基于GIS技术的公路养护管理信息化系统的设计与应用

宋博

（甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃兰州 730010）

0 引言

截至2022 年4 月，我国公路里程已经达到528 万公里，实施预防性养护的公路135.6 万公里、修复养护165.2 万公里，实施安全生命防护的公路工程116 万公里，改造危桥5.8 万座。可见，在我国公路交通的发展中，公路养护与管理工作是重中之重。在信息技术飞速发展的时代，相关部门应重视在公路养护管理中应用信息技术，采集并分析公路养护数据，以提升养护管理水平。

1 公路养护管理信息化系统建设的重要性

1.1 节约运维成本

公路交通的里程较长，且广泛分布于全国各个地区，在对公路进行养护管理时，涉及很多学科技术，需要养护管理人员掌握多种学科的专业技术，尤其是信息技术。由于依靠人力对公路进行巡检的效率较低，且可能增加运维成本，而建设基于GIS 技术的公路养护管理信息化系统，可以通过先进的信息技术对公路交通网络进行实时监测，及时发现公路存在的问题，并采取合理的措施及时解决，能有效节约运维成本[1]。

1.2 保障交通安全

为确保公路交通安全，促进公路交通健康发展，公路养护管理相关部门应重视公路养护管理信息化系统建设。

公路交通结构相对复杂，包括隧道、桥梁等设施，环境也十分多样，不仅包括平原，还包括高山、峡谷等区域。因此，进行公路养护时，不仅要对公路路面、桥梁、隧道结构等进行维护，还要合理布置、维护交通标志、照明设施及通信设备等，以有效降低公路交通事故发生率[2]。

建设公路养护管理信息化系统，能实时对道路状况和周围环境进行全方位监测，有助于加强对交通安全事故的预防，更有效地保障交通安全。

2 基于GIS 技术的公路养护管理信息化系统设计方法

2.1 信息化系统分析

建设公路养护管理信息化系统时需要利用地图数据及公路养护数据，其中地图数据应包括各级区域的划分标记，各级公路的划分标记，桥梁、隧道及高速路口标记，各级公路路线，河流、铁路、土路标记，城市、村屯标记等。相关部门应通过测绘技术获取地图数据，然后将其导入空间数据库，设计标识符号[3]。

公路养护数据包括由专业设备检测采集到的数据、人工日常记录的数据等。前者主要包括道路的路线、形状、平整度、路面弯沉情况以及车辙情况等，后者主要包括路基、路面、桥梁和隧道的损坏、病害情况，对应的施工技术等。进行数据采集时，地图数据基本可以自动录入，公路养护数据则需人工录入。

为提升公路养护计划和规划的科学性，保证各项工作有条不紊地进行，进行公路养护管理信息化系统建设时，工作人员首先要解决的是数据采集效率低、数据不准确等问题。

2.2 构建系统的总体框架

进行公路养护管理信息化系统建设时，可应用浏览器或者服务器进行总体框架的架构，总体框架包括三层：底层数据层、中间服务层以及上层应用层。

在具体设计中，数据层可利用非关系型数据库MongoDB 和空间型数据库PostgreSQL 存储地图数据、文件数据以及业务数据[4]。服务层的设计目的主要是为公路养护管理信息化系统提供数据交互、分析和处理的平台，同时提供地图服务。在服务器上进行服务层设计时，可以根据实际需求对数据进行处理，并按照一定的算法进行数据计算，经过处理的数据需要传输到应用层。

设计公路养护管理信息化系统的服务端业务后台时，可利用微服务技术进行架构，这样有利于该系统功能在服务中的展现，从而对解决方案进行解耦，提高系统运行效率。在微服务架构中，采取模块化设计方式，将该系统划分为养护巡查、养护资金、养护考评模块，再利用SpringBoot 对相关数据进行整合和处理，并将数据变为JSON 格式实现交互。

服务层通过WebGIS 技术可以为公路养护管理信息化系统提供地图服务，在实际的应用中主要利用GeoGerver 进行地图的发布，用户可以通过GeoGerver对GIS 数据进行查看与编辑，并根据一定的标准创建地图，实现数据分享。进行公路养护管理信息化系统设计时，可以采取Web 地图切片技术实现地图的发布，然后利用矢量瓦片技术对数据进行切片处理并在服务器中进行储存。公路养护管理信息化系统的应用层位于终端设备上，可以实现和用户的交互，促进数据信息的应用。

应用层可以对数据信息进行展示和操作，利用图表和矢量瓦片地图等手段表达出公路养护数据。在构建公路养护管理信息化系统时，工作人员可以利用JavaScript 框架，通过Vue-router 实现路由跳转，建设基础组件库和图表组件库，在后台实现数据交互。Web 浏览器在开展地图服务时，通过渲染技术（Web-GL），借助于系统显卡可以完成2D 地图和3D 地图的展示[5]。该系统在应用渲染技术进行矢量瓦片地图的渲染时，选择MapboxGL 库，以确保渲染的高性能，并对矢量数据进行有效解析，生成各种形态的场景地图。

2.3 设计系统的各个功能

进行公路养护管理信息化系统设计时，根据公路养护的实际需求，可设计巡查管理、资金管理和考评管理三个模块。

在公路养护管理工作中，巡查管理的主要内容有：公路路段的日常养护、保洁、排水、路基保养、维修以及病害处理等，同时需要进行桥梁、隧道、沿线设施的检查、保养和维修，在特殊天气还需要对路面进行处理，如在冬天进行冰雪清理等[6]。

设计公路养护信息化管理系统时，需整合公路巡查的相关工作，通过Web 端和移动端APP 的交互，建立巡查管理系统，由巡查工作人员在巡查过程中于APP 上进行信息更新，然后由管理人员对信息进行审批，审批结束之后系统通知工作人员对公路问题进行处理。问题处理过程中，巡查管理系统需要针对更新的信息，及时给出人工和材料等信息，问题处理好之后进行处置信息上报。公路管理人员应根据工作人员上报的信息对公路处理情况进行验收。

利用GIS 技术，Web 地图可以绘制出巡查工作人员的路线，实现巡查工作的可视化管理。该系统在应用过程中可以为管理人员提供巡查工作进展和养护服务情况，实现养护信息和养护工作的一体化管理[7]。

在不同等级公路的养护过程中，需要根据公路等级和养护手段的不同，采取定额管理和项目管理办法，对公路养护资金进行有效管理。在系统设计中，工作人员应根据定额管理办法，设计计量支付模块，对养护过程中使用的材料、人力、设备等数据进行分析和统计，建立数据模型，促进养护资金的合理分配，控制公路养护的成本。

进行公路养护管理工作时，可以利用信息化管理系统，建立考评管理模块，对公路养护工作进行考评。在具体工作中，工作人员应以数据采集车采集的数据为基础建立考评管理模块，根据对公路的养护情况对养护工作进行打分，并使用相机拍照记录，再利用GPS 定位系统对道路坐标进行标记。考评管理模块针对采集车采集的相关信息进行分析，可以自动生成公路网络的质量评价内容，管理人员可以通过质量评价了解公路养护的实际状况，同时对工作人员进行绩效考评，提高工作的标准化和专业化。

2.4 系统开发的关键技术

设计公路养护管理信息化系统在时需要开发出多个功能模块，还要与路政系统、建设系统以及大数据平台等进行连接，并实现数据的交互，微服务架构可以实现服务解耦，以实现不同服务的独立部署，使其具有可拓展性，能够对服务进行延展。

单体架构的模式无法适应当前业务拓展和模块功能交互的需求，因此工作人员进行系统设计时，需要开发微服务技术，建立弹性接口，以应对多种服务功能的实现。

在系统设计过程中，工作人员可开发矢量瓦片地图技术，可以通过对金字塔模型的应用，对多分辨率的数据进行储存，保留属性数据，降低网络传输数量，实现地图响应速度的提升[8]。矢量瓦片地图技术在应用时主要是通过数据分割技术，将数据分割成较小的单元，再进行绘制数据的传输，而绘制数据在前端已经被定义，可以实现地图样式的配置和图层分级。

3 公路养护管理信息化系统应用

3.1 养护巡查APP

公路养护人员在日常巡查过程中，使用养护巡查APP 可以实现日常数据的更新和养护数据的上报，从而实现养护人员和管理人员之间的沟通，完善养护工作计划，使公路养护工作更加科学、规范。

养护巡查APP 的主要功能有公路养护工作的查询、上报和处置，巡查工作人员在使用养护巡查APP的时候可以进行巡查和工作的创建、巡查地点的确定以及巡查路线的记录[9]。养护巡查APP 还可以根据公路的路况检测指数，结合巡查数据情况，确定养护类型及养护设计方案，并对现场的情况进行拍照上传，确定工程量信息，然后将其传输到系统中。管理人员可以对养护工作进行查询，对巡查工作人员的工作进行验收。养护巡查APP 工作流程如图1 所示。

图1 养护巡查APP 工作流程图

3.2 信息采集车

应用GIS 技术对公路养护管理信息化系统进行设计，需要获取全面、准确的数据信息，因此可以进行信息采集车的开发和应用，通过车载采集软件对公路的养护数据进行采集。

在具体工作中，信息采集车可以通过车载GPS 系统、编码器和全景相机对公路养护数据进行采集。首先，需要导入行政区划地图和任务表；其次，需要利用GPS 系统获取巡查轨迹和公路定位；最后，根据公路评价标准，针对公路养护的实际情况，采集相应的数据信息。采集工作结束以后，系统会根据评价标准自动生成扣分表，然后通过Web 端的导入模块上传到服务器进行管理。

3.3 养护管理信息系统

养护管理信息系统是重要的功能系统，该系统可以对巡查工作进行分析和统计，根据地图数据，对巡查轨迹进行可视化管理，并对养护管理工作进行分类，通过各项数据的应用提高公路养护管理效率[10]。

在养护管理信息系统中，管理人员可以通过接入地图服务对公路网络进行展示，并通过GIS 技术对巡查工作进行分析。资金管理模块可导入地方养护定额，以实现对材料单价的管理，分析资金的使用情况，为地方养护定额的修订提供可靠依据。考评管理模块可以实现对采集数据的科学管理和分析，确定扣分情况，统计扣分信息。

4 结语

总之，利用浏览器或者服务器构建系统的总体框架，合理设计数据层、服务层和应用层，并开发系统的巡查管理、资金管理以及考评管理体系等，建设基于GIS 技术的公路养护管理信息化系统，可为公路的养护和管理工作提供可靠的信息化服务。