高速公路智能巡檢養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

楊峰，王瑩，程仁慧，吳楠昊，李培濤

（1. 湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司，武漢430051；2. 武漢臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，武漢430000；3. 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢430074）

1 引言

截至2018 年年底，我國高速公路網(wǎng)絡(luò)已基本形成，總里程14.26×104km，較2017 年增加6.1×103km，穩(wěn)居全球首位[1]。傳統(tǒng)的巡養(yǎng)護(hù)管理中，檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理均采用檔案記錄模式。這不僅導(dǎo)致巡養(yǎng)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)效性差、主觀性和經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，且易造成數(shù)據(jù)失真和失效[2]。如何科學(xué)高效地開展高速公路巡檢養(yǎng)護(hù)工作，成為我國公路管理工作者的一大現(xiàn)實(shí)問題。

為滿足高速公路設(shè)施信息化和智能化巡養(yǎng)管理需求，利用WebGIS 技術(shù)，研發(fā)了可涵蓋所有公路設(shè)施、項(xiàng)目級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)兼顧的巡檢養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于B/S 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、GPS 和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)基于WebGIS 的數(shù)據(jù)可視化、智能化考勤管理、快速定位、檢索和分析等功能。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理和可視化能力，智能移動(dòng)辦公及友好的人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了客戶端、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫3 層邏輯框架，如圖1 所示。在數(shù)據(jù)層中采用B/S 架構(gòu)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫建立各子數(shù)據(jù)庫，對(duì)動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制、分布式存儲(chǔ)、交叉查詢和統(tǒng)計(jì)分析。應(yīng)用服務(wù)器為數(shù)據(jù)層和客戶端的橋梁，通過Java數(shù)據(jù)庫連接（Java Database Connectivity，JDBC）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接和交互?？蛻舳耸侵悄苎矙z養(yǎng)護(hù)終端軟件，利用巡養(yǎng)各角色權(quán)限實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用服務(wù)器交互，開發(fā)集巡檢、養(yǎng)護(hù)及驗(yàn)收等各個(gè)環(huán)節(jié)的智能終端和Web 平臺(tái)。

圖1 高速公路巡檢養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 融入HTML5 技術(shù)的B/S架構(gòu)

本系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，大多數(shù)或主要業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，用戶工作界面通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)，形成瀏覽器/應(yīng)用服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的3 層3-tier 結(jié)構(gòu)。將這種分布式應(yīng)用系統(tǒng)和ASP.NET+AJAX 等多種組件技術(shù)結(jié)合使用，將各個(gè)子模塊集成于一個(gè)平臺(tái)，不僅可大幅度節(jié)約開發(fā)成本，且支持用戶遠(yuǎn)程訪問和系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)。

前端可視化技術(shù)HTML5（Hyper Text Markup Language5）將Web 上的海量數(shù)據(jù)傳遞到移動(dòng)終端，來滿足快速拜訪需求，明顯增強(qiáng)了人機(jī)互動(dòng)性[3]。本系統(tǒng)在B/S 架構(gòu)中加入HTML5 技術(shù)，利用HTML5 提供的“”標(biāo)簽，在百度地圖底圖上定義支持繪圖的畫布區(qū)，并獲取瀏覽器繪圖API 接口后，利用Leaflet 在畫布區(qū)以點(diǎn)、線、面、文字和圖像等形式繪制所有巡檢公路設(shè)施，同時(shí)借助該標(biāo)簽自定義實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的事件響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及可視化，如圖2 所示。

圖2 基于HTML5 開發(fā)的典型界面

3.2 基于JSON的數(shù)據(jù)交互與同步

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)、基礎(chǔ)、用戶、業(yè)務(wù)、巡檢養(yǎng)護(hù)及評(píng)估數(shù)據(jù)庫6 大關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，采取動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)的分布式分庫存儲(chǔ)，且各數(shù)據(jù)庫間通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交叉查詢。本系統(tǒng)采用HTTP 和SOCKET 2 套服務(wù)器端接受程序，客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互通過輕量級(jí)的JSON 格式實(shí)現(xiàn)。HTTP 服務(wù)器采用“請(qǐng)求—應(yīng)答”的模式，通過運(yùn)行在Tomcat 服務(wù)器端Java servlet 程序獲得客戶端的POST 請(qǐng)求后，利用JDBC 數(shù)據(jù)庫連接池將遠(yuǎn)程用戶巡檢記錄中的文本和圖像數(shù)據(jù)保存至SQL Server 數(shù)據(jù)庫。

3.3 基于RI A技術(shù)WebGI S數(shù)據(jù)地圖開發(fā)

本系統(tǒng)引入WebGIS 數(shù)據(jù)地圖，以提供比傳統(tǒng)表格更直觀方便的查詢和統(tǒng)計(jì)功能。將豐富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序RIA（Rich Internet Applications）與WebGIS 數(shù)據(jù)地圖相結(jié)合，利用異步通信機(jī)制來提高本系統(tǒng)效率，顯著擴(kuò)展了用戶界面。

本系統(tǒng)構(gòu)造線性參照系，利用GIS 概念將一維里程轉(zhuǎn)換成二維和三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)信息快速查詢、分析和表達(dá)。并基于同一參照系，采用變長分段法，用圖形方式動(dòng)態(tài)反映公路各種屬性數(shù)據(jù)的變化，大幅度減少數(shù)字化重復(fù)工作和數(shù)據(jù)冗余，易于數(shù)據(jù)更新維護(hù)，實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)采集的任意組合空間查詢和分析。

本系統(tǒng)地理信息圖層數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)地理信息、公路基礎(chǔ)技術(shù)靜態(tài)圖層數(shù)據(jù)、公路基礎(chǔ)空間靜態(tài)圖層數(shù)據(jù)及公路業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)圖層數(shù)據(jù)4 大內(nèi)容。通過公共的基礎(chǔ)平臺(tái)獲取地形地圖和交通道路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，再縮放至合適位置及大小的百度地圖上進(jìn)行高速公路路線的描繪和標(biāo)定。業(yè)務(wù)系統(tǒng)中錄入構(gòu)造物類型、中心里程樁號(hào)、所屬線路等基礎(chǔ)技術(shù)靜態(tài)信息，可在GIS地圖中實(shí)現(xiàn)可視化。按照1∶25 萬路網(wǎng)地圖、1∶5 萬路網(wǎng)地圖、主要構(gòu)造物圖層及主要沿線設(shè)施圖層等圖層，高速公路空間數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)空間靜態(tài)圖層數(shù)據(jù)的管理，每圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)專題。同樣，業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)圖層數(shù)據(jù)也按照資產(chǎn)、橋梁、隧道、涵洞、路面技術(shù)狀況指標(biāo)、巡檢養(yǎng)護(hù)信息及外業(yè)作業(yè)人員等動(dòng)態(tài)專題圖層來管理。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能巡檢養(yǎng)護(hù)終端App 利用Android 開發(fā)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端Web 應(yīng)用系統(tǒng)（見圖3）的實(shí)時(shí)通信與信息交互。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員只要在智能手機(jī)上安裝此應(yīng)用，獲取管理員下發(fā)的賬號(hào)，進(jìn)行登錄即可使用全部功能。

圖3 管理端Web 應(yīng)用主要界面

5 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)高速公路各種設(shè)施巡檢管理的智能化和電子化，研發(fā)了一種基于數(shù)據(jù)庫、無線傳輸、GPS 及WebGIS 等技術(shù)的智能巡檢養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。通過在多條高速公路推廣應(yīng)用，表明其Web 管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)地圖展示、結(jié)構(gòu)物檔案、巡檢管理、報(bào)告報(bào)表、養(yǎng)護(hù)管理、我的消息、技術(shù)狀況評(píng)估及統(tǒng)計(jì)分析等功能；而智能巡檢養(yǎng)護(hù)終端App 可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)巡檢養(yǎng)護(hù)的構(gòu)造物定位導(dǎo)航、電子化記錄、巡檢養(yǎng)護(hù)作業(yè)PDCA 的信息處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等；利用輕量級(jí)的JSON 格式來實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)快速交互和巡檢養(yǎng)護(hù)的全過程閉環(huán)管理。基于融入HTML5 技術(shù)的B/S 的巡檢系統(tǒng)可支持語音及圖像等多種格式數(shù)據(jù)的在線和離線存儲(chǔ)，明顯增強(qiáng)了人機(jī)互動(dòng)性。

將WebGIS 應(yīng)用于高速公路巡檢養(yǎng)護(hù)管理，能給決策者提供更直觀準(zhǔn)確和快速的信息，可推動(dòng)高速公路管理標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、智能化和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。