高速公路養護網級管理信息系統功能設計

雷宗建， 熊 巍

(1.湖北省高速公路實業開發有限公司， 湖北 武漢 430051； 2.湖北交投投資開發有限公司， 湖北 武漢 430051)

目前，我國高速公路通車里程已達15萬公里，但線路分散、區域分治，讓養護管理很難做到“一盤棋”統籌。路況水平各有差異，管理者的主觀因素也讓區域養護資源分配不盡科學[1]。科學分配有限的資源到最需要的路段，除了需要具有統籌管理思維和網級決策理念，還需要借助大數據分析和信息化手段[2]。

近年，國內各省市開發了一批公路養護管理信息平臺，但由于地方資金有限或缺乏頂層設計，通常或功能較為單一，或與實際管理聯系不緊，缺少系統性和實用性，滋生了一些“花架子”信息平臺，甚至造成了社會對養護信息化管理的誤解。因此，結合國內典型的高速公路管養模式，開發適用于區域養護管理的信息系統，從而借助信息化手段開展養護項目精細化管理和養護管理科學決策很有必要。

1 養護信息化管理的不足

公路養護管理信息包括地理信息、資產信息、檢評信息、工程實施、監督考核等，類型多、數量大、更新周期快、相互關聯雜，缺乏深層挖掘利用。相對于我國公路建設，公路養護信息管理和應用還相對滯后[3-5]，主要表現在：

1) 信息采集與應用需求脫節。各類信息采集缺乏統籌規劃，管理歸屬多個部門，信息類別以路況指標、交通組成為主，且未與公路屬性信息與地理信息有效融合，尤其是用以建模和決策分析的可靠數據嚴重不足，制約了深層應用。

2) 信息平臺缺乏高效性和智能化。各類養護信息平臺多用于數據儲存和局部項目管理，針對性和適應性不強，分析數據和應用數據能力有限，難以利用數據有效輔助決策，急需提高信息利用效率，促進信息為養護管理服務。

3) 養護資源配置缺乏統籌考慮和網級決策。由于各路段管理者主觀因素和路況差異，計劃編制僅考慮所管路段情況，資金充裕則“小病大修”，資金緊張則“大病小修”甚至不修，缺乏對整個路網養護需求和資金總量的統籌安排。

4) 養護工程管理缺乏精細化和標準化。養護工程全過程包括巡查檢評、計劃編制、工程實施、監督考核、計量結算等環節。現有的信息平臺很少能實現養護全過程的線上管理，已經實現的進度、計量等局部管理也存在精細化程度不夠、實用性不強的問題。

5) 橋隧等特殊結構管理針對性不足。橋隧、高邊坡等結構復雜，病害難以察覺且危害大，應有針對性地建立相關系統，實行科學管控，保證結構安全，但目前這方面的信息化管理研究不夠深、應用不夠廣。

2 系統設計原則

本系統主要基于省級區域路網養護管理和決策需求設計，借助信息化輔助手段實現高速公路養護管理科學高效、降本提質的總體目標。具體設計原則如下[6]：

1) 功能實用可靠。應具有路網地理信息平臺、公路資產信息數據庫、養護工程精細化管理、特殊結構運營監測、養護網級輔助決策等功能，充分滿足運營養護管控需求。

2) 格式統一規范。數據格式與報表輸出要求、數據填報與資料上傳口徑、地理信息參考坐標系(CGCS2000)、控制性節點視頻監控接口等均應統一。

3) 功能可擴充性。總控平臺能根據區域路網建成規模擴充多條建成公路，能結合管控模式需要擴充更多細節功能，滿足精細化管理需求。

4) 輔助決策支持。能夠基于網級決策理念，綜合考慮路況指標、交通組成、經濟需求、歷史養護方案效果等因素，科學選擇養護方案、分配養護資金和資源投入。

3 系統架構設計

系統以GIS技術和.NET開發環境，采用云服務器建立數據庫。在統一坐標系(CGCS2000)下將公路地理信息、資產信息和屬性信息集成，賦予公路資產以地理屬性，實現電子地圖、監控影像、路線信息(.dwg)等數據對象的自動關聯、顯示和管理[6]。

系統基于統一的工程架構體系，在結構上具有數據互聯、架構完整、邏輯清晰的特點。根據應用要求，系統共分為數據資源層和業務應用層，既可基于Internet訪問，同時增加了移動APP訪問端，可實現了手機終端的數據填報、訪問查詢、流程審批等，隨時隨地、遠程協同、快捷便利，系統架構見圖1。

圖1 高速公路網級養護管理信息系統架構

4 系統功能設計

路網可視化地理信息平臺是基于GIS技術，結合行政區劃、地貌特征、沿線設施等地理空間數據，標繪路線及里程樁號，對長大橋梁、隧道、高邊坡等關鍵節點進行三維可視化建模并標繪三維詳圖，通過路網地理信息和屬性信息的關聯，使路網養護管理更形象直觀。在路網可視化地理信息平臺基礎上，主要開發公路資產信息數據庫、養護工程精細化管理、特殊結構運營監測、養護網級輔助決策等4大功能模塊，系統功能見圖2。

圖2 高速公路養護管理信息系統功能

4.1 公路資產信息數據庫

按照在管理中的作用，可將公路數據分為基礎數據和分析數據。基礎數據是對公路空間結構和屬性的描述；分析數據是在管理過程中生成的，是對基礎數據進行分析和計算的結果。

基礎數據又可分為空間數據和屬性數據。空間數據表達了實體的幾何位置信息，如節點坐標、樁號等；屬性數據表達了實體的屬性，如路段長度、等級、編號等。屬性數據和空間數據經過整理、分層處理和相互關聯，成為數據分析與計算的信息獲取途徑。

公路資產信息數據庫可錄入區域高速公路路線幾何、結構構造、沿線設施等資產信息，定期采集和更新交通組成、技術狀況、建養歷史、地理信息等公路屬性數據，形成區域高速公路的電子信息檔案，為分析應用提供基礎依據，數據類型及邏輯結構見圖3。

4.2 養護工程精細化管理

4.2.1小修保養管理

小修保養管理主要包括養護路況巡查、巡查軌跡監督、養護任務申報、養護任務審批、施工動態上傳、處治效果查詢、養護質量評比、養護計量與支付等過程管理。所有過程可通過移動APP的編輯、拍照等功能，實時遠程錄入和審批。通過遠程協同和無紙化辦公，可大幅提高日常小修保養的管控質量和管理效率，增加了工程管理的透明度。

圖3 公路數據類型及邏輯結構圖

4.2.2大中修及專項養護管理

結合大中修及專項養護工程項目的管理層級、管理內容和管理流程，設計開發相應的管理系統模塊，借助系統平臺和移動互聯網，實現包括系統平臺管理、基礎數據管理、養護計劃管理、工程合同管理、養護方案審批、養護工程實施、養護設備管理、材料質量管理、工程質量驗收、工程計量支付、綜合信息查詢等項目管理工作。

1) 系統平臺管理。對全局養護組織機構、用戶權限進行維護和管理，并提供資料庫、信息公告、交流論壇等內容。

2) 基礎數據管理。建立標準規范的公路設施數據庫，用于公路基礎設施數據的統一編輯、管理與維護。

3) 養護計劃管理。用于對養護管理單位年養護經費計劃和實際養護執行情況的登記管理，了解掌握養護工作整體開展情況

4) 用戶巡查管理。用于進行各類巡查檢查工作的填報，包括日常巡查、橋梁檢查、隧道檢查、涵洞檢查等，為養護施工任務安排、路況變化、路況評定提供依據。

5) 養護工程管理。包括工程合同管理、施工任務安排、工程過程管理(工程實施、工程計量、工程結算)等內容。

6) 養護工作考核。用于上級管理單位對下級管理單位的管理工作考核，也可用于管理單位對各養護承包單位進行稽查考核，并具備個人考核功能。

7) 養護設備管理。用于對設備基本信息，設備調撥、維修、保養，設備日常使用情況的登記工作，同時提供各類養護設備報表的瀏覽、打印、查詢。

8) 養護材料管理。用于對材料基本信息、材料采購、材料出入庫情況的登記工作，并具備材料使用攤銷統計功能。

9) 綜合信息查詢。提供方便快捷的設施數據查詢功能和養護業務數據查詢功能，并提供查詢結果的報表打印、Excel導出等功能，方便用戶快速查閱和導出需要的數據。

4.3 特殊結構運營監測

橋梁與隧道是高速公路運營和養護管理的重點和難點，應急突發情況會相對較多。應針對性地建立相關系統，實行科學管控，保證結構安全。

1) 特殊工程結構三維數據詳圖。應用GIS和BIM技術，建立長大橋隧、高邊坡等特殊結構的三維模型，并加載基礎信息數據，形成網絡化部署的實體仿真系統。

2) 長大橋隧健康監測系統。包括荷載監測、環境監測、結構靜力監測、動載響應監測，收集監測數據并通過網絡傳輸到系統平臺進行存儲、處理、分析和顯示。

3) 特殊結構信息數據庫。整合橋隧的建設資料、三維仿真模型、運營監測數據、養護歷史信息等，建立相對獨立的信息數據庫以便重點分析應用。

4) 特殊結構養護工程管理。包括養護預警、養護計劃、方案審批、工程實施、設備管理、材料質量、工程驗收、計量支付等。

4.4 養護網級輔助決策

在路況評定、路況預測、需求分析的基礎上，進行高速公路養護預警。基于周期效益最大化和周期成本最優化，制定科學的養護路段、養護方案，實現養護資金網級分配、養護管理網級決策的功能。

1) 壽命預估與養護預警。根據定期采集和更新的路網屬性信息、技術狀況指標以及養護方案效果跟蹤，建立路橋結構使用壽命預估模型，預估使用壽命和養護時機，分路段、分程度地進行大、中修養護預警。

2) 養護方案與預算分析。結合最新信息數據，根據養護技術對策庫，制定預警路段的養護維修方案(一種或多種)，預估各方案使用壽命，結合養護工程量和單價預估各路段、各方案的資金預算，分析周期成本效益。

3) 養護資源網級決策。基于周期成本效益最大化和網級決策理念優化養護資金分布，將有限的養護資金分配到合理的養護路段和養護方案，即實現路網中的養護資金科學分布，為科學化養護決策提供輔助參考。

5 結論與建議

利用自動化采集、大數據分析、人工智能輔助決策等信息化手段，開發具有路網可視化、數據存儲與分析、項目精細化管理、特殊結構運營檢測、養護網級輔助決策等一體化功能的系統平臺，有利于高速公路管理科學高效、降本提質，是未來發展“績效托管”管養模式的基礎保障。但高效實用的養護管理系統必須基于用戶管理流程和應用需求設計開發，建議充分結合區域養護管理模式和制度體系定制用戶層級、交互界面、功能模塊等，提高系統的實用性。