李 微，張 琪，李振宇，丁 立

(西安市南郊市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理有限公司，陜西 西安 710061)

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷進(jìn)行，在城市市政設(shè)施體量不斷加大的同時(shí)，城市發(fā)展逐步轉(zhuǎn)向提質(zhì)增效的高質(zhì)量發(fā)展階段，“以人為本”“人民城市”成為規(guī)劃建設(shè)和管理的指導(dǎo)理念，對市政設(shè)施的科學(xué)管理和維護(hù)提出了新要求；同時(shí)，數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用為市政設(shè)施信息化管理提供了技術(shù)支持，大數(shù)據(jù)應(yīng)用背景下的“智慧城市”建設(shè)成為輔助城市高質(zhì)量提升的新方向[1-2]。在此背景下，市政設(shè)施信息化管理的探索與實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著城市范圍的不斷擴(kuò)展，西安市城市道路總里程達(dá)4 277 km，總面積達(dá)9 830萬m2；排水管網(wǎng)總里程達(dá)5 653 km。面對如此龐大的市政設(shè)施管理量，傳統(tǒng)管理模式在數(shù)據(jù)檔案管理、設(shè)施實(shí)體管理等方面已不能滿足要求，亟需運(yùn)用信息化手段進(jìn)行提升，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的智能錄入、儲存、分類、查詢，并進(jìn)行系統(tǒng)化管理。

因此，本研究以西安市南郊地區(qū)市政設(shè)施為例，通過剖析傳統(tǒng)市政設(shè)施管理方法的問題，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，提出了一套市政設(shè)施管理系統(tǒng)構(gòu)建方法，基于UVA+RTK測量及航攝正投影糾偏采集數(shù)據(jù)技術(shù)，建立GIS數(shù)據(jù)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等應(yīng)用進(jìn)行分析預(yù)測，提出具有針對性的養(yǎng)護(hù)建議與規(guī)劃，形成管理閉環(huán)。

2 傳統(tǒng)市政設(shè)施管理模式存在的問題

2.1 存在問題

1)數(shù)據(jù)檔案管理方面。

截至目前接管的市政設(shè)施竣工資料均為紙質(zhì)資料，存在老舊資料丟失、遺漏的情況，資料更新速度慢、時(shí)效性差，不確定性逐年增加；數(shù)據(jù)資料之間缺乏關(guān)聯(lián)性，資料以工程為單位相對獨(dú)立存在，未進(jìn)行有效的整合。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)時(shí)需要查閱大量圖紙、表格等資料，過程復(fù)雜、耗費(fèi)人力、效率低下。

資料精度不足，現(xiàn)有市政設(shè)施幾何尺寸的測量一直沿用過去老舊的方法，依靠人工用各種測量設(shè)備作業(yè)，受外界條件、通視條件等的影響較大，遇有障礙物時(shí)測量范圍比較有限，儀器誤差和主觀誤差比較大。

2)設(shè)施巡查養(yǎng)護(hù)管理方面。

傳統(tǒng)的道路巡查是通過巡查人員現(xiàn)場采集道路病害信息，將病害信息填寫到巡查工單后，統(tǒng)一交給養(yǎng)護(hù)部門。因?yàn)楣涡畔⒉粔蛑庇^，閉合流程過于煩瑣，工作效率不高。巡查部門與養(yǎng)護(hù)部門資料未進(jìn)行整合，工單完整信息須多方查找，可追溯性不強(qiáng)。

3)統(tǒng)計(jì)分析方面。

信息統(tǒng)計(jì)靠人工完成，大量數(shù)據(jù)需要手動錄入、統(tǒng)計(jì)，耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，準(zhǔn)確度無法保證。不能做到零時(shí)差、多維度的統(tǒng)計(jì)分析，更難以保證整體的統(tǒng)計(jì)、分析和決策功能。

2.2 研究意義

面對如此巨大且逐年遞增的數(shù)據(jù)量，如何充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的特性，建立一個(gè)豐富的、動態(tài)的“設(shè)施信息數(shù)據(jù)庫”，記錄城市中每一個(gè)市政設(shè)施各個(gè)時(shí)期的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，為將來的數(shù)據(jù)分析提供全面、真實(shí)有效的數(shù)據(jù)源；如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的整理，從海量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而科學(xué)地應(yīng)用到日常養(yǎng)護(hù)管理工作中，使整個(gè)設(shè)施管理系統(tǒng)更具有科學(xué)性。

建立市政設(shè)施管理大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，將設(shè)施信息數(shù)據(jù)庫、日常管理系統(tǒng)、巡查管理系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)功能、檢測評價(jià)功能、輔助決策功能統(tǒng)一集成在一起，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息化技術(shù)及理念，進(jìn)行分析預(yù)測，提出具有針對性的養(yǎng)護(hù)建議與規(guī)劃，以此作為統(tǒng)籌養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策的重要依據(jù)，從而極大地提升管理服務(wù)水平與科技含量，尤其對于市政設(shè)施復(fù)雜的大中型城市，意義更加深遠(yuǎn)[3]。

2.3 研究目標(biāo)

本次對市政設(shè)施管理系統(tǒng)的研發(fā)，依托市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理行業(yè)規(guī)范CJJ 36—2016城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范、CJJ 68—2016城鎮(zhèn)排水管渠與泵站運(yùn)行、維護(hù)及安全技術(shù)規(guī)程和CJJ 181—2012城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程以及市政設(shè)施運(yùn)行管理單位的管理模式，通過系統(tǒng)的建立以及管理模塊的運(yùn)行，將會實(shí)現(xiàn)市政設(shè)施“一路一檔”及排水設(shè)施管網(wǎng)的信息化管理，利用市政設(shè)施管理大數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)分類查詢、統(tǒng)計(jì)、動態(tài)管理、數(shù)據(jù)可視化及輔助決策的功能。

2.4 先進(jìn)性

市政設(shè)施管理大數(shù)據(jù)研發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

市政設(shè)施管理系統(tǒng)的研發(fā)，將會使得市政設(shè)施管理數(shù)字化、信息化，管理過程由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測評價(jià)、養(yǎng)護(hù)過程、巡查管理、輔助決策、應(yīng)急聯(lián)動等工作的數(shù)據(jù)數(shù)字化、可視化，大大增加市政設(shè)施管理過程中各類數(shù)據(jù)的時(shí)效性和直觀性。

2.4.1 形成市政設(shè)施智能數(shù)據(jù)庫

利用精確的設(shè)施靜態(tài)數(shù)據(jù)和日常維護(hù)數(shù)據(jù)，以及對老舊技術(shù)資料進(jìn)行整合、錄入，構(gòu)建出市政設(shè)施管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)市政設(shè)施管理“一路一檔”及排水管網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)管理；對數(shù)據(jù)庫的動態(tài)管理進(jìn)行研究，實(shí)時(shí)更新養(yǎng)護(hù)記錄，使得數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)狀設(shè)施相關(guān)數(shù)據(jù)保持同步，為道路及排水設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理進(jìn)行決策提供依據(jù)。

2.4.2 設(shè)施單元位置信息采集標(biāo)準(zhǔn)化

制定一套信息采集與錄入標(biāo)準(zhǔn)制度，利用無人機(jī)(UAV)，RTK等設(shè)備，對市政設(shè)施進(jìn)行測繪，取得精確的設(shè)施靜態(tài)數(shù)據(jù)，為智能數(shù)據(jù)庫提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4.3 管理流程自動化

將日常維護(hù)運(yùn)行、市政設(shè)施管理的業(yè)務(wù)流程納入管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)真正意義上的市政設(shè)施管理電子化、信息化。

2.4.4 信息圖形化

將靜態(tài)數(shù)據(jù)信息與地圖結(jié)合顯示；對數(shù)據(jù)庫中的信息采用圖表結(jié)合的形式展示；道路的巡查過程、巡查結(jié)果、作業(yè)信息通過地圖實(shí)時(shí)動態(tài)顯示；從不同維度對各種信息進(jìn)行可視化圖表統(tǒng)計(jì)分析，為市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)、輔助決策等操作，使養(yǎng)護(hù)維修方案更具科學(xué)性。

3 地理信息數(shù)據(jù)測量與采集

分別從地理信息數(shù)據(jù)要素的采集、拼接、校核開展相關(guān)研究，確認(rèn)涉及航拍、RTK測量、影像拼接糾偏、影像識別錄入等內(nèi)容。

3.1 外業(yè)采集

使用無人機(jī)拍攝道路正射圖像，采用飛行控制軟件DJI Terra對飛行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(見圖2)，5 m/s 的速度勻速飛行，飛行高度在70.0 m。通過移動和新建邊界點(diǎn)，確定多邊形任務(wù)區(qū)域，覆蓋道路及道路兩側(cè) 10 m～20 m范圍內(nèi)的區(qū)域?！爸骱骄€上重疊率”設(shè)置為80%、“主航線間重復(fù)率”設(shè)置為66%。采用RTK系統(tǒng)設(shè)備連接CORS基準(zhǔn)站進(jìn)行坐標(biāo)測量，每千米道路選取4個(gè)～6個(gè)控制點(diǎn)，經(jīng)過測量后，用來對帶狀航拍地圖進(jìn)行校正。高程測量采用CORS系統(tǒng)測量的大地高程進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到水準(zhǔn)高程點(diǎn)，與相鄰的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測、平差?？刂泣c(diǎn)布設(shè)間隔為1.0 km左右，呈網(wǎng)狀布設(shè)。

3.2 內(nèi)業(yè)糾偏

使用PhotoScan將無人機(jī)拍攝的正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后導(dǎo)入。使用ArcGIS軟件對正射影像圖進(jìn)行編輯，并結(jié)合現(xiàn)場采集的坐標(biāo)位置，對圖像進(jìn)行糾偏，采用ArcGIS，通過外業(yè)調(diào)繪點(diǎn)對影像進(jìn)行地理配準(zhǔn)外業(yè)調(diào)繪，采集標(biāo)識點(diǎn)，進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，核查精度，符合項(xiàng)目精度要求，提交影像成果，保證定位精度在30 cm以內(nèi)。糾偏以后得到合格的正射影像圖導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并對沿線管道、雨污水井、收水井、路緣石、出口道口的位置用相應(yīng)的圖標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

市政設(shè)施管理系統(tǒng)綜合考慮數(shù)據(jù)處理和空間分析能力、適用性、可維護(hù)性、功能擴(kuò)展性以及與當(dāng)?shù)厍闆r的適用性等原則，滿足各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求?；贐/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)Web端和移動端的系統(tǒng)瀏覽與功能使用(見圖3)。

4.1 數(shù)據(jù)庫層

通過SQL server數(shù)據(jù)庫，Mongo DB,Redis數(shù)據(jù)庫建立基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，將各種道路、管道、附屬設(shè)施的屬性信息及管理信息進(jìn)行分類儲存。

4.2 接口服務(wù)層

接口服務(wù)層負(fù)責(zé)各類請求的處理及響應(yīng)。服務(wù)層采用Java語言作為框架底層技術(shù)，服務(wù)的請求及響應(yīng)采用JSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終實(shí)現(xiàn)跨平臺、通用化目的。服務(wù)層分為業(yè)務(wù)服務(wù)和地圖兩種。業(yè)務(wù)服務(wù)采用Springboot+Spring+Hibernate+Shiro集成框架進(jìn)行構(gòu)建，為應(yīng)用層提供一路一檔、巡查養(yǎng)護(hù)、防汛融雪等服務(wù)。地圖服務(wù)層采用PushGIS server進(jìn)行構(gòu)建，負(fù)責(zé)地圖服務(wù)的管理、發(fā)布及服務(wù)提供，為業(yè)務(wù)層提供道路、地下管網(wǎng)、井等地圖服務(wù)。

4.3 應(yīng)用層

通過HTML5,JavaScript,CSS,Bootstrap,PushGIS API等應(yīng)用接口，將基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)按照各自的平臺功能進(jìn)行展示，對于相關(guān)的數(shù)據(jù)形成各項(xiàng)展示功能。

4.4 終端

通過計(jì)算機(jī)、平板電腦，以及智能手機(jī)等終端設(shè)備，對數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容進(jìn)行錄入、顯示。

5 系統(tǒng)應(yīng)用與反饋

市政設(shè)施管理系統(tǒng)按照相關(guān)規(guī)范要求結(jié)合公司管理模式，建立巡查管理、養(yǎng)護(hù)管理、檢測評價(jià)、輔助決策、應(yīng)急聯(lián)動等應(yīng)用功能。

5.1 巡查管理

開發(fā)Android版病害APP采集終端軟件，完成道路及排水設(shè)施病害、事件等信息的采集。并記錄巡查人員上報(bào)的事件以及事件處理的整個(gè)情況，自動生成巡查病害工單。在管理員外出時(shí)，提供面向移動終端的病害信息分發(fā)管理。

提供巡查人員位置實(shí)時(shí)定位功能，顯示實(shí)時(shí)位置、值班人名等信息；按照巡查隊(duì)伍、巡查人員分配巡查任務(wù)。

5.2 養(yǎng)護(hù)管理

開啟巡查管理終端，接收病害信息數(shù)據(jù)，定位病害發(fā)生的位置，并進(jìn)行地理環(huán)境的查看；開啟養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)導(dǎo)航，計(jì)算養(yǎng)護(hù)人員當(dāng)前所在位置與待養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)之間的最短路徑，逐路段引導(dǎo)維修養(yǎng)護(hù)車輛到達(dá)養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)；維修過程形成“病害-維修單-維修工程-工程資料”的聯(lián)系，可以方便地創(chuàng)建、簽發(fā)和存檔維修單，方便查看和維修單相關(guān)聯(lián)的所有病害信息及工程信息等；病害修復(fù)完畢，將病害處置信息上報(bào)并提交病害修復(fù)成果資料。

管理人員根據(jù)不同的權(quán)限，查看工單養(yǎng)護(hù)情況，分區(qū)域、類型統(tǒng)計(jì)養(yǎng)護(hù)情況，查看各病害的現(xiàn)場照片信息，查看病害發(fā)展歷程，查看與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)物、病害屬性更新，復(fù)查病害信息的自動轉(zhuǎn)化等；提供對維修養(yǎng)護(hù)記錄的添加、刪除、修改等編輯功能，使養(yǎng)護(hù)工作入庫保存。

5.3 檢測評價(jià)

支持將檢測報(bào)告錄入數(shù)據(jù)庫，基于GIS位置信息的數(shù)據(jù)庫及帶狀航攝影像疊加的圖形化展示系統(tǒng)，支持逐樁號錄入檢測信息，逐樁號展示檢測信息，各項(xiàng)指標(biāo)的分布情況[4]。

針對周期檢測和特殊檢測，支持自定義時(shí)間和空間的信息查詢及疊加，生成分析數(shù)據(jù)，直觀展示一段時(shí)間或一個(gè)片區(qū)的檢測情況，為管理行為提供決策依據(jù)。

5.4 輔助決策

輔助決策系統(tǒng)基于道路及管道的監(jiān)測報(bào)告，結(jié)合交通條件、氣候條件、施工因素、材料因素、設(shè)計(jì)因素、排水條件、管理水平等內(nèi)容，形成評價(jià)結(jié)果，并制定維修對策。

采用檢測結(jié)果空間熱度分析、道路病害頻率分析、不同季節(jié)道路頻次分析，達(dá)到病害復(fù)報(bào)監(jiān)督、病害復(fù)發(fā)率統(tǒng)計(jì)、巡查計(jì)劃制定、養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)區(qū)域制定要求。

5.5 應(yīng)急聯(lián)動

市政設(shè)施管理應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)，在市政設(shè)施突發(fā)狀況及防汛融雪等需要啟動應(yīng)急預(yù)案時(shí)，基于移動網(wǎng)絡(luò)和APP客戶端，按照預(yù)案要求實(shí)時(shí)推送應(yīng)急聯(lián)動信息至管理人員、搶險(xiǎn)施工人員、施工車輛駕駛員，動態(tài)調(diào)配應(yīng)急力量，并及時(shí)反饋至控制中心，控制中心可實(shí)時(shí)查看應(yīng)急力量配置并靈活調(diào)配。

6 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本系統(tǒng)是依托于西安市南郊地區(qū)市政設(shè)施管理項(xiàng)目，根據(jù)無人機(jī)(UAV),RTK等設(shè)備進(jìn)行測繪，取得準(zhǔn)確的設(shè)施靜態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)市政設(shè)施“一路一檔”管理；通過實(shí)時(shí)的工單上報(bào)流程、定期的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃和維護(hù)記錄、突發(fā)事件的應(yīng)急聯(lián)動處置，實(shí)現(xiàn)市政設(shè)施的動態(tài)管理；從不同維度對各種信息進(jìn)行可視化圖表統(tǒng)計(jì)分析，為市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)、輔助決策等操作，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)決策科學(xué)化[5]。

本系統(tǒng)構(gòu)建了一套較為完善的市政設(shè)施管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了市政設(shè)施一路一檔信息化的管理，市政設(shè)施管理大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的分類查詢、動態(tài)管理、數(shù)據(jù)可視化要求。通過管理平臺的運(yùn)行，能夠進(jìn)一步規(guī)范作業(yè)流程，使各項(xiàng)工作流程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，又通過長期積累的運(yùn)維數(shù)據(jù)對市政設(shè)施改造維修提供經(jīng)驗(yàn)支持，進(jìn)而為管理決策提供依據(jù)。