崔培强 罗梦琪 田孝武 赵守阳

摘要 文章介绍了高速公路养护智能辅助决策系统的系统目标、系统特点，提出利用高速公路基础数据及运营数据实现辅助决策的概念模型，给出系统开发方法和关键功能实现思路，为高速公路道路养护人员提供科学有效的智能养护管理辅助决策。

关键词 高速公路;路面养护;辅助决策;工程应用

中图分类号 U418.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0024-04

0 引言

高速公路养护管理是保障高速公路运输安全畅通的重要环节，是一项业务范围广、技术难度大的工作，养护质量的好坏将直接影响高速公路的安全。目前，我国高速公路不仅已全面进入养护时代，而且正在向发达高效的现代化养护过渡。随着高速公路养护里程的增加，养护管理的任务及工作量也在不断加大。与当前不断增长的路网规模相比，全国高速公路养护管理水平和信息化程度相对不足，导致部分道路养护管理不科学、养护决策缺乏有效依据。须避免道路出现失修和过修的情况，使养护资金得到合理高效利用。传统而陈旧的养护管理方法已无法满足现代高速公路运营管理的需要，在此背景下，研发科学高效的高速公路养护智能辅助决策系统具有十分重要的意义[1]。

1 系统目标及特点

高速公路养护智能辅助决策系统是根据定期采集和更新的路网属性信息、技术状况指标以及养护跟踪观测结果，对这些数据进行科学分析与充分挖掘，利用数据库和联机分析处理等相关技术与工具，通过对大量业务数据及公路基础数据的挖掘与分析，统筹整个路网养护需求，以养护资金利用效益最大化为原则，为公路管理人员提供智能化的决策支持。系统逻辑如图1所示。

系统建设特点包括以下方面：

（1）系统以中华人民共和国行业标准《公路养护技术规范》《公路技术状况评定标准》《公路桥涵养护规范》《地方高速公路养护管理内业规范化实施标准》等为系统设计原则，全面实施开发，形成具有权威性、专业性的智能辅助决策系统。

（2）系统的整体架构遵循云计算服务架构分层要求。采用B/S（浏览器/服务器）多层体系结构实现。三层结构包括表示层、业务逻辑层、数据访问层。采用J2EE/ECP的平台架构、JSP/HTML5/Ajax构建的基于浏览器的RIA（因特网应用程序）客户表示层，支持三层（数据库服务器层、应用服务器层和客户层）或多层体系结构，采用组件化、平台化和模块化设计，系统支持多种系统集成的API接口[2]。

（3）系統采用B/S模式，保证各类常见操作系统客户端的正常使用，支持客户端IE 8及以上、Chrome、Firefox、Office 2010、WPS Office及以上客户端，系统提供较完善的数据加密及访问控制，提供日志跟踪与统计分析功能。

（4）系统服务器具有相当的扩充性，系统建成后将形成静态数据库和动态数据库，并且数据量会随着时间的迁移逐步增大，最终会形成海量数据。

（5）系统具有容灾恢复能力，具有自动备份功能，当数据丢失时，可以利用备份数据恢复。系统采用多层安全机制来保障用户系统从系统安全、数据安全、网络服务安全、使用安全等方面满足《信息安全管理体系》（GB/T22080—2008/ISO/IEC27001：2005）要求。

2 开发方法

在高速公路养护智能辅助决策系统的建设中，采取三层结构的体系框架，如图2所示。它将业务系统的构建在逻辑上组成三个层次：服务发布层、数据资源层和业务应用层。以得到一个结构灵活，便于快速部署和调整的应用系统。

总体技术采用基于Java的J2EE（Apache Tomcat Server/Weblogic等）的多层架构实现表现、业务逻辑、数据操作、数据库相对独立的多层结构，如图3所示。

软件结构的层次化设计使系统具有以下特点：

（1）支持B/S结构的访问方式，同时为移动App、微信公众号、小程序等访问方式提供标准API服务接口。

（2）支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把一个复杂系统按递增的步骤进行分解，为正确的分工和协作奠定基础。

（3）每一层通过统一的服务接口与相邻的上下层交互，尽可能降低软件模块之间的相互依赖，以实现各层之间的松散偶合[3]。

（4）支持重用，只要提供的服务接口定义不变，同一层的不同实现可以灵活地进行更新和置换。这样，就可以定义一组标准的接口，而允许多种的实现方法。

系统服务器端采用基于Java的J2EE平台架构和阿里云中台开发环境，客户端全面支持IE8.0以上版本、Chrome等主流Web浏览器，使系统的维护和版本的更新只限于在服务器上进行，使用和维护十分方便，省去了大笔的费用，也省去了不少麻烦。系统客户端完全基于浏览器方式，不用安装客户端，真正实现客户端零维护。系统技术实现的结构如图4所示。

3 关键功能实现思路

当前，我国部分文献已经提出了有关高速公路养护智能辅助决策系统的构建思路，但大多只是以高速公路空间数据及属性数据为基础，利用专家知识和路面管理相关模型为养护方案进行智能辅助决策支持。此方法过于注重理论，未能结合高速公路历年病害与技术状况的关系及养护管理模式，缺乏实际养护数据，难以准确给出养护辅助决策。此外，信息收集缺乏有效规划，也没有充分分析和利用这些信息进行有效的养护辅助决策，难以真正达到智能化和信息化目的。

为科学构建高效适用的养护智能辅助决策系统，应结合各省市高速公路管养信息化建设及应用经验，以高速公路工程信息数据库为基础，分析公路在各方面因素作用下的影响力，并按照最新标准规范科学合理地评定公路目前状况，预估公路使用性能的发展趋势，预测病害的演变过程，进行养护费用效果优化分析，科学安排养护计划，寻求最佳养护时机和养护方案，降低养护成本。系统可根据公路目前状况，参考数据库里类似情况，自动生成养护计划书，也可根据病害种类、轻重程度，范围大小等因素进行智能辅助决策，自动出具养护方案，控制高速公路养护费用。具体构建思路如下。

3.1 建立高速公路工程信息数据库

高速公路工程数据信息库是一个大数据积累的过程，主要包含两部分：工程基础数据信息库（静态）和工程运营数据信息库（动态）。工程基础数据信息是工程竣工的数据，相当于人出生前和出生时的基本档案，动态信息是工程运营养护数据，相当于人的定期体检报告及生病治疗的资料。高速公路工程信息数据库结构图如图5所示。

3.1.1 工程基础数据信息库

工程基础数据信息库是一个涉及高速公路基础信息管理各个方面、各个流程的综合性网络信息管理系统。对已接收高速公路的规划报告、前期资料、竣工图纸、中间计量支付书、公路技术状况检测评定报告、特殊检查报告等非结构化数据的摘录、清洗和入库，维护更新一路一档基础资料，特别提取投资、规划设计、建设和运营养护过程中的估算费用、批复资金、建设变更成本、养护成本和用户成本数据，奠定养护评价决策需要用到的全寿命周期效能分析数据基础。存储记录养护管理中各项工作的人工工日数、材料用量和机械台班数量等定额数据表、工料机单价表、建安费率取费表等基础数据。同时，高速公路工程信息数据库也包含对路线、路基、路面、沿线设施、防护设施等基础信息在线信息管理。

3.1.2 工程运营数据信息库

工程运营数据信息库来源于日常养护管理和电子巡查管理系统的日常巡检、定期检查、特殊检查、道路性能观测、工程维修记录、技术状况评定等精细数据。工程数据信息管理系统收录从道路建立之初的相关竣工图纸、设计图纸、路基路面等基础数据和运营维护过程中日常巡查、夜间巡查、经常性检查、定期检查、特殊检查、最近技术状况评定、养护维修记录、交通量监测、外界环境影响等动态信息，为养护单位提供有效的数据支持。根据历年数据累积，掌握数据与路况之间的动态关系及各路况病害对应的养护方案。它的建立使高速公路的土建工程相关信息得到了统一的管理，实现了数据的完整和资源共享。

高速公路工程信息数据库为高速公路管理及养护部门提供多维度智能化分析决策报表，综合反映当前使用技术状态数据及历年来的发展变化情况，为高速公路工程养护决策提供數据资料。

3.2 建立智能化养护网级辅助决策系统

高速公路工程信息数据库为信息管理提供了一个后台支持。在大量养护信息采集和存储基础上，利用数据库和联机分析处理等相关技术与工具，对这些数据进行科学分析与充分挖掘，统筹整个路网养护需求。在路况评定、路况预测、养护需求分析基础上，实现高速公路养护智能辅助决策;并基于周期效益最大化、周期成本最优化，制定科学的养护路段、养护方案等养护规划，实现养护资金网级分配、养护管理网级决策的功能。

3.2.1 建立寿命预估系统

根据定期采集和更新的高速公路路网属性信息、车流量监测数据、技术状况指标以及养护跟踪观测等结果，收集监测数据并通过网络传输到系统平台进行存储、处理、分析和显示，得到路面在各方面因素作用下的影响力，以此建立高速公路使用寿命预估模型，分析路网养护运营现状，预估高速公路路网使用寿命和养护时机[4]。

3.2.2 建立养护方案与资金预算分析系统

根据最新规范对病害进行分类，结合规范及日常养护经验对各类病害制定对策方案，建立一定规模的养护技术对策库。结合最新收集的信息数据，根据嵌入的养护技术对策库模块，制定大、中修养护方案（一种或多种），预估各方案实施后的使用寿命。在此基础上，结合养护工程量和单价，给出各路段、各方案的养护资金预算，进行周期成本效益分析。

3.2.3 建立养护资金分布网级决策模型与辅助决策系统

根据历年不同病害对应养护方案所花费的养护费用，以各养护方案为维度进行养护费用分析，得到养护资金分布明细，基于周期成本效益最大化，建立养护资金优化分布网级决策模型，以便根据不同养护资金供应，分配合理的养护路段和养护方案，实现路网中的养护资金科学分布，为科学化养护决策提供辅助参考，实现高速公路养护管理的信息化辅助决策。

4 结语

根据高速公路养护管理部门的实际需要，通过当前“云、物、移、大、智”先进信息化理念和信息化工具、成熟的计算机软件及网络技术建立高速公路养护智能辅助决策系统，对工程的基础信息、养护管理的整个过程和数据进行记录、分析，养护评估及智能辅助决策。为高速公路养护部门提供权威专业的业务辅助决策工具，实现信息化精细管理和大数据分析，让高速公路管理部门随时掌握工程的技术状况，从而科学、及时地制订公路养护计划，合理安排养护资金，大大提高管理工作效率。

参考文献

[1]彭兰梅.高速公路养护管理与辅助决策系统的构建[J].公路与汽运，2008（5）：159-161.

[2]郝媛，徐天东，孙立军.高速公路路面养护辅助决策系统[J].计算机辅助工程，2007（3）：128-131.

[3]何政.基于GIS的城市道路路面养护辅助决策系统的研究与开发[D].重庆：重庆交通大学，2018.

[4]甘富军.大数据时代下公路养护管理应用探讨[J].工程技术研究，2020（7）：164-165.