甘肃省公路技术状况评定系统的研究与应用

张新秀, 马伟中, 汪首元, 李彩霞

(1.甘肃省公路路网监测重点实验室，甘肃 兰州 730070; 2.甘肃恒石公路检测科技有限公司)

1 前言

到2017年底，甘肃省公路网总里程达到14.3万km，位居中国第17位，高速公路通车总里程3 867 km，位居中国第22位。14个市州政府驻地全部以高速公路贯通，54个县高速公路已开通，县通高速公路比例达到63%，连霍、青兰、十天、京新等国家高速公路在甘肃境内全贯通。

2001年，美国开发了道路管理系统“PAVER”，它是通过道面状况指标(PCI)来评价道面状况的好坏。2005年高达公司开发了美国加州Oakland国际机场道面管理系统(APMS)。在中国，2009年，交通运输部公路科学研究院推出了公路资产管理系统(CPMS),2015年武大卓越科技有限公司推出的公路全资产管理系统等。总体来说，目前投入实际应用的公路技术状况评定系统在处理检测数据方面方便、快捷。但是，这些系统也存在一些不足。

(1) 路线编码、区间划分、路段划分原则没有统一的标准。

(2) 处理数据效率不高，导入检测数据与导出评定结果响应时间比较长。

(3) 系统交互性不强，资源不能共享。各级公路管理部门评定自己的检测数据，不能有效地汇总整条路的技术状况指数。

随着甘肃省公路里程大幅增加，公路检测数据处理工作越来越繁重，单机版的路况评定系统已经不能满足整合处理全省路况数据，如何快速、高效、科学和准确地整合处理公路检测数据，如何提高公路检测数据使用效率，并在养护的精细化和养护资金的使用效益方面提供帮助,开发网络版的公路技术状况评定系统迫在眉睫。

2 公路技术状况评定原理与方法

公路技术状况采用公路技术状况指数(MQI)和相应的分项指标表示，计算公式如式(1)所示。公路技术状况评定包括路面、路基、桥隧构造物和沿线设施4部分内容，评价指标与相应权重指标(权重按行业标准规定)如图1所示。

MQI=wPQIPQI+wSCISCI+wBCIBCI+wTCI·TCI

(1)

图1 评价指标图

路面使用性能指数(简称PQI)分为沥青路面、水泥混凝土路面、砂石路面3种类型。沥青路面使用性能包括路面破损、平整度、车辙、抗滑性能和结构强度5项技术内容。其中路面结构强度为抽样评定指标，单独计算与评定。水泥混凝土路面使用性能评价包括路面破损、平整度和抗滑性能3项技术指标；砂石路面使用性能评价只包括路面破损。路面使用性能指数(PQI)按照式(2)计算：

PQI=wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI+wSRI·SRI

(2)

计算权重按照表1取值。

表1 PQI分项指标权重

不同的路面类型，路面损坏类型也不同，相应的表格形式也不同，沥青路面损坏类型有11类21项，水泥混凝土路面损坏类型有11类20项，砂石路面损坏类型有6类。而不同路面类型的路基、桥隧构造物、沿线设施损坏类型相同。路基损坏分8类，桥隧构造物有3大类，沿线设施损坏存在5种类型。路面、路基、桥隧构造物、沿线设施的损坏扣分表可以在相关技术评定标准中查阅，在此不再列举。

3 公路技术状况评定系统技术

3.1 基础数据库

公路路网是错综复杂交错在一起的，梳理并有效地管理路网信息并且实现精准管理才能使公路作用及经济效益最大化。在检测过程中如何将路线信息精准检测，并且各个管养单位的路线桩号精确无误，系统做了详细的路线编码，制定了合理的区间划分原则，最后用算法实现自动路段编码规则。基础数据入库之后，将道路检测车检测百米数据无缝入库，系统自动评定指标并且出具相应的规范报表。

(1) 路线编码：在公路行业基础路线数据是以桩号为基本单元。路线命名与路线编号根据国家相关规范标准进行编码入库，根据规范统一编码可以实现数据共享，形成甘肃省路网数据字典。根据路线编码规则分为不同的类型：G-国道、S-省道、X-县道、Y-乡道、Z-专用道路、C-村道；比如国道G6表示京藏高速公路。

(2) 区间划分原则：第1级根据路面类型划分区间，第2级根据路面等级划分区间，第3极根据不同的管养单位划分，第4级根据交通量、路面宽度、收费与否划分。根据路面类型可以分成沥青路面、水泥混凝土路面、砂石路面；不同类型的道路可以按照道路等级分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路和等外公路；根据不同的管养单位划分(库中有31个管养单位)，再次将路线划分不同的区间，因而使路网检测与管养更加复杂与精准。在该系统中区间编码预留两个字段(超过99用字母+数字表示)，比如G6A1表示前面已经有99个区间，第100区间就只能用A1来表示。

(3) 路段自动编码原则：公路技术状况评定以1 000 m为基本评定单元。但是在实际路况中路段的划分是基于区间进行自动编码划分的。在区间的划分中起点桩号与终点桩号肯定会出现非整公里桩号，如何以1 000 m路段为基本评定单元，最大限度自动划分成整公里的路段，实现路段自动编码，其基本原则是最大路段长度不能大于1 500 m，假设区间起点桩号为x=整数位(a)+小数位(b)，区间终点桩号为y=整数位(c)+小数位(d),n为路段编码个数，流程图如图2所示。

图2 路线编码流程

根据以上编码规则以G6京藏高速公路为例实现系统中的自动编码演示如下：

(1) 入库G6京藏高速路线信息主要包括选择路线性质为G、根据编码规则进行编码为6，名称为京藏高速、起点桩号1 423 km、起点名称为刘寨柯、终点桩号1 692.311 km、终点名称为海石湾、里程自动生成为269.311 km、走向、数据年份2018。第一次将基础信息入库成功，每年都可以连续使用，如果有信息变动，可以及时修改。

(2) G6京藏高速区间划分，按照划分原则要求将甘肃省内的G6京藏高速划分为2个区间即可，但是为了桥隧构造物成为独立的区间和相同的管养单位，根据不同的管养段划分，以实现县级管养，确保数据的准确性，将G6分为14个区间。以G610为列说明，区间起点桩号1 629.459 km、起点名称大红山隧道进口、区间终点桩号1 631.502 km、终点名称大红山隧道出口、区间长度自动生成2.043 km、管养单位兰州公路管理局、技术等级高速公路、路面类型沥青路面、路段管理方式选择按上下行，系统就会在路段编码中自动编码A表示上行B表示下行等路段信息。

(3) G610区间根据路段编码算法:y-x>2 000，分多段，b≤500,d>500,n=c-a+1区间，根据G610起点桩号与终点桩号可以算出n=3,分别为G61001A、起点桩号1 629.459 km、路段长度541 m；G61002A起点桩号1 630 km、路段长度1 000 m；G61003A起点桩号1 631 km、路段长度502 m。

基础数据入库成功后各个公路管理局用自己的账号与密码登录检索出自己管养的路线信息，根据自动编码好的路段信息录入相应的检测数据，进行自动评定工作。

3.2 基础数据库设计

通过系统建立基础数据库，用户登录一站式综合服务门户快速检索查询各自管养的路线信息与管养里程，多线程的录入路面(路面破损、平整度、车辙、抗滑性能)、路基、桥隧构造物、沿线设施检测数据。实现自动计算、评定、统计、生成各种报表，服务各级公路管理部门。

数据的抽取转换汇聚(ETL)：基于空间数据转换处理系统(FME)实现超过250种不同空间数据格式(模型)之间的转换,为进行快速、高质量、多需求的数据转换应用提供了高效、可靠的手段。该系统采用FME完成公路路网数据的治理，主要包括不同系统之间数据的抽取、不通格式数据的转换、二维数据转空间数据以及数据的检查和入库。业务库采用PostgreSQL数据库进行存储和管理，由数据入库得到，包括路线信息(路线名称、起止桩号、管养单位等)、桥梁(涵洞)信息数据(包括桥梁名称、桥梁结构、桥梁档案、桥梁病害等)、路面检查信息(路面平整度检查日期、负责人等)、路面病态信息(破损、车辙、平整度、横向力系数等)及与养护管理有关的公路专题信息以及共享交换而来的业务数据。

公路技术状况评定系统应用架构(图3)描述了平台的应用部署，以及和核心业务流程之间的作用和关系，通过统一用户认证管理体系、标准规范体系、安全保障体系、运行维护体系，实现平台中基础设施层、数据资源层、资源服务层、平台接口层、业务应用层和流程的信息化和可行性自动化。应用架构受业务需求驱动，它是从业务需求结合技术因素推导出来的，以支撑业务目的和性能目的为目标。系统是由一站式综合服务门户、基础数据、路况数据、等级评定、统计分析、养护决策、系统管理、工具、数据上报一系列服务构件组成，而整体的平台应用架构则是通过一个个模块的实施来实现，所以应用架构也是一种系统架构；既实现业务架构规划的功能和流程；又提供对数据架构和数据实体的封装和访问。

公路技术状况评定系统包括基础信息、路况数据、数据上报、等级评定、统计分析、养护决策、系统管理与工具共8个模块。基础信息模块中包含路线信息与评价单元两个子模块，主要实现路线基础信息统一管理。基础信息模块由系统管理员统一录入全省路线信息与区间信息，系统根据分配好的区间信息实现路段自动编码规则，形成甘肃省路网数据字典。路况数据模块主要实现甘肃省14个管养单位通过登录系统，实现查看、录入、修改、删除、导出各自的检测数据，实现了检测数据分权录入资源整合成一条完整路线的检测数据。数据上报主要实现下级单位将采集检测数据上报到上级单位进行审核入库功能。等级评定功能实现了分级评定与汇总评定，配置各种规范要求的表格，自动评定路况数据出具相应的检测报表。统计分析根据数据库中数据进行一些图标统计，以直观查看历年检测数据与跟踪历年路况变化情况。养护决策模块主要通过追踪历年的路况检测数据，自动回归验算预测模型联合路面指标决策树给出具体的养护措施以及费用，实现自动出具养护决策报告白皮书的功能。系统管理与工具实现管理员更好地管理与维护系统。以系统管理员与白银公路局为列：首先登陆一站式综合服务门户输入用户名与密码进入系统，系统管理员和白银公路局具有不同功能权限，管理员可以进行数据查询、录入、修改也可以查看全省道路信息，出具所有报表。各个管养单位只能查询、录入、修改、出具自己管养的路线的检测数据与报告。通过给基础数据分配权限使检测数据更加准确，谁管养谁检测最终整合为全省路网检测数据。

图3 应用框架

4 综合分析与应用

公路技术状况评定系统部署环境为阿里云服务器，数据库采用阿里云RDS版数据库，为客户降低了65%的总体拥有成本；可扩展平台能够帮助管理数据中心资源，提高IT效率和用户满意度，提高投资回报，降低总体拥有成本，加快检索速度。实现云服务的便捷、高效、安全、稳定等功能。

2017年甘肃省通过使用公路技术状况评定系统评定了205条公路，其中包括高速公路19条、国道11条、省道38条、县道58条、乡道16条和专用道路63条，评定总里程达到18 643.769 km。道路检测车检测全省路面数据用时3个月，人工处理数据近4个月，后期如果将人工处理的路面检测数据使用EXCEL或单机版的CPMS进行路面数据评定需要1个月时间，相应的路基、桥隧构造物、沿线设施不能同步录入评定。而通过使用公路技术状况评定系统可以实现同步录入各自的检测数据，各管养单位可以使用自己的用户名登录系统，录入路基、桥隧构造物、沿线设施的检测数据，道路检测车采集的路面数据(PCI、RQI、RDI、SRI)可以全部导入公路技术状况评定系统。通过使用公路技术状况评定系统仅需一周时间就能完成路况检测数据的入库与评定，节省了大量的人力,节约了评定时间,实现了信息共享，并且检测数据还按照优、良、中、次、差展现。

5 结语

该文在分析现有公路技术状况评定系统的基础上，针对国内外公路技术状况评定系统中普遍存在的数据不统一、交互性差、效率低等问题，结合相关技术标准，开发了甘肃省公路技术状况评定系统，系统地开发打造了“智能养护”大数据中心，真正打破“信息孤岛”，使全省公路数据一体化，便于使用、维护、更新，用户可以便捷使用最新数据或历史数据，减少数据的重复测量，极大地节省了人力、物力、财力；同时能够提升病害处置与各部门之间的业务协同能力，只要登录平台就可以共享利用所需数据，从而达到提高工作效率、降低业务成本和降低运营成本的目的。同时公路技术状况评定系统建立了方便、高效的数据管理方式及自动化的评定过程，减少了人工的参与，并屏蔽了由人为因素引起的计算错误，可为其他系统研发提供借鉴。