施興華，李顯超

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路事業(yè)得到長足的發(fā)展，各種等級的公路網(wǎng)絡(luò)不斷加密，根據(jù)交通部的統(tǒng)計公報顯示，到2021年末，我國公路總里程達(dá)到519萬千米。但是大部分的公路還沒達(dá)到設(shè)計年限就需要大修，并普遍發(fā)生了早期病害。如何快速高效的查明病害產(chǎn)生的原因和病害的大小是公路日常養(yǎng)護(hù)檢測的最重要任務(wù)。

同時由于城市人類活動的加劇，塌陷、沉降事故頻發(fā)，對人民出行和生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅。如何在不損壞路面結(jié)構(gòu)和不影響車輛正常行駛速度的前提下，快速準(zhǔn)確獲取路面及路下信息，及時發(fā)現(xiàn)道路下方的病害并做出預(yù)警，掌握公路的質(zhì)量狀況顯得尤為重要。目前最常用的道路塌陷無損檢測手段為探地雷達(dá)設(shè)備。以車輛為平臺，以探地雷達(dá)為核心，融合高清攝像系統(tǒng)，輔以GPS和里程定位技術(shù)，對道路表面及內(nèi)部缺陷進(jìn)行探測。具有高速采集、精準(zhǔn)定位、多通道、全斷面檢測等優(yōu)點 。

通過車載檢測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要有：多個通道的雷達(dá)數(shù)據(jù)、路表面的照片、路兩邊的視頻圖像、GPS信息、樁號信息。道路塌陷信息管理平臺將上述多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合顯示，綜合利用無損檢測、GIS、大數(shù)據(jù)平臺及人工智能等新一代信息技術(shù)，掌握城市道路的健康狀態(tài)，監(jiān)控地表、地下、管線病害體的發(fā)生發(fā)育過程。形成對城市道路病害體進(jìn)行多源、多尺度、多時段“四維一體”的“CT”掃描、病害智能診斷分析、智能監(jiān)測預(yù)警為一體的綜合系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

平臺總體上將遵循“專業(yè)理論—關(guān)鍵技術(shù)解決—程序?qū)崿F(xiàn)—應(yīng)用檢驗”的思路，對構(gòu)建道路塌陷信息綜合管理平臺的基本條件、關(guān)鍵技術(shù)問題的逐一解決，綜合運用多種技術(shù)等研發(fā)一套基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下的集道路塌陷信息展示、信息查詢、智能分析、預(yù)警為一體的智能綜合監(jiān)測預(yù)警平臺。

（1）實現(xiàn)道路塌陷監(jiān)測預(yù)警的目標(biāo)。對危害等級高的病害直接報警，危害等級較低的病害納入監(jiān)測范圍。利用多次檢測結(jié)果比對，對病害發(fā)展趨勢進(jìn)行評估，對發(fā)展較快的病害進(jìn)行報警。對危害等級高，發(fā)展快的病害位置安排人工復(fù)測，并根據(jù)病害類型上報不同部門，合理規(guī)劃城市道路養(yǎng)護(hù)，防范重大塌陷災(zāi)害的發(fā)生。

（2）實現(xiàn)道路塌陷信息的綜合展示。通過人工巡檢、自動監(jiān)測等方式整合道路塌陷數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能診斷得到分析結(jié)果，將數(shù)據(jù)結(jié)果借助成熟的GIS技術(shù)以文字、圖表、視頻、圖像的方式綜合展現(xiàn)在桌面上。提供道路塌陷的動態(tài)和實時監(jiān)測情況，為危險區(qū)域劃分、危險等級劃分、防治對策選擇提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為：感知層，數(shù)據(jù)中心層，綜合應(yīng)用系統(tǒng)層。系統(tǒng)通過感知層采集各類塌陷災(zāi)害信息，構(gòu)建統(tǒng)一的塌陷災(zāi)害數(shù)據(jù)中心；基于數(shù)據(jù)中心層提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)服務(wù)，構(gòu)建塌陷災(zāi)害綜合應(yīng)用系統(tǒng)。利用綜合應(yīng)用系統(tǒng)為塌陷災(zāi)害的防治提供各種服務(wù)。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

2.1 感知層

主要完成原始數(shù)據(jù)的采集，通過從不同的人工檢測設(shè)備中提取數(shù)據(jù)源，如陣列探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)、手持式探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)（檢測地下情況），攝像頭、照相機(jī)的數(shù)據(jù)（檢測地表情況），管網(wǎng)機(jī)器人的數(shù)據(jù)（檢測管網(wǎng)情況）、GPS的數(shù)據(jù)以及基本的地形圖數(shù)據(jù)、道路名稱位置數(shù)據(jù)等一系列的原始數(shù)據(jù)；通過自動監(jiān)測設(shè)備實時采集地面沉降信息；感知層是整個平臺的基礎(chǔ)。各個設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心層。

2.2 數(shù)據(jù)中心層

數(shù)據(jù)中心層整合道路屬性數(shù)據(jù)、實時沉降數(shù)據(jù)、雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)、視頻錄像數(shù)據(jù)、高清照相數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)，通過磁盤管理、分布式存儲等數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，把結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織，形成一個原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)中心層有一個重要的功能就是數(shù)據(jù)的智能分析處理，從原始數(shù)據(jù)庫中讀取原始文件，將不同的設(shè)備采集的數(shù)據(jù)利用不同的處理方法，得到病害的特征屬性列表，最終形成專門存放所有病害信息的病害數(shù)據(jù)庫，作為綜合應(yīng)用層的主要數(shù)據(jù)來源。

2.3 綜合應(yīng)用系統(tǒng)層

根據(jù)數(shù)據(jù)中心層中處理后的病害數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用支撐層中獲得的其他信息來形成對塌陷隱患的綜合判斷，為用戶提供事前科學(xué)定期監(jiān)測預(yù)警、事中有效處置、事后有效服務(wù)的動態(tài)管理機(jī)制。

事前科學(xué)定期監(jiān)測預(yù)警：通過“監(jiān)測預(yù)警”來完成對所得到的病害數(shù)據(jù)和其他信息綜合分析，發(fā)現(xiàn)可能存在的塌陷隱患、空洞、以及存在管道淤積、破損等易發(fā)生塌陷的位置信息。并在“塌陷一張圖”上展示。

事中有效處置：當(dāng)發(fā)生塌陷災(zāi)害時，利用“應(yīng)急指揮和信息發(fā)布”和“綜合管理”根據(jù)塌陷發(fā)生的位置、大小，進(jìn)行責(zé)任判別，并對塌陷整治給出意見。

事后有效服務(wù)：定期對已發(fā)生塌陷點進(jìn)行復(fù)查檢測，防止再次發(fā)生塌陷災(zāi)害。發(fā)布定期檢測任務(wù)。

3 系統(tǒng)功能模塊

道路塌陷信息綜合管理平臺主要分為系統(tǒng)信息管理、基本信息管理、業(yè)務(wù)信息管理、地圖信息管理、統(tǒng)計報表等幾大功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)信息管理

3.1.1 用戶管理

對于登錄用戶進(jìn)行管理，對用戶的密碼進(jìn)行加密處理，可對用戶信息進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢、停用、啟用及重新設(shè)置角色等的操作。

3.1.2 角色管理

將權(quán)限資源按照角色統(tǒng)一進(jìn)行功能權(quán)限的管理，采用RBAC的權(quán)限管理方式，節(jié)省了同種類型用戶重復(fù)分配權(quán)限和權(quán)限修改時所產(chǎn)生的大量工作。

3.1.3 分組管理

可按照訪問系統(tǒng)的部門等級及組織架構(gòu)進(jìn)行分級處理，通過分組可更好的進(jìn)行擴(kuò)展的實現(xiàn)，為以后形成系統(tǒng)平臺打下基礎(chǔ)。

3.1.4 數(shù)據(jù)備份

可分別進(jìn)行各個不同多媒體文件、原始資料文件、數(shù)據(jù)庫文件的備份問題。在設(shè)計時可根據(jù)數(shù)據(jù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲的分區(qū)化，在以時間為前提分區(qū)形式下可使歷史數(shù)據(jù)達(dá)到合理的備份存檔的目的。對于病害等特殊信息更可以進(jìn)行特殊保護(hù)處理，保證系統(tǒng)分析的合理性。

3.1.5 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

按照分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速導(dǎo)入，數(shù)據(jù)采用附加的方式放入到指定的分區(qū)內(nèi)容中。

3.1.6 文件管理

可對現(xiàn)有存在于服務(wù)器上的文件進(jìn)行完整的展示，可通過創(chuàng)建時間等信息進(jìn)行排序、分類匯總，及時發(fā)現(xiàn)遺漏的文件信息。

3.2 基本信息管理

3.2.1 車輛信息管理

公路檢測車輛信息的管理維護(hù)，包括增、刪、改、查操作。車牌號、車型、配套設(shè)備、駕駛員、聯(lián)系方式等基本信息。對于對應(yīng)的設(shè)備可通過存儲設(shè)備標(biāo)示等信息可擴(kuò)展的查找到信息來源。

3.2.2 病害信息管理

可以記錄病害的基本類型、分類名稱、病害等級等信息，作為基本分類信息的依據(jù)。

3.2.3 公路路線管理

可對公路路線進(jìn)行存儲，存儲公路路線的長度、路線線段、關(guān)鍵信息點、所在區(qū)域、公路等級、車流量等級等信息，可更好地輔助分析病害發(fā)生原因及發(fā)展情況預(yù)期。

3.3 業(yè)務(wù)信息管理

3.3.1 檢測工程管理

檢測工程管理可建立檢測工程基本檔案，包含工程名稱、覆蓋范圍、計劃執(zhí)行時間等信息進(jìn)行建檔，以檔案為基礎(chǔ)包括對檢測計劃、檢測執(zhí)行情況、檢測結(jié)果的導(dǎo)入進(jìn)行管理，根據(jù)公路路線信息作為基礎(chǔ)信息進(jìn)行綜合的統(tǒng)計分析。最終可分析檢測工程的執(zhí)行率信息。

3.3.2 檢測計劃管理

根據(jù)檢測工程的計劃執(zhí)行時間對檢測任務(wù)進(jìn)行細(xì)分，精確到天，通過路線設(shè)定、檢測內(nèi)容設(shè)定等信息制定資源信息調(diào)配計劃。

3.3.3 檢測執(zhí)行管理

通過對檢測計劃的執(zhí)行情況可選擇從檢測計劃進(jìn)行導(dǎo)入，形成完整的工作流，對于執(zhí)行信息進(jìn)行詳細(xì)記錄，通過對車輛、執(zhí)行人等信息記錄可形成人員績效考核統(tǒng)計。

在實際執(zhí)行完成后可將最終的采集信息進(jìn)行導(dǎo)入處理，根據(jù)執(zhí)行情況生成具體的信息分類存儲數(shù)據(jù)庫，方便在分析中進(jìn)行調(diào)用。檢測信息的保存需按照實際的數(shù)據(jù)量的產(chǎn)生情況進(jìn)行分類入庫，并進(jìn)行合理優(yōu)化，提高執(zhí)行效率，提升用戶體驗。導(dǎo)入到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按照時間的順序建立索引，并對應(yīng)路線信息進(jìn)行存儲，形成時間、路線雙關(guān)聯(lián)。

3.3.4 檢測結(jié)果分析

在檢測執(zhí)行完成并導(dǎo)入完成后，可對具體的檢測結(jié)果進(jìn)行結(jié)合電子地圖的統(tǒng)計分析工作。

（1）工程綜合分析，可對信息按照工程集合進(jìn)行聚類分析，將以工程為單位的所有的檢測結(jié)果進(jìn)行匯總，在地圖上展現(xiàn)每個執(zhí)行結(jié)果的基本信息，可根據(jù)在工程中的路線分別進(jìn)行繪制，并根據(jù)采集到的病害類型形成不同的圖層，一次性在地圖上展現(xiàn)所有的工程病害信息。在點擊具體病害信息點時可將檢測行駛圖片（正面、側(cè)面）、檢測視頻、雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)、路面高清圖像、GPS信息等可選擇的進(jìn)行播放與展示。通過不同的顏色標(biāo)記道路的不同厚度信息形成圖層進(jìn)行展示。

（2）路線綜合分析，可按照檢測的路線進(jìn)行檢測信息的展示，通過列表的方式將此路線中的所有病害信息進(jìn)行分析，方便準(zhǔn)確的定位到病害點。

（3）病害發(fā)生發(fā)展過程分析，可結(jié)合歷史病害信息，在病害信息點調(diào)取所有的病害歷史記錄信息形成以時間為主軸的災(zāi)害情況列表，并結(jié)合病害路段的厚度信息進(jìn)行分析。

（4）歷史路線分析，可對歷史檢測過的路線進(jìn)行回放功能，可選展示多個地圖界面（不超過6個），形成對于現(xiàn)路線情況和歷史路線情況的信息比對。展示以時間為基準(zhǔn)的路線列表，可設(shè)置歷史路線的顏色。

（5）路線、關(guān)鍵點自定義，可根據(jù)病害類型、路面厚度等信息設(shè)定不同的展現(xiàn)顏色，并在地圖旁邊加以列表性注釋，使信息展示更加直觀。

（6）病害點、病害路線收藏，可將所關(guān)注的信息進(jìn)行收藏夾式的收藏功能，在對比查詢的時候可直接調(diào)取收藏夾中的相關(guān)信息即可完成對于信息的快捷調(diào)取。

3.4 地圖信息管理

包括地圖的添加和關(guān)閉，地圖的基本操作（放大、縮小、漫游、居中、測距、選中、描點、劃線、鷹眼等基本操作），地圖顯示圖標(biāo)、線型和文字的配置等。可以多種方式查詢數(shù)據(jù)（行政區(qū)域、經(jīng)緯度、道路名）。可以在GIS平臺上顯示數(shù)據(jù)的空間分布情況。并可對于結(jié)構(gòu)層破碎、斷裂、含水、沉降等多種災(zāi)害分類信息自定義顯示圖標(biāo)。對于路線的顏色可進(jìn)行實時的設(shè)置。

3.5 統(tǒng)計報表

統(tǒng)計報表可從病害統(tǒng)計報表、病害發(fā)生發(fā)展過程報表、人員績效報表、計劃執(zhí)行率報表等角度進(jìn)行綜合的統(tǒng)計分析，結(jié)合餅狀圖、柱狀圖的方式進(jìn)行綜合展示。

病害統(tǒng)計報表可通過歷史路段病害信息進(jìn)行疊加對比處理，形成完整的分析情況的餅狀圖，結(jié)合地形信息為道路保養(yǎng)決策提供依據(jù)。

病害發(fā)生發(fā)展過程報表可通過歷史點病害發(fā)生發(fā)展情況結(jié)合道路地形情況及流量負(fù)載等因素分析病害處理等級。

4 結(jié) 論

針對城市道路地陷隱患探測的復(fù)雜性，信息量大，為滿足城市塌陷探測預(yù)警的需求。通過專業(yè)數(shù)據(jù)庫平臺及智能分析處理，對道路病害的位置、深度、類型等情況進(jìn)行風(fēng)險分級，綜合病害的多種影響因素，從技術(shù)手段上改進(jìn)了塌陷預(yù)警和檢測。

在綜合運用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、地理信息技術(shù)、三維切片技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，以有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，從時間軸、空間域的病害數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)開發(fā)和集成管理，構(gòu)建了一個與塌陷有關(guān)的較全面的道路塌陷信息綜合管理平臺，實現(xiàn)塌陷信息的監(jiān)控和及時預(yù)警，為管理部門定期開展對隱患點的排查處理、制定科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)維修計劃提供了直觀準(zhǔn)確的依據(jù)。