新型道路管理系统浅析

刘 林，李梦茹

1.新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 831100 2.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830000

道路基础设施的建设是制约国家经济和安全的主要因素之一，截止2018 年底，我国公路通车总里程达485.6 万km，其中高速公路达14.2 万km，国家高速公路网基本建成，居世界第一［1］。面对数量庞大的道路为保障其经济和安全，实现由交通大国迈向交通强国，我国提出一系列建立可持续发展的交通强国计划，其核心是保障它们在安全、可靠和经济的状态下为社会提供全天候服务。为实现这一目标一个强大而综合的基础设施管理系统必不可少。

1 道路管理系统在中国的发展

1.1 道路管理系统概念及总体进程

道路管理系统（Pavement Management System）简称PMS是运用现代管理科学理论、系统工程分析方法及计算机技术手段，收集道路相关信息情报，用于管理、计划、分配预算和编制所有路面养护工作的程序，以实现社会资源最大化合理配置，提高决策效率的一套系统［2］又称之为道路智能信息化管理。

从20 世纪80 年代起我国交通运输机构便逐渐开始加入这种战略性道路管理决策研究，到如今全球经济一体化及我国市场经济体制的建立，道路管理已成为当前各企业奋起直追的竞争技术，也是道路各学者激烈讨论的前沿热点。经过36 年的不断深入，道路管理已经从企业具体职能转向行业拓展阶段，然而距离完善化的道路管理系统还有很长的路需要探索［3］。

1.2 道路管理系统盲点论述

国内现行的PMS 有以下几个代表性弊端：

1.2.1 功能模块化

PMS 是一个庞大的整体系统。从空间角度看路、桥、隧、坡隶属于同种交通基础设施，在区域空间上存在不可避免的连续性。然而各基础设施却独立于一种管理系统，仅从独立系统中得出的最佳决定未必是最优决策［4］。从时间维度看设计、施工、运营、报废是各交通基础实施必经的寿命周期阶段，为在战略上有效维护道路，需要从时间序列内分析问题和解决方案，因此必须积累道路整个生命周期中产生的信息［5］。然而各系统服务于基础设施的某阶段性管理，脱离全寿命周期视角，缺乏全盘分析。

1.2.2 数据管理碎片化

PMS 涉及海量多元数据的汇集及多源数据的融合。快速、准确的获取道路信息是PMS 的关键所在［6］。从数据类型看需要整合时空数据，从数据量看要求长期大量属性信息。一方面道路自动化检测会遇到各种工况下难以精准获取数据的问题，另一方面部门和地域间存在数据壁垒导致数据互不流通，数据积累不足宏观决策难以进行。

1.2.3 数据挖掘表面化

PMS由项目级及网络级管理组成［7］。理论上应由网络级决策指导项目级优化，但由于目前数据为点采集方式缺乏连续式数据，数据清洗不足加上各单项指标数据关系挖掘不深，导致网络级管理未真正发开。此外现存的项目级管理按不同地区管理要求采用不同的养护方案及指标进行排序，存在个别地区性能评价研究不足，衰减模型考虑因素不全，纳入的备选方案有限，最终项目管理优化存在弊端。

1.2.4 人员技术单一化

PMS需要多专业及新兴技术的不断融合［8］。要打造一个完善的PMS，需要多领域研发人员的探索实践，经济投入和科技实力是重要的支持。管理系统科研人员面临资金投入不足引起的技术狭隘化，同时不能与政府部门建立真正的联系，引发理论不付诸实践缺少反馈环节的结果。

2 国外道路管理系统

国外道路基础设施管理相比国内领先20 年，尤其是美国从不断完善的政策指导到科研资金投入，形成了领先的基础设施管理。本文将剖析全球顶尖的交通基础设施管理系统开发商Agileassets（美），来指导我国的道路管理系统的建设。

2.1 Agileassets 服务介绍

正如Agileassets 公司的名字所展示的，它是一家专门为基础设施资产提供敏捷解决方案，以节省金钱、时间，拯救生命为导向的智能化决策提供者。Agileassets 平台架构如图1 所示。

（1）基础：Agileassets 平台基础涉及系统管理、安全、配置及报告，并以此为资源池向用户提供基础服务。系统管理用于系统管理员创建和维护资产管理系统所需的代码以及软件的管理功能。安全方面公司团队对运营和服务质量提供全天候综合监控和预警，为防止功能及服务故障准备备用方案，从多层面进行网络和系统安全检查，集中化的管理让数据更安全。报告支持多种格式的导出，并分详细报告和总结性报告，用户可依据自己的需求进行选择。

图1 Agileassets 平台架构

（2）产品：Agileassets 平台依据不同客户需求对道路管理业务扩展，推出运营管理及计划分析两大类产品。计划分析是针对单个及多个集成项目以改善投资决策及优化工作计划的服务，针对各服务Agileassets 都有专业人员对各窗口、界面定义计算表达式。管理操作包含七种管理功能，较为全面的囊括了交通基础设施的范围。为各个管理对象从计划、数据收集到审查、报告定制完整的解决方案。

（3）应用程序接口（API）：平台提供多样化API 可实现与第三方系统的无障碍对接，实现更新更智能的业务流程。将地理信息系统（GIS）接入，实现资产可视化空间管理。提供多个线性参考系系统（LRS）间接口，确保路段定义的一致性，解决多个路段合并及分离问题。

2.2 Agileassets 特点分析

针对Agileassets 所展现的服务，产品有如下特点：

2.2.1 柔性的管理

以客户为中心，针对不同用户提供定制服务，用户能够参与设计也可以选择公司的交钥匙管理。提供软件即服务（software as a service，SaaS），由专业人员负责平台维护管理，按需计费，用户因此省去前期的IT 设施投入。

2.2.2 规范化的API

实现与多个系统的整合，不仅扩大数据收集还增加完整工作流，满足更新更智能的系统服务。

2.2.3 科学化的服务

以数据驱动为基础，采用分布式云计算。在汇集大数据后运用先进的计算模型评估、预测及决策，实现对多场景约束下的资金配置。

2.2.4 专业化的人才

为了将业务面向全球客户，公司储备了工程师、数学家、科学家、程序员、经济学家、系统集成商和市场专家等多学科组织精英。在执行任务的同时，提供最权威的基础设施管理软件。

2.3 Agileassets 道路管理系统分析

选择Agileassets 的各州政府对软件功能使用情况各异，其中路面管理采用最为广泛［9］。Agileassets 旗下的PMS 分为以下六大功能模块，这里将详细介绍数据库、分析、报告及设置的内容，PMS 模块功能见图2。

图2 PMS 模块功能图

（1）数据库及GIS/Map：PMS 采用关系型数据库，通过标准化API 接入涵盖道路时空属性大数据。通过GIS/LRS 结合GPS 的定位，将路段设置为统一可视化单元，为下一步道路分析做准备。

（2）分析：分析流程见图3。调用数据库内属性（定义道路范围、位置及每部分其他属性）、性能（评估道路现状）、历史（确定道路结构）三大类数据，通过决策树、预测和优化模型进行道路维护的分析决策。目前系统预测模型支持经典的线性及非线性模型，由用户提供的自定义模型，及自动化的参数自更新。决策树分预测和决策两类。预测决策树由用户选择的决策变量和性能定义值划分父节点的子节点，并将其分支到父节点。每个分支的末端将被分配一个预测模型。最终决策由低层决策树附加为高层决策树完成，每底层决策树对应一种治疗方案，将几个较低级别的决策树分配到决策树的较高级别部分。最终在对方案进行约束条件筛选后输出优化方案路段、方法、时间的结果。

（3）报告：对最后的优化决策，系统支持自生成多种格式的详细和总结性报告、自定义及图表类报告。

图3 PMS 分析流

（4）设置：管理层用户可对施工（如材料编码）、数据库（如路面类型代码）、网级分析（如约束）、性能（模型系数）及行政（道路政区）的表、列、参数和界面进行设置，满足不同机构需求。

3 新型路面管理系统（NPMS）

针对我国道路管理系统的痛点及行业现状，在总结分析Agileassets 管理系统的基础上提出我国新型道路管理系统（NPMS）的构想。

3.1 NPMS 介绍

随着工业4.0 的发展，互联网和数字化技术成了各行业经济增长的重要力量。为了最大化满足路面养护管理的效益，PMS 的发展必将是以大数据为驱动的云计算管理系统。现提出基于云计算的NPMS 架构如图4 所示。

图4 NPMS 架构图

NPMS 架构主要由三个层次组成最终客户将通过互联网在浏览器端享受服务。第一层为架构服务（IaaS）是系统的基础设施服务层，主要包含网络、计算机、存储设备，能够按需向用户提供对应的服务，按需计费。第二层为平台服务（PaaS）是通过互联网为用户提供一整套开发、运行和运营应用软件的支撑平台。核心在于标准化和规范化API 的提供，同时安全控制系统运行，进行用户管理，通过将结构化数据分布式存储高效挖掘路面大数据。第三层（SaaS）是通过互联网提供软件服务的软件应用式。在这种模式下用户无需花费资金用于硬件、软件和开发团队的建设，整个系统的维护交由厂商负责。通过互联网用户即可使用路面数据的查询、健康评估、态势预测及最终的决策，由于路面管理系统的应用单位多样，为此系统提供平台型SaaS 为客户提供自定制功能。NPMS 具体子模块及功能展示如图5。

图5 NPMS 子模块及功能

NPMS 将根据用户角色分配权限，一般用户可选择数据类别（如某年某区的路况数据）系统将提供多样格式的数据供用户查看输出。用户也可查看相应分析模型的类型及参数的选用，如果数据采取人工智能算法，那么用户可以解到算法的类别。在分析模块系统可以根据用户赞同的评分标准输出路面现状评估报告，此外路面修复前后的性能预测及无约束的多修补方案也将展现在用户面前。最终的决策也将以综合和专题的报告输出。管理者能够自行设置界面格式，各类模型参数及计算表达式，当然对不同角色的使用者管理者可分配和定义权限。面对不同的使用对象，系统根据其业务流程，提供有的放矢的服务。与现存系统对接，最大化满足客户利益。

NPMS 的数据流程如图6 所示。在大量数据进入系统后，数据将按性能评价、划分评价单元、划分养护类型、确定设计单元、养护方案设计、方案比选、优化养护单元的核心步骤最终确定合适的养护方案及时机。此外NPMS 要实现的另一核心问题就是网络级与项目级的联动效应，即解决在资金限制下纳入更多费用考虑因素，从网络级资金的减少配置项目级方案的优化。

图6 系统数据流程

3.2 NPM 展望

真正实现智慧功能的NPMS，还需要历经一段科研探索和推广之路，以下提出几点亟待解决的问题。

（1）数据的获取。NPMS 是建立在可靠大数据支撑上的系统。NPMS 以自动化检测车输出的数据作为主要路况数据源，保证全天候高效的数据采集是系统的基础工作之一。同时也需要各管理部门信息数据支持如工程历史数据、基本信息数据等，融合构成库存信息，实现以数据驱动的科学闭环管理。

（2）数据挖掘。NPMS 的核心是对大数据的处理。寻找单个数据源各指标间的数学关系，多元数据不同路段性能衰减差异，路段合并与分割，备选方案对比多因素的纳入以及网络级与项目级的联动都需要更深层次的钻研。

（3）政府支持。NPMS 的建立需要政府的积极推广和推进。除了交通部更新的法律规范，各省、市管理部门也要主动配合，制定符合本区域的管理政策。倡导督促智能化管理的落实，促使合理健康市场竞争机制的形成。

（4）人才储备。NPMS 是在不断发展中壮大的系统。多元化和专业化的人才是发展中的不竭动力。紧跟时代的技术也要不断融入在系统中，新的技术加不断的创新，道路行业将会迎来巨大的变革。