基于智能協(xié)同的公路養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用

陳 卓， 王 勇， 羅小云， 朱佰敏， 胡 珊

(1.招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司， 重慶 400067； 2.湖北鄂東長(zhǎng)江公路大橋有限公司， 武漢 435002；3.重慶渝黔高速公路有限公司， 重慶 401349； 4.招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司， 北京 100022)

目前，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)管理信息化水平整體偏低。大部分路段公司未建設(shè)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，依靠傳統(tǒng)紙質(zhì)模式進(jìn)行管理，具有工作量大、主觀性強(qiáng)、工作效率低下、數(shù)據(jù)利用率低、數(shù)據(jù)傳遞反饋慢等諸多問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重制約養(yǎng)護(hù)管理水平提升。部分路段公司雖然建設(shè)了養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如項(xiàng)目管理系統(tǒng)、橋隧道管理系統(tǒng)、道路巡查系統(tǒng)等，但是這些系統(tǒng)中，大部分是軟件公司以項(xiàng)目外包形式開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，專業(yè)深度不足，且缺乏持續(xù)升級(jí)迭代，導(dǎo)致系統(tǒng)不好用，甚至不可用。另外一些業(yè)內(nèi)單位研發(fā)的專用系統(tǒng)，普遍存在業(yè)務(wù)場(chǎng)景單一和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問(wèn)題，導(dǎo)致眾多業(yè)務(wù)系統(tǒng)不能互通，使數(shù)據(jù)分散形成“協(xié)同性差”和“信息孤島”[1]。

為解決公路交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理中存在的手段原始、檔案分散、信息孤島、海量數(shù)據(jù)不能綜合利用、養(yǎng)護(hù)決策不精準(zhǔn)等諸多問(wèn)題，很多研究者建立了各種類型的系統(tǒng)，以滿足養(yǎng)護(hù)管理需求。在綜合養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)研究方面，張少錦[2]出版的《公路運(yùn)營(yíng)管理理論與方法》，對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)管理體系進(jìn)行了理論研究，在此基礎(chǔ)上建設(shè)了廣州黃埔大橋運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)；李日怡[3]結(jié)合四川省高速公路養(yǎng)護(hù)綜合信息管理系統(tǒng)的建設(shè)研究了信息化技術(shù)在高速公路養(yǎng)護(hù)管理工作中的應(yīng)用；韓直等[4]基于道路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)不同工況下的協(xié)同管理道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，研究了智慧公路的理論，總結(jié)了智慧公路的5個(gè)特征；為滿足不同公路養(yǎng)護(hù)單位的管理需求并適應(yīng)需求的變化，喬旭、丁美、羅小云等[5-7]提出了基于XML文件的公路養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)通用化生成技術(shù)；詹顯軍等[8]研究了高速公路工程一體化管控平臺(tái)，結(jié)合高速公路建設(shè)期業(yè)態(tài)需求，闡述了高速公路工程一體化管控平合的搭建思路；鄧長(zhǎng)軍等[9]研究了智慧管養(yǎng)技術(shù)在市政結(jié)構(gòu)設(shè)施管理中的技術(shù)研究。在單專業(yè)系統(tǒng)研究方面，陳卓、張喜剛、孫利民、張貴忠等[10-13]研究了信息化技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用；在可視化集成系統(tǒng)研究方面，宋戰(zhàn)平、范登科、施永泉、張?jiān)讫?、姜玉龍等[14-18]研究了基于BIM和GIS技術(shù)的運(yùn)維養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，并在公路、鐵路等行業(yè)應(yīng)用。綜合以上研究成果，都是以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，打通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通道為核心，研究一體化養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)。

本文研發(fā)的養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)以業(yè)務(wù)為核心，構(gòu)建病害知識(shí)庫(kù)、成因分析庫(kù)、養(yǎng)護(hù)方案庫(kù)、決策干預(yù)策略庫(kù)等經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，配合多源信息集成、技術(shù)狀況評(píng)定、自然語(yǔ)言識(shí)別、特征權(quán)重因子優(yōu)化等核心算法和技術(shù)，形成完整的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、病害診斷與養(yǎng)護(hù)決策等整套解決方案，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM+GIS可視化等新一代信息技術(shù)，研發(fā)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施智能協(xié)同養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)及其信息化配套技術(shù)解決方案，旨在為路段管理單位及外協(xié)單位提供一個(gè)統(tǒng)一的智能協(xié)同工作平臺(tái)，通過(guò)系統(tǒng)功能同入口、數(shù)據(jù)同標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚，利用養(yǎng)護(hù)全數(shù)據(jù)源，為實(shí)施科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理決策提供技術(shù)支撐。

1 平臺(tái)建設(shè)方案

1.1 平臺(tái)架構(gòu)體系

公路交通基礎(chǔ)設(shè)施智能協(xié)同養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)部署在云服務(wù)器上，用戶通過(guò)電腦端和移動(dòng)終端APP訪問(wèn)平臺(tái)功能，Web端采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)需安裝軟件，只需要用戶名和密碼即可開(kāi)展工作，移動(dòng)終端APP采用C/S軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶需要安裝專用軟件，以應(yīng)對(duì)鋼箱梁內(nèi)部、索塔等無(wú)信號(hào)離線工作場(chǎng)景，另外也能在交互效率上會(huì)有更好的用戶體驗(yàn)。

本平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)體系在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息安全和管理制度等三重體系下，分為5個(gè)層級(jí)，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)融合層、應(yīng)用支撐層、智能應(yīng)用層、終端門戶層。公路交通基礎(chǔ)設(shè)施智能協(xié)同養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)架構(gòu)體系見(jiàn)圖1。

圖1 公路交通基礎(chǔ)設(shè)施智能協(xié)同養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)架構(gòu)體系

1) 基礎(chǔ)設(shè)施層：主要包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、養(yǎng)護(hù)設(shè)施、運(yùn)行資源池等。其中交通基礎(chǔ)設(shè)施是指養(yǎng)護(hù)對(duì)象，如路面、橋涵、隧道、路基、綠化、交安、機(jī)電等；養(yǎng)護(hù)設(shè)施指養(yǎng)護(hù)裝備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；運(yùn)行資源池指平臺(tái)運(yùn)行需要的硬軟件資源，如云服務(wù)器、計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、第三方服務(wù)等。

2) 數(shù)據(jù)融合層：主要包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)指關(guān)系型數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如橋梁主數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；文件數(shù)據(jù)庫(kù)指非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如檢查圖片、視頻和相關(guān)文檔等；緩存數(shù)據(jù)庫(kù)指為了快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)而預(yù)存的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合層支持?jǐn)?shù)據(jù)全局統(tǒng)一的采集、存儲(chǔ)和服務(wù)，包括數(shù)據(jù)抽取(清洗/轉(zhuǎn)換/加載)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)集市，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)。

3) 應(yīng)用支撐層：貫徹工具即服務(wù)(TaaS)的思想，負(fù)責(zé)為平臺(tái)具體功能提供必要的開(kāi)發(fā)工具、管理工具、分析工具、工程設(shè)計(jì)工具以及其他的工具服務(wù)。開(kāi)發(fā)工具包括應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具、C/S軟件開(kāi)發(fā)工具和B/S軟件開(kāi)發(fā)工具，提供統(tǒng)一的平臺(tái)化系統(tǒng)軟件支撐服務(wù)，包括服務(wù)的定義、注冊(cè)、管理、發(fā)布以及服務(wù)控制臺(tái)等。管理工具應(yīng)包括統(tǒng)一權(quán)限管理工具，可實(shí)施工作流管理工具等。分析工具應(yīng)包括機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法工具、可視化分析工具、大數(shù)據(jù)處理工具、數(shù)據(jù)挖掘工具和預(yù)測(cè)分析工具等。工程設(shè)計(jì)工具應(yīng)包括三維BIM+GIS集成環(huán)境。BIM模型應(yīng)包含交通基礎(chǔ)設(shè)施的完整的真實(shí)信息，具備信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性。這些平臺(tái)服務(wù)需要滿足云架構(gòu)的部署方式，通過(guò)虛擬化、集群、負(fù)載均衡等技術(shù)提供云狀態(tài)服務(wù)，并可以根據(jù)需要隨時(shí)定制及擴(kuò)展。

4) 智能應(yīng)用層：包括養(yǎng)護(hù)管理全業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，是完成養(yǎng)護(hù)工作的工具，提供路產(chǎn)管理、巡查檢查、綜合監(jiān)測(cè)、日常養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)工程、預(yù)測(cè)分析等業(yè)務(wù)應(yīng)用，形成業(yè)務(wù)覆蓋全面、重點(diǎn)突出、兼具分析廣度和深度的體系化、自動(dòng)化、智能化的分析應(yīng)用體系，為交通運(yùn)輸管理者提供科學(xué)規(guī)劃與決策的依據(jù)。

5) 終端門戶層：面向內(nèi)部用戶和公眾用戶。包括短信、電話、計(jì)算機(jī)(PC)、移動(dòng)終端(智能手機(jī)、平板電腦等)、情報(bào)板、控制中心大屏等載體提供訪問(wèn)養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)的通道。

1.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)和養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)實(shí)際需求，在功能設(shè)計(jì)上提出“三全養(yǎng)護(hù)理念”：

1) 全專業(yè)：路面、橋涵、隧道、路基、綠化、交安、機(jī)電等交通基礎(chǔ)設(shè)施的專業(yè)化管理。

2) 全業(yè)務(wù)：覆蓋養(yǎng)護(hù)管理的所有業(yè)務(wù)需求場(chǎng)景。

3) 全壽命：覆蓋養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)的全過(guò)程數(shù)據(jù)記錄。

本文提出管理平臺(tái)“十二大業(yè)務(wù)功能模塊”，即平臺(tái)管理、路產(chǎn)管理、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、巡查檢查、養(yǎng)護(hù)工程、日常養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急養(yǎng)護(hù)、機(jī)電養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)物資、資料中心、養(yǎng)護(hù)決策、個(gè)人工作臺(tái)等。

1.3 平臺(tái)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境

平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)選型如下：

1) 服務(wù)端、Android端選用Java作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Web選用Vue.js作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)前后端分離的開(kāi)發(fā)模式。

2) 服務(wù)端開(kāi)發(fā)框架采用Springboot + Dubbo + Zookeeper，實(shí)現(xiàn)分布式服務(wù)搭建。

3) Web前端、Android端分別采用業(yè)內(nèi)主流開(kāi)發(fā)框架Vue + Iview和MVPArms。

4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：采用Mysql5.7作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；Redis作為緩存數(shù)據(jù)庫(kù)；文件存儲(chǔ)選用阿里對(duì)象存儲(chǔ)OSS，保證文件服務(wù)的安全可靠。

5) 第三方服務(wù)：選用高德地圖、高德氣象作為坐標(biāo)、氣象采集服務(wù)；選用極光推送作為APP消息推送服務(wù)。

6) 工作流引擎：參考Activity工作流引擎進(jìn)行自研，實(shí)現(xiàn)單人審批、會(huì)簽等常用審批流程，支持審批撤回、過(guò)程數(shù)據(jù)修改等業(yè)務(wù)需求。

平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境技術(shù)參數(shù)如下：

1) 移動(dòng)終端：操作系統(tǒng)采用Android OS 5.0及以上版本，運(yùn)行內(nèi)存為4 G及以上；機(jī)身存儲(chǔ)為16 G及以上，屏幕尺寸及分辨率為1 920×1 080及以上。

2) Web前端：操作系統(tǒng)采用Windows7以上版本，支持IE9、Chrome、Firefox、Safari等主流瀏覽器，運(yùn)行內(nèi)存為4 G及以上，分辨率推薦1 920×1 080，兼容其他分辨率。

3) 服務(wù)端：系統(tǒng)采用CentOS7.2及以上，內(nèi)存為16 G及以上，OpenJDK版本為1.8，數(shù)據(jù)庫(kù)版本為MySQL5.7，帶寬為5 MB及以上。

2 平臺(tái)應(yīng)用示范

本平臺(tái)在重慶、福建、浙江、山東、湖北、廣西、云南、貴州、西藏、北京等省市部署應(yīng)用，均取得很好的效果，平臺(tái)核心功能價(jià)值如下。

1) 全專業(yè)構(gòu)件級(jí)路產(chǎn)管理：覆蓋路橋隧等全專業(yè)設(shè)施管理，更好滿足精細(xì)化管理需求。路產(chǎn)管理從養(yǎng)護(hù)對(duì)象的視角形成一設(shè)施一檔案功能，可聯(lián)查設(shè)施屬性、圖紙、檢查、養(yǎng)護(hù)、技術(shù)狀況等信息。

2) 全壽命周期設(shè)計(jì)：路產(chǎn)設(shè)施實(shí)現(xiàn)建設(shè)信息檔案、工程轉(zhuǎn)固、運(yùn)行養(yǎng)護(hù)、回收處置等全過(guò)程記錄管控。其中病害全生命周期管理是最重要的部分，病害發(fā)現(xiàn)、病害決策、病害養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)驗(yàn)收、計(jì)量支付等流程的管理線和作業(yè)線全面打通，提供自動(dòng)生成報(bào)告報(bào)表功能。病害全生命周期管理頁(yè)面見(jiàn)圖2。

3) 智能移動(dòng)終端：主要為管理平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，包括智能巡檢、病害推送、病害決策、日常養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急養(yǎng)護(hù)、安全管理、機(jī)電巡檢、機(jī)電養(yǎng)護(hù)、流程審批等方面。其中智能巡檢包括日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、特殊檢查等；日常養(yǎng)護(hù)和應(yīng)急養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)任務(wù)單推送，記錄養(yǎng)護(hù)施工全過(guò)程含驗(yàn)收計(jì)量金額等數(shù)據(jù)；機(jī)電巡檢和機(jī)電養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障發(fā)現(xiàn)和維修處治過(guò)程記錄，流程審批推送審批內(nèi)容、進(jìn)度、意見(jiàn)等。通過(guò)以上標(biāo)準(zhǔn)量化數(shù)據(jù)采集通道的建立，為綜合養(yǎng)護(hù)決策提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4) BIM+GIS可視化平臺(tái)：基于 GIS技術(shù)的平面宏觀數(shù)據(jù)展現(xiàn)與BIM技術(shù)的三維構(gòu)件級(jí)微觀數(shù)據(jù)交互相結(jié)合，構(gòu)成養(yǎng)護(hù)信息立體可視化平臺(tái)。GIS平臺(tái)打通了設(shè)施、病害、養(yǎng)護(hù)等信息分布與集成；BIM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件級(jí)的設(shè)施、巡檢、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、漫游、應(yīng)急演練管控等信息集成。橋梁BIM三維可視化平臺(tái)頁(yè)面見(jiàn)圖3。

5) 核心技術(shù)支撐賦能：圍繞檢測(cè)養(yǎng)護(hù)方向進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究。編制了公路交通基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件級(jí)唯一性編碼標(biāo)準(zhǔn)[19]，建立病害知識(shí)庫(kù)、成因分析庫(kù)、養(yǎng)護(hù)方案庫(kù)、決策干預(yù)策略庫(kù)等經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，配合多源信息集成、技術(shù)狀況評(píng)定、自然語(yǔ)言識(shí)別、模糊匹配、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、特征權(quán)重因子優(yōu)化等核心算法和技術(shù)，形成病害診斷與養(yǎng)護(hù)決策解決方案[20]，研究技術(shù)狀況評(píng)估算法和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為養(yǎng)護(hù)管理賦能。

(a) 養(yǎng)護(hù)巡查(b) 病害審核(c) 病害維修(d) 養(yǎng)護(hù)驗(yàn)收

圖3 橋梁BIM三維可視化平臺(tái)頁(yè)面

3 結(jié)束語(yǔ)

以公路路產(chǎn)主數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建病害知識(shí)庫(kù)等經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、配合病害診斷和養(yǎng)護(hù)決策等核心技術(shù)及算法，形成完整的“檢、評(píng)、治、養(yǎng)”的養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)體系，研發(fā)養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)，并在湖北、重慶等10個(gè)省市多條高速公路部署應(yīng)用，效果良好。

基于養(yǎng)護(hù)管理體系，研究了平臺(tái)建設(shè)“五層技術(shù)架構(gòu)體系” “三全養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)理念” “十二大業(yè)務(wù)功能模塊”等技術(shù)成果，本文介紹的開(kāi)發(fā)技術(shù)選型及平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，可供公路養(yǎng)護(hù)管理的信息化建設(shè)參考。