高速公路智慧化養護管理系統的設計與實現

陳志濤 CHEN Zhi-tao；陸艷銘 LU Yan-ming；李朋 LI Peng

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650041）

0 引言

隨著我國公路運輸系統的不斷完善，高速公路網絡日趨多樣化、復雜化，對高速公路的養護管理要求更加及時、準確[1]。過去的高速公路養護工程管理方法和模式已不能滿足現代養護管理的要求，現代對高速公路養護管理科學化、規范性的要求大幅提升，把現實的高速公路養護管理與先進的計算機技術相結合，使高速公路養護管理過程系統化、規范化和科學化，是整個高速公路交通系統的養護工作者的愿望。

1 高速公路智慧化養護管理現狀

1.1 現狀分析

1.1.1 信息化建設水平較低

高速公路養護管理的信息化水平較低，信息化養護管理的應用時間較短。過去的養護技術養護效率和效果一般，這些情況影響著高速公路的使用和壽命。

1.1.2 養護管理機制落后

如今我國高速公路基礎建設發展迅速，但高速公路的養護管理工作相對滯后，相關法律法規制定不完善，執行和監管機制不健全，科學技術和先進理論學習不足，技術和設備的使用還停留在滯后階段[2]。

1.1.3 管理體系不夠完善

高速公路管理內容十分繁雜，監控高速公路路況以及車輛行駛的信息，很多地區信息化系統建設還較單一，信息共享效果達不到預期[3]。

1.2 必要性分析

在我國高速公路持續發展的過程中，通車時間和超載車輛負荷的逐漸增加致使高速公路的使用壽命逐年降低[4]，為了實現高速公路的可持續發展，需要將高速公路建設、管理、養護三者有機地結合起來，才能使高速公路的整體質量得到改善。

將信息化引入高速公路管理體制，建立高速公路智慧巡檢、營運管理、養護維護、運行監測的信息化系統，掌握高速公路路況、營運等各方面信息，向公眾提供更好的出行體驗。

針對高速公路養護管理現存的問題，本文設計開發了高速公路智慧化養護管理平臺以及智慧高速移動巡檢APP，利用信息化手段進行高速公路養護管理工作，全面提高養護管理水平。

1.3 理論介紹

建筑信息模型（BIM）技術作為信息技術時代里建筑行業信息技術的重要代表，在重大交通基礎設施項目規劃、設計、建設、施工、運營、養護管理全生命周期等已有應用。BIM 模型的建立過程不但包含整個項目生產過程中所有信息的相關數據，還囊括了項目實施過程中的組織行為，兩者有效地結合起來，使BIM 成為了一種信息化的管理平臺。因此BIM 技術可歸總為3 個層級方面的應用，如圖1 所示。

圖1 BIM 層次結構圖

2 系統技術架構

2.1 高速公路養護管理平臺

針對高速公路養護管理應用場景的專用養護管理平臺微服務架構。

項目使用SpringCloud 整個技術組件作為一套整體的微服務架構來提供支持。

Redis 集群提供緩存服務，將數據庫中查詢出來的數據緩存到Redis 中，可有效減少數據庫壓力并提高服務訪問速度。

MySQL 數據庫應對大量讀寫操作時若負載過重，可能出現慢查詢、崩潰等問題，通過負載均衡的讀寫分離進行減壓。在這種情形下，主服務器只負責寫入，從服務器只負責讀取。

k8s 提供基礎平臺，將服務器抽象出來。所有的微服務組件和微服務實例、數據庫等都交由k8s 管理，利用k8s的以上特性，有效減輕了運維壓力并增加了服務自我修復能力。

2.2 智慧高速移動巡檢APP

針對巡檢應用場景的專用移動終端APP 架構。

①基于當前主流的MVVM 設計模式架構和開源跨平臺技術實現，APP 的底層架構支持Android 和IOS 開發。采用Vue 和Uni-app 實現MVVM 框架和跨平臺業務，交互式地圖采用Leaflet 開源js 庫，時間日期處理庫為Dayjs。②架構支持公網與專網數據傳輸通信應用。在網絡中斷情況下，巡檢采集數據保存在移動終端本地，網絡恢復后，自動完成向后臺系統傳輸巡檢采集數據。高速公路設施巡檢所需的技術資料保存在移動終端本地，通過軟件功能實現調看，其他所需信息通過網絡請求后臺系統獲得。

3 系統平臺功能

3.1 高速公路養護管理平臺

利用互聯網+高速公路養護技術手段，規范養護作業流程，實現養護工程項目一體化管理，提升高速公路養護管理水平，提升道路養護技術科學分析水平，實現日常巡查管理、夜間巡查管理、特殊巡查管理、經常巡查管理以及定期巡查管理等功能。平臺功能架構如圖2 所示。

圖2 高速公路智慧化養護平臺功能架構圖

①設備管理。建立路段在用設備臺帳數據，實現每一個設備個體的全生命周期管理，詳細記錄設備的履歷。

②巡查軌跡回放。該功能用于巡查管理人員查看巡查人員巡查軌跡，通過回放的巡查軌跡，即可查看相關人員是否按要求執行巡查任務，對巡查的路線、時間進行檢查。

③資產管理。將各路段的業主方、各代維單位、區域養護中心的資產倉庫納入統一管理，實現單個倉庫、多倉庫之間的庫存閥值預警，從而提高資產的利用率。

④巡查數據管理。平臺通過API 接口自動接入巡查人員上傳的巡查數據，實現巡查數據全過程管理。

⑤養護數據管理。平臺根據巡查人員上傳的巡查數據，下發養護通知單，建立完善的養護數據全過程管理。

⑥故障報修。平臺能夠進行故障信息錄入、處理以及維護派單等工作，建立完善的故障維護數據全過程管理。

⑦流程管理。能夠針對于養護上報、故障上報等的流程數據進行管理查詢，詳細記錄每一節點信息。

⑧依據最新國家及行業標準，建立高速公路技術狀況評定標準庫、橋梁技術狀況評定標準庫以及隧道技術狀況評定標準庫。建立公路養護輔助決策模型庫，為管養人員提供養護決策輔助支持功能。

3.2 智慧高速移動巡檢APP

①智能巡查、狀態監控。利用3S（GIS、GPS、GPRS）技術，對巡檢人員的行蹤進行實時監控，并采集巡檢人員在巡查期間所發現的安全隱患，通過系統查詢、分析，實現對巡查人員的遠程管理，達到對高速公路設施設備以及結構物運行狀態實時監控。

②巡檢精準定位。直接利用平板電腦GPS 模塊采集的GPS 數據進行高速公路位置定位存在較大的誤差，因此在高速公路進行病害檢測時，無法精確判斷病害的樁號里程。通過利用數據融合技術來提高GPS 采集數據的可信度與準確度，構建出一種經緯度數據與高速公路樁號快速轉換模型，能夠滿足高速公路巡檢精確定位的需求。

綜合圖像處理技術、北斗/GPS 定位技術和二維碼技術，將管養單位系統內高速公路原始信息自動導入，并實現病害具體位置的自動識別、記錄以及病害分布圖自動繪制。

③巡查數據采集。巡查人員可利用移動APP 提供的巡查數據錄入界面，快速錄入高速公路設施的相關病害數據，包括照片等多媒體信息，通過快捷的上傳按鈕，將錄入的信息、設施設備坐標以及時間等數據傳送至遠程中心數據庫。移動端可錄入的巡查數據包括：道路、橋梁、涵洞、隧道土建、高邊坡、隧道機電、沿線設施、綠化、房屋土建、特殊巡查、收費系統、監控系統以及通信系統中的設施設備和結構物。

④自動巡檢、數據存儲。巡查人員通過移動APP 可以設定巡查位置自動發送時間間隔，移動端根據設定的時間間隔按時發送數據或保存數據。同時巡查人員還可以設定巡查數據是保存還是立即發送，如果某時通信網絡中斷，移動端會自動保存所錄入的巡查數據。

高速公路智慧化養護管理系統的總體架構如圖3所示。

圖3 高速公路智慧化養護平臺功能架構圖

4 應用案例

召夸至瀘西高速公路，路線起點北接曲陸、江召高速公路，經召夸南、葵山鎮、金馬鎮、止于白水鎮連接彌瀘二期高速公路，主線全長34.14km，按雙向六車道標準建設，路基寬33.5m，設計時速100 公里。全線設互通式立交6處、收費站4 處、服務區1 處、隧道變電所1 處。召瀘高速公路實景見圖4。平臺實現了日常巡查管理、夜間巡查管理、特殊巡查管理、經常巡查管理以及定期巡查管理等功能。

圖4 召瀘高速公路實景圖

5 結論

針對高速公路養護管理問題，本文提出了基于信息化管理系統的解決方案，設計開發了高速公路智慧化養護管理平臺以及智慧高速移動巡檢APP，從技術和功能的角度介紹了智慧化養護管理系統的設計思路。

利用互聯網+高速公路養護技術手段進行高速公路養護管理工作，能夠規范養護作業流程，實現養護工程項目一體化管理，加強高速公路養護管理技術科學分析水平，提升高速公路養護管理效率，進一步推進高速公路的可持續發展。