基于智能协同的公路养护管理平台研发与应用

陈 卓， 王 勇， 罗小云， 朱佰敏， 胡 珊

(1.招商局重庆公路工程检测中心有限公司， 重庆 400067； 2.湖北鄂东长江公路大桥有限公司， 武汉 435002；3.重庆渝黔高速公路有限公司， 重庆 401349； 4.招商局公路网络科技控股股份有限公司， 北京 100022)

目前，我国公路养护管理信息化水平整体偏低。大部分路段公司未建设养护管理系统，依靠传统纸质模式进行管理，具有工作量大、主观性强、工作效率低下、数据利用率低、数据传递反馈慢等诸多问题，已经严重制约养护管理水平提升。部分路段公司虽然建设了养护业务系统，如项目管理系统、桥隧道管理系统、道路巡查系统等，但是这些系统中，大部分是软件公司以项目外包形式开发的系统，专业深度不足，且缺乏持续升级迭代，导致系统不好用，甚至不可用。另外一些业内单位研发的专用系统，普遍存在业务场景单一和数据标准不统一问题，导致众多业务系统不能互通，使数据分散形成“协同性差”和“信息孤岛”[1]。

为解决公路交通基础设施养护管理中存在的手段原始、档案分散、信息孤岛、海量数据不能综合利用、养护决策不精准等诸多问题，很多研究者建立了各种类型的系统，以满足养护管理需求。在综合养护管理系统研究方面，张少锦[2]出版的《公路运营管理理论与方法》，对高速公路养护管理体系进行了理论研究，在此基础上建设了广州黄埔大桥运营管理平台；李日怡[3]结合四川省高速公路养护综合信息管理系统的建设研究了信息化技术在高速公路养护管理工作中的应用；韩直等[4]基于道路关键节点不同工况下的协同管理道路拓扑结构形式，研究了智慧公路的理论，总结了智慧公路的5个特征；为满足不同公路养护单位的管理需求并适应需求的变化，乔旭、丁美、罗小云等[5-7]提出了基于XML文件的公路养护管理系统通用化生成技术；詹显军等[8]研究了高速公路工程一体化管控平台，结合高速公路建设期业态需求，阐述了高速公路工程一体化管控平合的搭建思路；邓长军等[9]研究了智慧管养技术在市政结构设施管理中的技术研究。在单专业系统研究方面，陈卓、张喜刚、孙利民、张贵忠等[10-13]研究了信息化技术在桥梁养护系统建设及应用；在可视化集成系统研究方面，宋战平、范登科、施永泉、张云龙、姜玉龙等[14-18]研究了基于BIM和GIS技术的运维养护管理系统，并在公路、铁路等行业应用。综合以上研究成果，都是以标准化数据为基础，打通业务数据通道为核心，研究一体化养护管理平台。

本文研发的养护管理平台以业务为核心，构建病害知识库、成因分析库、养护方案库、决策干预策略库等经验库，配合多源信息集成、技术状况评定、自然语言识别、特征权重因子优化等核心算法和技术，形成完整的运行状态评估、病害诊断与养护决策等整套解决方案，结合移动互联网、云计算、大数据、区块链、物联网、人工智能、BIM+GIS可视化等新一代信息技术，研发公路交通基础设施智能协同养护管理平台及其信息化配套技术解决方案，旨在为路段管理单位及外协单位提供一个统一的智能协同工作平台，通过系统功能同入口、数据同标准实现数据汇聚，利用养护全数据源，为实施科学养护管理决策提供技术支撑。

1 平台建设方案

1.1 平台架构体系

公路交通基础设施智能协同养护管理平台部署在云服务器上，用户通过电脑端和移动终端APP访问平台功能，Web端采用B/S架构设计，无需安装软件，只需要用户名和密码即可开展工作，移动终端APP采用C/S软件架构设计，用户需要安装专用软件，以应对钢箱梁内部、索塔等无信号离线工作场景，另外也能在交互效率上会有更好的用户体验。

本平台技术架构体系在标准规范、信息安全和管理制度等三重体系下，分为5个层级，分别为基础设施层、数据融合层、应用支撑层、智能应用层、终端门户层。公路交通基础设施智能协同养护管理平台架构体系见图1。

图1 公路交通基础设施智能协同养护管理平台架构体系

1) 基础设施层：主要包括交通基础设施、养护设施、运行资源池等。其中交通基础设施是指养护对象，如路面、桥涵、隧道、路基、绿化、交安、机电等；养护设施指养护装备及数据采集系统等；运行资源池指平台运行需要的硬软件资源，如云服务器、计算、存储、网络、第三方服务等。

2) 数据融合层：主要包括结构化数据库、文件数据库和缓存数据库。结构化数据库指关系型数据表结构存储数据，如桥梁主数据及其元数据存储；文件数据库指非结构化数据，如检查图片、视频和相关文档等；缓存数据库指为了快速访问数据而预存的数据。数据融合层支持数据全局统一的采集、存储和服务，包括数据抽取(清洗/转换/加载)、数据仓库、数据集市，形成结构化数据库和非结构化数据库。

3) 应用支撑层：贯彻工具即服务(TaaS)的思想，负责为平台具体功能提供必要的开发工具、管理工具、分析工具、工程设计工具以及其他的工具服务。开发工具包括应用软件开发工具、C/S软件开发工具和B/S软件开发工具，提供统一的平台化系统软件支撑服务，包括服务的定义、注册、管理、发布以及服务控制台等。管理工具应包括统一权限管理工具，可实施工作流管理工具等。分析工具应包括机器学习和人工智能算法工具、可视化分析工具、大数据处理工具、数据挖掘工具和预测分析工具等。工程设计工具应包括三维BIM+GIS集成环境。BIM模型应包含交通基础设施的完整的真实信息，具备信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性。这些平台服务需要满足云架构的部署方式，通过虚拟化、集群、负载均衡等技术提供云状态服务，并可以根据需要随时定制及扩展。

4) 智能应用层：包括养护管理全业务处理系统，是完成养护工作的工具，提供路产管理、巡查检查、综合监测、日常养护、应急养护、养护工程、预测分析等业务应用，形成业务覆盖全面、重点突出、兼具分析广度和深度的体系化、自动化、智能化的分析应用体系，为交通运输管理者提供科学规划与决策的依据。

5) 终端门户层：面向内部用户和公众用户。包括短信、电话、计算机(PC)、移动终端(智能手机、平板电脑等)、情报板、控制中心大屏等载体提供访问养护管理平台的通道。

1.2 平台功能设计

根据平台建设目标和养护业务实际需求，在功能设计上提出“三全养护理念”：

1) 全专业：路面、桥涵、隧道、路基、绿化、交安、机电等交通基础设施的专业化管理。

2) 全业务：覆盖养护管理的所有业务需求场景。

3) 全寿命：覆盖养护业务的全过程数据记录。

本文提出管理平台“十二大业务功能模块”，即平台管理、路产管理、养护计划、巡查检查、养护工程、日常养护、应急养护、机电养护、养护物资、资料中心、养护决策、个人工作台等。

1.3 平台开发和运行环境

平台开发技术选型如下：

1) 服务端、Android端选用Java作为开发语言，Web选用Vue.js作为开发语言，实现前后端分离的开发模式。

2) 服务端开发框架采用Springboot + Dubbo + Zookeeper，实现分布式服务搭建。

3) Web前端、Android端分别采用业内主流开发框架Vue + Iview和MVPArms。

4) 数据存储：采用Mysql5.7作为关系型数据库；Redis作为缓存数据库；文件存储选用阿里对象存储OSS，保证文件服务的安全可靠。

5) 第三方服务：选用高德地图、高德气象作为坐标、气象采集服务；选用极光推送作为APP消息推送服务。

6) 工作流引擎：参考Activity工作流引擎进行自研，实现单人审批、会签等常用审批流程，支持审批撤回、过程数据修改等业务需求。

平台运行环境技术参数如下：

1) 移动终端：操作系统采用Android OS 5.0及以上版本，运行内存为4 G及以上；机身存储为16 G及以上，屏幕尺寸及分辨率为1 920×1 080及以上。

2) Web前端：操作系统采用Windows7以上版本，支持IE9、Chrome、Firefox、Safari等主流浏览器，运行内存为4 G及以上，分辨率推荐1 920×1 080，兼容其他分辨率。

3) 服务端：系统采用CentOS7.2及以上，内存为16 G及以上，OpenJDK版本为1.8，数据库版本为MySQL5.7，带宽为5 MB及以上。

2 平台应用示范

本平台在重庆、福建、浙江、山东、湖北、广西、云南、贵州、西藏、北京等省市部署应用，均取得很好的效果，平台核心功能价值如下。

1) 全专业构件级路产管理：覆盖路桥隧等全专业设施管理，更好满足精细化管理需求。路产管理从养护对象的视角形成一设施一档案功能，可联查设施属性、图纸、检查、养护、技术状况等信息。

2) 全寿命周期设计：路产设施实现建设信息档案、工程转固、运行养护、回收处置等全过程记录管控。其中病害全生命周期管理是最重要的部分，病害发现、病害决策、病害养护、养护验收、计量支付等流程的管理线和作业线全面打通，提供自动生成报告报表功能。病害全生命周期管理页面见图2。

3) 智能移动终端：主要为管理平台提供标准化养护数据，包括智能巡检、病害推送、病害决策、日常养护、应急养护、安全管理、机电巡检、机电养护、流程审批等方面。其中智能巡检包括日常巡查、经常检查、定期检查、特殊检查等；日常养护和应急养护实现养护任务单推送，记录养护施工全过程含验收计量金额等数据；机电巡检和机电养护实现机电设备故障发现和维修处治过程记录，流程审批推送审批内容、进度、意见等。通过以上标准量化数据采集通道的建立，为综合养护决策提供坚实基础。

4) BIM+GIS可视化平台：基于 GIS技术的平面宏观数据展现与BIM技术的三维构件级微观数据交互相结合，构成养护信息立体可视化平台。GIS平台打通了设施、病害、养护等信息分布与集成；BIM平台实现了构件级的设施、巡检、监测、评估、漫游、应急演练管控等信息集成。桥梁BIM三维可视化平台页面见图3。

5) 核心技术支撑赋能：围绕检测养护方向进行了大量的基础性研究。编制了公路交通基础设施构件级唯一性编码标准[19]，建立病害知识库、成因分析库、养护方案库、决策干预策略库等经验库，配合多源信息集成、技术状况评定、自然语言识别、模糊匹配、机器学习、神经网络、特征权重因子优化等核心算法和技术，形成病害诊断与养护决策解决方案[20]，研究技术状况评估算法和大数据挖掘技术为养护管理赋能。

(a) 养护巡查(b) 病害审核(c) 病害维修(d) 养护验收

图3 桥梁BIM三维可视化平台页面

3 结束语

以公路路产主数据为基础，构建病害知识库等经验知识库、配合病害诊断和养护决策等核心技术及算法，形成完整的“检、评、治、养”的养护业务体系，研发养护管理平台，并在湖北、重庆等10个省市多条高速公路部署应用，效果良好。

基于养护管理体系，研究了平台建设“五层技术架构体系” “三全养护设计理念” “十二大业务功能模块”等技术成果，本文介绍的开发技术选型及平台运行环境参数，可供公路养护管理的信息化建设参考。