務數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準要求，在省級養(yǎng)護平臺通用數(shù)據(jù)庫基礎上，建立了項目級專用數(shù)據(jù)庫，打通底層數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量精準、權威。高效集成省養(yǎng)護平臺資產(chǎn)管理、路網(wǎng)監(jiān)測、養(yǎng)護統(tǒng)計、科學決策、專項管理、防災預警、文件公告、交通流量和年度評價9 個行業(yè)管理功能模塊，有效滿足交通運輸部、河南省交通運輸廳各層級行業(yè)管理業(yè)務數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、統(tǒng)一報送業(yè)務需求，打通數(shù)據(jù)底座，真正實現(xiàn)“一個平臺、一網(wǎng)通辦、一鍵登錄”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標。

3.2.2 項目管理功能

針對周南高速公路養(yǎng)護管理項目級實際業(yè)務需求，搭建周口至南陽高速公路智慧養(yǎng)護管理平臺（如圖1 所示），定制化開發(fā)科技示范創(chuàng)新成果地圖可視化、保潔作業(yè)監(jiān)管、小修保養(yǎng)、一鍵求助小程序和數(shù)字化管養(yǎng)終端等日常養(yǎng)護管理應用功能，有效實現(xiàn)養(yǎng)護過程監(jiān)督有力，養(yǎng)護管理智能高效。

圖1 周口至南陽高速公路智慧養(yǎng)護管理平臺（PC 端+APP 端）

1）科技示范創(chuàng)新成果地圖可視化。在現(xiàn)有省廳養(yǎng)護管理平臺公路資產(chǎn)管理系統(tǒng)的基礎上，針對周南高速新材料、新技術的應用情況，建立新技術、新材料、新工藝示范應用數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)增刪改查等功能，并借助地理信息系統(tǒng)（GIS），實現(xiàn)養(yǎng)護管理平臺新技術、新材料、新工藝示范應用的可視化查詢與展示。

2）保潔作業(yè)監(jiān)管。針對機械保潔、人工保潔等高速公路保潔作業(yè)績效考核難的問題，建立保潔作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)，在實現(xiàn)現(xiàn)場車輛、人員實時可視化監(jiān)管基礎上，系統(tǒng)自動生成月度、季度考核評價報表，實現(xiàn)高速公路保潔作業(yè)的精準監(jiān)管。

3）小修保養(yǎng)。借助手機APP 形成病害發(fā)現(xiàn)、計劃生成、任務派單、養(yǎng)護實施、驗收的業(yè)務閉環(huán)和數(shù)據(jù)動態(tài)更新，實現(xiàn)道路狀況上報和養(yǎng)護業(yè)務的動態(tài)督查督辦。

4）高速一鍵救援微信小程序。針對高速公路交通事故等緊急情況時駕駛人定位耗時長、位置描述不準確等問題，借助高速公路基礎設施地理信息開發(fā)高速一鍵救援微信小程序，快速定位報警人公里樁、上下行等位置信息，實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)動，并通過短信通知路政人員，有效縮短接報警時間，以便及時采取科學有效處治措施，可顯著降低次生事故發(fā)生率。

5）數(shù)字化管養(yǎng)終端。融合路網(wǎng)發(fā)展、基礎設施分類統(tǒng)計、技術狀況評定、視頻監(jiān)控等10 余項可視化主題，搭建項目級數(shù)字指揮終端，實現(xiàn)道路橋隧涵、養(yǎng)護工區(qū)、路產(chǎn)大隊等統(tǒng)計數(shù)據(jù)宏觀推送，實時查看養(yǎng)護作業(yè)情況，掌握最新路網(wǎng)運行狀況。

4 項目級養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)技術特點

項目依托省廳現(xiàn)有河南省交通基礎設施數(shù)據(jù)中心及智慧管理服務平臺，借助基礎設施數(shù)據(jù)標準化、多源異構數(shù)據(jù)整合、大數(shù)據(jù)分析及可視化等關鍵技術[7]，完成了周南高速項目級養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)開發(fā)工作。

4.1 基礎設施數(shù)據(jù)標準化

在項目實施過程中，梳理基礎設施數(shù)據(jù)庫編碼類型，編制了河南省地方標準DB41/T 2136—2021《高速公路基礎設施數(shù)據(jù)庫編目編碼規(guī)則》[8]，明確規(guī)范了高速公路及其相關屬性信息的分類方法、編碼原則和分類代碼，有效實現(xiàn)養(yǎng)護平臺基礎設施數(shù)據(jù)標準化。利用基礎設施數(shù)據(jù)庫標準化，促進了高速公路智慧養(yǎng)護信息化平臺建設的數(shù)據(jù)一致性，提高了管養(yǎng)平臺數(shù)據(jù)信息質(zhì)量與使用效率，實現(xiàn)了高速公路建養(yǎng)數(shù)據(jù)的高效、精準銜接。

4.2 多源異構數(shù)據(jù)整合

根據(jù)周南高速公路管養(yǎng)模式及業(yè)務特點，在公路養(yǎng)護過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的主要來源有基礎設施屬性檔案資料、日常養(yǎng)護內(nèi)業(yè)檔案資料、專項養(yǎng)護實施全過程檔案資料、結構物定期檢測基礎資料、結構物在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、道路視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)及交通流量監(jiān)測數(shù)據(jù)等。通過對多源異構數(shù)據(jù)特性進行分析，搭建了基于中間件結構的數(shù)據(jù)集成平臺架構，屏蔽分布式系統(tǒng)異構性，僅存儲數(shù)據(jù)的邏輯集成而不存儲具體數(shù)據(jù)，解決了多源異構數(shù)據(jù)共享難點[7]；實現(xiàn)了項目級養(yǎng)護管理平臺與行業(yè)管理級養(yǎng)護管理平臺基礎業(yè)務數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，同步滿足一鍵上報省交通運輸廳及交通運輸部行業(yè)管理數(shù)據(jù)的需求。

4.3 基于ArcGis 的數(shù)據(jù)可視化

在梳理項目級養(yǎng)護業(yè)務流程基礎上，搭建了基于GIS 的基礎地理信息平臺系統(tǒng)架構，明確了基礎設施地理信息庫建設內(nèi)容，實現(xiàn)基于GIS 的科技示范創(chuàng)新成果專題地圖、交通事故、道路設施養(yǎng)護施工等信息的可視化，面向不同應用場景，提出了詳細功能需求和數(shù)據(jù)傳輸要求，開發(fā)了數(shù)字化管養(yǎng)終端，使項目級養(yǎng)護管理平臺各項業(yè)務數(shù)據(jù)展示效果更為突出。

5 結束語

本項目針對現(xiàn)有公路智慧養(yǎng)護管理系統(tǒng)存在的問題和應用痛點，以高速公路項目級智慧養(yǎng)護業(yè)務管理需求為出發(fā)點，分析了項目級養(yǎng)護管理信息化平臺的功能定位，依托基礎設施數(shù)據(jù)標準化、多源異構數(shù)據(jù)整合，基于ArcGis 的數(shù)據(jù)可視化等科技成果，搭建了集行業(yè)管理應用和項目級管理應用為一體的高速公路智慧養(yǎng)護管理平臺。平臺在實現(xiàn)直接對接部、省行業(yè)管理平臺，滿足行業(yè)管理數(shù)據(jù)報送基礎上，同步完成建養(yǎng)數(shù)據(jù)高效銜接、科技示范創(chuàng)新成果地圖可視化、保潔作業(yè)監(jiān)管、小修保養(yǎng)流轉(zhuǎn)、高速一鍵救援求助及數(shù)字化管養(yǎng)終端等項目級養(yǎng)護管理功能的研發(fā)與應用，有效促進了“多平臺一鍵登錄、多業(yè)務統(tǒng)一報送”高速公路養(yǎng)護管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標的實現(xiàn)，可為同類項目級高速公路智慧養(yǎng)護信息化平臺建設提供參考。