如何讓公路養(yǎng)護(hù)裝備更智慧

文｜長(zhǎng)安大學(xué)高速公路筑養(yǎng)裝備與技術(shù)教育部工程研究中心 馬登成

何為道路智慧養(yǎng)護(hù)裝備？即在道路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動(dòng)控制等技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有養(yǎng)護(hù)裝備進(jìn)行升級(jí)改造或基于上述技術(shù)開(kāi)發(fā)新型養(yǎng)護(hù)裝備，使其具備自我感知、互聯(lián)、分析、預(yù)測(cè)、控制等能力。

借助道路智慧養(yǎng)護(hù)裝備，并通過(guò)高新技術(shù)匯集養(yǎng)護(hù)施工信息，對(duì)道路養(yǎng)護(hù)設(shè)備管理、人員管理、設(shè)備參數(shù)采集等道路養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)進(jìn)行全方位、全過(guò)程管控，能夠充分保障道路安全、發(fā)揮道路基礎(chǔ)設(shè)施效能、提升交通系統(tǒng)運(yùn)行效率和管理水平，為公眾暢快出行和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

養(yǎng)護(hù)升級(jí) 大勢(shì)所趨

隨著全世界逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，適齡工作人口將急劇減少，尤其是艱苦險(xiǎn)重工程建設(shè)人員大幅減少，必然導(dǎo)致用工成本增加，為降低人工成本、提升施工效率和質(zhì)量，智慧交通工程裝備、無(wú)人工地、智慧養(yǎng)護(hù)裝備的出現(xiàn)已成必然趨勢(shì)。

目前，道路施工與養(yǎng)護(hù)裝備正朝智能化、智慧化、無(wú)人化方向發(fā)展，歐美、日本等國(guó)家在該領(lǐng)域的研究已取得了較大進(jìn)展。我國(guó)在智能建造、智慧無(wú)人工地建設(shè)、智慧管養(yǎng)技術(shù)與裝備研發(fā)等方面與國(guó)際水平還存在一定差距，體現(xiàn)在智能化、智慧化、智能建造等方面的自主研發(fā)能力有限，滿足不了道路施工裝備智慧化、工地?zé)o人化、道路養(yǎng)護(hù)智慧化的發(fā)展需要。總體來(lái)看，我國(guó)的道路施工裝備、智慧無(wú)人工地以及智慧養(yǎng)護(hù)裝備的發(fā)展水平仍處于探索和起步的初級(jí)階段。

從國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)看

我國(guó)經(jīng)濟(jì)增速已由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為中高速增長(zhǎng)階段，人均GDP持續(xù)上升。面對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸和公路運(yùn)營(yíng)管理與服務(wù)質(zhì)量提出的更高要求，以及交通量持續(xù)增長(zhǎng)為公路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，應(yīng)用道路智慧養(yǎng)護(hù)裝備及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速修復(fù)病害已成為新時(shí)期公路養(yǎng)護(hù)管理的題中之義。

從社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)看

我國(guó)人口老齡化加速，預(yù)計(jì)到2040年人口老齡化進(jìn)程達(dá)到頂峰，老齡化人口達(dá)4.1億，占總?cè)丝诘?9%，整個(gè)社會(huì)從業(yè)人員呈現(xiàn)老齡化趨勢(shì)。目前，公路建養(yǎng)工地已很難看到30歲甚至35歲以下工作人員。由此可見(jiàn)，研發(fā)道路智慧養(yǎng)護(hù)裝備迫在眉睫。

從公路建養(yǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)看

許懿 攝

我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始修建高速公路，已建成的大部分高速公路設(shè)計(jì)壽命為15～20年，但由于超載、使用保養(yǎng)不當(dāng)?shù)仍颍行┞范螌?shí)際使用10～15年甚至更短的時(shí)間就出現(xiàn)開(kāi)裂、泛油、剝落、嚴(yán)重車轍等問(wèn)題。在高速公路網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)的同時(shí)，高等級(jí)公路和其他等級(jí)公路的保養(yǎng)維護(hù)，尤其是路面保養(yǎng)維護(hù)將是一個(gè)不可忽視的市場(chǎng)。交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程495.31萬(wàn)公里，占公路總里程的98.8%。面對(duì)大量的道路養(yǎng)護(hù)任務(wù)，依賴傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)裝備已很難滿足實(shí)際需求。

從科技發(fā)展形勢(shì)看

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及云計(jì)算等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，科技革命和新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展將推動(dòng)公路養(yǎng)護(hù)裝備深刻變革。

從國(guó)家政策導(dǎo)向看

交通運(yùn)輸部在《交通運(yùn)輸科技創(chuàng)新中長(zhǎng)期發(fā)展綱要（2021-2035年）》（征求意見(jiàn)稿）中明確提出，實(shí)施智慧無(wú)人工地建養(yǎng)裝備創(chuàng)新工程。可見(jiàn)發(fā)展道路智慧養(yǎng)護(hù)裝備符合國(guó)家《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》對(duì)“交通裝備先進(jìn)適用、完備可控”“科技創(chuàng)新富有活力、智慧引領(lǐng)”的明確要求，特別是圍繞交通裝備部分部署“加強(qiáng)特種裝備研發(fā)”“推進(jìn)裝備技術(shù)升級(jí)”等具體任務(wù)。符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大需求，符合國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要、中國(guó)制造2025、“十四五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃等國(guó)家重大科技戰(zhàn)略部署。

智慧養(yǎng)護(hù) 觸手可及

隨著智慧交通“云、大、物、移、智”等新一代信息技術(shù)的突破和發(fā)展，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)逐漸邁入“智慧養(yǎng)護(hù)”時(shí)代，道路智慧養(yǎng)護(hù)已不再是空中樓閣。

建立智慧養(yǎng)護(hù)中心系統(tǒng)

一是建立公路智慧養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，形成多級(jí)用戶網(wǎng)絡(luò)共享的統(tǒng)一分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，為養(yǎng)護(hù)部門的管理、養(yǎng)護(hù)決策提供支持。例如，形成省、市、縣、養(yǎng)護(hù)站四級(jí)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。基層養(yǎng)護(hù)站負(fù)責(zé)錄入公路運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)日常養(yǎng)護(hù)中病害數(shù)據(jù)使用客戶端進(jìn)行采集上報(bào)，對(duì)巡查的病害進(jìn)行信息上報(bào)及修復(fù)。縣級(jí)公路養(yǎng)護(hù)部門肩負(fù)承上啟下的功能，對(duì)基層上報(bào)信息進(jìn)行嚴(yán)格審核、把關(guān)，并傳達(dá)市級(jí)公路養(yǎng)護(hù)部門的指令。市級(jí)公路養(yǎng)護(hù)部門行使監(jiān)查審批功能，對(duì)上報(bào)信息進(jìn)行審查處置，并下達(dá)巡查計(jì)劃，同時(shí)運(yùn)用系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供輔助依據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。省級(jí)公路養(yǎng)護(hù)部門審查下級(jí)公路養(yǎng)護(hù)部門上報(bào)的信息，對(duì)未來(lái)養(yǎng)護(hù)任務(wù)及經(jīng)費(fèi)進(jìn)行決策，并根據(jù)上報(bào)信息指導(dǎo)下級(jí)公路養(yǎng)護(hù)部門開(kāi)展養(yǎng)護(hù)作業(yè)。二是建立地理信息系統(tǒng)，統(tǒng)一公路數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)部門協(xié)同、信息共享，打造公路智慧養(yǎng)護(hù)一體化平臺(tái)。三是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)設(shè)備升級(jí)換代，開(kāi)發(fā)公路養(yǎng)護(hù)管理移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)同步更新。

搭建養(yǎng)護(hù)裝備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

升級(jí)傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)設(shè)備，搭建遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)養(yǎng)護(hù)設(shè)備加裝GPS定位及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)信息的采集，通過(guò)基站將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控。

建立智慧養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)

采用設(shè)備與人的協(xié)同管理思路，搭建智慧養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)平臺(tái)+績(jī)效考核+持續(xù)管理改進(jìn)”的良性循環(huán)，促進(jìn)養(yǎng)護(hù)設(shè)備能效成本降低和使用效率提升。智慧養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1.智慧養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)框架

升級(jí)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的道路養(yǎng)護(hù)設(shè)備

主動(dòng)智慧養(yǎng)護(hù)（自我感知）針對(duì)正在建設(shè)的道路，借助先進(jìn)的傳感技術(shù)與大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)結(jié)構(gòu)物健康智能診斷裝備，設(shè)置狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，開(kāi)展全鏈?zhǔn)酱髷?shù)據(jù)挖掘與預(yù)警，實(shí)時(shí)傳遞道路狀態(tài)數(shù)據(jù)，制定養(yǎng)護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)路面、橋梁、隧道的主動(dòng)智慧養(yǎng)護(hù)。例如，通過(guò)在橋梁上加裝風(fēng)速風(fēng)向儀、加速度傳感器（多方向）、應(yīng)變傳感器、溫度/濕度傳感器、位移傳感器、磁通量傳感器等設(shè)備，對(duì)橋梁進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。同理，也可采用上述方式實(shí)現(xiàn)針對(duì)隧道與路面的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

被動(dòng)智慧檢測(cè)（主動(dòng)巡檢）針對(duì)已建成的道路，利用無(wú)人巡檢（無(wú)人機(jī)、5G、遙測(cè)），自動(dòng)、智能檢測(cè)裝備以及智能化養(yǎng)護(hù)設(shè)備進(jìn)行定期狀態(tài)檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)與養(yǎng)護(hù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)相連，最終通過(guò)大數(shù)據(jù)分析得出最佳的養(yǎng)護(hù)對(duì)策與時(shí)機(jī)。例如，利用斜拉索檢測(cè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)搭載實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至操作終端，可在終端看到拉索保護(hù)層表面狀況和拉索內(nèi)部是否存在斷絲、銹蝕以及橋梁結(jié)構(gòu)、山體護(hù)坡等病害情況。除此之外，還可利用橋梁檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)、隧道雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)、路面結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等開(kāi)展病害檢測(cè)。

未來(lái)之路 智慧無(wú)限

從主動(dòng)智慧養(yǎng)護(hù)、被動(dòng)智慧檢測(cè)的思路出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)裝備智慧化發(fā)展。

“互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）+”解決方案

利用互聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、設(shè)備、管理者四維一體互聯(lián)，進(jìn)行管理優(yōu)化，提升設(shè)備使用率，降低設(shè)備能耗。智慧養(yǎng)護(hù)的“互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）+”解決方案如圖2所示。

圖2.智慧養(yǎng)護(hù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”解決方案

養(yǎng)護(hù)裝備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制

對(duì)養(yǎng)護(hù)裝備進(jìn)行數(shù)據(jù)、視頻采集提取，通過(guò)信息傳輸將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)測(cè)中心對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷與決策，指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)；同時(shí)，可將數(shù)據(jù)傳輸至設(shè)備制造企業(yè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全鏈條智能監(jiān)測(cè)與調(diào)整。以道路再生拌和站為例，其實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制方案如圖3所示。

圖3.道路再生拌和站實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制方案

自動(dòng)無(wú)人操作技術(shù)與道路養(yǎng)護(hù)裝備的結(jié)合

利用自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)、智能檢測(cè)技術(shù)及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，將“人工、機(jī)械、材料、工法、環(huán)境”等有機(jī)智慧結(jié)合，實(shí)現(xiàn)道路養(yǎng)護(hù)裝備的智能化、機(jī)器人化、無(wú)人化，多機(jī)智慧協(xié)調(diào)控制與工程質(zhì)量智慧管控，進(jìn)而提高工程質(zhì)量和交通工程裝備技術(shù)水平。

無(wú)人智慧養(yǎng)護(hù)工地的實(shí)施

無(wú)人智慧養(yǎng)護(hù)工地集成建造系統(tǒng)方面，將物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)施工技術(shù)深度融合，研究面向道路養(yǎng)護(hù)智慧工地全生命周期作業(yè)過(guò)程，貫穿于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等工程活動(dòng)各環(huán)節(jié)，構(gòu)建起具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自適應(yīng)等功能的新一代智慧工地集成建造系統(tǒng)平臺(tái)。

毋庸置疑，提升道路智慧建設(shè)與維養(yǎng)水平，發(fā)展道路智慧養(yǎng)護(hù)裝備，能有效推動(dòng)道路基礎(chǔ)設(shè)施維養(yǎng)裝備的科技進(jìn)步，形成智慧、無(wú)人、安全、綠色的現(xiàn)代智慧養(yǎng)護(hù)裝備與維養(yǎng)工地，助力道路養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展。可以預(yù)見(jiàn)，在加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的背景下和“十四五”發(fā)展新階段，道路智慧養(yǎng)護(hù)必將成為養(yǎng)護(hù)的重要發(fā)展方向，道路智慧養(yǎng)護(hù)設(shè)備也有望借此契機(jī)實(shí)現(xiàn)新一輪升級(jí)。