基于智能手机的干线公路养护巡查系统

薛鹏涛，冯志慧，许金良，牛玉欣，4

(1．长安大学公路学院，陕西 西安710064;2．河南省公路管理局，河南郑州450016;3．河南农业大学信息与管理科学学院，河南郑州450002;4．中国公路工程咨询集团有限公司，北京100078)

公路养护工程是公路管理的重要组成部分［1］．公路养护巡查是为及时掌握和收集公路路况信息，及时发现公路及其附属设施损坏情况，确保公路安全畅通，更好地保持公路路面的使用性能，及时采取必要的预防性措施，以延长公路使用寿命．近年来，多个省相继开发了公路管理信息系统［2～5］，实现了道路的信息化管理．随着智能手机的普及，公路日常养护数据的采集也从原来的纸质记录转变为由智能手机实现录入、计算和上传，减少了中间环节，提高了数据采集效率［6，7］．目前，公路养护管理部门对于公路大中修项目进展情况及路面突发状况的了解仍需亲临现场，其弊端是不能保证信息的准确性和延误突发状况的处理．因此，本研究旨在开发出基于手机的干线公路养护巡查系统，以在巡查过程中详细记录施工进度和灾害发生的具体位置，准确描述发现的问题;及时上传现场采集的图片信息;利用手机的GPS模块抽取出经纬度坐标，为公路大、中修巡查及道路突发状况提供一种实时、高效、准确的数据采集方案，以加快公路管理工作人员制订决策方案．

1 干线公路养护巡查系统分析

河南地处中原，是国内重要的交通枢纽，河南省公路局通过18个市公路局、10个直管县和110多个县级公路养护单位实现对全省1．78万km国道、省道的养护与管理，包括公路的日常养护和大中修工程的管理工作．为完善各项管理制度，建立起一套公路养护工程管理、评价办法和检查制度，如公路养护工程项目管理、公路养护企业资质管理、养护质量检查以及数据采集标准、质量评价标准［8］等，使公路管理机构进行工程管理和行业管理时能够有章可循、有法可依，减少管理中的人为因素，提高管理和决策水平．日前已建立起基于GIS的河南省道路信息管理系统并投入使用［5］．但干线公路巡查数据的采集还停留在人工方法，对于大中修项目现状和突发状况的处理，仍需省级养护管理工作人员亲临现场后才能提出决策方案．基于智能手机的干线公路养护巡查系统应作为河南省道路信息管理系统的一个子系统，为整个系统提供及时、可靠的道路数据，为公路养护工作人员提供便捷的数据采集方案．

河南省公路养护管理实行在交通行政主管部门领导下的省、市、县按行政区域分级管理、分级负责的养护管理模式．干线公路养护巡查系统的服务对象主要包括省、市、县3级养护工作人员．1)县级养护工作人员．利用此系统可及时将养护巡查中采集到的路况信息上传至服务器．路况信息包括路面养护、桥梁养护、水毁等．2)市级养护工作人员．利用此系统可随时查询大中修项目和所辖区域内的路况信息，并可采集并及时上传大中修路段施工现场和突发状况图片．3)省级养护工作人员．利用此系统可随时查询或采集省内各大中修路段现状及紧急突发事故现场图片，有助于及时制订决策方案．为满足上述人员的工作需求，干线公路养护巡查系统应采用C/S(Client/Server)模式+智能手机终端的系统架构．C/S模式中，所有客户机与服务器相连，服务器负责数据处理，客户端负责同用户交互，并向后台服务器发出请求．该模式可合理均衡事务处理，充分保证数据的一致性和完整性;智能手机具有无线接入互联网的能力、PDA的功能、开放性的操作系统可安装更多的应用程序、功能强大、扩展性能强等特点［3］．为保证所上传的图片能在道路信息管理系统的GIS地图中的对应路段上显示出来，安装干线公路养护巡查系统的智能手机还需内置有GPS功能．

2 干线公路养护巡查系统总体设计

2．1 干线公路养护巡查系统的逻辑结构

干线公路养护巡查系统需实现对道路信息的实时采集、上传、GPS定位坐标提取等功能，系统同时要兼顾省、市、县各级单位的需求，并为道路养护对策决策分析提供重要的基础数据．干线公路养护巡查系统的逻辑结构分为功能表现层、逻辑应用层和数据服务层(图1)．

图1 干线公路养护巡查系统逻辑结构Fig．1 The logical structure of the arterial highway maintenance patrol system

手机版的功能表现层中提供一套友好美观的用户界面．逻辑应用层是实现系统功能应用的核心层，采用GPS组件、数据访问组件、用户组件完成系统各个功能模块的实现，组件之间通过接口互相调用．数据服务层提供数据存储管理的功能，为系统提供数据服务．

2．2 数据库设计

建立合理、完善的数据库体系对系统实现具有重要的意义．Microsoft SQL Server 2005是一个关系数据库管理系统，它具有高可用性和高安全性等特点．道路信息管理系统中的数据库由路面管理数据库、桥梁管理数据库、养护工程管理、应急项目管理数据库、GIS数据库5部分组成．本系统在原有数据库的基础上，增加了用户管理数据库和图片数据库．其中用户管理数据库由养护单位数据、各级养护人员用户名密码数据、所辖路段数据等组成;图像数据库存放工程施工现场图片、灾害图片和由GPS定位功能提取出的经纬度坐标，并实现与GIS数据库的关联．

2．3 干线公路养护巡查系统的功能模块

2．3．1 用户登录 根据省、市、县用户的级别来分配巡查和大中修路段的权限，即每级养护工作人员只能对所辖区域内的路段进行操作．

2．3．2 日常巡查 交通部颁发的JTG H20—2007《公路技术状况评定标准》中规定:应加强日常养护工作，以确保公路完好、安全、舒适、快捷、畅通．公路水毁是因雨、雪等自然灾害而引起的，一经发现险情隐患苗头，必须及时处理整治，杜绝事故的发生．日常巡查模块可对干线公路路段对应桩号的路面、桥梁、水毁等信息进行数据的查询或采集，采集后的信息可保存后上传．

2．3．3 GPS定位坐标提取 该模块在运行系统后，自动调用智能手机的GPS定位功能，提取出经纬度坐标，可与系统所采集到的图片信息一同上传致数据库服务器．

2．3．4 大中修项目管理 大修工程是对公路设施的较大损坏进行周期性的综合治理，以全面恢复到原设计标准，或在原技术等级范围内进行局部改善和个别增建以逐步提高公路通行能力的工程项目;中修工程是对公路工程设施的一般性磨损和局部损坏进行定期的修理加固，以恢复原状的小型工程项目［1］．为了解工程进度、确保工程质量，大中修项目管理模块可进行项目查询、下载、进度、数据及图片采集和上报等功能．

3 干线公路养护巡查系统的实现

干线公路养护巡查系统以VS 2008为开发平台，以C#为编程工具进行编程，与本系统采用的SQL Server 2005数据库平台结合使用．

3．1 系统整体结构实现

手机版巡查软件主要有4个功能．1)巡查数据及大中修项目的下载．2)数据采集功能，主要是路面、桥涵检测数据采集，以及病害及大中修工程现场的数据采集．3)信息报送功能，能够实现施工现场、突发事件、水毁塌方等数据、图片的实时上报．4)提取出图片采集地的GPS坐标信息，可在公路养护管理系统的GIS地图中显示上报信息．该软件通过GPRS无线通讯或3G网络实现与公路养护管理系统数据库的连接，从而实现与中心数据的实时交互．

干线公路养护巡查系统整体结构如图2所示．在内置有GPS功能的智能手机上安装过干线公路养护巡查系统后，需在登录界面中正确输入用户名和密码后方可进入系统主界面，主界面中的“功能”菜单可实现测试GPS、采集信息上传、停止上传、操作日志、清空记录、当前记录统计等操作．

图2 干线公路养护巡查系统整体结构Fig．2 The overall structure of the arterial highway maintenance patrol system

干线公路养护巡查系统的部分运行界面如图3所示．“大中修项目管理”可实现大中修项目下载、数据采集、数据查询功能，大中修项目下载可根据输入的年度进行选择下载，类型有招投资标、开工、工程节点、竣工、完工、交工和其他;数据采集可完成图片的拍摄、输入工程情况的文字说明及提取到的定位点坐标的上报;数据查询则可根据项目名称查询到进度等相关信息．

“日常巡查”中的数据采集需要先输入路段代码和相应的桩号，选择“路面”、“桥梁”、“水毁”或“其他”等类型，然后进行数据、文字、图片的录入和采集，最后对采集到的信息可保存后上传至数据库或作废重新输入．

采集到的信息若因网络原因未能上传成功，则所有信息暂存于手机存储卡等待下次登录系统后上传．

图3 手机干线公路养护巡查系统部分运行界面Fig．3 The operating interface of the arterial highway maintenance patrol system

3．2 GPS定位坐标提取

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置［9］．GPS模块完成对GPS卫星的搜索跟踪和定位速度等数据采集工作．手机内置的GPS模块在同时收到3颗以上卫星信号后，经过运算可获得正确的定位数据，如果同时通讯的卫星颗数越多，模块就能更快更准确地获取定位数据［10］．

系统主要通过API函数GPSGetPosition来获取GPS经纬度信息，GetPosition实现方法如下:定义GpsPosition对象，初始值为空;调用 Utils类的LocalAlloc方法定义GPS信息存放的指针;设置对象的dwVersion属性;将GpsPosition结构初始化为指针;读取GPS模块中的经纬度信息到内存;读取成功时将指针转换为 GpsPosition结构，检测数据的有效性，如果GpsPosition对象的时间不正确或者当前时间减去最大时间大于GpsPosition对象的时间，则无效，释放指针．

4 结语

随着中国公路通车里程的快速增长、道路服务年限的增加，中国公路已进入建设与养护并重的时期，部分公路已进入周期性的养护高峰期，再加上交通量的持续增长，给养护管理工作带来了更大的压力．因此，做好公路养护巡查工作是保持公路及其设施的完好状态、保证行车安全的基本手段之一．本研究将带有GPS功能的智能手机运用到公路养护巡查工作中，实现了日常巡查和大中修项目数据的实时查询、现场采集和上传，为各级公路管养部门提供了及时的路况信息，使用效果表明该系统具有实用性强、操作方便、稳定可靠且高效等特点．其对路况信息的实时采集实现了公路巡查作业的移动办公，进一步加强了公路养护管理的信息化，提高了公路管理的质量和效率．系统提取的GPS经纬度信息可与河南省道路信息管理系统中的GIS地图坐标关联并显示，因为公路是暴露于自然界的人工构造物，系统中手机GPS定位的精度仅受天气原因的影响，经测试系统中提取到的经纬度信息精确度在10 m以内，能满足现场图片与采集点路段的一致性校验．

［1］ 赵大军，沈艳东，崔 岩，等．公路养护技术［M］．北京:北京理工大学出版社，2009．

［2］ 赵仲华，赵黎明，郑江波．基于地理信息系统的公路管理信息系统［J］．长安大学学报，2005，25(1):69－72．

［3］ 王 欢．公路管理信息系统设计与实现［D］．北京:北京工业大学，2007．

［4］ 王 丹．基于GIS的道路综合信息管理系统研究［D］．西安:长安大学，2010．

［5］ 冯志慧．河南省道路信息管理系统［D］．武汉:华中科技大学，2006．

［6］ 邹国平，黄 铮，郝国昌．基于PDA的高速公路养护数据采集系统设计与实现［J］．交通标准化，2007(9):97－100．

［7］ 冯志慧，张 慧，薛鹏涛．基于智能手机的干线公路养护数据采集系统的设计与实现［J］．河南农业大学学报，2011，45(4):455 －458．

［8］ 陆有机，韦立林．干线公路养护信息管理系统研究开发［J］．广西大学学报，2008，33(4):374 －377．

［9］ 田 蓓．基于Windows Mobile操作系统手机的 GPS模块设计与实现［D］．厦门:厦门大学，2008．

［10］肖国元．基于智能手机的GPS导航系统的设计与实现［D］．北京:北京邮电大学，2008．