基于大數據的高速公路智能養(yǎng)護系統(tǒng)研究

胡 娟

（湖北交投高速公路發(fā)展有限公司， 湖北 武漢 430050）

近年來， 大數據已成為一項重要技術， 在科技、 商業(yè)、 醫(yī)療、 交通、 金融、 教育、 體育等領域得到了越來越多的關注。 基于大數據的高速公路智能養(yǎng)護系統(tǒng)是結合高速公路養(yǎng)護管理中各類數據源的產生， 和大數據技術在高速公路養(yǎng)護管理中的作用而設計的， 旨在促進高速公路養(yǎng)護管理水平的進一步提升， 為科學決策提供數據支撐， 全面實現運營網絡“管理信息化、 檢測數字化、 養(yǎng)護精益化” 的目標。

1 高速公路養(yǎng)護管理中的大數據

1.1 大數據的概念

在維基百科中關于大數據的定義為： 大數據是指利用常用軟件工具來獲取、 管理和處理數據所耗時間超過可容忍時間的數據集。 這里的大數據是相對的意思， 并不是絕對的， 沒有明確定義多大的數據量才能成為大數據。 它只強調數據本身的特征， 例如大量數據， 多種類型和快速增長。 總之， 與傳統(tǒng)數據相比， 大數據具有Volume （規(guī)模大）、 Velocity （處理速度快）、 Variety（種類多） 和Value （數據價格客觀） 的 “4V” 特點。

1.2 大數據現階段的應用

早在1980 年， 阿爾文托夫勒等人就指出過大數據時代即將來臨。 此后經過幾十年的發(fā)展，隨著云計算， 移動互聯(lián)網和物聯(lián)網等技術的出現， 人們逐漸認識到大數據的重大意義。

目前， 大數據的應用已經十分普及。 在智慧城市建設中， 大數據也被應用于基于城市實時交通信息、 天氣數據和社交網絡來優(yōu)化交通情況。基于大數據技術的支撐實現城市各個部門之間數據庫信息的互聯(lián)互通， 進而提高市民的生活質量。

通過大數據在智慧城市應用中可以看出， 大數據最核心的應用就是預測， 通過預測來調度資源和輔助制定決策。

1.3 高速公路養(yǎng)護管理中的數據源

作為國家基礎設施的重要組成部分， 高速公路在養(yǎng)護管理過程產生的海量數據， 主要包含以下幾類：

一是高速公路基礎數據。 包括高速公路設計、 施工、 竣工等文件數據； 路線概況、 里程及樁號、 路基、 路面、 沿線設施的基本情況數據；收費站， 機電設備類型、 品牌等基本信息數據。

二是高速公路養(yǎng)護過程中產生的數據。 根據交通部有關規(guī)定， 高速公路應按頻次每年做技術狀況評定， 因此會產生包括路面、 路基、 橋隧構造物、 沿線設施和機電設備的狀況評定數據。 同時， 作為日常養(yǎng)護工作內容， 土建、 機電養(yǎng)護公司必須進行日常檢查與清潔維護， 需填寫相應的巡檢報告， 以及道路病害、 機電設施故障也會形成資料數據。

三是日常監(jiān)測、 監(jiān)控資料數據。 在健康環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集的數據， 以及交通監(jiān)控系統(tǒng)、 視頻監(jiān)控系統(tǒng)、 收費系統(tǒng)等對道路行駛車輛進行實時監(jiān)控產生的大量數據。

以上是高速公路養(yǎng)護管理過程中產生的主要數據， 數量規(guī)模大、 種類多， 并且其價值不可估量， 符合大數據的特點。

2 高速公路養(yǎng)護管理現狀分析及信息系統(tǒng)應用的發(fā)展歷史

2.1 高速公路養(yǎng)護管理面對的現狀

根據國務院發(fā)布的 《“十三五” 現代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》， 到2020 年， 基本建成安全、 便捷、 高效、 綠色的現代綜合交通運輸體系， 部分地區(qū)和領域率先基本實現交通運輸現代化， 以網絡覆蓋加密拓展、 綜合銜接一體高效、運輸服務提質升級、 智能技術廣泛應用、 綠色安全水平提升為主要發(fā)展目標。

隨著國家政策體制改革， 經濟發(fā)展， 高速公路通車里程和交通流量不斷增長， 面對公眾出行新需求、 高速公路復雜的運營狀況， 高速公路養(yǎng)護管理面臨著新挑戰(zhàn)。 因此， 高速公路要從發(fā)生病害、 故障后修復的被動模式， 轉變?yōu)轭A防性養(yǎng)護的主動模式， 以個人經驗指導轉變?yōu)閿祿治鰶Q策指導。

2.2 高速公路養(yǎng)護管理中信息系統(tǒng)應用的發(fā)展歷史

在公路養(yǎng)護管理領域， 較早采用的信息化技術為路面管理系統(tǒng) （PMS）。 在20 世紀70 年代，公路出行需求激增而公路維護資源投入有限， 對道路維護工程項目進行資源優(yōu)化配置的需求逐漸受到重視， 因此應用PMS 管理路面維護。

目前， 高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)， 具備資產檔案管理、 辦公和流程管理的功能。 它能夠逐級顯示各路段和節(jié)點的巡查和養(yǎng)護情況， 能夠基于第三方地圖反映路段、 站所、 病害信息以及機電設備故障信息。 其移動客戶端主要作為日常巡查的數據采集設備， 提供遠程數據支持和定位服務。

2.3 大數據技術在高速公路養(yǎng)護管理中帶來的改變

大數據， 就是從傳統(tǒng)的隨機抽樣變?yōu)槿珮颖痉治觯?數據不再是單一的， 而是種類繁多、 規(guī)模龐大的。 數據來源應該由本企業(yè)或部門采集變?yōu)楦餍袠I(yè)各領域的數據開放共享， 打破信息孤島，降低數據采集成本。 管理決策應該由依賴專家、領導個人經驗轉變?yōu)橐詳祿治鰹榭萍家罁?/p>

根據國內外研究結果， 當公路處于健康狀態(tài)時， 延長其使用壽命的費用， 要遠低于病害發(fā)生、 機電故障發(fā)生后修復的費用。 所以， 路面和機電設備預防性養(yǎng)護策略是關鍵。 利用高速公路運營過程中的海量數據， 應用數據挖掘技術， 分析路面病害、 機電設備故障與影響因素的相關關系。 這樣可以預測其發(fā)生的可能性，實現提前養(yǎng)護和快速反應， 并有效降低養(yǎng)護成本和損失。

3 基于大數據的高速公路智能養(yǎng)護系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構示意圖

在系統(tǒng)軟件的總體構架中， 以操作系統(tǒng)、 商用數據庫等基礎軟件為支撐層； 建設地理信息、公路資產、 日常巡查和小修養(yǎng)護等專題數據庫，作為系統(tǒng)的模型層； 構建GIS、 圖像識別、 三維顯示等公共組件， 為控制應用層提供基礎功能；控制應用層在GIS 圖形平臺的基礎上， 建立巡查、 養(yǎng)護、 專項檢查、 大中修管理、 移動智能設備APP、 統(tǒng)計分析、 輔助決策等功能模塊。 視圖層作為各功能模塊提供用戶訪問的圖形界面。 通過外部接入層提供的設計接口， 可以接入橋隧和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 拓撲結構

系統(tǒng)部署拓撲結構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)部署拓撲結構示意圖

用戶經網絡防火墻、 路由器， 訪問系統(tǒng)和數據服務器， 設立“養(yǎng)護信息中心” 及系統(tǒng)管理員，各級用戶通過局部互聯(lián)網和內部無線網接入系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以連接獨立的橋梁、 隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)以及路政視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 檢測、 設計、 施工等外部授權用戶可通過互聯(lián)網登錄訪問本系統(tǒng)。

3.3 應用系統(tǒng)設計

（1） 系統(tǒng)首頁

用戶登錄系統(tǒng)后， 即顯示系統(tǒng)首頁。 主要內容有： 路網總覽圖、 養(yǎng)護快報和圖片新聞、 考核信息欄、 任務通知欄、 規(guī)范文檔和工具下載欄。

（2） 公路資產管理數據庫

基礎數據庫包括： 路線、 路基路面、 橋梁、隧道、 涵洞通道、 互通立交、 服務區(qū)、 收費站、安全設施和設備、 景觀綠化等基礎信息及其建設圖紙、 圖形數據。 數據庫系統(tǒng)主要功能包括： 數據編輯、 查詢統(tǒng)計、 可視化、 數據傳輸和安全權限管理。

（3） 地理地質信息平臺

高速公路GIS 圖形平臺為養(yǎng)護管理提供了一種全新的信息共享模式。 按管理層及不同分別設置“路網——線路——節(jié)點” 三層GIS 圖形和數據內容。

一是高速公路路網技術狀況總圖。 二是高速公路線路總體圖。 三是重要工點詳圖， 包括二維平面圖和三維視圖。 四是整合原有的道路視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 并將視頻信息與地圖進行匹配， 實現對公路資產的空間信息和屬性視頻信息的交互式查詢。

（4） 日常巡檢管理模塊

編制巡查計劃， 根據預設頻率， 系統(tǒng)自動創(chuàng)建和發(fā)布 《巡查任務單》， 也可以應急創(chuàng)建巡查任務。 巡視人員受領任務后， 執(zhí)行并填報報告，提交審核， 確定公路技術狀況。 需要養(yǎng)護維修時， 進入相應的管理模塊。

（5） 專項檢查管理模塊

編制專項檢查計劃， 根據預設頻率， 系統(tǒng)自動創(chuàng)建和發(fā)布 《專項檢查任務單》。 也可以根據日常巡查情況， 提出專項檢查的申請。 專項檢查中新發(fā)現的病害， 系統(tǒng)將建立病害檔案， 保存在數據庫中， 以備日后跟蹤檢查和對照。 通過GIS平臺， 可以顯示出歷次病害的數據變化情況和對比圖像。 經過養(yǎng)護維修后， 已消除的病害， 系統(tǒng)將關閉其檔案。

（6） 小修養(yǎng)護管理

小修養(yǎng)護管理模塊包括： 養(yǎng)護任務單的自動或手動創(chuàng)建、 發(fā)布、 執(zhí)行、 反饋、 施工日志臺帳管理和任務評價功能， 可以監(jiān)控小修養(yǎng)護工作的時間進度和工料機數量； 對工作質量進行評價和結算。

（7） 專項工程大中修項目管理

該模塊是一個小型的工程項目管理子系統(tǒng)。主要功能包括： 立項管理， 預算審批管理， 工程合同管理， 進度計劃管理， 竣工驗收管理， 計量和支付管理。

（8） 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析功能是輔助決策系統(tǒng)的重要組成部分， 用于對養(yǎng)護業(yè)務數據進行檢索匯總， 并通過圖表直觀地展示。 主要包括： 計劃進度完成情況、 費用分布、 時序分析、 黑點統(tǒng)計、 車輛運行情況分析、 機電設備情況分析等內容。

（9） 移動智能設備APP

移動智能終端APP 是通過與信息系統(tǒng)遠程連接而實現數據交互， 并部署在平板電腦或智能手機上的應用程序。

（10） 路面、 橋梁和隧道管理子系統(tǒng)

針對路面、 橋梁和隧道建設的專項管理子系統(tǒng)， 建立長期的公路病害跟蹤數據庫。 依托系統(tǒng)大數據， 實現路面性能檢測與評價自動化； 預測路面結構性能和疲勞退化； 實現橋隧病害三維定位和GIS 可視化顯示； 管理應急處置方案； 實現橋隧技術狀況實時跟蹤和預警； 實現管理養(yǎng)護輔助決策等功能。

4 主要創(chuàng)新點

4.1 基于GIS 及三維技術， 實現橋隧病害、 機電設備可視化顯示

在傳統(tǒng)的養(yǎng)護管理方式中， 對公路現狀特征的存儲與管理， 養(yǎng)護部門在信息處理時通常使用的是節(jié)點-弧段模型。 這一信息模型能夠比較好的反應高速公路的靜態(tài)特征， 但隨著高速公路投入使用， 其各方面信息都可能出現變化， 再使用原有的節(jié)點-弧段模型則無法對高速公路的動態(tài)信息進行描述， 因此已經不能較好的應用于養(yǎng)護部門的信息數據處理工作中。

三維GIS 技術即地理信息系統(tǒng)技術， 是一門綜合性較強的科學技術， 它結合了地理學、 地圖學、 遙感以及計算機技術。 現階段三維GIS 技術已經在汽車導航、 手機定位等多個領域得到了廣泛應用， GIS 技術能夠實現對地理數據的輸入、存儲以及分析等功能， 并能對輻射范圍內的地理空間數據進行高效處理， 而高速公路具有線路長、 復雜性高的特點， 因此應用三維GIS 技術能夠對高速公路橋隧病害、 機電設備信息進行可視化處理， 通過其提供的電子地圖， 工作人員能夠真實的觀看到高速公路的圖片、 錄像的信息， 并根據其顯示的路面情況制定出專題地圖， 從而更加針對性的展開公路的養(yǎng)護工作。

4.2 基于決策樹算法， 建立評估決策系統(tǒng)

針對高速公路的路面病害、 橋隧病害、 機電設備故障， 通過評價決策數據模型算法， 結合相關規(guī)范標準， 對其路面、 橋隧病害， 機電設備故障等級進行評價。

評估決策系統(tǒng)包含多個獨立的算法子程序，包括路面養(yǎng)護評估指標體系、 橋梁養(yǎng)護評估指標體系、 隧道養(yǎng)護評估指標體系， 機電設備養(yǎng)護評估指標體系。 利用大數據技術， 根據不同的方案要求、 系統(tǒng)評估結果選擇不同的養(yǎng)護策略。

4.3 利用大數據技術， 建立多源的公路資產全壽命信息數據庫

要充分利用大數據的特性， 收集和管理公路行業(yè)的所有信息， 將公路建設圖紙， 路線、 路基路面、 橋梁、 隧道、 涵洞通道、 互通立交、 服務區(qū)、 收費站、 安全設施和設備、 景觀綠化等基礎信息， 并且存儲和建檔全部公路信息。 并且將視頻圖像與空間地圖相結合， 建立起一個豐富的、動態(tài)的、 多源的公路資產全壽命信息數據庫。

5 市場分析

系統(tǒng)目標客戶主要包括： 養(yǎng)護單位， 土建養(yǎng)護施工單位、 機電養(yǎng)護施工單位不具有決策權或管理權， 按合同或任務單執(zhí)行相應工作； 運營單位， 主要分為高層管理人員及養(yǎng)護管理人員； 交通管理部門， 在智能養(yǎng)護系統(tǒng)建立后， 可實現應急指揮調度， 實時掌握交通事故等突發(fā)情況， 進一步研究制定解決方案快速響應。

隨著經濟不斷發(fā)展， 高速公路里程也在不斷增加， 系統(tǒng)應用范圍也會不斷擴大。 此外， “大數據”、 “智能養(yǎng)護” 也寫入了 《交通運輸信息化 “十三五” 發(fā)展規(guī)劃》， 為該平臺的推廣實施提供了有力的制度保障。 因此， 基于大數據的高速公路智能養(yǎng)護管理平臺具有廣闊的前景。

6 經濟及社會效益

6.1 經濟效益

目前該系統(tǒng)應用范圍涵蓋湖北省交投多個高速公路運營公司以及養(yǎng)護施工單位、 監(jiān)理單位等。 現高速公路養(yǎng)護信息管理平臺已建立二十多條路段 （路面資產、 橋梁資產、 隧道資產）， 及包含通風、 監(jiān)控、 通信、 照明設施在內等機電設備資產。

以鄂西北運營公司為例， 系統(tǒng)投入應用后，每年節(jié)省預計30 萬元養(yǎng)護費用， 由此可見， 系統(tǒng)具備推廣的經濟價值。

6.2 社會效益

（1） 統(tǒng)一、 規(guī)范養(yǎng)護作業(yè)和管理的工作制度， 進一步建立健全高速公路路網養(yǎng)護管理相關的企業(yè)標準和法規(guī)制度。

（2） 推動高速公路養(yǎng)護信息化， 如共享數據庫的建設、 智能移動終端的廣泛應用， 從而提升了我國信息化的總體發(fā)展水平。

（3） 提高安全預警能力， 將各類橋隧日常巡查信息、 健康監(jiān)測信息進行整合， 進行動態(tài)分析提高安全預警能力， 保障高速公路安全運營。

7 應用前景展望

（1） 形成養(yǎng)護中心數據庫、 動態(tài)的信息數據庫， 實現對病害全面、 系統(tǒng)和非靜態(tài)管理。 及時掌握病害的類型、 數量、 發(fā)展趨勢、 處治進程，給養(yǎng)護管理工作提供可靠的計劃和統(tǒng)計依據， 從而提高養(yǎng)護管理預測水平。

（2） 利用中心數據庫海量數據， 將高速公路養(yǎng)護過程中機電設備信息、 日常養(yǎng)護數據、 故障信息、 備品備件數據匯總， 建立各種模型為養(yǎng)護管理工作提供科學的數據依據。 同時也為高速公路機電系統(tǒng)預防性運維提供科學依據， 通過系統(tǒng)標準化檢測及評價手段， 為運營單位提供切實有效的養(yǎng)護報告及方案。

（3） 結合高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)、 交通監(jiān)控系統(tǒng)， 既可以實時掌握交通事故等突發(fā)情況， 進一步研究制定解決方案快速響應。 又可以向駕駛人員及時推送路況信息， 以及繞行建議路線， 提升路網整體服務水平。

8 結語

大數據技術對于高速公路智能系統(tǒng)的應用起到了極大作用， 對養(yǎng)護管理工作有著重大的意義。 需要結合施工養(yǎng)護管理、 數據分析等多方面知識， 才能真正做到利用大數據技術， 提高公路養(yǎng)護管理水平， 發(fā)揮公路養(yǎng)護數據的利用效率，更好的服務于社會。