高速公路智能巡检养护管理系统研究与开发

杨峰，王莹，程仁慧，吴楠昊，李培涛

（1. 湖北交投智能检测股份有限公司，武汉430051；2. 武汉临空经济区建设投资开发集团有限公司，武汉430000；3. 武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉430074）

1 引言

截至2018 年年底，我国高速公路网络已基本形成，总里程14.26×104km，较2017 年增加6.1×103km，稳居全球首位[1]。传统的巡养护管理中，检测数据的采集、传输和处理均采用档案记录模式。这不仅导致巡养工作劳动强度大、时效性差、主观性和经验性强，且易造成数据失真和失效[2]。如何科学高效地开展高速公路巡检养护工作，成为我国公路管理工作者的一大现实问题。

为满足高速公路设施信息化和智能化巡养管理需求，利用WebGIS 技术，研发了可涵盖所有公路设施、项目级和网络级兼顾的巡检养护管理系统。该系统基于B/S 网络架构，结合数据库、GPS 和无线传输等技术，实现基于WebGIS 的数据可视化、智能化考勤管理、快速定位、检索和分析等功能。该系统具有强大的数据库管理和可视化能力，智能移动办公及友好的人机交互界面。

2 系统结构与功能

系统设计了客户端、应用服务器、数据库3 层逻辑框架，如图1 所示。在数据层中采用B/S 架构的关系型数据库建立各子数据库，对动静态数据进行复制、分布式存储、交叉查询和统计分析。应用服务器为数据层和客户端的桥梁，通过Java数据库连接（Java Database Connectivity，JDBC）实现数据库的连接和交互。客户端是智能巡检养护终端软件，利用巡养各角色权限实现与应用服务器交互，开发集巡检、养护及验收等各个环节的智能终端和Web 平台。

图1 高速公路巡检养护管理系统架构

3 关键技术

3.1 融入HTML5 技术的B/S架构

本系统采用B/S 架构，大多数或主要业务逻辑在服务器端实现，用户工作界面通过浏览器实现，形成浏览器/应用服务器/数据库服务器的3 层3-tier 结构。将这种分布式应用系统和ASP.NET+AJAX 等多种组件技术结合使用，将各个子模块集成于一个平台，不仅可大幅度节约开发成本，且支持用户远程访问和系统远程升级。

前端可视化技术HTML5（Hyper Text Markup Language5）将Web 上的海量数据传递到移动终端，来满足快速拜访需求，明显增强了人机互动性[3]。本系统在B/S 架构中加入HTML5 技术，利用HTML5 提供的“”标签，在百度地图底图上定义支持绘图的画布区，并获取浏览器绘图API 接口后，利用Leaflet 在画布区以点、线、面、文字和图像等形式绘制所有巡检公路设施，同时借助该标签自定义实现鼠标的事件响应函数，实现矢量数据的存储及可视化，如图2 所示。

图2 基于HTML5 开发的典型界面

3.2 基于JSON的数据交互与同步

本系统设计了系统、基础、用户、业务、巡检养护及评估数据库6 大关系型数据库，采取动静态数据的分布式分库存储，且各数据库间通过系统数据库和基础数据库建立联系，可实现数据的交叉查询。本系统采用HTTP 和SOCKET 2 套服务器端接受程序，客户端与服务器的数据交互通过轻量级的JSON 格式实现。HTTP 服务器采用“请求—应答”的模式，通过运行在Tomcat 服务器端Java servlet 程序获得客户端的POST 请求后，利用JDBC 数据库连接池将远程用户巡检记录中的文本和图像数据保存至SQL Server 数据库。

3.3 基于RI A技术WebGI S数据地图开发

本系统引入WebGIS 数据地图，以提供比传统表格更直观方便的查询和统计功能。将丰富互联网应用程序RIA（Rich Internet Applications）与WebGIS 数据地图相结合，利用异步通信机制来提高本系统效率，显著扩展了用户界面。

本系统构造线性参照系，利用GIS 概念将一维里程转换成二维和三维坐标，实现信息快速查询、分析和表达。并基于同一参照系，采用变长分段法，用图形方式动态反映公路各种属性数据的变化，大幅度减少数字化重复工作和数据冗余，易于数据更新维护，实现各数据采集的任意组合空间查询和分析。

本系统地理信息图层数据包含基础地理信息、公路基础技术静态图层数据、公路基础空间静态图层数据及公路业务动态图层数据4 大内容。通过公共的基础平台获取地形地图和交通道路的基础数据后，再缩放至合适位置及大小的百度地图上进行高速公路路线的描绘和标定。业务系统中录入构造物类型、中心里程桩号、所属线路等基础技术静态信息，可在GIS地图中实现可视化。按照1∶25 万路网地图、1∶5 万路网地图、主要构造物图层及主要沿线设施图层等图层，高速公路空间数据集实现基础空间静态图层数据的管理，每图层对应一个专题。同样，业务动态图层数据也按照资产、桥梁、隧道、涵洞、路面技术状况指标、巡检养护信息及外业作业人员等动态专题图层来管理。

4 系统实现

智能巡检养护终端App 利用Android 开发技术及标准数据交换协议，通过网络服务接口，实现与服务器端Web 应用系统（见图3）的实时通信与信息交互。现场作业人员只要在智能手机上安装此应用，获取管理员下发的账号，进行登录即可使用全部功能。

图3 管理端Web 应用主要界面

5 结语

为实现高速公路各种设施巡检管理的智能化和电子化，研发了一种基于数据库、无线传输、GPS 及WebGIS 等技术的智能巡检养护管理系统。通过在多条高速公路推广应用，表明其Web 管理系统能实现地图展示、结构物档案、巡检管理、报告报表、养护管理、我的消息、技术状况评估及统计分析等功能；而智能巡检养护终端App 可实现现场巡检养护的构造物定位导航、电子化记录、巡检养护作业PDCA 的信息处理、数据统计分析等；利用轻量级的JSON 格式来实现两者的数据快速交互和巡检养护的全过程闭环管理。基于融入HTML5 技术的B/S 的巡检系统可支持语音及图像等多种格式数据的在线和离线存储，明显增强了人机互动性。

将WebGIS 应用于高速公路巡检养护管理，能给决策者提供更直观准确和快速的信息，可推动高速公路管理标准化、规范化、智能化和产业化的进程。