新型道路管理系統(tǒng)淺析

劉 林，李夢(mèng)茹

1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100 2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000

道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是制約國(guó)家經(jīng)濟(jì)和安全的主要因素之一，截止2018 年底，我國(guó)公路通車(chē)總里程達(dá)485.6 萬(wàn)km，其中高速公路達(dá)14.2 萬(wàn)km，國(guó)家高速公路網(wǎng)基本建成，居世界第一［1］。面對(duì)數(shù)量龐大的道路為保障其經(jīng)濟(jì)和安全，實(shí)現(xiàn)由交通大國(guó)邁向交通強(qiáng)國(guó)，我國(guó)提出一系列建立可持續(xù)發(fā)展的交通強(qiáng)國(guó)計(jì)劃，其核心是保障它們?cè)诎踩?、可靠和?jīng)濟(jì)的狀態(tài)下為社會(huì)提供全天候服務(wù)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)一個(gè)強(qiáng)大而綜合的基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)必不可少。

1 道路管理系統(tǒng)在中國(guó)的發(fā)展

1.1 道路管理系統(tǒng)概念及總體進(jìn)程

道路管理系統(tǒng)（Pavement Management System）簡(jiǎn)稱PMS是運(yùn)用現(xiàn)代管理科學(xué)理論、系統(tǒng)工程分析方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)手段，收集道路相關(guān)信息情報(bào)，用于管理、計(jì)劃、分配預(yù)算和編制所有路面養(yǎng)護(hù)工作的程序，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源最大化合理配置，提高決策效率的一套系統(tǒng)［2］又稱之為道路智能信息化管理。

從20 世紀(jì)80 年代起我國(guó)交通運(yùn)輸機(jī)構(gòu)便逐漸開(kāi)始加入這種戰(zhàn)略性道路管理決策研究，到如今全球經(jīng)濟(jì)一體化及我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的建立，道路管理已成為當(dāng)前各企業(yè)奮起直追的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，也是道路各學(xué)者激烈討論的前沿?zé)狳c(diǎn)。經(jīng)過(guò)36 年的不斷深入，道路管理已經(jīng)從企業(yè)具體職能轉(zhuǎn)向行業(yè)拓展階段，然而距離完善化的道路管理系統(tǒng)還有很長(zhǎng)的路需要探索［3］。

1.2 道路管理系統(tǒng)盲點(diǎn)論述

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的PMS 有以下幾個(gè)代表性弊端：

1.2.1 功能模塊化

PMS 是一個(gè)龐大的整體系統(tǒng)。從空間角度看路、橋、隧、坡隸屬于同種交通基礎(chǔ)設(shè)施，在區(qū)域空間上存在不可避免的連續(xù)性。然而各基礎(chǔ)設(shè)施卻獨(dú)立于一種管理系統(tǒng)，僅從獨(dú)立系統(tǒng)中得出的最佳決定未必是最優(yōu)決策［4］。從時(shí)間維度看設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、報(bào)廢是各交通基礎(chǔ)實(shí)施必經(jīng)的壽命周期階段，為在戰(zhàn)略上有效維護(hù)道路，需要從時(shí)間序列內(nèi)分析問(wèn)題和解決方案，因此必須積累道路整個(gè)生命周期中產(chǎn)生的信息［5］。然而各系統(tǒng)服務(wù)于基礎(chǔ)設(shè)施的某階段性管理，脫離全壽命周期視角，缺乏全盤(pán)分析。

1.2.2 數(shù)據(jù)管理碎片化

PMS 涉及海量多元數(shù)據(jù)的匯集及多源數(shù)據(jù)的融合?？焖佟?zhǔn)確的獲取道路信息是PMS 的關(guān)鍵所在［6］。從數(shù)據(jù)類(lèi)型看需要整合時(shí)空數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)量看要求長(zhǎng)期大量屬性信息。一方面道路自動(dòng)化檢測(cè)會(huì)遇到各種工況下難以精準(zhǔn)獲取數(shù)據(jù)的問(wèn)題，另一方面部門(mén)和地域間存在數(shù)據(jù)壁壘導(dǎo)致數(shù)據(jù)互不流通，數(shù)據(jù)積累不足宏觀決策難以進(jìn)行。

1.2.3 數(shù)據(jù)挖掘表面化

PMS由項(xiàng)目級(jí)及網(wǎng)絡(luò)級(jí)管理組成［7］。理論上應(yīng)由網(wǎng)絡(luò)級(jí)決策指導(dǎo)項(xiàng)目級(jí)優(yōu)化，但由于目前數(shù)據(jù)為點(diǎn)采集方式缺乏連續(xù)式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)清洗不足加上各單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)系挖掘不深，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)級(jí)管理未真正發(fā)開(kāi)。此外現(xiàn)存的項(xiàng)目級(jí)管理按不同地區(qū)管理要求采用不同的養(yǎng)護(hù)方案及指標(biāo)進(jìn)行排序，存在個(gè)別地區(qū)性能評(píng)價(jià)研究不足，衰減模型考慮因素不全，納入的備選方案有限，最終項(xiàng)目管理優(yōu)化存在弊端。

1.2.4 人員技術(shù)單一化

PMS需要多專業(yè)及新興技術(shù)的不斷融合［8］。要打造一個(gè)完善的PMS，需要多領(lǐng)域研發(fā)人員的探索實(shí)踐，經(jīng)濟(jì)投入和科技實(shí)力是重要的支持。管理系統(tǒng)科研人員面臨資金投入不足引起的技術(shù)狹隘化，同時(shí)不能與政府部門(mén)建立真正的聯(lián)系，引發(fā)理論不付諸實(shí)踐缺少反饋環(huán)節(jié)的結(jié)果。

2 國(guó)外道路管理系統(tǒng)

國(guó)外道路基礎(chǔ)設(shè)施管理相比國(guó)內(nèi)領(lǐng)先20 年，尤其是美國(guó)從不斷完善的政策指導(dǎo)到科研資金投入，形成了領(lǐng)先的基礎(chǔ)設(shè)施管理。本文將剖析全球頂尖的交通基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商Agileassets（美），來(lái)指導(dǎo)我國(guó)的道路管理系統(tǒng)的建設(shè)。

2.1 Agileassets 服務(wù)介紹

正如Agileassets 公司的名字所展示的，它是一家專門(mén)為基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)提供敏捷解決方案，以節(jié)省金錢(qián)、時(shí)間，拯救生命為導(dǎo)向的智能化決策提供者。Agileassets 平臺(tái)架構(gòu)如圖1 所示。

（1）基礎(chǔ)：Agileassets 平臺(tái)基礎(chǔ)涉及系統(tǒng)管理、安全、配置及報(bào)告，并以此為資源池向用戶提供基礎(chǔ)服務(wù)。系統(tǒng)管理用于系統(tǒng)管理員創(chuàng)建和維護(hù)資產(chǎn)管理系統(tǒng)所需的代碼以及軟件的管理功能。安全方面公司團(tuán)隊(duì)對(duì)運(yùn)營(yíng)和服務(wù)質(zhì)量提供全天候綜合監(jiān)控和預(yù)警，為防止功能及服務(wù)故障準(zhǔn)備備用方案，從多層面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全檢查，集中化的管理讓數(shù)據(jù)更安全。報(bào)告支持多種格式的導(dǎo)出，并分詳細(xì)報(bào)告和總結(jié)性報(bào)告，用戶可依據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇。

圖1 Agileassets 平臺(tái)架構(gòu)

（2）產(chǎn)品：Agileassets 平臺(tái)依據(jù)不同客戶需求對(duì)道路管理業(yè)務(wù)擴(kuò)展，推出運(yùn)營(yíng)管理及計(jì)劃分析兩大類(lèi)產(chǎn)品。計(jì)劃分析是針對(duì)單個(gè)及多個(gè)集成項(xiàng)目以改善投資決策及優(yōu)化工作計(jì)劃的服務(wù)，針對(duì)各服務(wù)Agileassets 都有專業(yè)人員對(duì)各窗口、界面定義計(jì)算表達(dá)式。管理操作包含七種管理功能，較為全面的囊括了交通基礎(chǔ)設(shè)施的范圍。為各個(gè)管理對(duì)象從計(jì)劃、數(shù)據(jù)收集到審查、報(bào)告定制完整的解決方案。

（3）應(yīng)用程序接口（API）：平臺(tái)提供多樣化API 可實(shí)現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的無(wú)障礙對(duì)接，實(shí)現(xiàn)更新更智能的業(yè)務(wù)流程。將地理信息系統(tǒng)（GIS）接入，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)可視化空間管理。提供多個(gè)線性參考系系統(tǒng)（LRS）間接口，確保路段定義的一致性，解決多個(gè)路段合并及分離問(wèn)題。

2.2 Agileassets 特點(diǎn)分析

針對(duì)Agileassets 所展現(xiàn)的服務(wù)，產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：

2.2.1 柔性的管理

以客戶為中心，針對(duì)不同用戶提供定制服務(wù)，用戶能夠參與設(shè)計(jì)也可以選擇公司的交鑰匙管理。提供軟件即服務(wù)（software as a service，SaaS），由專業(yè)人員負(fù)責(zé)平臺(tái)維護(hù)管理，按需計(jì)費(fèi)，用戶因此省去前期的IT 設(shè)施投入。

2.2.2 規(guī)范化的API

實(shí)現(xiàn)與多個(gè)系統(tǒng)的整合，不僅擴(kuò)大數(shù)據(jù)收集還增加完整工作流，滿足更新更智能的系統(tǒng)服務(wù)。

2.2.3 科學(xué)化的服務(wù)

以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，采用分布式云計(jì)算。在匯集大數(shù)據(jù)后運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算模型評(píng)估、預(yù)測(cè)及決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)多場(chǎng)景約束下的資金配置。

2.2.4 專業(yè)化的人才

為了將業(yè)務(wù)面向全球客戶，公司儲(chǔ)備了工程師、數(shù)學(xué)家、科學(xué)家、程序員、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、系統(tǒng)集成商和市場(chǎng)專家等多學(xué)科組織精英。在執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)，提供最權(quán)威的基礎(chǔ)設(shè)施管理軟件。

2.3 Agileassets 道路管理系統(tǒng)分析

選擇Agileassets 的各州政府對(duì)軟件功能使用情況各異，其中路面管理采用最為廣泛［9］。Agileassets 旗下的PMS 分為以下六大功能模塊，這里將詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)庫(kù)、分析、報(bào)告及設(shè)置的內(nèi)容，PMS 模塊功能見(jiàn)圖2。

圖2 PMS 模塊功能圖

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)及GIS/Map：PMS 采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化API 接入涵蓋道路時(shí)空屬性大數(shù)據(jù)。通過(guò)GIS/LRS 結(jié)合GPS 的定位，將路段設(shè)置為統(tǒng)一可視化單元，為下一步道路分析做準(zhǔn)備。

（2）分析：分析流程見(jiàn)圖3。調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)屬性（定義道路范圍、位置及每部分其他屬性）、性能（評(píng)估道路現(xiàn)狀）、歷史（確定道路結(jié)構(gòu)）三大類(lèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)決策樹(shù)、預(yù)測(cè)和優(yōu)化模型進(jìn)行道路維護(hù)的分析決策。目前系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型支持經(jīng)典的線性及非線性模型，由用戶提供的自定義模型，及自動(dòng)化的參數(shù)自更新。決策樹(shù)分預(yù)測(cè)和決策兩類(lèi)。預(yù)測(cè)決策樹(shù)由用戶選擇的決策變量和性能定義值劃分父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，并將其分支到父節(jié)點(diǎn)。每個(gè)分支的末端將被分配一個(gè)預(yù)測(cè)模型。最終決策由低層決策樹(shù)附加為高層決策樹(shù)完成，每底層決策樹(shù)對(duì)應(yīng)一種治療方案，將幾個(gè)較低級(jí)別的決策樹(shù)分配到?jīng)Q策樹(shù)的較高級(jí)別部分。最終在對(duì)方案進(jìn)行約束條件篩選后輸出優(yōu)化方案路段、方法、時(shí)間的結(jié)果。

（3）報(bào)告：對(duì)最后的優(yōu)化決策，系統(tǒng)支持自生成多種格式的詳細(xì)和總結(jié)性報(bào)告、自定義及圖表類(lèi)報(bào)告。

圖3 PMS 分析流

（4）設(shè)置：管理層用戶可對(duì)施工（如材料編碼）、數(shù)據(jù)庫(kù)（如路面類(lèi)型代碼）、網(wǎng)級(jí)分析（如約束）、性能（模型系數(shù)）及行政（道路政區(qū)）的表、列、參數(shù)和界面進(jìn)行設(shè)置，滿足不同機(jī)構(gòu)需求。

3 新型路面管理系統(tǒng)（NPMS）

針對(duì)我國(guó)道路管理系統(tǒng)的痛點(diǎn)及行業(yè)現(xiàn)狀，在總結(jié)分析Agileassets 管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出我國(guó)新型道路管理系統(tǒng)（NPMS）的構(gòu)想。

3.1 NPMS 介紹

隨著工業(yè)4.0 的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化技術(shù)成了各行業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要力量。為了最大化滿足路面養(yǎng)護(hù)管理的效益，PMS 的發(fā)展必將是以大數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的云計(jì)算管理系統(tǒng)?，F(xiàn)提出基于云計(jì)算的NPMS 架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 NPMS 架構(gòu)圖

NPMS 架構(gòu)主要由三個(gè)層次組成最終客戶將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在瀏覽器端享受服務(wù)。第一層為架構(gòu)服務(wù)（IaaS）是系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層，主要包含網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備，能夠按需向用戶提供對(duì)應(yīng)的服務(wù)，按需計(jì)費(fèi)。第二層為平臺(tái)服務(wù)（PaaS）是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供一整套開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)應(yīng)用軟件的支撐平臺(tái)。核心在于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化API 的提供，同時(shí)安全控制系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)行用戶管理，通過(guò)將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)高效挖掘路面大數(shù)據(jù)。第三層（SaaS）是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供軟件服務(wù)的軟件應(yīng)用式。在這種模式下用戶無(wú)需花費(fèi)資金用于硬件、軟件和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)交由廠商負(fù)責(zé)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)用戶即可使用路面數(shù)據(jù)的查詢、健康評(píng)估、態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)及最終的決策，由于路面管理系統(tǒng)的應(yīng)用單位多樣，為此系統(tǒng)提供平臺(tái)型SaaS 為客戶提供自定制功能。NPMS 具體子模塊及功能展示如圖5。

圖5 NPMS 子模塊及功能

NPMS 將根據(jù)用戶角色分配權(quán)限，一般用戶可選擇數(shù)據(jù)類(lèi)別（如某年某區(qū)的路況數(shù)據(jù)）系統(tǒng)將提供多樣格式的數(shù)據(jù)供用戶查看輸出。用戶也可查看相應(yīng)分析模型的類(lèi)型及參數(shù)的選用，如果數(shù)據(jù)采取人工智能算法，那么用戶可以解到算法的類(lèi)別。在分析模塊系統(tǒng)可以根據(jù)用戶贊同的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)輸出路面現(xiàn)狀評(píng)估報(bào)告，此外路面修復(fù)前后的性能預(yù)測(cè)及無(wú)約束的多修補(bǔ)方案也將展現(xiàn)在用戶面前。最終的決策也將以綜合和專題的報(bào)告輸出。管理者能夠自行設(shè)置界面格式，各類(lèi)模型參數(shù)及計(jì)算表達(dá)式，當(dāng)然對(duì)不同角色的使用者管理者可分配和定義權(quán)限。面對(duì)不同的使用對(duì)象，系統(tǒng)根據(jù)其業(yè)務(wù)流程，提供有的放矢的服務(wù)。與現(xiàn)存系統(tǒng)對(duì)接，最大化滿足客戶利益。

NPMS 的數(shù)據(jù)流程如圖6 所示。在大量數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)將按性能評(píng)價(jià)、劃分評(píng)價(jià)單元、劃分養(yǎng)護(hù)類(lèi)型、確定設(shè)計(jì)單元、養(yǎng)護(hù)方案設(shè)計(jì)、方案比選、優(yōu)化養(yǎng)護(hù)單元的核心步驟最終確定合適的養(yǎng)護(hù)方案及時(shí)機(jī)。此外NPMS 要實(shí)現(xiàn)的另一核心問(wèn)題就是網(wǎng)絡(luò)級(jí)與項(xiàng)目級(jí)的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，即解決在資金限制下納入更多費(fèi)用考慮因素，從網(wǎng)絡(luò)級(jí)資金的減少配置項(xiàng)目級(jí)方案的優(yōu)化。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

3.2 NPM 展望

真正實(shí)現(xiàn)智慧功能的NPMS，還需要?dú)v經(jīng)一段科研探索和推廣之路，以下提出幾點(diǎn)亟待解決的問(wèn)題。

（1）數(shù)據(jù)的獲取。NPMS 是建立在可靠大數(shù)據(jù)支撐上的系統(tǒng)。NPMS 以自動(dòng)化檢測(cè)車(chē)輸出的數(shù)據(jù)作為主要路況數(shù)據(jù)源，保證全天候高效的數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作之一。同時(shí)也需要各管理部門(mén)信息數(shù)據(jù)支持如工程歷史數(shù)據(jù)、基本信息數(shù)據(jù)等，融合構(gòu)成庫(kù)存信息，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)閉環(huán)管理。

（2）數(shù)據(jù)挖掘。NPMS 的核心是對(duì)大數(shù)據(jù)的處理。尋找單個(gè)數(shù)據(jù)源各指標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，多元數(shù)據(jù)不同路段性能衰減差異，路段合并與分割，備選方案對(duì)比多因素的納入以及網(wǎng)絡(luò)級(jí)與項(xiàng)目級(jí)的聯(lián)動(dòng)都需要更深層次的鉆研。

（3）政府支持。NPMS 的建立需要政府的積極推廣和推進(jìn)。除了交通部更新的法律規(guī)范，各省、市管理部門(mén)也要主動(dòng)配合，制定符合本區(qū)域的管理政策。倡導(dǎo)督促智能化管理的落實(shí)，促使合理健康市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的形成。

（4）人才儲(chǔ)備。NPMS 是在不斷發(fā)展中壯大的系統(tǒng)。多元化和專業(yè)化的人才是發(fā)展中的不竭動(dòng)力。緊跟時(shí)代的技術(shù)也要不斷融入在系統(tǒng)中，新的技術(shù)加不斷的創(chuàng)新，道路行業(yè)將會(huì)迎來(lái)巨大的變革。