高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建

崔培強 羅夢琪 田孝武 趙守陽

摘要 文章介紹了高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)的系統(tǒng)目標、系統(tǒng)特點，提出利用高速公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及運營數(shù)據(jù)實現(xiàn)輔助決策的概念模型，給出系統(tǒng)開發(fā)方法和關(guān)鍵功能實現(xiàn)思路，為高速公路道路養(yǎng)護人員提供科學有效的智能養(yǎng)護管理輔助決策。

關(guān)鍵詞 高速公路;路面養(yǎng)護;輔助決策;工程應用

中圖分類號 U418.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0024-04

0 引言

高速公路養(yǎng)護管理是保障高速公路運輸安全暢通的重要環(huán)節(jié)，是一項業(yè)務范圍廣、技術(shù)難度大的工作，養(yǎng)護質(zhì)量的好壞將直接影響高速公路的安全。目前，我國高速公路不僅已全面進入養(yǎng)護時代，而且正在向發(fā)達高效的現(xiàn)代化養(yǎng)護過渡。隨著高速公路養(yǎng)護里程的增加，養(yǎng)護管理的任務及工作量也在不斷加大。與當前不斷增長的路網(wǎng)規(guī)模相比，全國高速公路養(yǎng)護管理水平和信息化程度相對不足，導致部分道路養(yǎng)護管理不科學、養(yǎng)護決策缺乏有效依據(jù)。須避免道路出現(xiàn)失修和過修的情況，使養(yǎng)護資金得到合理高效利用。傳統(tǒng)而陳舊的養(yǎng)護管理方法已無法滿足現(xiàn)代高速公路運營管理的需要，在此背景下，研發(fā)科學高效的高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)具有十分重要的意義[1]。

1 系統(tǒng)目標及特點

高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)是根據(jù)定期采集和更新的路網(wǎng)屬性信息、技術(shù)狀況指標以及養(yǎng)護跟蹤觀測結(jié)果，對這些數(shù)據(jù)進行科學分析與充分挖掘，利用數(shù)據(jù)庫和聯(lián)機分析處理等相關(guān)技術(shù)與工具，通過對大量業(yè)務數(shù)據(jù)及公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的挖掘與分析，統(tǒng)籌整個路網(wǎng)養(yǎng)護需求，以養(yǎng)護資金利用效益最大化為原則，為公路管理人員提供智能化的決策支持。系統(tǒng)邏輯如圖1所示。

系統(tǒng)建設特點包括以下方面：

（1）系統(tǒng)以中華人民共和國行業(yè)標準《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》《公路技術(shù)狀況評定標準》《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》《地方高速公路養(yǎng)護管理內(nèi)業(yè)規(guī)范化實施標準》等為系統(tǒng)設計原則，全面實施開發(fā)，形成具有權(quán)威性、專業(yè)性的智能輔助決策系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)的整體架構(gòu)遵循云計算服務架構(gòu)分層要求。采用B/S（瀏覽器/服務器）多層體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。三層結(jié)構(gòu)包括表示層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。采用J2EE/ECP的平臺架構(gòu)、JSP/HTML5/Ajax構(gòu)建的基于瀏覽器的RIA（因特網(wǎng)應用程序）客戶表示層，支持三層（數(shù)據(jù)庫服務器層、應用服務器層和客戶層）或多層體系結(jié)構(gòu)，采用組件化、平臺化和模塊化設計，系統(tǒng)支持多種系統(tǒng)集成的API接口[2]。

（3）系統(tǒng)采用B/S模式，保證各類常見操作系統(tǒng)客戶端的正常使用，支持客戶端IE 8及以上、Chrome、Firefox、Office 2010、WPS Office及以上客戶端，系統(tǒng)提供較完善的數(shù)據(jù)加密及訪問控制，提供日志跟蹤與統(tǒng)計分析功能。

（4）系統(tǒng)服務器具有相當?shù)臄U充性，系統(tǒng)建成后將形成靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫，并且數(shù)據(jù)量會隨著時間的遷移逐步增大，最終會形成海量數(shù)據(jù)。

（5）系統(tǒng)具有容災恢復能力，具有自動備份功能，當數(shù)據(jù)丟失時，可以利用備份數(shù)據(jù)恢復。系統(tǒng)采用多層安全機制來保障用戶系統(tǒng)從系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡服務安全、使用安全等方面滿足《信息安全管理體系》（GB/T22080—2008/ISO/IEC27001：2005）要求。

2 開發(fā)方法

在高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)的建設中，采取三層結(jié)構(gòu)的體系框架，如圖2所示。它將業(yè)務系統(tǒng)的構(gòu)建在邏輯上組成三個層次：服務發(fā)布層、數(shù)據(jù)資源層和業(yè)務應用層。以得到一個結(jié)構(gòu)靈活，便于快速部署和調(diào)整的應用系統(tǒng)。

總體技術(shù)采用基于Java的J2EE（Apache Tomcat Server/Weblogic等）的多層架構(gòu)實現(xiàn)表現(xiàn)、業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)庫相對獨立的多層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

軟件結(jié)構(gòu)的層次化設計使系統(tǒng)具有以下特點：

（1）支持B/S結(jié)構(gòu)的訪問方式，同時為移動App、微信公眾號、小程序等訪問方式提供標準API服務接口。

（2）支持基于抽象程度遞增的系統(tǒng)設計，使設計者可以把一個復雜系統(tǒng)按遞增的步驟進行分解，為正確的分工和協(xié)作奠定基礎(chǔ)。

（3）每一層通過統(tǒng)一的服務接口與相鄰的上下層交互，盡可能降低軟件模塊之間的相互依賴，以實現(xiàn)各層之間的松散偶合[3]。

（4）支持重用，只要提供的服務接口定義不變，同一層的不同實現(xiàn)可以靈活地進行更新和置換。這樣，就可以定義一組標準的接口，而允許多種的實現(xiàn)方法。

系統(tǒng)服務器端采用基于Java的J2EE平臺架構(gòu)和阿里云中臺開發(fā)環(huán)境，客戶端全面支持IE8.0以上版本、Chrome等主流Web瀏覽器，使系統(tǒng)的維護和版本的更新只限于在服務器上進行，使用和維護十分方便，省去了大筆的費用，也省去了不少麻煩。系統(tǒng)客戶端完全基于瀏覽器方式，不用安裝客戶端，真正實現(xiàn)客戶端零維護。系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 關(guān)鍵功能實現(xiàn)思路

當前，我國部分文獻已經(jīng)提出了有關(guān)高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建思路，但大多只是以高速公路空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用專家知識和路面管理相關(guān)模型為養(yǎng)護方案進行智能輔助決策支持。此方法過于注重理論，未能結(jié)合高速公路歷年病害與技術(shù)狀況的關(guān)系及養(yǎng)護管理模式，缺乏實際養(yǎng)護數(shù)據(jù)，難以準確給出養(yǎng)護輔助決策。此外，信息收集缺乏有效規(guī)劃，也沒有充分分析和利用這些信息進行有效的養(yǎng)護輔助決策，難以真正達到智能化和信息化目的。

為科學構(gòu)建高效適用的養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)，應結(jié)合各省市高速公路管養(yǎng)信息化建設及應用經(jīng)驗，以高速公路工程信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，分析公路在各方面因素作用下的影響力，并按照最新標準規(guī)范科學合理地評定公路目前狀況，預估公路使用性能的發(fā)展趨勢，預測病害的演變過程，進行養(yǎng)護費用效果優(yōu)化分析，科學安排養(yǎng)護計劃，尋求最佳養(yǎng)護時機和養(yǎng)護方案，降低養(yǎng)護成本。系統(tǒng)可根據(jù)公路目前狀況，參考數(shù)據(jù)庫里類似情況，自動生成養(yǎng)護計劃書，也可根據(jù)病害種類、輕重程度，范圍大小等因素進行智能輔助決策，自動出具養(yǎng)護方案，控制高速公路養(yǎng)護費用。具體構(gòu)建思路如下。

3.1 建立高速公路工程信息數(shù)據(jù)庫

高速公路工程數(shù)據(jù)信息庫是一個大數(shù)據(jù)積累的過程，主要包含兩部分：工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫（靜態(tài)）和工程運營數(shù)據(jù)信息庫（動態(tài)）。工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息是工程竣工的數(shù)據(jù)，相當于人出生前和出生時的基本檔案，動態(tài)信息是工程運營養(yǎng)護數(shù)據(jù)，相當于人的定期體檢報告及生病治療的資料。高速公路工程信息數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3.1.1 工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫

工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫是一個涉及高速公路基礎(chǔ)信息管理各個方面、各個流程的綜合性網(wǎng)絡信息管理系統(tǒng)。對已接收高速公路的規(guī)劃報告、前期資料、竣工圖紙、中間計量支付書、公路技術(shù)狀況檢測評定報告、特殊檢查報告等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的摘錄、清洗和入庫，維護更新一路一檔基礎(chǔ)資料，特別提取投資、規(guī)劃設計、建設和運營養(yǎng)護過程中的估算費用、批復資金、建設變更成本、養(yǎng)護成本和用戶成本數(shù)據(jù)，奠定養(yǎng)護評價決策需要用到的全壽命周期效能分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。存儲記錄養(yǎng)護管理中各項工作的人工工日數(shù)、材料用量和機械臺班數(shù)量等定額數(shù)據(jù)表、工料機單價表、建安費率取費表等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，高速公路工程信息數(shù)據(jù)庫也包含對路線、路基、路面、沿線設施、防護設施等基礎(chǔ)信息在線信息管理。

3.1.2 工程運營數(shù)據(jù)信息庫

工程運營數(shù)據(jù)信息庫來源于日常養(yǎng)護管理和電子巡查管理系統(tǒng)的日常巡檢、定期檢查、特殊檢查、道路性能觀測、工程維修記錄、技術(shù)狀況評定等精細數(shù)據(jù)。工程數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)收錄從道路建立之初的相關(guān)竣工圖紙、設計圖紙、路基路面等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運營維護過程中日常巡查、夜間巡查、經(jīng)常性檢查、定期檢查、特殊檢查、最近技術(shù)狀況評定、養(yǎng)護維修記錄、交通量監(jiān)測、外界環(huán)境影響等動態(tài)信息，為養(yǎng)護單位提供有效的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)歷年數(shù)據(jù)累積，掌握數(shù)據(jù)與路況之間的動態(tài)關(guān)系及各路況病害對應的養(yǎng)護方案。它的建立使高速公路的土建工程相關(guān)信息得到了統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整和資源共享。

高速公路工程信息數(shù)據(jù)庫為高速公路管理及養(yǎng)護部門提供多維度智能化分析決策報表，綜合反映當前使用技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)及歷年來的發(fā)展變化情況，為高速公路工程養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)資料。

3.2 建立智能化養(yǎng)護網(wǎng)級輔助決策系統(tǒng)

高速公路工程信息數(shù)據(jù)庫為信息管理提供了一個后臺支持。在大量養(yǎng)護信息采集和存儲基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)庫和聯(lián)機分析處理等相關(guān)技術(shù)與工具，對這些數(shù)據(jù)進行科學分析與充分挖掘，統(tǒng)籌整個路網(wǎng)養(yǎng)護需求。在路況評定、路況預測、養(yǎng)護需求分析基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高速公路養(yǎng)護智能輔助決策;并基于周期效益最大化、周期成本最優(yōu)化，制定科學的養(yǎng)護路段、養(yǎng)護方案等養(yǎng)護規(guī)劃，實現(xiàn)養(yǎng)護資金網(wǎng)級分配、養(yǎng)護管理網(wǎng)級決策的功能。

3.2.1 建立壽命預估系統(tǒng)

根據(jù)定期采集和更新的高速公路路網(wǎng)屬性信息、車流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、技術(shù)狀況指標以及養(yǎng)護跟蹤觀測等結(jié)果，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺進行存儲、處理、分析和顯示，得到路面在各方面因素作用下的影響力，以此建立高速公路使用壽命預估模型，分析路網(wǎng)養(yǎng)護運營現(xiàn)狀，預估高速公路路網(wǎng)使用壽命和養(yǎng)護時機[4]。

3.2.2 建立養(yǎng)護方案與資金預算分析系統(tǒng)

根據(jù)最新規(guī)范對病害進行分類，結(jié)合規(guī)范及日常養(yǎng)護經(jīng)驗對各類病害制定對策方案，建立一定規(guī)模的養(yǎng)護技術(shù)對策庫。結(jié)合最新收集的信息數(shù)據(jù)，根據(jù)嵌入的養(yǎng)護技術(shù)對策庫模塊，制定大、中修養(yǎng)護方案（一種或多種），預估各方案實施后的使用壽命。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合養(yǎng)護工程量和單價，給出各路段、各方案的養(yǎng)護資金預算，進行周期成本效益分析。

3.2.3 建立養(yǎng)護資金分布網(wǎng)級決策模型與輔助決策系統(tǒng)

根據(jù)歷年不同病害對應養(yǎng)護方案所花費的養(yǎng)護費用，以各養(yǎng)護方案為維度進行養(yǎng)護費用分析，得到養(yǎng)護資金分布明細，基于周期成本效益最大化，建立養(yǎng)護資金優(yōu)化分布網(wǎng)級決策模型，以便根據(jù)不同養(yǎng)護資金供應，分配合理的養(yǎng)護路段和養(yǎng)護方案，實現(xiàn)路網(wǎng)中的養(yǎng)護資金科學分布，為科學化養(yǎng)護決策提供輔助參考，實現(xiàn)高速公路養(yǎng)護管理的信息化輔助決策。

4 結(jié)語

根據(jù)高速公路養(yǎng)護管理部門的實際需要，通過當前“云、物、移、大、智”先進信息化理念和信息化工具、成熟的計算機軟件及網(wǎng)絡技術(shù)建立高速公路養(yǎng)護智能輔助決策系統(tǒng)，對工程的基礎(chǔ)信息、養(yǎng)護管理的整個過程和數(shù)據(jù)進行記錄、分析，養(yǎng)護評估及智能輔助決策。為高速公路養(yǎng)護部門提供權(quán)威專業(yè)的業(yè)務輔助決策工具，實現(xiàn)信息化精細管理和大數(shù)據(jù)分析，讓高速公路管理部門隨時掌握工程的技術(shù)狀況，從而科學、及時地制訂公路養(yǎng)護計劃，合理安排養(yǎng)護資金，大大提高管理工作效率。

參考文獻

[1]彭蘭梅.高速公路養(yǎng)護管理與輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建[J].公路與汽運，2008（5）：159-161.

[2]郝媛，徐天東，孫立軍.高速公路路面養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)[J].計算機輔助工程，2007（3）：128-131.

[3]何政.基于GIS的城市道路路面養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[4]甘富軍.大數(shù)據(jù)時代下公路養(yǎng)護管理應用探討[J].工程技術(shù)研究，2020（7）：164-165.