基于ArcGIS的高速公路养护管理信息系统

 摘要：日益加大的交通压力对高速公路的养护管理提出新的问题。如何通过信息化手段提高高速公路养护水平，保障高速公路的道路通行能力是对高速公路养护者提出的考验。本文作者提出以GIS技术为基础，结合三维技术、无线通讯技术、GPS技术等，实现基于GIS的高速公路养护管理信息系统，更好地为养护决策服务。
 关键字：养护管理   GIS
Abstract：With the developing traffic express, the highway management department must face a new problem that how to maintain the efficiency, and how to ensure the traffic of the highway. Based on GIS, integrated 3D, wireless communication, GPS and other technology, author developed a highway maintenance management system to provide service and assistant decision-making warranty to the Maintenance department of highway administration.Key Words: Highway maintenance management, GIS

1. 高速公路养护工作的信息化现状
 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务的基础设施。高速公路在运输能力、速度和安全性方面具有突出优势，对实现国土均衡开发、建立统一的市场经济体系、提高现代物流效率和公众生活质量等具有重要作用。目前全世界已有80多个国家和地区拥有高速公路，通车里程超过了23万公里。高速公路在中国内地的出现和发展仅仅走过了17年的历程，在今天，3万4千多公里的高速公路正在为中国经济和社会的发展提供着便捷的、高效率的运输服务。
 另一方面，近年来我国的机动车数据量发展速度远远高于高速公路新增里程的速度，因而对高速公路的养护工作带来了空前的挑战。近一年时间内就有几起高速公路大事故发生，如太旧高速公路的地质灾害、京珠高速的桥梁坍塌等。这些事故更直观地暴露出了传统的、长期计划经济体制下的经验型养护管理模式已不能适应高速公路的发展与压力增大的要求，其问题主要体现在如下几方面：
 （1）养护行政管理体制不顺。目前我国高等级公路的养护管理与一般公路的养护管理一样，大多仍采用事业型的管理体制，不能反映高等级公路社会化大生产的商品属性要求；养护经费来源仍采用政府财政方式，不能适应高等级公路管理企业经营性要求，这些方面已严重影响了养护技术水平的提高与管理机制的创新。
 （2）养护运行机制落后，“重建轻养”思想严重。对养护管理强制性要求，缺乏足够的认识及有效的法律约束，主要表现为对养护责任事故追究不力，监管不严，处罚过轻；对养护资金投入不足，对科技进步重视不够，尚未建立起现代企业制度。
 （3）缺少养护定额与规范。截止目前，针对高等级公路养护管理特点的全国性或地方性统一的养护定额与技术规范尚未出台，养护工程费支出缺乏严格的考量标准，随意性较大；养护质量的考核中的指标主观随意性大。
 （4）养护机械配套率不足，养护科技含量低。虽然一些地方，一些高等级公路配备了从国外引进的大功率综合性养护机械，但对机械适应能力差，对机械性能的开发严重不足，使用频率低，设备闲置浪费现象比较严重；大多养护作业仍采用传统的手工作坊式生产组织，对国外已有的新技术、新工艺、新材料只处在试验阶段，还没有大规模推广使用。
 （5）养护管理人员总体素质普遍偏低。目前高速公路养护都朝着机械化、专业化方向发展，这对养护管理人员的素质提出较高的要求。而我国目前的养护管理人员总体素质普遍偏低，限制了高速养护水平的提高。
 （6）与高速公路其它管理部门的信息共享困难。目前没有很好的办法进行高速公路横向管理部门之间的数据共享，如路政部门、机电部门、营运部门，对突出事件的应对处理能力差。
2. 养护信息化工作需要解决的问题
 高速公路养护是一项复杂的工程，通过建设高速公路养护管理信息系统，可以从技术手段与工具来上提高养护管理质量的目的。结合实际的业务情况建立高速公路养护管理信息系统可以解决以下问题：
 建立起高速公路基础数据中心，保存高速公路各种基础数据和养护业务数据；
 改善高速公路各种结构物病害数据采集的作业方式，统一病害数据采集格式、要求，提高作业效率和数据采集的准确性；
 解决现有养护资料保存、查询、使用、备份困难的局面；
 统一业务数据的管理，提高数据使用效率和资料的完整性，便于数据的更新；
 加强病害管理工作，以病害为管理对象，建立起病害生命周期模型，实现对病害发展的全程管理。
 规范日常技术工作，培养技术人员养成良好的信息化工作习惯；
 建立起高速公路养护质量指标数据库，根据不同的指标情况制定出不同的养护对策，做到量化养护的目的；
3. 基于GIS的高速公路养护管理解决思路
 地理信息系统（Geographic Information System，GIS）以其强大的数据管理能力与空间可视化分析能力已在各行各业上广为应用，对于交通领域也有和交通专业相结合的交通GIS（GIS－T）技术，为智能交通等交通问题提出了很好的解决思路。另外，全球定位系统（Globe Position System，GPS）技术也为高速公路的各种智能管理与实时监控提供了强大的技术可行性的支持。
 对于高速公路养护管理方面存在的问题，如何以GIS与GPS两种技术以基础将为高速公路养护管理带来更好的解决方案，笔者提出基于GIS的高速公路养护管理解决方案，具体如下：
 集成交通GIS(GIS-T)技术、海量多源空间数据库技术、虚拟现实技术、激光测量技术、全球定位系统(GPS)技术、无线通信技术、多媒体技术、交通领域专家模型等高新技术，旨在实现能够对道路病害实现信息多方位采集，实时传送，直观表述，对养护工作实现现场实时指挥，基于领域专业模型的养护要素分析，基于知识发掘及分析结果的方案及计划制定等功能，建立一套具有高度自动化、规范化、实用性以及可扩展性的高速公路养护管理信息系统；实现在高速公路日常养护工作中，有效组织和管理高速公路的各类养护数据、提高这些信息的使用效率，提高高速公路养护管理的效率及水平、降低管理成本，推进高速公路养护的管理现代化、数据信息化、决策科学化是切实可行的。
 3.1. 基于海量多元空间数据库的数据存储
 海量多元空间数据库是指将各种类型的数据，以空间的方式进行高效地组织，并存放在同一个数据库中，以达到统一管理的目的。高速公路养护管理中需要多种类型的资料，如高速公路基础结构物数据、竣工图纸资料数据、病害历史记录数据、病害维修工程合同数据等，而将这些数据进行统一的管理就能提高数据的利用率与共享率，更好地为养护管理服务，并为数据的进一步挖掘使用打下良好的基础。
 基于海量多元空间数据库的解决方案，是将各种资料进行整合统一管理。对于竣工图，按图纸的原来进行基于CAD的方式进行矢量化，建立起竣工资料库索引，导入数据库中以案卷的方式进行统一管理；对于高速公路基础结构物，以高速公路平面竣工图为基础，利用GIS实现对所有数据的矢量化与属性表结合管理；对于病害维修工程合同相关的数据，将其扫描成图片数据，保存各种签名、盖章的原样，导入数据库中以工程资料的目录进行统一管理；病害相关的数据，以GIS的方式进行点、线、面的方式，并赋于完整的属性信息，最大程度地以病害的原貌进行存贮位置等相关信息；对于高速公路结构物，按实际尺寸进行三维建模，导入数据库，达到高速查询与使用的目的。
 总之，基于海量多元空间数据库的解决方案，能根据养护所需要的各种数据进行分行，利用不同的方式信息化，最终以空间的形式进行统一高效管理。同时数据库为无限扩展，满足数据日积月累的数据量增加需求。
 3.2. 基于线性参考的高速公路结构物和业务数据组织管理
 高速公路的结构物的定位方式为采集里程的方式进行，此种方式时在平面上用一维的坐标来确定位置。在地理信息系统中，线性参考系统（Linear Referencing System）的数据模型是根据和已知参考点间的偏移量来进行位置度量的方法，实际是用一维坐标来表示线性对象位置的方法，借助于此种参考体系统，就可以进行位置点和位置段的定位，从而进行点事件和线事件的动态分段方法。此种方法能很好地解决高速公路的结构物组织和管理的问题。
 高速公路是最典型的线性系统，高速公路的位置可以定义出一个起点，高速公路上的每一点都可以利用该点离起点的距离来进行精确表示，高速公路上的每一段也可以利用离该点的起点距离和终点距离来表示。这样，借助于基于线性参考的动态分段管线模型，可以避开复杂的XY坐标，而只用一维坐标就能精确表示出高速公路沿线结构物及设施的位置，用起点一维坐标和终点一维坐标来表示一段高速公路的位置，而当这些要素的空间位置发生变化时，只需要对属性表的属生进行更新时就可以对空间位置进行更新。而这种方式更是利于数据的管理与分析。
 3.3. 基于GPS\激光测距集成病害定位测量
 GPS（Globe Position System，全球定位系统）利用卫星进行快速高精度的地面定位，以最快的时间确定病害所发生的里程桩号等具体位置。
 激光测距仪可以完成距离测量,水平角度测量,垂直角度测量和清晰观察等工作。
 将GPS以及激光测距这两种技术进行集成，完成各种病害的定位以及病害规模测定，特别是能进行远处的目标测量，方便采集人员进行方便进行的区域，如高速公路行车道这样的高危地区，在远处完成病害采集。
 另外，利用GPS技术，在进行病害复查时，预先计算出采集人员的复查路线，以帮助采集人员以最快的速度找到复查病害位置，高效地进行病害复查。
 3.4. 基于三维结构物显示和病害采集
 高速公路的桥涵结构物为养护工作的重点，相同类型、相同程度的病害，发生同一个结构物上的不同位置所引起的隐患与对应的养护处理方式是完全不同的，如同样长度的与裂缝发生在一片梁的中间与两端是完全不同的。因此在进行病害采集时采集何种方式记录病害才能更完整记录下病害的信息对于养护决策就非常重要了。
 利用三维技术，将高速公路相关的结构物，以真实尺寸进行三维建模，在野外进行病害采集时，以虚拟现实的形式，直接在相对应的结构物上进行病害信息的标注，最真实地表示出病害发生的位置。加上辅以数码相机、数码摄像机等记录手段，完整地记录下病害的情况，并在内业中进行真实地再现，提供有效的病害处理决策支持依据。
 3.5. 基于无线网络的突发病害信息传输
 基于无线网络传输技术，在发突发事件或发现重大病害时，及时将所采集到的信息基于无线传输到管理中心，以便相当决策者在最短的时间内做出相对应的处理办法，大大缩短对突发事件的响应时间，提前对突发事件的处理效率。
 3.6. 以病害生命周期的病害管理模式
 根据不同的病害类型，系统地制定出相应的病害处理流程，跟踪和管理病害的发展历程。同时将病害的生命周期划分为未处理阶段、正在处理阶段、已发展阶段、已维修阶段和历史病害阶段，针对处于不同阶段的病害制作不同的处理与管理方式，确定病害处理流程，如下图所示。

 3.7. 基于高速公路养护质量指标的养护决策
 高速公路养护对象分为路面养护、路基养护、桥涵构造物养护和沿线设施四部分，这四项对应的评价指标分别为PQI、SCI、BCI和TCI，这四部分的共同构成对高速公路的整体养护。高速公路养护质量指数MQI（Expressway Maintenance Quality Index）是对高速公路的养护质量的综合评定。
 依据《高速公路养护质量检评方法（试行）》规定MQI和所需指标及相关关系图如下：

 根据以上指标，建立起对应的高速公路养护管理决策树，将养护决策依据“量化”，更科学地养护高速公路。
 3.8. 基于领域专业模型的养护要素分析手段
 利用交通领域的专业模型，根据高速公路历年的各种指标数据，结合该路的车流量数据、路面结构、地质条件等相关的因素，建立起相对应的路面性能指标评价分析模型与预测分析模型，提供科学的决策支持信息，提高养护的针对性，优化养护费用的分配，降低养护成本。
4. 基于GIS的高速公路养护管理信息系统实现
 4.1. 系统总体结构
 根据基于GIS的高速公路养护管理解决思路，系统由外业病害采集系统和内业养护管理信息系统组成。
 外业病害采集系统用于进行高速公路相关的病害采集，包括路面、桥梁以及其它相关结构物。
 内业养护管理信息系统用于对高速公路相关的各种资料进行统一管理，以及养护计划制定，病害管理、养护质量指标管理等各方面养护相关的业务办公功能。
 4.2. 系统功能
 4.2.1. 外业病害采集系统功能
 外业病害采集系统为作为高速公路病害采集的工具，利用平板电脑或PDA为记录设备，结合数码相机、激光测距仪、高精度GPS等测备设备进行病害采集，达到高效、准确的病害采集，主要有以下功能模块：
 病害采集功能模块
 GPS定位功能模块

 GPS导航功能模块
 病害规模测量模块
 无线通讯功有模块
 详细功能结构如下图所示：

外业病害采集系统功能结构图
 4.2.2. 内业养护管理信息系统功能
 内业养护管理信息系统是核心，C/S结构和B/S结构相结合方式实现功能其中C/S结构用于高级数据管理维护、三维结构物管理等功能，而B/S结构用于信息查询等日常办公功能。
 实现上数据层利用ArcSDE＋Oracle进行对各种类型的数据进行组织和存储，业务层上利ArcIMS或ArcEngine实现各种高速公路养护业务功能，主要有如下功能模块：
 系统设置功能模块
 基础信息管理功能模块
 工程资料管理模块
 路面资料管理模块
 三维结构物管理模块
 车流量信息管理模块
 病害管理模块
 养护计划管理模块
 养护工程管理模块
 详细功能结构如下图所示：

参考文献
孙立军 《沥青路面行沥青路面结构行为理论》 人民交通出版社 2005-11
马观宇 《高速公路养护质量检评与新技术规范应用手册》 光明日报出版社 2003-3
交通部 《高速公路养护质量检评方法（试行）》 人民交通出版社 2003-3