基于GIS技術(shù)的公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

宋博

（甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術(shù)研究院有限公司，甘肅蘭州 730010）

0 引言

截至2022 年4 月，我國公路里程已經(jīng)達到528 萬公里，實施預(yù)防性養(yǎng)護的公路135.6 萬公里、修復(fù)養(yǎng)護165.2 萬公里，實施安全生命防護的公路工程116 萬公里，改造危橋5.8 萬座。可見，在我國公路交通的發(fā)展中，公路養(yǎng)護與管理工作是重中之重。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代，相關(guān)部門應(yīng)重視在公路養(yǎng)護管理中應(yīng)用信息技術(shù)，采集并分析公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)，以提升養(yǎng)護管理水平。

1 公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)建設(shè)的重要性

1.1 節(jié)約運維成本

公路交通的里程較長，且廣泛分布于全國各個地區(qū)，在對公路進行養(yǎng)護管理時，涉及很多學(xué)科技術(shù)，需要養(yǎng)護管理人員掌握多種學(xué)科的專業(yè)技術(shù)，尤其是信息技術(shù)。由于依靠人力對公路進行巡檢的效率較低，且可能增加運維成本，而建設(shè)基于GIS 技術(shù)的公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)，可以通過先進的信息技術(shù)對公路交通網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)公路存在的問題，并采取合理的措施及時解決，能有效節(jié)約運維成本[1]。

1.2 保障交通安全

為確保公路交通安全，促進公路交通健康發(fā)展，公路養(yǎng)護管理相關(guān)部門應(yīng)重視公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)建設(shè)。

公路交通結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，包括隧道、橋梁等設(shè)施，環(huán)境也十分多樣，不僅包括平原，還包括高山、峽谷等區(qū)域。因此，進行公路養(yǎng)護時，不僅要對公路路面、橋梁、隧道結(jié)構(gòu)等進行維護，還要合理布置、維護交通標志、照明設(shè)施及通信設(shè)備等，以有效降低公路交通事故發(fā)生率[2]。

建設(shè)公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)，能實時對道路狀況和周圍環(huán)境進行全方位監(jiān)測，有助于加強對交通安全事故的預(yù)防，更有效地保障交通安全。

2 基于GIS 技術(shù)的公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)設(shè)計方法

2.1 信息化系統(tǒng)分析

建設(shè)公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)時需要利用地圖數(shù)據(jù)及公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)，其中地圖數(shù)據(jù)應(yīng)包括各級區(qū)域的劃分標記，各級公路的劃分標記，橋梁、隧道及高速路口標記，各級公路路線，河流、鐵路、土路標記，城市、村屯標記等。相關(guān)部門應(yīng)通過測繪技術(shù)獲取地圖數(shù)據(jù)，然后將其導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫，設(shè)計標識符號[3]。

公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)包括由專業(yè)設(shè)備檢測采集到的數(shù)據(jù)、人工日常記錄的數(shù)據(jù)等。前者主要包括道路的路線、形狀、平整度、路面彎沉情況以及車轍情況等，后者主要包括路基、路面、橋梁和隧道的損壞、病害情況，對應(yīng)的施工技術(shù)等。進行數(shù)據(jù)采集時，地圖數(shù)據(jù)基本可以自動錄入，公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)則需人工錄入。

為提升公路養(yǎng)護計劃和規(guī)劃的科學(xué)性，保證各項工作有條不紊地進行，進行公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)建設(shè)時，工作人員首先要解決的是數(shù)據(jù)采集效率低、數(shù)據(jù)不準確等問題。

2.2 構(gòu)建系統(tǒng)的總體框架

進行公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)建設(shè)時，可應(yīng)用瀏覽器或者服務(wù)器進行總體框架的架構(gòu)，總體框架包括三層：底層數(shù)據(jù)層、中間服務(wù)層以及上層應(yīng)用層。

在具體設(shè)計中，數(shù)據(jù)層可利用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB 和空間型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL 存儲地圖數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[4]。服務(wù)層的設(shè)計目的主要是為公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互、分析和處理的平臺，同時提供地圖服務(wù)。在服務(wù)器上進行服務(wù)層設(shè)計時，可以根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)進行處理，并按照一定的算法進行數(shù)據(jù)計算，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)綉?yīng)用層。

設(shè)計公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)的服務(wù)端業(yè)務(wù)后臺時，可利用微服務(wù)技術(shù)進行架構(gòu)，這樣有利于該系統(tǒng)功能在服務(wù)中的展現(xiàn)，從而對解決方案進行解耦，提高系統(tǒng)運行效率。在微服務(wù)架構(gòu)中，采取模塊化設(shè)計方式，將該系統(tǒng)劃分為養(yǎng)護巡查、養(yǎng)護資金、養(yǎng)護考評模塊，再利用SpringBoot 對相關(guān)數(shù)據(jù)進行整合和處理，并將數(shù)據(jù)變?yōu)镴SON 格式實現(xiàn)交互。

服務(wù)層通過WebGIS 技術(shù)可以為公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)提供地圖服務(wù)，在實際的應(yīng)用中主要利用GeoGerver 進行地圖的發(fā)布，用戶可以通過GeoGerver對GIS 數(shù)據(jù)進行查看與編輯，并根據(jù)一定的標準創(chuàng)建地圖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分享。進行公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)設(shè)計時，可以采取Web 地圖切片技術(shù)實現(xiàn)地圖的發(fā)布，然后利用矢量瓦片技術(shù)對數(shù)據(jù)進行切片處理并在服務(wù)器中進行儲存。公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)的應(yīng)用層位于終端設(shè)備上，可以實現(xiàn)和用戶的交互，促進數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用。

應(yīng)用層可以對數(shù)據(jù)信息進行展示和操作，利用圖表和矢量瓦片地圖等手段表達出公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)。在構(gòu)建公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)時，工作人員可以利用JavaScript 框架，通過Vue-router 實現(xiàn)路由跳轉(zhuǎn)，建設(shè)基礎(chǔ)組件庫和圖表組件庫，在后臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Web 瀏覽器在開展地圖服務(wù)時，通過渲染技術(shù)（Web-GL），借助于系統(tǒng)顯卡可以完成2D 地圖和3D 地圖的展示[5]。該系統(tǒng)在應(yīng)用渲染技術(shù)進行矢量瓦片地圖的渲染時，選擇MapboxGL 庫，以確保渲染的高性能，并對矢量數(shù)據(jù)進行有效解析，生成各種形態(tài)的場景地圖。

2.3 設(shè)計系統(tǒng)的各個功能

進行公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)公路養(yǎng)護的實際需求，可設(shè)計巡查管理、資金管理和考評管理三個模塊。

在公路養(yǎng)護管理工作中，巡查管理的主要內(nèi)容有：公路路段的日常養(yǎng)護、保潔、排水、路基保養(yǎng)、維修以及病害處理等，同時需要進行橋梁、隧道、沿線設(shè)施的檢查、保養(yǎng)和維修，在特殊天氣還需要對路面進行處理，如在冬天進行冰雪清理等[6]。

設(shè)計公路養(yǎng)護信息化管理系統(tǒng)時，需整合公路巡查的相關(guān)工作，通過Web 端和移動端APP 的交互，建立巡查管理系統(tǒng)，由巡查工作人員在巡查過程中于APP 上進行信息更新，然后由管理人員對信息進行審批，審批結(jié)束之后系統(tǒng)通知工作人員對公路問題進行處理。問題處理過程中，巡查管理系統(tǒng)需要針對更新的信息，及時給出人工和材料等信息，問題處理好之后進行處置信息上報。公路管理人員應(yīng)根據(jù)工作人員上報的信息對公路處理情況進行驗收。

利用GIS 技術(shù)，Web 地圖可以繪制出巡查工作人員的路線，實現(xiàn)巡查工作的可視化管理。該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中可以為管理人員提供巡查工作進展和養(yǎng)護服務(wù)情況，實現(xiàn)養(yǎng)護信息和養(yǎng)護工作的一體化管理[7]。

在不同等級公路的養(yǎng)護過程中，需要根據(jù)公路等級和養(yǎng)護手段的不同，采取定額管理和項目管理辦法，對公路養(yǎng)護資金進行有效管理。在系統(tǒng)設(shè)計中，工作人員應(yīng)根據(jù)定額管理辦法，設(shè)計計量支付模塊，對養(yǎng)護過程中使用的材料、人力、設(shè)備等數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，建立數(shù)據(jù)模型，促進養(yǎng)護資金的合理分配，控制公路養(yǎng)護的成本。

進行公路養(yǎng)護管理工作時，可以利用信息化管理系統(tǒng)，建立考評管理模塊，對公路養(yǎng)護工作進行考評。在具體工作中，工作人員應(yīng)以數(shù)據(jù)采集車采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立考評管理模塊，根據(jù)對公路的養(yǎng)護情況對養(yǎng)護工作進行打分，并使用相機拍照記錄，再利用GPS 定位系統(tǒng)對道路坐標進行標記。考評管理模塊針對采集車采集的相關(guān)信息進行分析，可以自動生成公路網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量評價內(nèi)容，管理人員可以通過質(zhì)量評價了解公路養(yǎng)護的實際狀況，同時對工作人員進行績效考評，提高工作的標準化和專業(yè)化。

2.4 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)計公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)在時需要開發(fā)出多個功能模塊，還要與路政系統(tǒng)、建設(shè)系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)平臺等進行連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，微服務(wù)架構(gòu)可以實現(xiàn)服務(wù)解耦，以實現(xiàn)不同服務(wù)的獨立部署，使其具有可拓展性，能夠?qū)Ψ?wù)進行延展。

單體架構(gòu)的模式無法適應(yīng)當(dāng)前業(yè)務(wù)拓展和模塊功能交互的需求，因此工作人員進行系統(tǒng)設(shè)計時，需要開發(fā)微服務(wù)技術(shù)，建立彈性接口，以應(yīng)對多種服務(wù)功能的實現(xiàn)。

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，工作人員可開發(fā)矢量瓦片地圖技術(shù)，可以通過對金字塔模型的應(yīng)用，對多分辨率的數(shù)據(jù)進行儲存，保留屬性數(shù)據(jù)，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)量，實現(xiàn)地圖響應(yīng)速度的提升[8]。矢量瓦片地圖技術(shù)在應(yīng)用時主要是通過數(shù)據(jù)分割技術(shù)，將數(shù)據(jù)分割成較小的單元，再進行繪制數(shù)據(jù)的傳輸，而繪制數(shù)據(jù)在前端已經(jīng)被定義，可以實現(xiàn)地圖樣式的配置和圖層分級。

3 公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 養(yǎng)護巡查APP

公路養(yǎng)護人員在日常巡查過程中，使用養(yǎng)護巡查APP 可以實現(xiàn)日常數(shù)據(jù)的更新和養(yǎng)護數(shù)據(jù)的上報，從而實現(xiàn)養(yǎng)護人員和管理人員之間的溝通，完善養(yǎng)護工作計劃，使公路養(yǎng)護工作更加科學(xué)、規(guī)范。

養(yǎng)護巡查APP 的主要功能有公路養(yǎng)護工作的查詢、上報和處置，巡查工作人員在使用養(yǎng)護巡查APP的時候可以進行巡查和工作的創(chuàng)建、巡查地點的確定以及巡查路線的記錄[9]。養(yǎng)護巡查APP 還可以根據(jù)公路的路況檢測指數(shù)，結(jié)合巡查數(shù)據(jù)情況，確定養(yǎng)護類型及養(yǎng)護設(shè)計方案，并對現(xiàn)場的情況進行拍照上傳，確定工程量信息，然后將其傳輸?shù)较到y(tǒng)中。管理人員可以對養(yǎng)護工作進行查詢，對巡查工作人員的工作進行驗收。養(yǎng)護巡查APP 工作流程如圖1 所示。

圖1 養(yǎng)護巡查APP 工作流程圖

3.2 信息采集車

應(yīng)用GIS 技術(shù)對公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)進行設(shè)計，需要獲取全面、準確的數(shù)據(jù)信息，因此可以進行信息采集車的開發(fā)和應(yīng)用，通過車載采集軟件對公路的養(yǎng)護數(shù)據(jù)進行采集。

在具體工作中，信息采集車可以通過車載GPS 系統(tǒng)、編碼器和全景相機對公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)進行采集。首先，需要導(dǎo)入行政區(qū)劃地圖和任務(wù)表；其次，需要利用GPS 系統(tǒng)獲取巡查軌跡和公路定位；最后，根據(jù)公路評價標準，針對公路養(yǎng)護的實際情況，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。采集工作結(jié)束以后，系統(tǒng)會根據(jù)評價標準自動生成扣分表，然后通過Web 端的導(dǎo)入模塊上傳到服務(wù)器進行管理。

3.3 養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)

養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)是重要的功能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對巡查工作進行分析和統(tǒng)計，根據(jù)地圖數(shù)據(jù)，對巡查軌跡進行可視化管理，并對養(yǎng)護管理工作進行分類，通過各項數(shù)據(jù)的應(yīng)用提高公路養(yǎng)護管理效率[10]。

在養(yǎng)護管理信息系統(tǒng)中，管理人員可以通過接入地圖服務(wù)對公路網(wǎng)絡(luò)進行展示，并通過GIS 技術(shù)對巡查工作進行分析。資金管理模塊可導(dǎo)入地方養(yǎng)護定額，以實現(xiàn)對材料單價的管理，分析資金的使用情況，為地方養(yǎng)護定額的修訂提供可靠依據(jù)。考評管理模塊可以實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的科學(xué)管理和分析，確定扣分情況，統(tǒng)計扣分信息。

4 結(jié)語

總之，利用瀏覽器或者服務(wù)器構(gòu)建系統(tǒng)的總體框架，合理設(shè)計數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，并開發(fā)系統(tǒng)的巡查管理、資金管理以及考評管理體系等，建設(shè)基于GIS 技術(shù)的公路養(yǎng)護管理信息化系統(tǒng)，可為公路的養(yǎng)護和管理工作提供可靠的信息化服務(wù)。