高速公路智能巡檢養護管理系統研究與開發

楊峰，王瑩，程仁慧，吳楠昊，李培濤

（1. 湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢430051；2. 武漢臨空經濟區建設投資開發集團有限公司，武漢430000；3. 武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢430074）

1 引言

截至2018 年年底，我國高速公路網絡已基本形成，總里程14.26×104km，較2017 年增加6.1×103km，穩居全球首位[1]。傳統的巡養護管理中，檢測數據的采集、傳輸和處理均采用檔案記錄模式。這不僅導致巡養工作勞動強度大、時效性差、主觀性和經驗性強，且易造成數據失真和失效[2]。如何科學高效地開展高速公路巡檢養護工作，成為我國公路管理工作者的一大現實問題。

為滿足高速公路設施信息化和智能化巡養管理需求，利用WebGIS 技術，研發了可涵蓋所有公路設施、項目級和網絡級兼顧的巡檢養護管理系統。該系統基于B/S 網絡架構，結合數據庫、GPS 和無線傳輸等技術，實現基于WebGIS 的數據可視化、智能化考勤管理、快速定位、檢索和分析等功能。該系統具有強大的數據庫管理和可視化能力，智能移動辦公及友好的人機交互界面。

2 系統結構與功能

系統設計了客戶端、應用服務器、數據庫3 層邏輯框架，如圖1 所示。在數據層中采用B/S 架構的關系型數據庫建立各子數據庫，對動靜態數據進行復制、分布式存儲、交叉查詢和統計分析。應用服務器為數據層和客戶端的橋梁，通過Java數據庫連接（Java Database Connectivity，JDBC）實現數據庫的連接和交互。客戶端是智能巡檢養護終端軟件，利用巡養各角色權限實現與應用服務器交互，開發集巡檢、養護及驗收等各個環節的智能終端和Web 平臺。

圖1 高速公路巡檢養護管理系統架構

3 關鍵技術

3.1 融入HTML5 技術的B/S架構

本系統采用B/S 架構，大多數或主要業務邏輯在服務器端實現，用戶工作界面通過瀏覽器實現，形成瀏覽器/應用服務器/數據庫服務器的3 層3-tier 結構。將這種分布式應用系統和ASP.NET+AJAX 等多種組件技術結合使用，將各個子模塊集成于一個平臺，不僅可大幅度節約開發成本，且支持用戶遠程訪問和系統遠程升級。

前端可視化技術HTML5（Hyper Text Markup Language5）將Web 上的海量數據傳遞到移動終端，來滿足快速拜訪需求，明顯增強了人機互動性[3]。本系統在B/S 架構中加入HTML5 技術，利用HTML5 提供的“”標簽，在百度地圖底圖上定義支持繪圖的畫布區，并獲取瀏覽器繪圖API 接口后，利用Leaflet 在畫布區以點、線、面、文字和圖像等形式繪制所有巡檢公路設施，同時借助該標簽自定義實現鼠標的事件響應函數，實現矢量數據的存儲及可視化，如圖2 所示。

圖2 基于HTML5 開發的典型界面

3.2 基于JSON的數據交互與同步

本系統設計了系統、基礎、用戶、業務、巡檢養護及評估數據庫6 大關系型數據庫，采取動靜態數據的分布式分庫存儲，且各數據庫間通過系統數據庫和基礎數據庫建立聯系，可實現數據的交叉查詢。本系統采用HTTP 和SOCKET 2 套服務器端接受程序，客戶端與服務器的數據交互通過輕量級的JSON 格式實現。HTTP 服務器采用“請求—應答”的模式，通過運行在Tomcat 服務器端Java servlet 程序獲得客戶端的POST 請求后，利用JDBC 數據庫連接池將遠程用戶巡檢記錄中的文本和圖像數據保存至SQL Server 數據庫。

3.3 基于RI A技術WebGI S數據地圖開發

本系統引入WebGIS 數據地圖，以提供比傳統表格更直觀方便的查詢和統計功能。將豐富互聯網應用程序RIA（Rich Internet Applications）與WebGIS 數據地圖相結合，利用異步通信機制來提高本系統效率，顯著擴展了用戶界面。

本系統構造線性參照系，利用GIS 概念將一維里程轉換成二維和三維坐標，實現信息快速查詢、分析和表達。并基于同一參照系，采用變長分段法，用圖形方式動態反映公路各種屬性數據的變化，大幅度減少數字化重復工作和數據冗余，易于數據更新維護，實現各數據采集的任意組合空間查詢和分析。

本系統地理信息圖層數據包含基礎地理信息、公路基礎技術靜態圖層數據、公路基礎空間靜態圖層數據及公路業務動態圖層數據4 大內容。通過公共的基礎平臺獲取地形地圖和交通道路的基礎數據后，再縮放至合適位置及大小的百度地圖上進行高速公路路線的描繪和標定。業務系統中錄入構造物類型、中心里程樁號、所屬線路等基礎技術靜態信息，可在GIS地圖中實現可視化。按照1∶25 萬路網地圖、1∶5 萬路網地圖、主要構造物圖層及主要沿線設施圖層等圖層，高速公路空間數據集實現基礎空間靜態圖層數據的管理，每圖層對應一個專題。同樣，業務動態圖層數據也按照資產、橋梁、隧道、涵洞、路面技術狀況指標、巡檢養護信息及外業作業人員等動態專題圖層來管理。

4 系統實現

智能巡檢養護終端App 利用Android 開發技術及標準數據交換協議，通過網絡服務接口，實現與服務器端Web 應用系統（見圖3）的實時通信與信息交互。現場作業人員只要在智能手機上安裝此應用，獲取管理員下發的賬號，進行登錄即可使用全部功能。

圖3 管理端Web 應用主要界面

5 結語

為實現高速公路各種設施巡檢管理的智能化和電子化，研發了一種基于數據庫、無線傳輸、GPS 及WebGIS 等技術的智能巡檢養護管理系統。通過在多條高速公路推廣應用，表明其Web 管理系統能實現地圖展示、結構物檔案、巡檢管理、報告報表、養護管理、我的消息、技術狀況評估及統計分析等功能；而智能巡檢養護終端App 可實現現場巡檢養護的構造物定位導航、電子化記錄、巡檢養護作業PDCA 的信息處理、數據統計分析等；利用輕量級的JSON 格式來實現兩者的數據快速交互和巡檢養護的全過程閉環管理。基于融入HTML5 技術的B/S 的巡檢系統可支持語音及圖像等多種格式數據的在線和離線存儲，明顯增強了人機互動性。

將WebGIS 應用于高速公路巡檢養護管理，能給決策者提供更直觀準確和快速的信息，可推動高速公路管理標準化、規范化、智能化和產業化的進程。