淺談實現精準定位和資產可視化的高速公路養護管理系統

陳志清

(福建省高速公路集團有限公司漳州管理分公司，福建 漳州 363005)

1 概述

公路養護管理是公路交通工作的基礎，對保障路網整體效能，促進公路交通更好地適應經濟社會發展和人民群眾安全便捷出行具有十分重要的意義[1]。近年來，我國大力推動公路養護管理轉型發展，提出要統籌推進交通強國建設，積極推進“互聯網+便捷交通”，借助先進的互聯網技術進行改革創新，促進服務提質升級，努力構建更加暢通、安全、智慧、綠色的公路交通網絡成為養護發展的必然趨勢。

現有的高速公路養護管理普遍采用傳統作業方式，存在以下不足。

①在開展高速公路網命名編號調整工作時，一般先對主要控制點進行放樣，確定其準確樁號，再采用人工滑滾輪、拉皮尺等方式逐個確定公里牌、百米樁的位置。里程樁號的確定主要采用人工方式，耗時長、易出錯，并且在通車高速公路上長時間步行存在較大安全風險。同時，由于長短鏈、彎道等因素的影響，采用該方法得到的非控制點里程樁號可能與實際位置存在較大偏差。

②道路設施損壞時，確定路損位置、收集路損施工信息、整理影像資料往往耗費大量的人力和時間，并且在整理過程中易出錯、遺漏。當特定位置再次出現損壞時，難以調取該位置的歷史損壞、維修記錄等信息，不利于養護對策的分析和制定。

③路面大中修從病害調查到設計、施工，往往耗時數個月以上時間。在此期間，在行車荷載和氣候條件作用下，路面病害程度可能已經加深，施工單位進場后若直接按設計圖施工，可能導致病害處治不到位，影響養護工程質量。

④路面養護施工時的施工數據及影像資料的存檔、處理，仍主要采用人工收集整理方式，該方法效率低、無法隨時調取查看，不利于后續的工程檔案整理及調取，同時不利于同一位置路面再次損壞時的原因探查，影響針對性的處治措施的制定。

⑤指路標志、里程牌等交通標志受臺風等自然災害侵襲損毀后，由于缺乏數字化、可視化信息，需要恢復標志時，查找原來的版面內容及結構類型資料往往較為困難，耗時耗力。

在“互聯網+”時代，電子信息技術和移動互聯網技術得到快速發展，為了優化傳統作業流程、推進養護轉型升級、提高養護管理信息化水平，福建省高速公路集團有限公司漳州管理分公司開發了一套可實現里程樁號精準定位和資產可視化的高速公路智慧養護管理系統。

2 系統內核

高速公路智慧養護管理系統是采用高精度的GPS定位、人工智能、計算機圖形學等先進信息技術，結合工程測繪原理研發而成。管理平臺包含服務器端后臺、網頁版前端和手機App端三大模塊。服務器端后臺基于Spring MVC框架，采用具備高穩定性的大型網站主流開發語言Java編寫，搭載性能卓越服務穩定的開源Mysql數據庫。網頁版前端采用HTML5+CSS3+JavaScript等語言開發實現。手機端基于谷歌發布的集成開發工具Android Studio，采用Java、XML等語言構建。

“枕席而臥，則清泠之狀與目謀，瀯瀯之聲與耳謀，悠然而虛者與神謀，淵然而靜者與心謀?！奔矗骸罢硎囟P，清澈明凈的溪水使我眼目舒適，潺潺的水聲分外悅耳，那悠遠寥廓、恬靜幽深的境界使人心曠神怡?！?/p>

為了實現高速公路里程樁號的快速精準定位，首先，利用Android系統的原生API獲取精準的位置信息；然后，引入高速公路工程圖紙中的線形要素，結合谷歌的高精度電子地圖；最后，通過系統自研的核心算法，快速準確地計算出所在GPS位置信息對應的里程樁號，并利用大數據分析對計算樁號進行再次校正，進一步提升穩定性和可靠性。

為了提升公路養護大中修方案制定的及時性、科學性和準確性，提高參與養護各方的溝通效率，該系統根據《公路瀝青路面養護設計規范》(JTG 5421-2018)和《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210-2018)，定制研發了一套集快速的人工病害調查、自動化的路面破損指標PCI計算、智能化的維修方案推薦、即時精準的消息提醒、高效化的報表整理導出等功能的跨平臺軟件。

在電腦PC端采用BS(瀏覽器-服務器)架構，主要利用了Bootstrap、BootstrapTable、G2plot等主流開源web端框架以及阿里巴巴旗下螞蟻金服開發的G6圖可視化引擎，軟件維護和升級方便,只要能上網就能升級且不需要安裝額外的軟件，使用PC端瀏覽器就能夠使用該系統的各個功能。

在手機App端，由于需要頻繁使用樁號實時定位功能，為避免服務器壓力過大，該系統采用了CS(客戶機-服務器)架構，使得大部分的運算是在個人智能手機上運行,一方面降低了服務器的計算壓力，另一方面由于直接在個人智能手機上進行運算，減少了網絡通信的時間消耗，該系統的使用流暢性也得到了提高，改善了用戶的使用體驗。利用個人智能手機搭載的GPS定位芯片，配合基站、WLAN位置和系統自帶的樁號轉換算法進行里程樁號的實時高精度定位。采用了Luban圖片壓縮算法，能在保證圖片清晰度的條件下，將幾個MB甚至幾十個MB的圖片壓縮至200kB左右，節省大量的存儲空間，同時避免大量的應用數據導致個人手機卡頓。此外，該系統還使用了大量的移動端主流框架，如：Fastjson、Picasso、Okhttp、SmartTable、GlideImageLoader等，用來提高移動App端應用的穩定性、可靠性以及美觀性，提高用戶的使用體驗。

為了提升公路資產管理的數字化、信息化水平，提高養護工作效率，該系統通過收集主要構造物及標志牌等資產的影像、GPS位置、施工參數及圖紙等信息，結合谷歌的高精度電子地圖，實現了公路資產的數字化管理和在電子地圖上的可視化。

3 主要功能

高速公路智慧養護管理系統主要包含路網改造、路損調查、動態設計、施工管理、工程量統計及變更管理、主要構造物及標志牌可視化六大模塊，如圖1所示。

圖1 系統功能

3.1 路網改造

該模塊需要先人工手持智能手機，到部分控制點(橋梁、隧道)采集該點位的經緯度信息。區別于復雜的放樣流程，該方法操作簡單，僅需操作人員站在控制點上，打開已安裝在個人智能手機的App相應模塊即可，無需使用其他專業設備。采集到控制點的經緯度信息，再導入公路路線平面圖中的直線、曲線、轉角數據，該系統就能夠在地圖(如谷歌地圖、騰訊地圖、百度地圖、高德地圖等)上面繪制出高速公路路線圖，實現路線上所有點位的里程樁號的精準定位。使用時，養護人員僅需打開手機App，選擇路線、路幅后，即可實時顯示所處位置的里程樁號(在同一位置使用不同安卓手機、在不同時間的定位偏差不超過5米)，如圖2所示。選擇路牌類型并拍照保存后，系統即可自動計算該路牌位置的偏差值。

圖2 里程樁號實時精準定位

3.2 路損調查

圖3 路損調查錄入界面

3.3 動態設計

該模塊主要是為了解決路面大中修時，從病害調查、確定維修設計方案到施工的整個周期較長導致施工單位進場后因病害情況已加劇無法按圖施工的問題。為保證病害調查信息能真實反映當前的路面損壞情況，調查人員至少在施工的一天前，開展徒步病害調查，現場實時獲取病害位置準確樁號、拍攝病害照片、錄入病害信息到系統。該系統對上傳的病害調查數據進行自動整合歸檔，并結合《公路瀝青路面養護設計規范》以及《公路技術狀況評定標準》，自動計算出路面損壞指標PCI，如圖 4 、圖 5 所示。設計人員可參考系統計算出的路面損壞指標和路面病害影像，動態、科學地調整維修設計方案，監理、業主單位通過該系統確認設計方案后，施工單位便可按此設計方案施工。從病害調查到施工單位開始施工這個流程可以縮短到數個小時內[5]。

圖4 對病害調查數據自動整合，計算路面損壞指標PCI

圖5 病害調查數據及影像

3.4 施工管理

該模塊將病害調查、施工等數據與對應的GPS位置信息進行綁定，與現有的高精度電子地圖(如谷歌地圖、高德地圖、百度地圖、騰訊地圖等)結合，實現以下效果：在路面修復性養護完成后，養護人員在高速公路上巡查時，打開個人智能手機接入該系統。該系統便可通過所處位置的GPS信息，調取系統內存檔的病害調查、施工數據的GPS位置信息，實時顯示養護人員所處位置一定范圍內的路面養護施工前和施工后信息。再利用樁號與設計單位制定的維修方案進行關聯，便可實現對路面修復性養護前損壞情況、維修設計、養護施工情況以及路面現狀進行全程可視化跟蹤，實現路面再次損壞原因全程可追溯，為路面的再次損壞維修方案的制定提供數據支持。利用近幾年快速發展的Web端圖表可視化技術，在該系統上可以看到歷年的路面檢測指標PQI、PCI、RDI、SRI等可視化對比，以路面破損指標PQI為例，其效果圖如圖6所示。通過歷年數據對比，可以對路面的維修質量實現可視化跟蹤。在該顯示界面上，通過滑動下方的按鈕，可查看特定樁號范圍內的相應路面指標。

圖6 某高速歷年路面破損指標PQI的可視化對比

3.5 工程量統計和變更管理

該模塊打破傳統作業方式存在的信息孤島。首先，將病害調查數據、路面維修方案、施工數據等全部錄入到該系統中。然后，利用該系統的數據整合功能，以樁號作為紐帶，實現病害調查、維修方案、施工數據的關聯。最后，利用該系統的報表導出功能，一鍵自動導出整套工程變更報表。

該報表包含：工程變更申請書、病害明細表、病害調查影像資料、各段落的路面破損指標PCI及對應的病害統計數據、工程變更方案確認單、現場維修方案與原設計圖紙的對比表、工程變更數量確認單、施工數量與維修方案對比表、局部病害處治數量表、工程數量表以及對應的影像資料、工程變更令、新增單價申請批復單、工程變更費用申請批復單等。

為了讓參建各方隨時能了解到各類關鍵工程量統計數據和施工設計對比數據、工程完成進度等，該系統添加了施工工程量分類及實時統計功能，只要接入該系統，便可隨時查看到各類關鍵統計數據，更好地把握工程的進度。

3.6 主要構造物和標志牌可視化

該模塊由養護人員對路線上的所有橋梁、涵洞、隧道等主要構造物和標志牌進行里程樁號定位，拍攝實物影像并上傳，系統便可自動對數據進行整合，生成對應的報表，各類標志及主要構造物的數量、位置、影像資料一目了然，實現公路路產的數字化[6]。

此外，利用標志及主要構造物的GPS位置信息、現場拍攝的影像資料，結合高精度電子地圖和工程圖紙，該系統不僅將實物與其竣工圖進行了數據關聯，還創新地實現了各類標志及主要構造物在電子地圖上的可視化，無論是在手機或電腦上都可以隨時查看任意標志牌所在的位置、描述及影像資料，如圖7所示。

圖7 公路資產在電子地圖上的可視化

4 結論

高速公路智慧養護管理系統已在漳州管理分公司的日常養護、路面養護施工中得到了廣泛的運用，提高了工作效率和養護管理信息化水平。

①得益于里程樁號的快速精準定位，養護人員僅需打開手機App，即可實時顯示所處位置準確的里程樁號，無需花費時間通過找現場的公里牌和百米牌來推算樁號；養護人員發現路損時，可一鍵獲取里程樁號，智能提醒記錄路損情況，節省了現場記錄時間和事后整理上報時間，路損登記及修復流程運轉更為快速、便捷。

②在路面大中修養護施工時，運用該系統，從病害調查、維修方案制定及確認到施工整個流程更為迅速快捷，節省了工期；可實現對路面修復性養護前的損壞情況、維修設計、養護施工以及路面現狀進行全過程跟蹤，可對路面再次損壞原因進行追溯，為養護決策提供技術支持；可一鍵導出特定樁號范圍內的工程量數據和工程變更報表，節約了大量的人力和時間，同時保證了數據的完整性和可靠性，為計量支付和后期審計工作提供便利。

③該系統實現了公路交通標志和主要結構物等公路資產在電子地圖上的可視化，借助系統可隨時查看交通標志的歷史信息，提高損毀重建工作效率和質量。

5 結束語

我國公路經歷30年左右的快速建設后，正迎來一個公路養護維修高峰。我國長期以來的“重建輕養”觀念，導致公路養護基礎十分薄弱，養護任務艱巨，大量早期修建的公路陸續進入改擴建及大中修養護階段，養護費用的投入正在快速增長，養護費用將逐步超過建造費用。發展公路，必須堅持建、管、養并重原則。貫徹全壽命周期成本理念，開展科學規范的養護管理，加強養護管理創新，積極推進四新技術運用，才能提高公路的運行質量和經濟效益[7]。

實踐證明，利用衛星定位、大數據、人工智能等先進信息技術開發的可實現里程樁號精準定位和資產可視化的高速公路智慧養護管理系統，具有廣闊的發展前景，能夠推動養護管理的轉型升級，對提高養護工作效率，降低養護成本、保障養護質量有極大促進作用。