高速公路智慧化养护管理系统的设计与实现

陈志涛 CHEN Zhi-tao；陆艳铭 LU Yan-ming；李朋 LI Peng

（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650041）

0 引言

随着我国公路运输系统的不断完善，高速公路网络日趋多样化、复杂化，对高速公路的养护管理要求更加及时、准确[1]。过去的高速公路养护工程管理方法和模式已不能满足现代养护管理的要求，现代对高速公路养护管理科学化、规范性的要求大幅提升，把现实的高速公路养护管理与先进的计算机技术相结合，使高速公路养护管理过程系统化、规范化和科学化，是整个高速公路交通系统的养护工作者的愿望。

1 高速公路智慧化养护管理现状

1.1 现状分析

1.1.1 信息化建设水平较低

高速公路养护管理的信息化水平较低，信息化养护管理的应用时间较短。过去的养护技术养护效率和效果一般，这些情况影响着高速公路的使用和寿命。

1.1.2 养护管理机制落后

如今我国高速公路基础建设发展迅速，但高速公路的养护管理工作相对滞后，相关法律法规制定不完善，执行和监管机制不健全，科学技术和先进理论学习不足，技术和设备的使用还停留在滞后阶段[2]。

1.1.3 管理体系不够完善

高速公路管理内容十分繁杂，监控高速公路路况以及车辆行驶的信息，很多地区信息化系统建设还较单一，信息共享效果达不到预期[3]。

1.2 必要性分析

在我国高速公路持续发展的过程中，通车时间和超载车辆负荷的逐渐增加致使高速公路的使用寿命逐年降低[4]，为了实现高速公路的可持续发展，需要将高速公路建设、管理、养护三者有机地结合起来，才能使高速公路的整体质量得到改善。

将信息化引入高速公路管理体制，建立高速公路智慧巡检、营运管理、养护维护、运行监测的信息化系统，掌握高速公路路况、营运等各方面信息，向公众提供更好的出行体验。

针对高速公路养护管理现存的问题，本文设计开发了高速公路智慧化养护管理平台以及智慧高速移动巡检APP，利用信息化手段进行高速公路养护管理工作，全面提高养护管理水平。

1.3 理论介绍

建筑信息模型（BIM）技术作为信息技术时代里建筑行业信息技术的重要代表，在重大交通基础设施项目规划、设计、建设、施工、运营、养护管理全生命周期等已有应用。BIM 模型的建立过程不但包含整个项目生产过程中所有信息的相关数据，还囊括了项目实施过程中的组织行为，两者有效地结合起来，使BIM 成为了一种信息化的管理平台。因此BIM 技术可归总为3 个层级方面的应用，如图1 所示。

图1 BIM 层次结构图

2 系统技术架构

2.1 高速公路养护管理平台

针对高速公路养护管理应用场景的专用养护管理平台微服务架构。

项目使用SpringCloud 整个技术组件作为一套整体的微服务架构来提供支持。

Redis 集群提供缓存服务，将数据库中查询出来的数据缓存到Redis 中，可有效减少数据库压力并提高服务访问速度。

MySQL 数据库应对大量读写操作时若负载过重，可能出现慢查询、崩溃等问题，通过负载均衡的读写分离进行减压。在这种情形下，主服务器只负责写入，从服务器只负责读取。

k8s 提供基础平台，将服务器抽象出来。所有的微服务组件和微服务实例、数据库等都交由k8s 管理，利用k8s的以上特性，有效减轻了运维压力并增加了服务自我修复能力。

2.2 智慧高速移动巡检APP

针对巡检应用场景的专用移动终端APP 架构。

①基于当前主流的MVVM 设计模式架构和开源跨平台技术实现，APP 的底层架构支持Android 和IOS 开发。采用Vue 和Uni-app 实现MVVM 框架和跨平台业务，交互式地图采用Leaflet 开源js 库，时间日期处理库为Dayjs。②架构支持公网与专网数据传输通信应用。在网络中断情况下，巡检采集数据保存在移动终端本地，网络恢复后，自动完成向后台系统传输巡检采集数据。高速公路设施巡检所需的技术资料保存在移动终端本地，通过软件功能实现调看，其他所需信息通过网络请求后台系统获得。

3 系统平台功能

3.1 高速公路养护管理平台

利用互联网+高速公路养护技术手段，规范养护作业流程，实现养护工程项目一体化管理，提升高速公路养护管理水平，提升道路养护技术科学分析水平，实现日常巡查管理、夜间巡查管理、特殊巡查管理、经常巡查管理以及定期巡查管理等功能。平台功能架构如图2 所示。

图2 高速公路智慧化养护平台功能架构图

①设备管理。建立路段在用设备台帐数据，实现每一个设备个体的全生命周期管理，详细记录设备的履历。

②巡查轨迹回放。该功能用于巡查管理人员查看巡查人员巡查轨迹，通过回放的巡查轨迹，即可查看相关人员是否按要求执行巡查任务，对巡查的路线、时间进行检查。

③资产管理。将各路段的业主方、各代维单位、区域养护中心的资产仓库纳入统一管理，实现单个仓库、多仓库之间的库存阀值预警，从而提高资产的利用率。

④巡查数据管理。平台通过API 接口自动接入巡查人员上传的巡查数据，实现巡查数据全过程管理。

⑤养护数据管理。平台根据巡查人员上传的巡查数据，下发养护通知单，建立完善的养护数据全过程管理。

⑥故障报修。平台能够进行故障信息录入、处理以及维护派单等工作，建立完善的故障维护数据全过程管理。

⑦流程管理。能够针对于养护上报、故障上报等的流程数据进行管理查询，详细记录每一节点信息。

⑧依据最新国家及行业标准，建立高速公路技术状况评定标准库、桥梁技术状况评定标准库以及隧道技术状况评定标准库。建立公路养护辅助决策模型库，为管养人员提供养护决策辅助支持功能。

3.2 智慧高速移动巡检APP

①智能巡查、状态监控。利用3S（GIS、GPS、GPRS）技术，对巡检人员的行踪进行实时监控，并采集巡检人员在巡查期间所发现的安全隐患，通过系统查询、分析，实现对巡查人员的远程管理，达到对高速公路设施设备以及结构物运行状态实时监控。

②巡检精准定位。直接利用平板电脑GPS 模块采集的GPS 数据进行高速公路位置定位存在较大的误差，因此在高速公路进行病害检测时，无法精确判断病害的桩号里程。通过利用数据融合技术来提高GPS 采集数据的可信度与准确度，构建出一种经纬度数据与高速公路桩号快速转换模型，能够满足高速公路巡检精确定位的需求。

综合图像处理技术、北斗/GPS 定位技术和二维码技术，将管养单位系统内高速公路原始信息自动导入，并实现病害具体位置的自动识别、记录以及病害分布图自动绘制。

③巡查数据采集。巡查人员可利用移动APP 提供的巡查数据录入界面，快速录入高速公路设施的相关病害数据，包括照片等多媒体信息，通过快捷的上传按钮，将录入的信息、设施设备坐标以及时间等数据传送至远程中心数据库。移动端可录入的巡查数据包括：道路、桥梁、涵洞、隧道土建、高边坡、隧道机电、沿线设施、绿化、房屋土建、特殊巡查、收费系统、监控系统以及通信系统中的设施设备和结构物。

④自动巡检、数据存储。巡查人员通过移动APP 可以设定巡查位置自动发送时间间隔，移动端根据设定的时间间隔按时发送数据或保存数据。同时巡查人员还可以设定巡查数据是保存还是立即发送，如果某时通信网络中断，移动端会自动保存所录入的巡查数据。

高速公路智慧化养护管理系统的总体架构如图3所示。

图3 高速公路智慧化养护平台功能架构图

4 应用案例

召夸至泸西高速公路，路线起点北接曲陆、江召高速公路，经召夸南、葵山镇、金马镇、止于白水镇连接弥泸二期高速公路，主线全长34.14km，按双向六车道标准建设，路基宽33.5m，设计时速100 公里。全线设互通式立交6处、收费站4 处、服务区1 处、隧道变电所1 处。召泸高速公路实景见图4。平台实现了日常巡查管理、夜间巡查管理、特殊巡查管理、经常巡查管理以及定期巡查管理等功能。

图4 召泸高速公路实景图

5 结论

针对高速公路养护管理问题，本文提出了基于信息化管理系统的解决方案，设计开发了高速公路智慧化养护管理平台以及智慧高速移动巡检APP，从技术和功能的角度介绍了智慧化养护管理系统的设计思路。

利用互联网+高速公路养护技术手段进行高速公路养护管理工作，能够规范养护作业流程，实现养护工程项目一体化管理，加强高速公路养护管理技术科学分析水平，提升高速公路养护管理效率，进一步推进高速公路的可持续发展。