甘肅省公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張新秀, 馬偉中, 汪首元, 李彩霞

(1.甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測重點實驗室，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅恒石公路檢測科技有限公司)

1 前言

到2017年底，甘肅省公路網(wǎng)總里程達到14.3萬km，位居中國第17位，高速公路通車總里程3 867 km，位居中國第22位。14個市州政府駐地全部以高速公路貫通，54個縣高速公路已開通，縣通高速公路比例達到63%，連霍、青蘭、十天、京新等國家高速公路在甘肅境內(nèi)全貫通。

2001年，美國開發(fā)了道路管理系統(tǒng)“PAVER”，它是通過道面狀況指標(PCI)來評價道面狀況的好壞。2005年高達公司開發(fā)了美國加州Oakland國際機場道面管理系統(tǒng)(APMS)。在中國，2009年，交通運輸部公路科學(xué)研究院推出了公路資產(chǎn)管理系統(tǒng)(CPMS),2015年武大卓越科技有限公司推出的公路全資產(chǎn)管理系統(tǒng)等?？傮w來說，目前投入實際應(yīng)用的公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)在處理檢測數(shù)據(jù)方面方便、快捷。但是，這些系統(tǒng)也存在一些不足。

(1) 路線編碼、區(qū)間劃分、路段劃分原則沒有統(tǒng)一的標準。

(2) 處理數(shù)據(jù)效率不高，導(dǎo)入檢測數(shù)據(jù)與導(dǎo)出評定結(jié)果響應(yīng)時間比較長。

(3) 系統(tǒng)交互性不強，資源不能共享。各級公路管理部門評定自己的檢測數(shù)據(jù)，不能有效地匯總整條路的技術(shù)狀況指數(shù)。

隨著甘肅省公路里程大幅增加，公路檢測數(shù)據(jù)處理工作越來越繁重，單機版的路況評定系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足整合處理全省路況數(shù)據(jù)，如何快速、高效、科學(xué)和準確地整合處理公路檢測數(shù)據(jù)，如何提高公路檢測數(shù)據(jù)使用效率，并在養(yǎng)護的精細化和養(yǎng)護資金的使用效益方面提供幫助,開發(fā)網(wǎng)絡(luò)版的公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)迫在眉睫。

2 公路技術(shù)狀況評定原理與方法

公路技術(shù)狀況采用公路技術(shù)狀況指數(shù)(MQI)和相應(yīng)的分項指標表示，計算公式如式(1)所示。公路技術(shù)狀況評定包括路面、路基、橋隧構(gòu)造物和沿線設(shè)施4部分內(nèi)容，評價指標與相應(yīng)權(quán)重指標(權(quán)重按行業(yè)標準規(guī)定)如圖1所示。

MQI=wPQIPQI+wSCISCI+wBCIBCI+wTCI·TCI

(1)

圖1 評價指標圖

路面使用性能指數(shù)(簡稱PQI)分為瀝青路面、水泥混凝土路面、砂石路面3種類型。瀝青路面使用性能包括路面破損、平整度、車轍、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強度5項技術(shù)內(nèi)容。其中路面結(jié)構(gòu)強度為抽樣評定指標，單獨計算與評定。水泥混凝土路面使用性能評價包括路面破損、平整度和抗滑性能3項技術(shù)指標；砂石路面使用性能評價只包括路面破損。路面使用性能指數(shù)(PQI)按照式(2)計算：

PQI=wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI+wSRI·SRI

(2)

計算權(quán)重按照表1取值。

表1 PQI分項指標權(quán)重

不同的路面類型，路面損壞類型也不同，相應(yīng)的表格形式也不同，瀝青路面損壞類型有11類21項，水泥混凝土路面損壞類型有11類20項，砂石路面損壞類型有6類。而不同路面類型的路基、橋隧構(gòu)造物、沿線設(shè)施損壞類型相同。路基損壞分8類，橋隧構(gòu)造物有3大類，沿線設(shè)施損壞存在5種類型。路面、路基、橋隧構(gòu)造物、沿線設(shè)施的損壞扣分表可以在相關(guān)技術(shù)評定標準中查閱，在此不再列舉。

3 公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)技術(shù)

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

公路路網(wǎng)是錯綜復(fù)雜交錯在一起的，梳理并有效地管理路網(wǎng)信息并且實現(xiàn)精準管理才能使公路作用及經(jīng)濟效益最大化。在檢測過程中如何將路線信息精準檢測，并且各個管養(yǎng)單位的路線樁號精確無誤，系統(tǒng)做了詳細的路線編碼，制定了合理的區(qū)間劃分原則，最后用算法實現(xiàn)自動路段編碼規(guī)則?；A(chǔ)數(shù)據(jù)入庫之后，將道路檢測車檢測百米數(shù)據(jù)無縫入庫，系統(tǒng)自動評定指標并且出具相應(yīng)的規(guī)范報表。

(1) 路線編碼：在公路行業(yè)基礎(chǔ)路線數(shù)據(jù)是以樁號為基本單元。路線命名與路線編號根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范標準進行編碼入庫，根據(jù)規(guī)范統(tǒng)一編碼可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，形成甘肅省路網(wǎng)數(shù)據(jù)字典。根據(jù)路線編碼規(guī)則分為不同的類型：G-國道、S-省道、X-縣道、Y-鄉(xiāng)道、Z-專用道路、C-村道；比如國道G6表示京藏高速公路。

(2) 區(qū)間劃分原則：第1級根據(jù)路面類型劃分區(qū)間，第2級根據(jù)路面等級劃分區(qū)間，第3極根據(jù)不同的管養(yǎng)單位劃分，第4級根據(jù)交通量、路面寬度、收費與否劃分。根據(jù)路面類型可以分成瀝青路面、水泥混凝土路面、砂石路面；不同類型的道路可以按照道路等級分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路和等外公路；根據(jù)不同的管養(yǎng)單位劃分(庫中有31個管養(yǎng)單位)，再次將路線劃分不同的區(qū)間，因而使路網(wǎng)檢測與管養(yǎng)更加復(fù)雜與精準。在該系統(tǒng)中區(qū)間編碼預(yù)留兩個字段(超過99用字母+數(shù)字表示)，比如G6A1表示前面已經(jīng)有99個區(qū)間，第100區(qū)間就只能用A1來表示。

(3) 路段自動編碼原則：公路技術(shù)狀況評定以1 000 m為基本評定單元。但是在實際路況中路段的劃分是基于區(qū)間進行自動編碼劃分的。在區(qū)間的劃分中起點樁號與終點樁號肯定會出現(xiàn)非整公里樁號，如何以1 000 m路段為基本評定單元，最大限度自動劃分成整公里的路段，實現(xiàn)路段自動編碼，其基本原則是最大路段長度不能大于1 500 m，假設(shè)區(qū)間起點樁號為x=整數(shù)位(a)+小數(shù)位(b)，區(qū)間終點樁號為y=整數(shù)位(c)+小數(shù)位(d),n為路段編碼個數(shù)，流程圖如圖2所示。

圖2 路線編碼流程

根據(jù)以上編碼規(guī)則以G6京藏高速公路為例實現(xiàn)系統(tǒng)中的自動編碼演示如下：

(1) 入庫G6京藏高速路線信息主要包括選擇路線性質(zhì)為G、根據(jù)編碼規(guī)則進行編碼為6，名稱為京藏高速、起點樁號1 423 km、起點名稱為劉寨柯、終點樁號1 692.311 km、終點名稱為海石灣、里程自動生成為269.311 km、走向、數(shù)據(jù)年份2018。第一次將基礎(chǔ)信息入庫成功，每年都可以連續(xù)使用，如果有信息變動，可以及時修改。

(2) G6京藏高速區(qū)間劃分，按照劃分原則要求將甘肅省內(nèi)的G6京藏高速劃分為2個區(qū)間即可，但是為了橋隧構(gòu)造物成為獨立的區(qū)間和相同的管養(yǎng)單位，根據(jù)不同的管養(yǎng)段劃分，以實現(xiàn)縣級管養(yǎng)，確保數(shù)據(jù)的準確性，將G6分為14個區(qū)間。以G610為列說明，區(qū)間起點樁號1 629.459 km、起點名稱大紅山隧道進口、區(qū)間終點樁號1 631.502 km、終點名稱大紅山隧道出口、區(qū)間長度自動生成2.043 km、管養(yǎng)單位蘭州公路管理局、技術(shù)等級高速公路、路面類型瀝青路面、路段管理方式選擇按上下行，系統(tǒng)就會在路段編碼中自動編碼A表示上行B表示下行等路段信息。

(3) G610區(qū)間根據(jù)路段編碼算法:y-x>2 000，分多段，b≤500,d>500,n=c-a+1區(qū)間，根據(jù)G610起點樁號與終點樁號可以算出n=3,分別為G61001A、起點樁號1 629.459 km、路段長度541 m；G61002A起點樁號1 630 km、路段長度1 000 m；G61003A起點樁號1 631 km、路段長度502 m。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入庫成功后各個公路管理局用自己的賬號與密碼登錄檢索出自己管養(yǎng)的路線信息，根據(jù)自動編碼好的路段信息錄入相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)，進行自動評定工作。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

通過系統(tǒng)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，用戶登錄一站式綜合服務(wù)門戶快速檢索查詢各自管養(yǎng)的路線信息與管養(yǎng)里程，多線程的錄入路面(路面破損、平整度、車轍、抗滑性能)、路基、橋隧構(gòu)造物、沿線設(shè)施檢測數(shù)據(jù)。實現(xiàn)自動計算、評定、統(tǒng)計、生成各種報表，服務(wù)各級公路管理部門。

數(shù)據(jù)的抽取轉(zhuǎn)換匯聚(ETL)：基于空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)(FME)實現(xiàn)超過250種不同空間數(shù)據(jù)格式(模型)之間的轉(zhuǎn)換,為進行快速、高質(zhì)量、多需求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了高效、可靠的手段。該系統(tǒng)采用FME完成公路路網(wǎng)數(shù)據(jù)的治理，主要包括不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的抽取、不通格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)空間數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的檢查和入庫。業(yè)務(wù)庫采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理，由數(shù)據(jù)入庫得到，包括路線信息(路線名稱、起止樁號、管養(yǎng)單位等)、橋梁(涵洞)信息數(shù)據(jù)(包括橋梁名稱、橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁檔案、橋梁病害等)、路面檢查信息(路面平整度檢查日期、負責(zé)人等)、路面病態(tài)信息(破損、車轍、平整度、橫向力系數(shù)等)及與養(yǎng)護管理有關(guān)的公路專題信息以及共享交換而來的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)(圖3)描述了平臺的應(yīng)用部署，以及和核心業(yè)務(wù)流程之間的作用和關(guān)系，通過統(tǒng)一用戶認證管理體系、標準規(guī)范體系、安全保障體系、運行維護體系，實現(xiàn)平臺中基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、資源服務(wù)層、平臺接口層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和流程的信息化和可行性自動化。應(yīng)用架構(gòu)受業(yè)務(wù)需求驅(qū)動，它是從業(yè)務(wù)需求結(jié)合技術(shù)因素推導(dǎo)出來的，以支撐業(yè)務(wù)目的和性能目的為目標。系統(tǒng)是由一站式綜合服務(wù)門戶、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、路況數(shù)據(jù)、等級評定、統(tǒng)計分析、養(yǎng)護決策、系統(tǒng)管理、工具、數(shù)據(jù)上報一系列服務(wù)構(gòu)件組成，而整體的平臺應(yīng)用架構(gòu)則是通過一個個模塊的實施來實現(xiàn)，所以應(yīng)用架構(gòu)也是一種系統(tǒng)架構(gòu)；既實現(xiàn)業(yè)務(wù)架構(gòu)規(guī)劃的功能和流程；又提供對數(shù)據(jù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)實體的封裝和訪問。

公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)包括基礎(chǔ)信息、路況數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)上報、等級評定、統(tǒng)計分析、養(yǎng)護決策、系統(tǒng)管理與工具共8個模塊?；A(chǔ)信息模塊中包含路線信息與評價單元兩個子模塊，主要實現(xiàn)路線基礎(chǔ)信息統(tǒng)一管理?；A(chǔ)信息模塊由系統(tǒng)管理員統(tǒng)一錄入全省路線信息與區(qū)間信息，系統(tǒng)根據(jù)分配好的區(qū)間信息實現(xiàn)路段自動編碼規(guī)則，形成甘肅省路網(wǎng)數(shù)據(jù)字典。路況數(shù)據(jù)模塊主要實現(xiàn)甘肅省14個管養(yǎng)單位通過登錄系統(tǒng)，實現(xiàn)查看、錄入、修改、刪除、導(dǎo)出各自的檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)分權(quán)錄入資源整合成一條完整路線的檢測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上報主要實現(xiàn)下級單位將采集檢測數(shù)據(jù)上報到上級單位進行審核入庫功能。等級評定功能實現(xiàn)了分級評定與匯總評定，配置各種規(guī)范要求的表格，自動評定路況數(shù)據(jù)出具相應(yīng)的檢測報表。統(tǒng)計分析根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行一些圖標統(tǒng)計，以直觀查看歷年檢測數(shù)據(jù)與跟蹤歷年路況變化情況。養(yǎng)護決策模塊主要通過追蹤歷年的路況檢測數(shù)據(jù)，自動回歸驗算預(yù)測模型聯(lián)合路面指標決策樹給出具體的養(yǎng)護措施以及費用，實現(xiàn)自動出具養(yǎng)護決策報告白皮書的功能。系統(tǒng)管理與工具實現(xiàn)管理員更好地管理與維護系統(tǒng)。以系統(tǒng)管理員與白銀公路局為列：首先登陸一站式綜合服務(wù)門戶輸入用戶名與密碼進入系統(tǒng)，系統(tǒng)管理員和白銀公路局具有不同功能權(quán)限，管理員可以進行數(shù)據(jù)查詢、錄入、修改也可以查看全省道路信息，出具所有報表。各個管養(yǎng)單位只能查詢、錄入、修改、出具自己管養(yǎng)的路線的檢測數(shù)據(jù)與報告。通過給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分配權(quán)限使檢測數(shù)據(jù)更加準確，誰管養(yǎng)誰檢測最終整合為全省路網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)。

圖3 應(yīng)用框架

4 綜合分析與應(yīng)用

公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)部署環(huán)境為阿里云服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫采用阿里云RDS版數(shù)據(jù)庫，為客戶降低了65%的總體擁有成本；可擴展平臺能夠幫助管理數(shù)據(jù)中心資源，提高IT效率和用戶滿意度，提高投資回報，降低總體擁有成本，加快檢索速度。實現(xiàn)云服務(wù)的便捷、高效、安全、穩(wěn)定等功能。

2017年甘肅省通過使用公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)評定了205條公路，其中包括高速公路19條、國道11條、省道38條、縣道58條、鄉(xiāng)道16條和專用道路63條，評定總里程達到18 643.769 km。道路檢測車檢測全省路面數(shù)據(jù)用時3個月，人工處理數(shù)據(jù)近4個月，后期如果將人工處理的路面檢測數(shù)據(jù)使用EXCEL或單機版的CPMS進行路面數(shù)據(jù)評定需要1個月時間，相應(yīng)的路基、橋隧構(gòu)造物、沿線設(shè)施不能同步錄入評定。而通過使用公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)可以實現(xiàn)同步錄入各自的檢測數(shù)據(jù)，各管養(yǎng)單位可以使用自己的用戶名登錄系統(tǒng)，錄入路基、橋隧構(gòu)造物、沿線設(shè)施的檢測數(shù)據(jù)，道路檢測車采集的路面數(shù)據(jù)(PCI、RQI、RDI、SRI)可以全部導(dǎo)入公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)。通過使用公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)僅需一周時間就能完成路況檢測數(shù)據(jù)的入庫與評定，節(jié)省了大量的人力,節(jié)約了評定時間,實現(xiàn)了信息共享，并且檢測數(shù)據(jù)還按照優(yōu)、良、中、次、差展現(xiàn)。

5 結(jié)語

該文在分析現(xiàn)有公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)外公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)中普遍存在的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、交互性差、效率低等問題，結(jié)合相關(guān)技術(shù)標準，開發(fā)了甘肅省公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)，系統(tǒng)地開發(fā)打造了“智能養(yǎng)護”大數(shù)據(jù)中心，真正打破“信息孤島”，使全省公路數(shù)據(jù)一體化，便于使用、維護、更新，用戶可以便捷使用最新數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)的重復(fù)測量，極大地節(jié)省了人力、物力、財力；同時能夠提升病害處置與各部門之間的業(yè)務(wù)協(xié)同能力，只要登錄平臺就可以共享利用所需數(shù)據(jù)，從而達到提高工作效率、降低業(yè)務(wù)成本和降低運營成本的目的。同時公路技術(shù)狀況評定系統(tǒng)建立了方便、高效的數(shù)據(jù)管理方式及自動化的評定過程，減少了人工的參與，并屏蔽了由人為因素引起的計算錯誤，可為其他系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒。