摘要：文章通过分析公路养护行业现状存在的问题，针对行业痛点并结合施工实际情况提出了“改造现有设施设备以增加数字化能力+引入新的数字化设备+研发数字化管养系统”多管齐下的思路，通过搭建智能化的巡检体系、社会化的参与体系、超视距的预警体系、可视化的管控体系、数据化的分析体系，全力打造集数字化采集、全景化感知、科学化决策于一体的公路数字养护新模式。经实践应用，该平台起到了公路巡检降本增效、施工现场安全及监管可控、辅助公路养护科学决策等效果，具有一定推广应用价值。
关键词：公路养护；
智慧锥桶；
智能巡检；
智能安全帽；
现场管控
中图分类号：U491.2 文献标识码：A
文章编号：1673-4874（2024）04-0203-03
0 引言
随着我国基础设施建设政策的引导及发展，公路里程持续增加，公路网不断完善，逐渐从密集建设期转向养护高峰期。跟其他发展成熟的行业相比，当前公路养护大体上仍处于较低发展水平，养护模式传统、管理效率低、科学决策能力不足。为解决公路管养诸多环节中的问题，国内相关学者展开了一系列研究。唐巧玲［1］通过建立基于移动终端的城市快速路巡检养护信息系统实现日常巡检管理。刘昌新［2］通过设计高速公路养护监控管理系统实现对养护施工及公路运行状况实时监控。李春明等［3］通过建立基于微信小程序的公路桥梁巡查数据采集系统实现桥梁巡查的全面性、标准化和信息化。车德福等［4］设计并开发了一套基于GIS实现道路信息采集车和移动端APP采集数据的公路养护管理系统，提高了公路养护管理工作的效率。王杰［5］通过对夜间养护作业区行车风险影响因素、交通流特性和交通冲突研究结果，提出了适用于夜间的高速公路养护作业区的安全管控措施。
上述学者针对公路养护管理各环节中某一方面的问题进行阐述及分析，研究及应用取得了一些效果，但未形成公路巡检、施工安全、现场监管、养护决策等全过程的成套数字化养护管控技术及平台，而是更偏向于专业化养护未注重社会化参与。因此，进一步研究应用新一代信息技术的集成与应用，提升公路数字养护管控水平，具有重要价值意义。
1 现状分析
以广西为例，公路养护行业普遍存在几个问题：（1）公路巡检仍广泛依赖人工巡查，存在工作负荷大、效率低、效果差、风险高等问题；
（2）公路养护涉及占道施工，通常使用锥桶围起来作为一个施工区域，经常发生车辆冲撞施工区域，存在交通安全事故问题；
（3）公路养护施工点远离闹市，同时具有机动性临时性，管理人员与施工人员沟通不顺畅，无法实时掌控调度，存在施工现场难以管理的问题；
（4）不同于新建道路集中施工，养护施工点分散各地，项目管理人员经常奔跑各地检查，差旅费用长期居高不下；
（5）公路养护项目涉及到的工程量清单细目多且杂，施工完毕之后存在施工单位自检、劳务人员收方、业主收方等多方多步的重复计量收方工作；
（6）截至2022年末广西全区公路总里程达到160 600 km，数量庞大且点多线长，单纯依靠养护人员无法应对海量的公路养护管理需求。
2 解决思路
针对公路养护管理各环节存在效率低、风险高、监管困难、成本高、重复收方等问题，结合公路养护施工现场设施设备情况，本文通过采取改造+引入+研发成套技术及数字化系统的解决思路，形成一整套公路数字养护管控技术及平台，为公路养护嵌入科技元素，提升施工现场的管理水平，节约社会资源，改善交通和安全生产状况。
3 设计方案
3.1 方案概述
本方案融合应用物联网、4G/5G、北斗定位、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术，改造、引入及研发应用集高精定位、智能感知、安全监控等服务功能于一体的智能化设备，并将这些设备集成起来，建立一个涵盖公路巡检、施工安全、现场监管、科学决策等全过程高效精准的公路数字养护管控平台。平台系统架构由感知层、网络层、数据层、应用层和决策层组成。如下页图1所示，感知层中智慧锥桶、智能安全帽、智能巡检车、固定翼无人机、手机微信小程序等产生的音视频、图片等非结构化数据以及位置信息、设备状态等结构化数据，通过在网络层建立设备间多节点NB-IOT自组网或WIFI自组网的边缘物联网汇聚数据后，借助DTU-4G/5G传给数据层。对于实时性要求高的数据则存入数据中心关系型数据库及文件存储服务器，非实时性数据暂存分布式缓存服务器，基于广西北部湾投资集团有限公司自主研发“北投云”提供的计算集群云算力服务和数据流引擎，并利用容器化云及数据中台基础服务组件，将公路养护数据全部上云，实现资产数字化。数据中心和计算集群对公路养护数据进行深度加工挖掘和关联性分析，通过统一数据服务网关以REST、SDK接口等方式为应用层提供数据服务，可用于导航施工提醒、施工监控及检查、公路病害识别、违章作业识别、可视化计量收方、公路险情上报。在决策层利用人工智能和大数据分析，实现智能决策、指挥调度、综合管控、评估考核等。
3.2 改造锥桶增加超视距的预警能力
锥桶是公路养护施工现场中必不可少的设施，但传统锥桶只有隔离施工区域和近距离警戒作用。当司机以120 km/h高速行驶时，受限于人眼视野局限，开到施工点前才发现当前车道被锥桶封锁的情形下，可能会闯入施工区域造成现场养护人员及司乘人员伤亡交通事故。通过将4G/5G通信、物联网、北斗定位等技术集成在锥桶上，在施工现场摆放智慧锥桶之后，借助北斗定位把当前施工点经纬度数据，通过4G/5G传输至云端物联网中台，物联网中台进行数据处理以及位置匹配后同步到高德等主流导航地图，在地图上生成施工事件，给施工点过往司乘提供行前规划和行中提醒，引导出行公众合理规划路线，提前超视距告知前方占道施工，减少交通事故发送的几率，如图2所示。
3.3 改造安全帽增加移动可视化现场管控能力
公路一般远离闹市，养护施工环境复杂多变且机动临时，在施工过程中会存在各种各样的难题，管理人员无法及时跟现场施工人员沟通可能造成工期延长，甚至因缺少监管导致违章作业出现伤亡事故。安全帽作为施工场地三宝之一，是使用率最高的安全防护工具，如图3所示，通过在安全帽集成摄像头、4G/5G通信、北斗定位、物联传感器等模块，实现音视频通话、人员定位等功能，支撑现场作业远程指导、安全质量检查、计量收方等，提升公路养护行业现场管控能力。
3.4 改造巡检车增加公路病害人工智能识别能力
一条公路的通畅与健康需要养护人员通过日常的巡检和维修保养，如果还是常规“肉眼观察、下车拍照、事后上传”的人工巡检，不仅成本高、安全隐患大、效率低，而且还受多方面因素影响如道路条件、自然天气等，难以提升公路管养效率和效益。通过将4G/5G通信、北斗定位、AI病害算法仓等技术集成在现有巡检车，自动识别路面主要病害，快速获取平整度、跳车等专业路面指数，为公路预防性养护决策提供数据支撑。
3.5 引入固定翼无人机用于自动化公路巡检
智能巡检车虽然解决了人工巡检的弊端，但某些情况下如边坡塌方、地震灾害等原因导致道路通行中断时无法正常巡检，需要借助其他巡检设备补充完善巡检场景。小型四旋翼无人机虽然也用于巡检，但存在无法远程操控、依赖飞手、续航时间短、作业范围小、飞行速度慢的问题，基于5G+自动化机场+固定翼无人机的自动化公路巡检模式解决了这些矛盾。通过低时延高速率的5G技术实现超视距调度与控制，解决无人机作业范围受限问题；
自动化机场具备自动起降、换电等功能，解决续航时间短及飞手依赖问题，如图4所示。
3.6 引入太阳能摄像头完善全场景可视化现场管控
智能安全帽监控有自身局限性，由于佩戴在施工人员头上，画面晃动，视野高度不佳，无法全面监控现场各个角度。传统有线监控在户外场景下取电取网困难，挖沟布线人工成本高周期长，基于4G+太阳能+摄像头组合的方式，打破地域限制无需拉网布线，结合摄像头云台控制和变倍变焦功能，实现施工现场全局全景可视化监控，有效弥补智能安全帽移动监控死角问题。
3.7 研发公路险情上报小程序构建公路养护社会化的参与体系
动员沿线公众参与护路爱路，通过研发公路险情上报小程序，构建社会化的参与体系。公众发现险情后，使用微信小程序上传图片及填写信息，提交后系统发送短信提醒，项目管理人员确认险情信息后到项目负责人进行审核，系统根据交通影响程度，影响较大时短信通知项目业主以及公司分管领导，随后转到施工人员处置险情，处置完成后通知上报者。其流程如图5所示。
4 实践应用
本文研究的成套技术及平台已在广西全区范围内的高速公路、国省道及农村公路养护项目进行推广应用，服务于广大公路养护巡路人员、公路沿线居民、公路养护作业人员、公路过往司乘、公路养护管理人员、公路养护项目领导及公路管理业主。
4.1 公路巡检降本增效
传统人工巡检一般每天十几公里，使用智能巡检车替换公路养护巡路人员后，每日可巡查数百公里，无须人工下车，保障人员巡检过程中的安全；
无须手工记录自动识别坑槽、裂缝、车道垃圾等，经测算每公里投入成本降低50%～70%，效率提升2～3倍，起到降本增效的作用。特殊情况下，使用固定翼无人机可完成道路坑洼异物、辅助设施排查等例行巡检，也可用于极端环境下如道路中断、交通拥堵等应急巡检，巡视全程可按航线规划自动对准道路，无须进行人工干预。
除了公路养护巡路人员定期巡检，还可以在管养路段投放小程序二维码，当公路沿线居民发现有边坡塌方影响交通安全时，使用微信通过小程序自动获取险情位置，填写信息并上传图片反馈路况，系统会自动发送短信提醒公路养护巡路人员，即能解决公路养护点多线长数量多的难题。
4.2 施工现场安全及监管可控
针对车辆闯入施工区域带来的安全隐患问题，公路养护作业人员摆放智慧锥桶后，智慧锥桶自动采集占道施工信息上传同步至导航地图，方便公路过往司乘了解路况，从而通过导航引导车主提前躲避施工路段或减速慢行，实现远距离提前预警，不仅能保障公路养护作业人员安全，也让司机出行更加安全。
同时，在施工区域，公路养护作业人员佩戴智能安全帽后，公路养护管理人员能够实时查看施工现场环境和作业情况。施工周期较长的作业现场，通过加装太阳能摄像头，可有效弥补智能安全帽监控视野小、晃动大的问题，更全面掌控现场施工情况。得益于智能安全帽和太阳能摄像头音视频能力，公路养护管理人员和公路管理业主能够实现远程可视化检查和计量收方，减少出差次数，节省路费、油费和人员成本。以计量收方为例，施工单位、劳务队伍和业主单位，只需要一个单位在现场，减少成本1～2倍，助力企业降本增效。
4.3 养护科学决策
借助指挥中心驾驶舱，通过整合公路地理信息、管养系统信息、智能化设备动态信息，结合视频监控、数据挖掘和分析技术，实现数据集中展示、快速响应、及时研判、统一指挥，辅助公路养护项目领导分析各类经营指标进行科学养护决策。
4.4 应用结果价值高
通过大量实践应用，结果表明，智能巡检车、固定翼无人机、险情上报小程序、智慧锥桶、智能安全帽、太阳能摄像头等技术手段在公路养护全过程中具有重要的应用价值和潜力，公路数字养护管控成套技术及平台的落地应用，促进了公路养护行业信息化、精细化和智能化进程，推动了公路养护模式创新，提高了施工过程中的安全性，降低了人工成本，为公路数字养护做了良好的探索和示范。
5 结语
5G、人工智能、北斗定位等新一代信息技术在国家新基建政策的激励和驱动下，以肉眼可见的速度渗透、颠覆及变革交通、农业、工业等各行各业。本文通过研究应用成套公路数字养护管控技术及平台，与公路养护施工业务深度融合，为公路养护管理信息化智能化提供可借鉴的思路和方案。然而，当前由于部分国省道及农村公路4G/5G信号覆盖问题，可视化监控受到一定影响，需要进一步优化，未来在偏远山区及隧道采用4G/5G/卫星融合通信技术实现全天候数据接入支持更流畅更实时的施工现场监控。
参考文献
［1］唐巧玲.基于移动终端的城市快速路巡检养护信息系统的设计与开发［D］.昆明：云南大学，2019.
［2］刘昌新.高速公路养护监控管理系统的设计与实现［D］.兰州：兰州大学，2020.
［3］李春明，张宝虎.基于微信的公路桥梁巡查数据采集系统的推广应用［J］.天津科技，2021，48（2）：32-35.
［4］车德福，邱柯寒，师鹏飞，等.基于GIS的公路养护管理信息化系统的设计与实现［J］.公路，2022，67（12）：362-367.
［5］王 杰.高速公路夜间养护作业区交通冲突与行车风险研究［D］.重庆：重庆交通大学，2022.
作者简介：米俭辉（1985—），硕士，高级信息系统项目管理师，研究方向：公路养护信息化及智能化。
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