項目級高速公路智慧養護管理系統設計與實現

徐青杰，高申通，秦耀藝

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000）

為服務交通強國建設，交通運輸部相繼印發了《數字交通發展規劃綱要》《“十四五”公路養護管理發展綱要》等一系列政策文件。文件明確指出在新一輪交通基礎設施建設發展機遇期，要充分發揮新一代信息技術作用，以數字化引領公路養護管理轉型升級，逐步提升公路基礎設施養護管理智能化水平，全面提高高速公路養護管理效能。

截至2022 年底，河南省高速公路通車里程為8 009 km，其中已通車10 年以上路段總里程達5846km，占比約為72.9%。隨著通車運營時間的增長，高速公路老齡化比例不斷上升，一些早期建成通車的高速公路逐步進入養護高峰期[1]。根據《河南省高速公路網規劃（2021—2035 年）》，隨著高速公路“13445 工程”的實施，到“十四五”末，全省高速公路通車總里程將突破10 000 km，高速公路養護體量仍會呈現較為快速的增長趨勢。高速公路基礎設施養護管理工作將日益繁重，管養單位壓力持續增加，面臨著質量與規模的雙重考驗。由此，高速公路養護管理亟需進行數字化轉型。

商南高速周口至南陽段（以下簡稱“周南高速”）起自商水縣商南高速與寧洛高速交叉處，終至南陽市北繞城高速北約4.9 km 處，全長195.5 km，于2020 年1 月正式建成通車。周南高速具有新建里程大、基礎資料齊全、新材料和新工藝推廣應用力度大等特點，處于建養銜接關鍵時期。本文以實現周南高速道路資產建養銜接清晰、全面、數據標準為出發點，以滿足行業管理數據報送及日常養護智慧化管理需求為主要目標，開展了項目級高速公路智慧養護管理系統的設計與實現研究。

1 國內外研究及應用現狀

國外發達地區公路養護信息化發展基本緊跟計算機、互聯網的發展進度[2]。國外公路運營管理信息化起步較早，發展較快，為國內公路養護管理信息化發展提供了可借鑒的經驗。1971 年，國外首次出現了公路養護管理系統（PMS）的概念[3]。在20 世紀80 年代初期，研究人員對路面進行計算機和運籌學的方案研究，美國、加拿大等發達國家的許多州和省相繼建立了網級路面管理系統[4-5]，其中較為有代表性的是1980 年的美國亞利桑那州建成的軍事機場和城市道路管理系統PAVER，以及1983 年加拿大阿爾伯達省建立的公路信息和優先排序系統PIPPS[3]。到1995 年，國外已基本形成現代養護管理體系，能使用養護管理系統進行養護輔助決策、路況預測分析及養護資金合理分配[5]。

在1983 年，我國交通運輸部公路科學研究所實施引進了我國第一套BSM 路面管理系統[3]。通過“八五”國家重點新技術推廣項目“干線公路瀝青路面管理系統（CPMS）全國推廣應用”和“九五”國家重點新技術推廣項目“路面管理系統（CPMS）全國推廣應用（1996—2001）”的實施，從1998 年起，CPMS 系統在全國各省市公路管理部門開始廣泛推廣應用[3]，我國在現代化公路管理與養護技術方面取得了長足的進步。近年來，隨著智慧交通“云、大、物、移、智”等新一代信息技術的突破和發展，國內公路養護也逐漸邁入數字化、信息化、智能化養護的新階段。

由于國家、行業尚未出臺針對高速公路養護信息化平臺建設標準，缺乏總體規劃[6]，建設的信息化管養平臺架構設計不規范、數據標準不統一、質量參差不齊、信息化技術與日常養護業務流程融合不充分，存在較為嚴重的數據孤島現象，實用性及系統可持續性不強。因此，項目級智慧養護管理平臺的開發應充分考慮平臺架構、數據標準及業務模式特點，破除傳統的純信息化處理模式，不僅是將線下業務搬到線上，更要打造實用、高效、能解決實際問題的智能化養護管理系統，為管理者提供科學的輔助決策。

2 項目級養護管理信息化系統定位分析

周南高速為2020 年新通車路段，作為河南省里程最長、投資最大的高速公路PPP 項目，具有新建里程大、基礎資料齊全、新材料和新工藝推廣應用力度大等特點。周南高速智慧養護管理平臺建設應充分考慮業務管理需求，對平臺實現功能進行精準定位與分析。

2.1 業務管理需求

周南高速公路智慧養護管理平臺建設要以全要素道路資產精準數字化采集為基礎，以建養數據銜接清晰、全面、標準一致，滿足未來基礎設施管養、行業管理數據一鍵智能報送要求為主要目標，要求同步實現采用信息化手段進行新材料/新技術路段性能長期跟蹤、日常維修保養、道路揚塵治理等業務信息化、智能化監管，進而提升管養效能。

2.2 功能定位分析

分析周南高速智慧養護業務管理需求，該項目級信息化系統定位應聚焦在“基礎設施數字化”“高效建養銜接”“項目、省、部數據互通”“業務智能化管理”4 個方面，具體如下。

2.2.1 基礎設施數字化

周南高速基礎設施數據量較大，涉及基礎設施屬性信息、空間位置信息、設計文件信息等海量專業數據，為進一步實現高效、精準建養銜接，必須對全線全要素道路資產進行高標準數字化，為標準數據庫建設和功能應用開發奠定良好基礎。

2.2.2 高效建養銜接

高速公路建養銜接過渡期最重要的就是處理好建設期數據與養護期數據的過渡問題，如設計樁號向養護樁號轉換、結構物竣工圖紙拆分配對、缺陷責任期問題移交及修復處理等工作都需要進行高效精準的數據處理，對項目級標準數據庫的建立起到至關重要的作用。

2.2.3 項目、省、部數據互通

按照現有高速公路養護管理模式，交通運輸部、河南省交通運輸廳在行業管理層級需要項目公司定期、不定期報送統計年報、檢測報告等業務數據，為避免系統間數據割裂，系統開發要充分結合部、省標準數據結構進行數據庫搭建，同步預留數據接口，直接對接部、省行業管理平臺，滿足“多平臺統一登錄、多業務一鍵報送”的管理需求。

2.2.4 業務智能化管理

在滿足多平臺行業管理基礎數據互通要求的同時，還應滿足在該框架下，可直接定制化開發項目級業務管理應用功能的需求，借助GIS 可視化、大數據、物聯網等技術手段實現高速公路信息化、智能化養護管理，這就要求系統在框架建設時應充分考慮系統兼容性和平臺間基礎數據互通方案可行性。

3 項目級養護管理信息化系統架構與功能設計

3.1 系統架構設計

周南高速公路智慧養護管理平臺建設以實現資產設施數字化、精準建養銜接、行業數據互聯互通和業務管理智能化等功能為主要目標。系統架構設計應充分考慮數據標準、部門聯動、數據權限和業務類型等因素，建立完整的平臺架構體系。

從橫向上看，平臺在部門聯動方面，需要實現項目公司、省交通運輸廳、交通運輸部三級聯動。在業務聯動方面，需要實現公路基礎設施、養護管理、業務報表等數據信息共享，實現自上而下的行業管理數據互聯互通。從縱向上看，在完成周南高速公路全線全要素基礎設施數字化采集任務之后，在滿足行業管理數據雙向互通基礎上，應結合項目級管理需求，借助物聯網、信息化、GIS 可視化等技術手段，開發養護管理業務智能化應用功能，開展項目公司內部不同業務部門之間信息資源共享服務，真正實現養護智能管理，指揮協調聯動。

平臺信息框架主要由外場終端感知網、路網監測與應急處置中心、網絡傳輸、項目級數據中心、基礎支撐平臺和應用系統（智慧養護管理平臺）構成，還包含有信息安全、標準規范、管理制度3 個保障體系。

3.1.1 外場終端感知網

外場終端感知網包括基礎設施監測傳感網，交通運行監測傳感網、人員/車輛監測傳感網，業務管理智能終端。①基礎設施監測傳感網包括橋梁、邊坡等基礎設施安全狀態感知設備。②交通運行監測傳感網包括沿線視頻監控、交通流量等感知設備。③人員/車輛監測傳感網主要涵蓋外場人員定位卡、車輛定位器、水量/油量傳感器、車輛掃盤監測傳感器和車載視頻監控等終端設備。④業務管理智能終端主要指手持移動終端。

3.1.2 路網監測與應急處置中心

路網應急處置中心包括兩級，一級是項目級周南高速應急指揮中心，另一級是河南省級交通運輸廳應急指揮中心，如遇重大事件可直接兩級指揮聯動。

3.1.3 網絡傳輸

平臺運行及外場數據回傳主要依靠互聯網和移動物聯網技術。

3.1.4 項目級數據中心

周南高速項目級公路數據資源中心數據包括地理空間數據、公路屬性數據、管理機構數據、業務人員數據、公路資產數據、路網監測數據、科學決策數據、專項養護數據、科技創新業務數據、小修保養業務數據和保潔監管業務數據11 類數據庫。

3.1.5 基礎支撐平臺

基礎支撐平臺包括基礎地理信息系統、資產管理平臺、三維信息處理平臺、北斗高精度定位平臺、數據應用支撐平臺及工作流平臺，為業務應用提供有效支撐。

3.1.6 智慧養護管理平臺

應用系統層主要是周南高速智慧養護管理平臺，包括資產管理、路網監測、養護統計、科學決策、專項管理、防災預警、文件公告、交通流量和年度評價9 大行業管理子系統，同時涵蓋科技創新可視化、小修保養、保潔監管、數字指揮終端與一鍵求助小程序等5 大項目級管理子系統。

3.2 系統功能設計

3.2.1 行業管理功能

為保障項目公司-省-部多級基礎業務數據互聯互通，按照統一的數據標準要求，在省級養護平臺通用數據庫基礎上，建立了項目級專用數據庫，打通底層數據，確保數據質量精準、權威。高效集成省養護平臺資產管理、路網監測、養護統計、科學決策、專項管理、防災預警、文件公告、交通流量和年度評價9 個行業管理功能模塊，有效滿足交通運輸部、河南省交通運輸廳各層級行業管理業務數據互聯互通、統一報送業務需求，打通數據底座，真正實現“一個平臺、一網通辦、一鍵登錄”的數字化轉型目標。

3.2.2 項目管理功能

針對周南高速公路養護管理項目級實際業務需求，搭建周口至南陽高速公路智慧養護管理平臺（如圖1 所示），定制化開發科技示范創新成果地圖可視化、保潔作業監管、小修保養、一鍵求助小程序和數字化管養終端等日常養護管理應用功能，有效實現養護過程監督有力，養護管理智能高效。

圖1 周口至南陽高速公路智慧養護管理平臺（PC 端+APP 端）

1）科技示范創新成果地圖可視化。在現有省廳養護管理平臺公路資產管理系統的基礎上，針對周南高速新材料、新技術的應用情況，建立新技術、新材料、新工藝示范應用數據庫，實現基礎數據增刪改查等功能，并借助地理信息系統（GIS），實現養護管理平臺新技術、新材料、新工藝示范應用的可視化查詢與展示。

2）保潔作業監管。針對機械保潔、人工保潔等高速公路保潔作業績效考核難的問題，建立保潔作業監管系統，在實現現場車輛、人員實時可視化監管基礎上，系統自動生成月度、季度考核評價報表，實現高速公路保潔作業的精準監管。

3）小修保養。借助手機APP 形成病害發現、計劃生成、任務派單、養護實施、驗收的業務閉環和數據動態更新，實現道路狀況上報和養護業務的動態督查督辦。

4）高速一鍵救援微信小程序。針對高速公路交通事故等緊急情況時駕駛人定位耗時長、位置描述不準確等問題，借助高速公路基礎設施地理信息開發高速一鍵救援微信小程序，快速定位報警人公里樁、上下行等位置信息，實現與監控系統數據聯動，并通過短信通知路政人員，有效縮短接報警時間，以便及時采取科學有效處治措施，可顯著降低次生事故發生率。

5）數字化管養終端。融合路網發展、基礎設施分類統計、技術狀況評定、視頻監控等10 余項可視化主題，搭建項目級數字指揮終端，實現道路橋隧涵、養護工區、路產大隊等統計數據宏觀推送，實時查看養護作業情況，掌握最新路網運行狀況。

4 項目級養護管理信息化系統技術特點

項目依托省廳現有河南省交通基礎設施數據中心及智慧管理服務平臺，借助基礎設施數據標準化、多源異構數據整合、大數據分析及可視化等關鍵技術[7]，完成了周南高速項目級養護管理信息化系統開發工作。

4.1 基礎設施數據標準化

在項目實施過程中，梳理基礎設施數據庫編碼類型，編制了河南省地方標準DB41/T 2136—2021《高速公路基礎設施數據庫編目編碼規則》[8]，明確規范了高速公路及其相關屬性信息的分類方法、編碼原則和分類代碼，有效實現養護平臺基礎設施數據標準化。利用基礎設施數據庫標準化，促進了高速公路智慧養護信息化平臺建設的數據一致性，提高了管養平臺數據信息質量與使用效率，實現了高速公路建養數據的高效、精準銜接。

4.2 多源異構數據整合

根據周南高速公路管養模式及業務特點，在公路養護過程中產生數據的主要來源有基礎設施屬性檔案資料、日常養護內業檔案資料、專項養護實施全過程檔案資料、結構物定期檢測基礎資料、結構物在線監測系統數據、道路視頻監控數據及交通流量監測數據等。通過對多源異構數據特性進行分析，搭建了基于中間件結構的數據集成平臺架構，屏蔽分布式系統異構性，僅存儲數據的邏輯集成而不存儲具體數據，解決了多源異構數據共享難點[7]；實現了項目級養護管理平臺與行業管理級養護管理平臺基礎業務數據的互聯互通，同步滿足一鍵上報省交通運輸廳及交通運輸部行業管理數據的需求。

4.3 基于ArcGis 的數據可視化

在梳理項目級養護業務流程基礎上，搭建了基于GIS 的基礎地理信息平臺系統架構，明確了基礎設施地理信息庫建設內容，實現基于GIS 的科技示范創新成果專題地圖、交通事故、道路設施養護施工等信息的可視化，面向不同應用場景，提出了詳細功能需求和數據傳輸要求，開發了數字化管養終端，使項目級養護管理平臺各項業務數據展示效果更為突出。

5 結束語

本項目針對現有公路智慧養護管理系統存在的問題和應用痛點，以高速公路項目級智慧養護業務管理需求為出發點，分析了項目級養護管理信息化平臺的功能定位，依托基礎設施數據標準化、多源異構數據整合，基于ArcGis 的數據可視化等科技成果，搭建了集行業管理應用和項目級管理應用為一體的高速公路智慧養護管理平臺。平臺在實現直接對接部、省行業管理平臺，滿足行業管理數據報送基礎上，同步完成建養數據高效銜接、科技示范創新成果地圖可視化、保潔作業監管、小修保養流轉、高速一鍵救援求助及數字化管養終端等項目級養護管理功能的研發與應用，有效促進了“多平臺一鍵登錄、多業務統一報送”高速公路養護管理數字化轉型目標的實現，可為同類項目級高速公路智慧養護信息化平臺建設提供參考。