公路基礎設施數字化解決方案及應用

劉玲慧,賀新光

(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

經歷幾十年的傳統基建高潮后,我國迎來了信息數字化的新型基礎設施建設發展期。 2020 年8 月交通運輸部下發的《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導文件》把智慧公路建設作為重要任務之一。公路基礎設施數字化建設的具體方向包括:(1)基于實景可測技術的公路基礎設施數字化采集;(2)利用GIS、BIM、高精地圖等新興技術的公路基礎設施三維數字化呈現;(3)針對公路重要結構物的全生命周期健康性能監測;(4)涵蓋“建管養”全生命周期的公路資產管理。

1 公路基礎設施數字化組成

《推動新一代國家交通控制網及智慧公路試點》對基礎設施數字化做出了較明確的規定,即應用三維可測實景技術、高精度地圖等,實現公路設施數字化采集、管理與應用,構建公路設施資產動態管理系統;選取橋梁、隧道、邊坡等,建設基礎設施智能監測傳感網,實現交通基礎設施安全狀態綜合感知、分析及預警功能[2]。 按照數據采集、數據處理、數據應用的設計思路,公路基礎設施數字化解決方案由基礎設施數據采集、可視地理信息管理、數字化資產管理應用3 部分組成。 以數據為核心、模型為載體、形成數字化“一張圖”,構建與物理公路相同的虛擬數字公路,達到“數字孿生”,實現公路基礎設施運行狀態綜合感知、智能分析及快速預警。

2 公路基礎設施數字化采集

2.1 基礎設施數據分類

公路基礎設施數字化數據按照公路組成分為主體設施、交通安全設施、服務設施及管理設施4 類數據;按照屬性分為靜態數據和動態數據。 本文以公路組成要素為基本單元,從資產管理的業務需求出發,梳理公路各要素相關數據,形成公路基礎設施數字化數據體系。 公路基礎設施數字化數據分類,如表1 所示。

表1 公路基礎設施數字化數據分類

2.2 數字化采集技術

公路基礎設施數字化采集可分為公路工程線形、橫斷面、橋涵、隧道、其他附屬設施的基礎信息采集和基礎設施運行狀態動態監測兩大類。

2.2.1 公路設施基礎信息采集

針對大范圍的公路物理空間及相關屬性信息的數據采集,目前主流技術為三維實景可測技術,包含高空傾斜攝影[1]及三維激光雷達[2]兩種手段。 兩種采集技術在工作原理、檢測精度、成本費用等方面有所差異,具體對比分析如表2 所示。 新建的大型橋梁可選擇性地采用BIM 技術解決信息記錄與傳承問題。

表2 公路基礎設施三維實景可測技術對比

2.2.2 基礎設施運行狀態動態監測

公路基礎設施的運行狀態數據包括路面病害、結構物(橋梁、隧道、路基、邊坡)健康狀態、機電設施(機電設備、通信光纜)運行狀態3 大類。 目前,基于機器視覺及人工智能的路面病害檢測成熟應用于公路自動巡檢[3],通過視頻圖像智能分析,自動識別路面裂縫,改變以人工檢測為主的傳統方式,解決效率低、工作強度大、影響正常交通通行等問題。 公路重要結構物的健康狀態監測則集中于物聯網傳感技術[4-5],通過實時采集橋梁所處的靜態、動態、環境、載荷等信息,為橋梁安全預警、安全分析評估提供數據支持,及時了解結構缺陷與損傷,并分析評估其在所處環境條件下的可能發展勢態及其對結構安全運營造成的潛在風險,實現對橋梁結構運營期的監測和管理,為養護需求、養護措施等提供科學依據。 另外,基于北斗定位的測量技術被大范圍應用于邊坡、橋梁的位移監測[6]。

3 可視地理信息管理

可視地理信息管理平臺是公路設施基礎信息及運行狀態數據加載、融合、展示的綜合平臺,是實現數字化公路資產管理的重要支撐。 可視地理信息管理平臺應包含以下4 個方面的功能:(1)具備基本的二、三維地圖功能,包含但不限于視點視圖設置,旋轉平移縮放,二、三維聯動,距離高度面積測量,可視化渲染,動態漫游。 (2)可實現二維地理信息、三維模型數據(傾斜攝影及激光點云三維模型、BIM)等多源地理空間數據的快速加載與融合。 (3)能夠進行公路基礎設施各要素分層管理,支持基礎信息與設施運行狀態監測信息的加載與編輯,各類基礎設施的實時運行狀態數據能夠通過接口的方式接入。 (4)基于可視化的二、三維地圖,可通過點選、框選方式實現地圖上數據的統計與鉆取。

4 數字化資產管理

智慧公路的大力建設對公路資產信息化管理的需求越來越高,亟需運用數字化技術強化對公路基礎設施的動態管理,通過打造全生命周期的公路資產管理平臺,實現公路基礎設施可視化展示、資產信息動態管理、路橋隧智能養護、機電設施一體化運維等功能。

4.1 公路資產可視化展示

基于地理信息管理平臺實現公路基礎設施可視化分類展示,應具有對主體設施(路、橋、隧)、交通安全設施(交通標志、標線、防護欄等)、服務設施(停車場、服務區)、管理設施(機電設備)4 類設施的地理位置顯示、屬性信息查詢、基礎設施運行狀態監測及異常預警、養護及設備到期提醒等功能。

4.2 資產信息動態管理

資產信息動態管理針對公路路段、橋梁、隧道、機電設施的信息進行管理,支持數據編輯、修改、查詢、數據統計分析與導出。 當資產信息發生變化,能夠聯動公路資產可視化模塊實現信息同步。 具體管理信息涵蓋設施基本信息,定期檢查記錄、經常性檢查記錄、病害信息、日常養護信息等。 同時,具有路況評定管理功能,可將路況評定機構所提供的專業化評定結果導入系統,根據導入的數據進行路面狀況統計分析,例如評價明細,路況分析,歷史對比等路面狀況分析結果。

路段信息管理是以1 km 為單位對路段進行劃分,記錄該路段范圍內路面、路基、排水系統、路基防護設施、橋梁、涵洞、交安設施、綠化等詳細信息。 同時,支持路段圖片的上傳與保存。

橋梁信息管理是針對橋梁進行詳細信息管理,建立橋梁檔案。 管理內容包括橋梁基本信息、定檢記錄信息、經常性檢查記錄信息、病害信息、日常維修信息等,實現“一橋一檔”全生命周期管理。

機電設備信息管理可以實現機電資產數據治理,具體包括設備所在路線編號、路線名稱、監測點樁號、經緯度、設備類型、設備名稱等。

資產查詢與統計分析是支持路段、橋梁、隧道、機電設備等高速公路資產的信息查詢、統計分析,支持各類資產統計數據的Excel 導出。

4.3 路橋隧智能養護

以公路資產基礎信息為依托,細分養護業務,從養護計劃制定、日常養護管理、作業考核與統計分析3 個維度構建養護閉環管理模塊。

養護計劃制定是以路況評定數據和設施運行狀態監測數據為基礎,根據公路不同結構各項指標的衰變模型,分析其性能發展趨勢,提出“養護范圍”“養護時間”“養護方法”進行大修、中修和日常養護。 編制的養護計劃按養護類型可分為日常養護、預防性養護、修復養護(小修、中修、大修)、專項養護,按照時間跨度可分為年度養護計劃、月度養護計劃。

日常養護管理是基于巡查車、巡查終端、結構物健康監測系統上報的路面病害,審核確認后生成工單,并自動下單派發任務,做到養護巡查、病害上報、任務派發、施工作業、驗收確認的全過程養護管理。 在日常養護管理中,做到養護中心全過程監管,巡查及施工人員動態移動作業。 具體表現為:巡查及施工人員通過移動終端接收和查看巡查和養護作業任務、記錄巡查或施工位置、上傳病害圖片或施工完成現場圖片等。 中心監管人員借助PC 端實時查看任務執行情況,掌握待接收、批復中、施工中、驗收中等施工任務處置環節的時效。

作業考核與統計分析是以實現養護工作計量與作業效果評價,為養護費用支出提供依據。 同時,以養護作業環節為核心,提供巡查統計、病害統計、養護統計等功能,為相關管理人員提供決策支撐,如上報病害量與修復量、病害類型分析、巡查里程、養護作業工單數量及階段分布等。

4.4 機電設施一體化運維

圍繞設備精細化管理需求,以設備基礎數據以及歷史運行技術臺賬為基礎,以工單提交、審批、執行閉環管理為主線,以提高維修效率、規范維修流程、保障正常生產、降低運營成本、量化維護工作考核為目標,運用移動互聯、大數據等先進的信息技術,構建設備運維管理平臺,將設備、工單、考核管理集成在一個數據充分共享的信息系統中,實現設備的全生命周期管理。機電設施智能運維主要包括設備運行狀態監測、維修管理、運維監管、考核統計四大功能。

(1)設備運行狀態監測。 采用工業級通信模塊、標準協議、API 數據接口等多種方式進行數據采集,實現各個路公司管理處、收費站等站點及外場機電設備的運行狀態與故障信息接入,并以在二、三維地圖上對設備運行情況進行標注,直觀展示公路機電設備運行狀態,實現設備故障預警。

(2)維修管理。 設備故障經審核確認后,生成維修工單并實現任務下發。 維修人員通過App 接收維修任務,當需要設備更換時,也可在線申請,維修完成后在線錄入維修記錄、上傳圖片,提交結果并最終確認。 中心管理軟件對設備設施的維修記錄進行管理,主要包括設備基本信息、維修日期、故障現象及排除情況、維修單位、記錄人等。

(3)運維監管。 中心監管人員基于可視化模塊與移動App 動態監控運維作業人員位置,同時查看故障數統計、設備在線情況統計、維修及時率、設備健康率等,實現設備運維監管。

(4)考核統計。 運維作業完成后,定期進行工作計量與運維考核,并對響應及時度、處理時效、維修時長等指標數據進行統計。

5 結語

交通基礎設施管理運營向數字化與智慧化轉型是已是必然趨勢,公路基礎設施數字化是智慧公路的重要組成部分,是實現5G 時代車路協同與自動駕駛的關鍵支撐。 通過基礎設施數字化建設,讓聰明的車能夠駛入智慧的路。 本文從數據采集、處理、應用的角度出發,提出包括公路基礎設施數字化采集,二、三維可視化地理信息管理,數字化資產管理應用的公路基礎設施數字化解決方案,為實現精細化、智能化的公路運行管理提供有效支持。