淺談智慧城管視域下城市道路監(jiān)測預警系統

章紅明 方利紅

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引言

近幾年，多地區(qū)頻繁出現暴雨天氣，強降雨引發(fā)了交通堵塞、道路水淹、河水倒灌等現象，內澇災害嚴重影響了城市居民的正常出行。同時，隨著私家車的持有量持續(xù)增長，道路承載量大幅增長。地下市政管線呈現出復雜化的結構體系，軌道交通系統的分布也越來越密集。在上述問題的共同作用下，城市道路病害發(fā)生率有所升高，包括富水體、疏松體、空洞、脫空等。道路因地下病害體而產生了塌陷、車轍加深、裂縫、沉陷等情況。針對以往道路管理中面臨的技術短板，管理單位可依托智慧城管技術，為城市道路建設監(jiān)測預警系統。

1 城市道路塌陷原因分析

1.1 地質因素

我國各地的水文地質條件展現出多變性與復雜性的典型特征，各個城市的地質基礎也各不相同。如不少地區(qū)在長期的構造運動與氣候劇烈變化等自然因素的影響下，沉積厚度持續(xù)發(fā)生變化，沉積物經過數次交替進行的侵蝕與沉積活動，沙層粉土占比增加，同時還有豐富充足的地下水儲備。豎向土層厚度變化幅度較大，常常出現多層組合與軟硬交替的情況。地基承載力不足，導致道路過早發(fā)生塌陷與沉降的病害[1]。

城市地下水土流失問題日益加重，帶來了越來越多的松散發(fā)育帶與地下空洞，變形沉降帶持續(xù)影響回填土路基的穩(wěn)定性。道路因城市交通運輸活動容易發(fā)生局部路段荷載量相對過大的情況，導致道路下方土體發(fā)生固結沉降現象。若前期道路建設工程中未使路基強度達到標準，也會在道路運營階段誘發(fā)塌陷與沉降現象。地下管道在長時間使用的過程中，老化程度持續(xù)加重，管道破裂與滲透問題也是水土流失加重的重要原因，并導致土質更為疏松，空洞數量更多。

1.2 強降雨因素

強降雨是城市道路塌陷的重要誘發(fā)因素，7月至9月是多個地區(qū)集中發(fā)生道路塌陷事故的時間段，主要是因為進入夏季后降雨量大幅增加，氣候異常變化使城市暴雨頻繁出現。城市規(guī)劃因素、工程建設因素也是影響當前城市排水的關鍵因素，包括城市內澇規(guī)劃和城市其他規(guī)劃之間的協調性不足，管網難度較高，城市地下空間中的治澇措施的效用較低等[2]。排水能力較弱的城市在遭遇極端天氣后，有較大概率引發(fā)內澇。雨水在道路上大量淤積，持續(xù)浸泡道路，擴大了土壤的實際含水量，土質也因此而變得更加疏松。

1.3 施工因素

城市建設工程中的地下管線作業(yè)、地鐵盾構作業(yè)與建筑基礎施工等均會給土體帶來程度不一的擾動，沖擊土體內部平衡性，誘發(fā)土體變形與位移現象。部分施工單位在地基等施工活動中，對于地下原有管線的保護不到位，可能會使管道受損，形成泄漏與透水事故。若施工期間未加固周邊土層，同時回填密度把控不到位，同樣會造成地面塌陷。

2 當前道路病害信息采集方式以及存在的問題

2.1 采集方式

傳統的道路病害采集方式包括日常巡檢、定期巡檢、專項檢測等，通常由巡檢人員駕駛專用巡檢車輛巡查遍歷路面，通過人工記錄的方式在現場記錄病害和事故信息，再返回巡檢養(yǎng)護部門做后續(xù)處置。隨著城市化進程的加快，城市的規(guī)模持續(xù)擴張，原始的使用人工方式的道路巡檢管理方法已無法達到現代化城市發(fā)展的需求，急需科學規(guī)范的管理手段和方法，對城市的安全狀況進行有效的監(jiān)測，保障道路的正常運行。

2.2 存在的問題

2.2.1 養(yǎng)護需要進行大量的現場數據采集工作，道路管理和養(yǎng)護部門迫切需要運用新型手段和裝備，對道路信息進行現場數據收集、錄入、保存和遠程傳輸。

2.2.2 缺乏統一的信息管理，道路橋梁隧道的重要數據還是以人工方式進行收集，并以傳統的Excel表格方式和紙質檔案來保存，從而對道路日常巡檢養(yǎng)護、事故病害等信息進行管理與分析，為建設、養(yǎng)護、維護、加固提供決策依據。

2.2.3 城市數據普遍存在準確性和可信度較差，缺乏統一規(guī)范的數據標準和城市數據庫，不能為養(yǎng)護部門，道路交通管理部門提供全面可靠的道路基礎數據。

2.2.4 城市建設規(guī)模和數量的快速增加，養(yǎng)護過程中積累的大量數據資料急需進行科學化、信息化的管理和分析。

因此，當前的城市養(yǎng)護管理急需運用現代信息技術、大數據分析技術等，改變傳統的管理模式和管理方式，設計開發(fā)具有網絡化和空間可視化的城市智能道路病害采集分析系統，來對具有空間性的道路、橋梁、隧道的設施設備及其關鍵參數進行快速、準確、實時、高效的傳輸、存儲和管理，以及可視化的查詢、統計和空間分析，進而實現道路的科學化、信息化的管理與分析，提升道路管理與市政養(yǎng)護部門的管理水平與管理效率，為城市的規(guī)劃、建設、管理和養(yǎng)護提供可靠全面的基礎數據和科學的決策依據，為城市精細化管理提供支撐。

3 智慧城管視域下的城市道路監(jiān)測預警系統設計要點

3.1 智慧城管的主要特點

智慧城管是各地城市管理部門全面提升城市管理工作的人性化、智能化、精細化水平的重要工具，也是落實“大城眾管、大城管智、大城細管”管理模式的關鍵抓手。推進城市管理數字化與智能化建設時，城市管理部門可逐步實現分析、感知、指揮、服務以及監(jiān)察五項功能一體化應用。通過建設城市綜合化管理指揮中心、專項管理圖、精準物聯感知網、行業(yè)大數據系統以及管理政務云，持續(xù)完善智慧城管綜合服務與管理平臺[3]。在智慧城管體系下，城市管理部門可根據其管理職能范圍來廣泛獲取可用數據并進行共享，保障城市管理決策的科學性與可行性，達成設施有效物聯、精準立體感知、高效獲取海量數據、共享數據資源、科學決策以保障信息安全的全新城管目標，依靠科技力量為城市居民建設安全、有序、整潔、干凈的美好城市生活，打造宜業(yè)、宜游、宜居的高品質城市生活。

3.2 監(jiān)測預警裝備與系統架構

3.2.1 監(jiān)測預警裝備。①車載攝像頭：360°高清攝像頭，支持全彩高清視頻錄制、智能識別；②邊緣智能一體機：控制采集設備運行，并對采集數據進行存儲和預處理；③北斗/GPS多模天線：支持北斗、GPS、GLonass三模定位；④激光平整度儀：利用激光測繪，生成高精度的路面平整度信息；⑤里程編碼器：對采集里程進行厘米級測定。

3.2.2 系統架構。

（1）數據層：主要用于各種原始道路數據采集、存儲和傳輸，由軟件和硬件配合，實現高清影像拍攝、多模GPS、慣性導航平整度等數據的高精度采集。

（2）技術層：主要用于原始數據的清洗、分析和AI識別。是核心人工智能算法對原始數據進行處理加工，生產結構化的病害信息關鍵環(huán)節(jié)。

（3）能力層：主要用于將原始病害信息，按照國家的評定標準，產生PQI、PCI等各種評定數據。

（4）應用層：對整體采集和數據分析工作進行管理。

（5）決策層：對數據進行整體分析和匯總，提取支持決策的信息。

3.3 系統建設內容

3.3.1 快速檢測核心算法平臺。道路路面病害檢測算法平臺，可利用視頻、圖像對路面病害進行快速、精準的智能化檢測[4]。支持不同類型路面上多種主要病害的檢測，如瀝青路面的橫裂、縱裂、龜裂、坑槽、修補縫等，以及水泥路面的裂縫、坑洞、破碎板、露骨等；具備抗干擾功能，可智能排除如樹蔭、水漬、車道標識線等常見的干擾物，提高檢測精度；需支持病害破損程度評估，評估結果將為后續(xù)道路的維養(yǎng)決策提供支撐。

3.3.2 快速檢測采集助手App。支持安裝于安卓移動端，App包含數據采集、路段切換、設備狀態(tài)監(jiān)控、采集流程控制等模塊功能。

（1）數據采集。支持自定義采集任務創(chuàng)建，支持道路視頻信息、GPS信息等重要信息采集，支持App端查看采集地圖路線。

（2）路段切換。App可支持根據采集過程的實際道路狀況切換路段信息，包含瀝青、水泥等普通道路。

（3）設備狀態(tài)監(jiān)控。App支持采集任務采集過程中采集設備狀態(tài)監(jiān)控，可及時發(fā)現采集問題等。

（4）采集流程控制?？伸`活對采集過程進行暫停、中斷、重啟等控制。

3.3.3 快速檢測病害識別管理系統。該系統為病害分析統一管理后臺，用于路面病害分析，通過采集道路路面視頻、GPS等多源數據,在平臺上進行數據融合，利用算法平臺分析病害長度及面積，并對各道路損壞情況進行統計分析，為道路維養(yǎng)提供決策支持。

病害識別管理系統主要包含數據管理、任務管理、病害分析、權限管理等模塊功能。

（1）數據管理。根據道路病害采集App的任務，建立數據池并高效管理。支持道路采集的多源數據自定義上傳，包含視頻數據、GPS數據等，上傳狀態(tài)可監(jiān)控，上傳后數據列表可查看及篩選。

（2）任務管理。同步道路病害采集App端創(chuàng)建的任務，可在后臺任務管理模塊進行任務列表查看，各維度篩選查詢等。支持采集任務過程監(jiān)控數據可視化查詢?？砂凑諈^(qū)域及時間維度，對各區(qū)域內的道路病害采集的結果數據，進行匯總并計算，并直觀展現省/市/區(qū)/縣的道路技術狀況，為道路維養(yǎng)提供決策依據。

（3）病害分析。支持病害分析自動化，數據源上傳后可自動調用算法平臺進行病害分析，展示分析結果。支持查看病害詳情，以及病害定位，便于維養(yǎng)人員快速定位病害所在位置。

（4）權限管理。通過系統設置安全規(guī)則或者安全策略，保障各層級用戶之間數據的安全性。按照角色和用戶的維度進行權限控制，可自定義配置系統功能權限的同時，需支持根據省市縣進行區(qū)域數據權限控制。

3.4 運維管理體系與安全保障體系

首先，為確保城市道路預警與監(jiān)測系統的正常運行，需要完整地建立一系列運行標準規(guī)范，包括運維管理規(guī)范、中心庫建設規(guī)范、共享與交換信息資源操作標準以及采集信息資源標準。完成標準規(guī)范機制建設后，需對其內容進行專業(yè)化論證，而后必須嚴格執(zhí)行[5]。其次，系統建設任務結束后，還應圍繞資金、人員以及機構等核心要素，給系統編制能夠長期使用的、內容規(guī)范科學、要求具體明確的運維管理機制，為該系統的長期使用、管理與維護提供必要的參考依據與剛性約束。最后，重視該系統的安全保障工作?？赏ㄟ^完善整體建設規(guī)劃方案、優(yōu)化信息安全管理策略、搭設安全技術框架，為系統防控網絡信息安全風險提供可靠的支撐平臺，保障道路預警與監(jiān)測系統傳遞的信息的真實性與完整性。運行監(jiān)測與預警系統期間必須引入安全保密技術并充分發(fā)揮其防范信息安全風險的作用，避免內部有保密要求的信息被竊取與違規(guī)利用。

4 結束語

道路塌陷問題若得不到及時解決，可能會造成人員傷亡、車輛損毀等事故，給社會造成極為惡劣的影響。因此，在道路管理工作中應高度重視道路塌陷風險。智慧城管為城市道路管理提供了先進化的技術支持與工作思路，相關部門可以物聯網、數據分析、云平臺等為基礎，圍繞當前的城市道路塌陷問題，構建實時監(jiān)測與風險預警系統，科學部署硬件設施，持續(xù)優(yōu)化系統架構，完善預警提示流程。日后還可針對道路積水、噪聲、違規(guī)占用等其他問題，引入與應用智能化監(jiān)測與預警技術。