宋萬強

(天津理工大學(xué)，天津 300384)

0 引言

市政道路運營與維護管理是現(xiàn)代智慧城市穩(wěn)定運作的重要保障，關(guān)系到人、車、路整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。然而，市政道路的損壞不僅會造成交通隱患[1]，而且會導(dǎo)致交通風(fēng)險的提升。為了提高道路運營和維護效率，適應(yīng)當(dāng)前城市道路維護快速響應(yīng)的要求，針對上述問題梳理和分析相關(guān)文獻可知，目前傳統(tǒng)道路檢測主要有人工檢測和道路檢測車錄像兩種方式，存在檢測效率低、主觀性強、危險性高、費用高等問題[2]。

針對傳統(tǒng)道路檢測存在的諸多弊端，高潔[3]設(shè)計開發(fā)了一套三維路面破損檢測系統(tǒng)，能夠還原路面的真實狀況并精確定位坑槽的三維信息，但建模效率較低，且對長距離、多彎道的路段建模效果較差。張敏[4]將百度街景圖像作為數(shù)據(jù)源，通過采集路面圖像中的裂縫信息對道路路面狀況進行分析和評價。然而，利用網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)進行分析雖然成本較低，但存在運維信息無法及時更新的問題。

為了有效提升我國某城市示范區(qū)內(nèi)道路維護與管理能力，提升市政道路檢測和維護效率，本文基于建筑信息模型(BIM)和目標(biāo)檢測等信息技術(shù)構(gòu)建市政道路運維管理平臺，實現(xiàn)城市道路的可視化管理以及輔助決策等功能。通過分析該平臺的具體應(yīng)用，研究數(shù)字化技術(shù)在傳統(tǒng)道路運維中的應(yīng)用效果及發(fā)展前景，可為類似市政道路項目運維管理提供參考。

1 市政道路運維管理平臺技術(shù)支撐

1.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)具有可視化、參數(shù)化、信息化等特點，目前已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[5]。利用BIM技術(shù)特點創(chuàng)建市政道路運維管理三維模型信息，能夠?qū)崿F(xiàn)道路信息的可交互性，實現(xiàn)道路相關(guān)數(shù)據(jù)共享以及信息傳遞，為道路運維系統(tǒng)的搭建提供數(shù)據(jù)支撐。

同時，利用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)道路缺陷的定位和可視化，直觀呈現(xiàn)缺陷種類及路面損壞程度，保證運維信息暢通，實現(xiàn)協(xié)同管理，為后續(xù)維護工作的開展提供便利。

1.2 目標(biāo)檢測技術(shù)

傳統(tǒng)的道路檢測信息采集主要采用人工檢測方式。該方法不僅效率低下、信息化程度低，而且不同的道路數(shù)據(jù)很難匯總，增加了后續(xù)運維的難度[6]。近年來，隨著人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，基于計算機視覺的道路裂紋檢測技術(shù)成為研究熱點。當(dāng)前，目標(biāo)檢測算法主要分為兩類：One-stage方法(如YOLO和SSD)和Two-stage方法(如R-CNN系算法)。其中，YOLOv5目標(biāo)檢測算法具有模型小、檢測速度快、可移植性強等特點[7]，不僅能夠檢測圖像信息，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對視頻監(jiān)控的實時檢測?；诖?，本文采用YOLOv5方法進行道路檢測。

1.3 圖像信息提取技術(shù)

為了客觀評價道路損壞程度，通常將道路破損面積、嚴(yán)重程度、危害類型進行綜合分析，采用路面破損狀況評價指數(shù)(PCI)進行評價[8]。首先，采集城市道路的圖像數(shù)據(jù)，采用YOLOv5目標(biāo)檢測算法對市政道路缺陷進行分類及訓(xùn)練。其次，通過對準(zhǔn)確率(Precision)、召回率(Recall)、平均精度均值(mAP)等指標(biāo)進行綜合分析，判斷訓(xùn)練結(jié)果是否合格。若訓(xùn)練結(jié)果符合要求，即可應(yīng)用于道路檢測任務(wù)中，通過對待檢測道路的圖像進行檢測分析，得到相應(yīng)檢測結(jié)果。最后，在原算法基礎(chǔ)上進行修改，輸出圖像的缺陷坐標(biāo)，對坐標(biāo)進行批量統(tǒng)計、輸出以及相關(guān)面積的轉(zhuǎn)換，計算得到整段道路的缺陷面積，并輸入路面評價系統(tǒng)，得到該段道路的評價結(jié)果。市政道路健康分析圖像信息提取與應(yīng)用流程如圖1所示。

2 市政道路運維管理的基本要求

2.1 道路環(huán)境的可視化

為了實現(xiàn)市政道路運維的智能化管理，提高后期運維效率，首先，針對不同類型道路(如人行道、窄馬路、寬馬路、立交橋、高架橋、涵洞、隧道等)特征，構(gòu)建不同的地形或道路數(shù)字模型；其次，利用BIM技術(shù)的可視化功能，將二維平面圖樣進行三維呈現(xiàn)，直觀呈現(xiàn)道路的幾何信息；最后，結(jié)合BIM+GIS技術(shù)，形成道路的全線路模型。

同時，利用運維管理平臺數(shù)據(jù)對道路缺陷進行定位和建模，將缺陷位置的圖像信息直接上傳至模型，便于運維管理人員及時掌握道路損壞信息并采取應(yīng)對措施。

2.2 道路檢測系統(tǒng)的信息化

相較于傳統(tǒng)的人工采集道路圖像方式而言，車輛采集方式的效率和安全性更高，可有效解決漏檢問題。由于受到光線、陰影等環(huán)境因素的影響，道路圖像往往包含大量噪聲，在分類標(biāo)注前應(yīng)先進行圖像增強和降噪處理，再對采集的圖像按照不同的缺陷類型進行分類和標(biāo)注。

本文采用YOLOv5方法進行道路檢測，以提取有效的道路圖像信息數(shù)據(jù)，為道路健康狀況評價提供數(shù)據(jù)支撐。

3 基于數(shù)字化技術(shù)的市政道路運維管理平臺

市政道路運維管理平臺以模型數(shù)據(jù)、道路圖像數(shù)據(jù)、道路位置信息等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，包括對象層、數(shù)據(jù)層、處理層和應(yīng)用層4級架構(gòu)。其中，對象層主要包括BIM軟件、前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器等。數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，主要包括BIM模型及數(shù)據(jù)、道路圖像數(shù)據(jù)信息、設(shè)備工作相關(guān)數(shù)據(jù)等。處理層是平臺的核心部分，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行加工，主要包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、道路評價系統(tǒng)等。應(yīng)用層主要包括各項功能的應(yīng)用，如道路三維漫游、道路狀況評價、道路健康預(yù)測以及大數(shù)據(jù)分析等。市政道路運維管理平臺框架如圖2所示。

圖1 市政道路健康分析圖像信息提取與應(yīng)用流程

圖2 市政道路運維管理平臺框架

4 案例分析

4.1 項目概況

本文以天津市某生態(tài)城區(qū)道路為研究對象，該示范社區(qū)內(nèi)包含多條市政道路。該項目依托BIM、GIS等數(shù)字化技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)搭建道路數(shù)字化運維管理平臺。通過對數(shù)據(jù)的采集、校驗、清洗、存儲、集成、共享和分析，借助運維平臺的規(guī)?；?yīng)，分析和加工有效數(shù)據(jù)信息，進而將數(shù)據(jù)信息整合為高價值的信息資產(chǎn)，實現(xiàn)道路運維由經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動的轉(zhuǎn)變。

4.2 市政道路運維管理平臺功能設(shè)計

4.2.1 道路信息可視化

該運維管理平臺提供道路的二維地圖和三維全景地圖，實現(xiàn)了道路的直觀查看和三維漫游?；诙鄬蛹壍牡乩憝h(huán)境信息和道路信息，將基于BIM技術(shù)構(gòu)建的三維建筑模型與基于GIS技術(shù)構(gòu)建的地理環(huán)境模型相融合，建立全面的大規(guī)模道路信息模型。

此外，該平臺針對Web端進行了優(yōu)化，發(fā)揮模型輕量化的優(yōu)勢，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速處理和諸多模型的高效加載，保證了三維漫游的穩(wěn)定性和可靠性，能夠及時實現(xiàn)道路模型的加載任務(wù)。

4.2.2 瀝青面層狀況輔助預(yù)測

將BIM施工信息模型和道路施工信息相結(jié)合，收集碾壓層厚度、初始壓實溫度等信息[9]。參照相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，預(yù)測瀝青混合料層疲勞壽命、瀝青混合料層永久變形、車轍試驗永久變形等。

該預(yù)測方法以道路施工信息為依據(jù)，為后續(xù)道路的養(yǎng)護工作提供數(shù)據(jù)支撐。如果道路運維數(shù)據(jù)量增大，可以通過多元回歸分析方法建立道路預(yù)測模型，將車轍深度值和累計當(dāng)量軸載作用次數(shù)作為預(yù)測變量，進一步預(yù)測道路的性能和壽命。

4.2.3 道路狀況評價

以路面破損率(DR)和路面破損狀況評價指數(shù)(PCI)作為路面損壞狀況評價指標(biāo)[9]。根據(jù)路面的破損狀況計算路面狀況指數(shù)，將路面質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、次、差5個等級。根據(jù)相應(yīng)的路面狀況指數(shù)，采取相應(yīng)的維護措施。

利用路面破損狀況指數(shù)(PCI)，搭建道路檢測管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有豐富的API接口，便于二次開發(fā)[10]，不僅能夠一鍵生成路面破損率(DR)、路面破損狀況指數(shù)(PCI)等數(shù)據(jù)指標(biāo)，而且能夠自動生成道路分析建議，供檢測人員參考。此外，還可對以往檢測數(shù)據(jù)進行記錄，便于后期查找相關(guān)維護信息。道路檢測管理系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 道路檢測管理系統(tǒng)界面(截圖)

5 結(jié)語

在城市數(shù)字化發(fā)展背景下，市政道路運維管理面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，迫切需要引入信息化技術(shù)。本文基于BIM、圖像識別等數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建市政道路運維管理平臺，并以實際案例驗證該平臺的科學(xué)性和實用性。通過數(shù)字化技術(shù)對道路健康狀況進行分析和評價，可有效減少人工統(tǒng)計的工作量，降低道路日常運維成本，為市政道路運行和維護提供數(shù)據(jù)支撐，提升城市道路數(shù)字化管理水平。