高速公路養護智能輔助決策系統的構建

崔培強 羅夢琪 田孝武 趙守陽

摘要 文章介紹了高速公路養護智能輔助決策系統的系統目標、系統特點，提出利用高速公路基礎數據及運營數據實現輔助決策的概念模型，給出系統開發方法和關鍵功能實現思路，為高速公路道路養護人員提供科學有效的智能養護管理輔助決策。

關鍵詞 高速公路;路面養護;輔助決策;工程應用

中圖分類號 U418.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0024-04

0 引言

高速公路養護管理是保障高速公路運輸安全暢通的重要環節，是一項業務范圍廣、技術難度大的工作，養護質量的好壞將直接影響高速公路的安全。目前，我國高速公路不僅已全面進入養護時代，而且正在向發達高效的現代化養護過渡。隨著高速公路養護里程的增加，養護管理的任務及工作量也在不斷加大。與當前不斷增長的路網規模相比，全國高速公路養護管理水平和信息化程度相對不足，導致部分道路養護管理不科學、養護決策缺乏有效依據。須避免道路出現失修和過修的情況，使養護資金得到合理高效利用。傳統而陳舊的養護管理方法已無法滿足現代高速公路運營管理的需要，在此背景下，研發科學高效的高速公路養護智能輔助決策系統具有十分重要的意義[1]。

1 系統目標及特點

高速公路養護智能輔助決策系統是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跟蹤觀測結果，對這些數據進行科學分析與充分挖掘，利用數據庫和聯機分析處理等相關技術與工具，通過對大量業務數據及公路基礎數據的挖掘與分析，統籌整個路網養護需求，以養護資金利用效益最大化為原則，為公路管理人員提供智能化的決策支持。系統邏輯如圖1所示。

系統建設特點包括以下方面：

（1）系統以中華人民共和國行業標準《公路養護技術規范》《公路技術狀況評定標準》《公路橋涵養護規范》《地方高速公路養護管理內業規范化實施標準》等為系統設計原則，全面實施開發，形成具有權威性、專業性的智能輔助決策系統。

（2）系統的整體架構遵循云計算服務架構分層要求。采用B/S（瀏覽器/服務器）多層體系結構實現。三層結構包括表示層、業務邏輯層、數據訪問層。采用J2EE/ECP的平臺架構、JSP/HTML5/Ajax構建的基于瀏覽器的RIA（因特網應用程序）客戶表示層，支持三層（數據庫服務器層、應用服務器層和客戶層）或多層體系結構，采用組件化、平臺化和模塊化設計，系統支持多種系統集成的API接口[2]。

（3）系統采用B/S模式，保證各類常見操作系統客戶端的正常使用，支持客戶端IE 8及以上、Chrome、Firefox、Office 2010、WPS Office及以上客戶端，系統提供較完善的數據加密及訪問控制，提供日志跟蹤與統計分析功能。

（4）系統服務器具有相當的擴充性，系統建成后將形成靜態數據庫和動態數據庫，并且數據量會隨著時間的遷移逐步增大，最終會形成海量數據。

（5）系統具有容災恢復能力，具有自動備份功能，當數據丟失時，可以利用備份數據恢復。系統采用多層安全機制來保障用戶系統從系統安全、數據安全、網絡服務安全、使用安全等方面滿足《信息安全管理體系》（GB/T22080—2008/ISO/IEC27001：2005）要求。

2 開發方法

在高速公路養護智能輔助決策系統的建設中，采取三層結構的體系框架，如圖2所示。它將業務系統的構建在邏輯上組成三個層次：服務發布層、數據資源層和業務應用層。以得到一個結構靈活，便于快速部署和調整的應用系統。

總體技術采用基于Java的J2EE（Apache Tomcat Server/Weblogic等）的多層架構實現表現、業務邏輯、數據操作、數據庫相對獨立的多層結構，如圖3所示。

軟件結構的層次化設計使系統具有以下特點：

（1）支持B/S結構的訪問方式，同時為移動App、微信公眾號、小程序等訪問方式提供標準API服務接口。

（2）支持基于抽象程度遞增的系統設計，使設計者可以把一個復雜系統按遞增的步驟進行分解，為正確的分工和協作奠定基礎。

（3）每一層通過統一的服務接口與相鄰的上下層交互，盡可能降低軟件模塊之間的相互依賴，以實現各層之間的松散偶合[3]。

（4）支持重用，只要提供的服務接口定義不變，同一層的不同實現可以靈活地進行更新和置換。這樣，就可以定義一組標準的接口，而允許多種的實現方法。

系統服務器端采用基于Java的J2EE平臺架構和阿里云中臺開發環境，客戶端全面支持IE8.0以上版本、Chrome等主流Web瀏覽器，使系統的維護和版本的更新只限于在服務器上進行，使用和維護十分方便，省去了大筆的費用，也省去了不少麻煩。系統客戶端完全基于瀏覽器方式，不用安裝客戶端，真正實現客戶端零維護。系統技術實現的結構如圖4所示。

3 關鍵功能實現思路

當前，我國部分文獻已經提出了有關高速公路養護智能輔助決策系統的構建思路，但大多只是以高速公路空間數據及屬性數據為基礎，利用專家知識和路面管理相關模型為養護方案進行智能輔助決策支持。此方法過于注重理論，未能結合高速公路歷年病害與技術狀況的關系及養護管理模式，缺乏實際養護數據，難以準確給出養護輔助決策。此外，信息收集缺乏有效規劃，也沒有充分分析和利用這些信息進行有效的養護輔助決策，難以真正達到智能化和信息化目的。

為科學構建高效適用的養護智能輔助決策系統，應結合各省市高速公路管養信息化建設及應用經驗，以高速公路工程信息數據庫為基礎，分析公路在各方面因素作用下的影響力，并按照最新標準規范科學合理地評定公路目前狀況，預估公路使用性能的發展趨勢，預測病害的演變過程，進行養護費用效果優化分析，科學安排養護計劃，尋求最佳養護時機和養護方案，降低養護成本。系統可根據公路目前狀況，參考數據庫里類似情況，自動生成養護計劃書，也可根據病害種類、輕重程度，范圍大小等因素進行智能輔助決策，自動出具養護方案，控制高速公路養護費用。具體構建思路如下。

3.1 建立高速公路工程信息數據庫

高速公路工程數據信息庫是一個大數據積累的過程，主要包含兩部分：工程基礎數據信息庫（靜態）和工程運營數據信息庫（動態）。工程基礎數據信息是工程竣工的數據，相當于人出生前和出生時的基本檔案，動態信息是工程運營養護數據，相當于人的定期體檢報告及生病治療的資料。高速公路工程信息數據庫結構圖如圖5所示。

3.1.1 工程基礎數據信息庫

工程基礎數據信息庫是一個涉及高速公路基礎信息管理各個方面、各個流程的綜合性網絡信息管理系統。對已接收高速公路的規劃報告、前期資料、竣工圖紙、中間計量支付書、公路技術狀況檢測評定報告、特殊檢查報告等非結構化數據的摘錄、清洗和入庫，維護更新一路一檔基礎資料，特別提取投資、規劃設計、建設和運營養護過程中的估算費用、批復資金、建設變更成本、養護成本和用戶成本數據，奠定養護評價決策需要用到的全壽命周期效能分析數據基礎。存儲記錄養護管理中各項工作的人工工日數、材料用量和機械臺班數量等定額數據表、工料機單價表、建安費率取費表等基礎數據。同時，高速公路工程信息數據庫也包含對路線、路基、路面、沿線設施、防護設施等基礎信息在線信息管理。

3.1.2 工程運營數據信息庫

工程運營數據信息庫來源于日常養護管理和電子巡查管理系統的日常巡檢、定期檢查、特殊檢查、道路性能觀測、工程維修記錄、技術狀況評定等精細數據。工程數據信息管理系統收錄從道路建立之初的相關竣工圖紙、設計圖紙、路基路面等基礎數據和運營維護過程中日常巡查、夜間巡查、經常性檢查、定期檢查、特殊檢查、最近技術狀況評定、養護維修記錄、交通量監測、外界環境影響等動態信息，為養護單位提供有效的數據支持。根據歷年數據累積，掌握數據與路況之間的動態關系及各路況病害對應的養護方案。它的建立使高速公路的土建工程相關信息得到了統一的管理，實現了數據的完整和資源共享。

高速公路工程信息數據庫為高速公路管理及養護部門提供多維度智能化分析決策報表，綜合反映當前使用技術狀態數據及歷年來的發展變化情況，為高速公路工程養護決策提供數據資料。

3.2 建立智能化養護網級輔助決策系統

高速公路工程信息數據庫為信息管理提供了一個后臺支持。在大量養護信息采集和存儲基礎上，利用數據庫和聯機分析處理等相關技術與工具，對這些數據進行科學分析與充分挖掘，統籌整個路網養護需求。在路況評定、路況預測、養護需求分析基礎上，實現高速公路養護智能輔助決策;并基于周期效益最大化、周期成本最優化，制定科學的養護路段、養護方案等養護規劃，實現養護資金網級分配、養護管理網級決策的功能。

3.2.1 建立壽命預估系統

根據定期采集和更新的高速公路路網屬性信息、車流量監測數據、技術狀況指標以及養護跟蹤觀測等結果，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，得到路面在各方面因素作用下的影響力，以此建立高速公路使用壽命預估模型，分析路網養護運營現狀，預估高速公路路網使用壽命和養護時機[4]。

3.2.2 建立養護方案與資金預算分析系統

根據最新規范對病害進行分類，結合規范及日常養護經驗對各類病害制定對策方案，建立一定規模的養護技術對策庫。結合最新收集的信息數據，根據嵌入的養護技術對策庫模塊，制定大、中修養護方案（一種或多種），預估各方案實施后的使用壽命。在此基礎上，結合養護工程量和單價，給出各路段、各方案的養護資金預算，進行周期成本效益分析。

3.2.3 建立養護資金分布網級決策模型與輔助決策系統

根據歷年不同病害對應養護方案所花費的養護費用，以各養護方案為維度進行養護費用分析，得到養護資金分布明細，基于周期成本效益最大化，建立養護資金優化分布網級決策模型，以便根據不同養護資金供應，分配合理的養護路段和養護方案，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，實現高速公路養護管理的信息化輔助決策。

4 結語

根據高速公路養護管理部門的實際需要，通過當前“云、物、移、大、智”先進信息化理念和信息化工具、成熟的計算機軟件及網絡技術建立高速公路養護智能輔助決策系統，對工程的基礎信息、養護管理的整個過程和數據進行記錄、分析，養護評估及智能輔助決策。為高速公路養護部門提供權威專業的業務輔助決策工具，實現信息化精細管理和大數據分析，讓高速公路管理部門隨時掌握工程的技術狀況，從而科學、及時地制訂公路養護計劃，合理安排養護資金，大大提高管理工作效率。

參考文獻

[1]彭蘭梅.高速公路養護管理與輔助決策系統的構建[J].公路與汽運，2008（5）：159-161.

[2]郝媛，徐天東，孫立軍.高速公路路面養護輔助決策系統[J].計算機輔助工程，2007（3）：128-131.

[3]何政.基于GIS的城市道路路面養護輔助決策系統的研究與開發[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[4]甘富軍.大數據時代下公路養護管理應用探討[J].工程技術研究，2020（7）：164-165.