公路數字養護管控成套技術及平臺研究應用

摘要：文章通過分析公路養護行業現狀存在的問題，針對行業痛點并結合施工實際情況提出了“改造現有設施設備以增加數字化能力+引入新的數字化設備+研發數字化管養系統”多管齊下的思路，通過搭建智能化的巡檢體系、社會化的參與體系、超視距的預警體系、可視化的管控體系、數據化的分析體系，全力打造集數字化采集、全景化感知、科學化決策于一體的公路數字養護新模式。經實踐應用，該平臺起到了公路巡檢降本增效、施工現場安全及監管可控、輔助公路養護科學決策等效果，具有一定推廣應用價值。

關鍵詞：公路養護；智慧錐桶；智能巡檢；智能安全帽；現場管控

中圖分類號：U491.2? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0203-03

0 引言

隨著我國基礎設施建設政策的引導及發展，公路里程持續增加，公路網不斷完善，逐漸從密集建設期轉向養護高峰期。跟其他發展成熟的行業相比，當前公路養護大體上仍處于較低發展水平，養護模式傳統、管理效率低、科學決策能力不足。為解決公路管養諸多環節中的問題，國內相關學者展開了一系列研究。唐巧玲［1］通過建立基于移動終端的城市快速路巡檢養護信息系統實現日常巡檢管理。劉昌新［2］通過設計高速公路養護監控管理系統實現對養護施工及公路運行狀況實時監控。李春明等［3］通過建立基于微信小程序的公路橋梁巡查數據采集系統實現橋梁巡查的全面性、標準化和信息化。車德福等［4］設計并開發了一套基于GIS實現道路信息采集車和移動端APP采集數據的公路養護管理系統，提高了公路養護管理工作的效率。王杰［5］通過對夜間養護作業區行車風險影響因素、交通流特性和交通沖突研究結果，提出了適用于夜間的高速公路養護作業區的安全管控措施。

上述學者針對公路養護管理各環節中某一方面的問題進行闡述及分析，研究及應用取得了一些效果，但未形成公路巡檢、施工安全、現場監管、養護決策等全過程的成套數字化養護管控技術及平臺，而是更偏向于專業化養護未注重社會化參與。因此，進一步研究應用新一代信息技術的集成與應用，提升公路數字養護管控水平，具有重要價值意義。

1 現狀分析

以廣西為例，公路養護行業普遍存在幾個問題：（1）公路巡檢仍廣泛依賴人工巡查，存在工作負荷大、效率低、效果差、風險高等問題；（2）公路養護涉及占道施工，通常使用錐桶圍起來作為一個施工區域，經常發生車輛沖撞施工區域，存在交通安全事故問題；（3）公路養護施工點遠離鬧市，同時具有機動性臨時性，管理人員與施工人員溝通不順暢，無法實時掌控調度，存在施工現場難以管理的問題；（4）不同于新建道路集中施工，養護施工點分散各地，項目管理人員經常奔跑各地檢查，差旅費用長期居高不下；（5）公路養護項目涉及到的工程量清單細目多且雜，施工完畢之后存在施工單位自檢、勞務人員收方、業主收方等多方多步的重復計量收方工作；（6）截至2022年末廣西全區公路總里程達到160 600 km，數量龐大且點多線長，單純依靠養護人員無法應對海量的公路養護管理需求。

2 解決思路

針對公路養護管理各環節存在效率低、風險高、監管困難、成本高、重復收方等問題，結合公路養護施工現場設施設備情況，本文通過采取改造+引入+研發成套技術及數字化系統的解決思路，形成一整套公路數字養護管控技術及平臺，為公路養護嵌入科技元素，提升施工現場的管理水平，節約社會資源，改善交通和安全生產狀況。

3 設計方案

3.1 方案概述

本方案融合應用物聯網、4G/5G、北斗定位、人工智能、云計算、大數據等新一代信息技術，改造、引入及研發應用集高精定位、智能感知、安全監控等服務功能于一體的智能化設備，并將這些設備集成起來，建立一個涵蓋公路巡檢、施工安全、現場監管、科學決策等全過程高效精準的公路數字養護管控平臺。平臺系統架構由感知層、網絡層、數據層、應用層和決策層組成。如下頁圖1所示，感知層中智慧錐桶、智能安全帽、智能巡檢車、固定翼無人機、手機微信小程序等產生的音視頻、圖片等非結構化數據以及位置信息、設備狀態等結構化數據，通過在網絡層建立設備間多節點NB-IOT自組網或WIFI自組網的邊緣物聯網匯聚數據后，借助DTU-4G/5G傳給數據層。對于實時性要求高的數據則存入數據中心關系型數據庫及文件存儲服務器，非實時性數據暫存分布式緩存服務器，基于廣西北部灣投資集團有限公司自主研發“北投云”提供的計算集群云算力服務和數據流引擎，并利用容器化云及數據中臺基礎服務組件，將公路養護數據全部上云，實現資產數字化。數據中心和計算集群對公路養護數據進行深度加工挖掘和關聯性分析，通過統一數據服務網關以REST、SDK接口等方式為應用層提供數據服務，可用于導航施工提醒、施工監控及檢查、公路病害識別、違章作業識別、可視化計量收方、公路險情上報。在決策層利用人工智能和大數據分析，實現智能決策、指揮調度、綜合管控、評估考核等。

3.2 改造錐桶增加超視距的預警能力

錐桶是公路養護施工現場中必不可少的設施，但傳統錐桶只有隔離施工區域和近距離警戒作用。當司機以120 km/h高速行駛時，受限于人眼視野局限，開到施工點前才發現當前車道被錐桶封鎖的情形下，可能會闖入施工區域造成現場養護人員及司乘人員傷亡交通事故。通過將4G/5G通信、物聯網、北斗定位等技術集成在錐桶上，在施工現場擺放智慧錐桶之后，借助北斗定位把當前施工點經緯度數據，通過4G/5G傳輸至云端物聯網中臺，物聯網中臺進行數據處理以及位置匹配后同步到高德等主流導航地圖，在地圖上生成施工事件，給施工點過往司乘提供行前規劃和行中提醒，引導出行公眾合理規劃路線，提前超視距告知前方占道施工，減少交通事故發送的幾率，如圖2所示。

3.3 改造安全帽增加移動可視化現場管控能力

公路一般遠離鬧市，養護施工環境復雜多變且機動臨時，在施工過程中會存在各種各樣的難題，管理人員無法及時跟現場施工人員溝通可能造成工期延長，甚至因缺少監管導致違章作業出現傷亡事故。安全帽作為施工場地三寶之一，是使用率最高的安全防護工具，如圖3所示，通過在安全帽集成攝像頭、4G/5G通信、北斗定位、物聯傳感器等模塊，實現音視頻通話、人員定位等功能，支撐現場作業遠程指導、安全質量檢查、計量收方等，提升公路養護行業現場管控能力。

3.4 改造巡檢車增加公路病害人工智能識別能力

一條公路的通暢與健康需要養護人員通過日常的巡檢和維修保養，如果還是常規“肉眼觀察、下車拍照、事后上傳”的人工巡檢，不僅成本高、安全隱患大、效率低，而且還受多方面因素影響如道路條件、自然天氣等，難以提升公路管養效率和效益。通過將4G/5G通信、北斗定位、AI病害算法倉等技術集成在現有巡檢車，自動識別路面主要病害，快速獲取平整度、跳車等專業路面指數，為公路預防性養護決策提供數據支撐。

3.5 引入固定翼無人機用于自動化公路巡檢

智能巡檢車雖然解決了人工巡檢的弊端，但某些情況下如邊坡塌方、地震災害等原因導致道路通行中斷時無法正常巡檢，需要借助其他巡檢設備補充完善巡檢場景。小型四旋翼無人機雖然也用于巡檢，但存在無法遠程操控、依賴飛手、續航時間短、作業范圍小、飛行速度慢的問題，基于5G+自動化機場+固定翼無人機的自動化公路巡檢模式解決了這些矛盾。通過低時延高速率的5G技術實現超視距調度與控制，解決無人機作業范圍受限問題；自動化機場具備自動起降、換電等功能，解決續航時間短及飛手依賴問題，如圖4所示。

3.6 引入太陽能攝像頭完善全場景可視化現場管控

智能安全帽監控有自身局限性，由于佩戴在施工人員頭上，畫面晃動，視野高度不佳，無法全面監控現場各個角度。傳統有線監控在戶外場景下取電取網困難，挖溝布線人工成本高周期長，基于4G+太陽能+攝像頭組合的方式，打破地域限制無需拉網布線，結合攝像頭云臺控制和變倍變焦功能，實現施工現場全局全景可視化監控，有效彌補智能安全帽移動監控死角問題。

3.7 研發公路險情上報小程序構建公路養護社會化的參與體系

動員沿線公眾參與護路愛路，通過研發公路險情上報小程序，構建社會化的參與體系。公眾發現險情后，使用微信小程序上傳圖片及填寫信息，提交后系統發送短信提醒，項目管理人員確認險情信息后到項目負責人進行審核，系統根據交通影響程度，影響較大時短信通知項目業主以及公司分管領導，隨后轉到施工人員處置險情，處置完成后通知上報者。其流程如圖5所示。

4 實踐應用

本文研究的成套技術及平臺已在廣西全區范圍內的高速公路、國省道及農村公路養護項目進行推廣應用，服務于廣大公路養護巡路人員、公路沿線居民、公路養護作業人員、公路過往司乘、公路養護管理人員、公路養護項目領導及公路管理業主。

4.1 公路巡檢降本增效

傳統人工巡檢一般每天十幾公里，使用智能巡檢車替換公路養護巡路人員后，每日可巡查數百公里，無須人工下車，保障人員巡檢過程中的安全；無須手工記錄自動識別坑槽、裂縫、車道垃圾等，經測算每公里投入成本降低50%～70%，效率提升2～3倍，起到降本增效的作用。特殊情況下，使用固定翼無人機可完成道路坑洼異物、輔助設施排查等例行巡檢，也可用于極端環境下如道路中斷、交通擁堵等應急巡檢，巡視全程可按航線規劃自動對準道路，無須進行人工干預。

除了公路養護巡路人員定期巡檢，還可以在管養路段投放小程序二維碼，當公路沿線居民發現有邊坡塌方影響交通安全時，使用微信通過小程序自動獲取險情位置，填寫信息并上傳圖片反饋路況，系統會自動發送短信提醒公路養護巡路人員，即能解決公路養護點多線長數量多的難題。

4.2 施工現場安全及監管可控

針對車輛闖入施工區域帶來的安全隱患問題，公路養護作業人員擺放智慧錐桶后，智慧錐桶自動采集占道施工信息上傳同步至導航地圖，方便公路過往司乘了解路況，從而通過導航引導車主提前躲避施工路段或減速慢行，實現遠距離提前預警，不僅能保障公路養護作業人員安全，也讓司機出行更加安全。

同時，在施工區域，公路養護作業人員佩戴智能安全帽后，公路養護管理人員能夠實時查看施工現場環境和作業情況。施工周期較長的作業現場，通過加裝太陽能攝像頭，可有效彌補智能安全帽監控視野小、晃動大的問題，更全面掌控現場施工情況。得益于智能安全帽和太陽能攝像頭音視頻能力，公路養護管理人員和公路管理業主能夠實現遠程可視化檢查和計量收方，減少出差次數，節省路費、油費和人員成本。以計量收方為例，施工單位、勞務隊伍和業主單位，只需要一個單位在現場，減少成本1～2倍，助力企業降本增效。

4.3 養護科學決策

借助指揮中心駕駛艙，通過整合公路地理信息、管養系統信息、智能化設備動態信息，結合視頻監控、數據挖掘和分析技術，實現數據集中展示、快速響應、及時研判、統一指揮，輔助公路養護項目領導分析各類經營指標進行科學養護決策。

4.4 應用結果價值高

通過大量實踐應用，結果表明，智能巡檢車、固定翼無人機、險情上報小程序、智慧錐桶、智能安全帽、太陽能攝像頭等技術手段在公路養護全過程中具有重要的應用價值和潛力，公路數字養護管控成套技術及平臺的落地應用，促進了公路養護行業信息化、精細化和智能化進程，推動了公路養護模式創新，提高了施工過程中的安全性，降低了人工成本，為公路數字養護做了良好的探索和示范。

5 結語

5G、人工智能、北斗定位等新一代信息技術在國家新基建政策的激勵和驅動下，以肉眼可見的速度滲透、顛覆及變革交通、農業、工業等各行各業。本文通過研究應用成套公路數字養護管控技術及平臺，與公路養護施工業務深度融合，為公路養護管理信息化智能化提供可借鑒的思路和方案。然而，當前由于部分國省道及農村公路4G/5G信號覆蓋問題，可視化監控受到一定影響，需要進一步優化，未來在偏遠山區及隧道采用4G/5G/衛星融合通信技術實現全天候數據接入支持更流暢更實時的施工現場監控。

參考文獻

［1］唐巧玲.基于移動終端的城市快速路巡檢養護信息系統的設計與開發［D］.昆明：云南大學，2019.

［2］劉昌新.高速公路養護監控管理系統的設計與實現［D］.蘭州：蘭州大學，2020.

［3］李春明，張寶虎.基于微信的公路橋梁巡查數據采集系統的推廣應用［J］.天津科技，2021，48（2）：32-35.

［4］車德福，邱柯寒，師鵬飛，等.基于GIS的公路養護管理信息化系統的設計與實現［J］.公路，2022，67（12）：362-367.

［5］王 杰.高速公路夜間養護作業區交通沖突與行車風險研究［D］.重慶：重慶交通大學，2022.

作者簡介：米儉輝（1985—），碩士，高級信息系統項目管理師，研究方向：公路養護信息化及智能化。