基于GIS技術的公路養護管理信息化系統的設計與應用

宋博

（甘肅暢隴公路養護技術研究院有限公司，甘肅蘭州 730010）

0 引言

截至2022 年4 月，我國公路里程已經達到528 萬公里，實施預防性養護的公路135.6 萬公里、修復養護165.2 萬公里，實施安全生命防護的公路工程116 萬公里，改造危橋5.8 萬座。可見，在我國公路交通的發展中，公路養護與管理工作是重中之重。在信息技術飛速發展的時代，相關部門應重視在公路養護管理中應用信息技術，采集并分析公路養護數據，以提升養護管理水平。

1 公路養護管理信息化系統建設的重要性

1.1 節約運維成本

公路交通的里程較長，且廣泛分布于全國各個地區，在對公路進行養護管理時，涉及很多學科技術，需要養護管理人員掌握多種學科的專業技術，尤其是信息技術。由于依靠人力對公路進行巡檢的效率較低，且可能增加運維成本，而建設基于GIS 技術的公路養護管理信息化系統，可以通過先進的信息技術對公路交通網絡進行實時監測，及時發現公路存在的問題，并采取合理的措施及時解決，能有效節約運維成本[1]。

1.2 保障交通安全

為確保公路交通安全，促進公路交通健康發展，公路養護管理相關部門應重視公路養護管理信息化系統建設。

公路交通結構相對復雜，包括隧道、橋梁等設施，環境也十分多樣，不僅包括平原，還包括高山、峽谷等區域。因此，進行公路養護時，不僅要對公路路面、橋梁、隧道結構等進行維護，還要合理布置、維護交通標志、照明設施及通信設備等，以有效降低公路交通事故發生率[2]。

建設公路養護管理信息化系統，能實時對道路狀況和周圍環境進行全方位監測，有助于加強對交通安全事故的預防，更有效地保障交通安全。

2 基于GIS 技術的公路養護管理信息化系統設計方法

2.1 信息化系統分析

建設公路養護管理信息化系統時需要利用地圖數據及公路養護數據，其中地圖數據應包括各級區域的劃分標記，各級公路的劃分標記，橋梁、隧道及高速路口標記，各級公路路線，河流、鐵路、土路標記，城市、村屯標記等。相關部門應通過測繪技術獲取地圖數據，然后將其導入空間數據庫，設計標識符號[3]。

公路養護數據包括由專業設備檢測采集到的數據、人工日常記錄的數據等。前者主要包括道路的路線、形狀、平整度、路面彎沉情況以及車轍情況等，后者主要包括路基、路面、橋梁和隧道的損壞、病害情況，對應的施工技術等。進行數據采集時，地圖數據基本可以自動錄入，公路養護數據則需人工錄入。

為提升公路養護計劃和規劃的科學性，保證各項工作有條不紊地進行，進行公路養護管理信息化系統建設時，工作人員首先要解決的是數據采集效率低、數據不準確等問題。

2.2 構建系統的總體框架

進行公路養護管理信息化系統建設時，可應用瀏覽器或者服務器進行總體框架的架構，總體框架包括三層：底層數據層、中間服務層以及上層應用層。

在具體設計中，數據層可利用非關系型數據庫MongoDB 和空間型數據庫PostgreSQL 存儲地圖數據、文件數據以及業務數據[4]。服務層的設計目的主要是為公路養護管理信息化系統提供數據交互、分析和處理的平臺，同時提供地圖服務。在服務器上進行服務層設計時，可以根據實際需求對數據進行處理，并按照一定的算法進行數據計算，經過處理的數據需要傳輸到應用層。

設計公路養護管理信息化系統的服務端業務后臺時，可利用微服務技術進行架構，這樣有利于該系統功能在服務中的展現，從而對解決方案進行解耦，提高系統運行效率。在微服務架構中，采取模塊化設計方式，將該系統劃分為養護巡查、養護資金、養護考評模塊，再利用SpringBoot 對相關數據進行整合和處理，并將數據變為JSON 格式實現交互。

服務層通過WebGIS 技術可以為公路養護管理信息化系統提供地圖服務，在實際的應用中主要利用GeoGerver 進行地圖的發布，用戶可以通過GeoGerver對GIS 數據進行查看與編輯，并根據一定的標準創建地圖，實現數據分享。進行公路養護管理信息化系統設計時，可以采取Web 地圖切片技術實現地圖的發布，然后利用矢量瓦片技術對數據進行切片處理并在服務器中進行儲存。公路養護管理信息化系統的應用層位于終端設備上，可以實現和用戶的交互，促進數據信息的應用。

應用層可以對數據信息進行展示和操作，利用圖表和矢量瓦片地圖等手段表達出公路養護數據。在構建公路養護管理信息化系統時，工作人員可以利用JavaScript 框架，通過Vue-router 實現路由跳轉，建設基礎組件庫和圖表組件庫，在后臺實現數據交互。Web 瀏覽器在開展地圖服務時，通過渲染技術（Web-GL），借助于系統顯卡可以完成2D 地圖和3D 地圖的展示[5]。該系統在應用渲染技術進行矢量瓦片地圖的渲染時，選擇MapboxGL 庫，以確保渲染的高性能，并對矢量數據進行有效解析，生成各種形態的場景地圖。

2.3 設計系統的各個功能

進行公路養護管理信息化系統設計時，根據公路養護的實際需求，可設計巡查管理、資金管理和考評管理三個模塊。

在公路養護管理工作中，巡查管理的主要內容有：公路路段的日常養護、保潔、排水、路基保養、維修以及病害處理等，同時需要進行橋梁、隧道、沿線設施的檢查、保養和維修，在特殊天氣還需要對路面進行處理，如在冬天進行冰雪清理等[6]。

設計公路養護信息化管理系統時，需整合公路巡查的相關工作，通過Web 端和移動端APP 的交互，建立巡查管理系統，由巡查工作人員在巡查過程中于APP 上進行信息更新，然后由管理人員對信息進行審批，審批結束之后系統通知工作人員對公路問題進行處理。問題處理過程中，巡查管理系統需要針對更新的信息，及時給出人工和材料等信息，問題處理好之后進行處置信息上報。公路管理人員應根據工作人員上報的信息對公路處理情況進行驗收。

利用GIS 技術，Web 地圖可以繪制出巡查工作人員的路線，實現巡查工作的可視化管理。該系統在應用過程中可以為管理人員提供巡查工作進展和養護服務情況，實現養護信息和養護工作的一體化管理[7]。

在不同等級公路的養護過程中，需要根據公路等級和養護手段的不同，采取定額管理和項目管理辦法，對公路養護資金進行有效管理。在系統設計中，工作人員應根據定額管理辦法，設計計量支付模塊，對養護過程中使用的材料、人力、設備等數據進行分析和統計，建立數據模型，促進養護資金的合理分配，控制公路養護的成本。

進行公路養護管理工作時，可以利用信息化管理系統，建立考評管理模塊，對公路養護工作進行考評。在具體工作中，工作人員應以數據采集車采集的數據為基礎建立考評管理模塊，根據對公路的養護情況對養護工作進行打分，并使用相機拍照記錄，再利用GPS 定位系統對道路坐標進行標記。考評管理模塊針對采集車采集的相關信息進行分析，可以自動生成公路網絡的質量評價內容，管理人員可以通過質量評價了解公路養護的實際狀況，同時對工作人員進行績效考評，提高工作的標準化和專業化。

2.4 系統開發的關鍵技術

設計公路養護管理信息化系統在時需要開發出多個功能模塊，還要與路政系統、建設系統以及大數據平臺等進行連接，并實現數據的交互，微服務架構可以實現服務解耦，以實現不同服務的獨立部署，使其具有可拓展性，能夠對服務進行延展。

單體架構的模式無法適應當前業務拓展和模塊功能交互的需求，因此工作人員進行系統設計時，需要開發微服務技術，建立彈性接口，以應對多種服務功能的實現。

在系統設計過程中，工作人員可開發矢量瓦片地圖技術，可以通過對金字塔模型的應用，對多分辨率的數據進行儲存，保留屬性數據，降低網絡傳輸數量，實現地圖響應速度的提升[8]。矢量瓦片地圖技術在應用時主要是通過數據分割技術，將數據分割成較小的單元，再進行繪制數據的傳輸，而繪制數據在前端已經被定義，可以實現地圖樣式的配置和圖層分級。

3 公路養護管理信息化系統應用

3.1 養護巡查APP

公路養護人員在日常巡查過程中，使用養護巡查APP 可以實現日常數據的更新和養護數據的上報，從而實現養護人員和管理人員之間的溝通，完善養護工作計劃，使公路養護工作更加科學、規范。

養護巡查APP 的主要功能有公路養護工作的查詢、上報和處置，巡查工作人員在使用養護巡查APP的時候可以進行巡查和工作的創建、巡查地點的確定以及巡查路線的記錄[9]。養護巡查APP 還可以根據公路的路況檢測指數，結合巡查數據情況，確定養護類型及養護設計方案，并對現場的情況進行拍照上傳，確定工程量信息，然后將其傳輸到系統中。管理人員可以對養護工作進行查詢，對巡查工作人員的工作進行驗收。養護巡查APP 工作流程如圖1 所示。

圖1 養護巡查APP 工作流程圖

3.2 信息采集車

應用GIS 技術對公路養護管理信息化系統進行設計，需要獲取全面、準確的數據信息，因此可以進行信息采集車的開發和應用，通過車載采集軟件對公路的養護數據進行采集。

在具體工作中，信息采集車可以通過車載GPS 系統、編碼器和全景相機對公路養護數據進行采集。首先，需要導入行政區劃地圖和任務表；其次，需要利用GPS 系統獲取巡查軌跡和公路定位；最后，根據公路評價標準，針對公路養護的實際情況，采集相應的數據信息。采集工作結束以后，系統會根據評價標準自動生成扣分表，然后通過Web 端的導入模塊上傳到服務器進行管理。

3.3 養護管理信息系統

養護管理信息系統是重要的功能系統，該系統可以對巡查工作進行分析和統計，根據地圖數據，對巡查軌跡進行可視化管理，并對養護管理工作進行分類，通過各項數據的應用提高公路養護管理效率[10]。

在養護管理信息系統中，管理人員可以通過接入地圖服務對公路網絡進行展示，并通過GIS 技術對巡查工作進行分析。資金管理模塊可導入地方養護定額，以實現對材料單價的管理，分析資金的使用情況，為地方養護定額的修訂提供可靠依據。考評管理模塊可以實現對采集數據的科學管理和分析，確定扣分情況，統計扣分信息。

4 結語

總之，利用瀏覽器或者服務器構建系統的總體框架，合理設計數據層、服務層和應用層，并開發系統的巡查管理、資金管理以及考評管理體系等，建設基于GIS 技術的公路養護管理信息化系統，可為公路的養護和管理工作提供可靠的信息化服務。