潘和興，韓水泉，王愷杰，范澤鑫 (深圳高速公路集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

近年來，我國公路建設(shè)量逐漸增大，公路的養(yǎng)護(hù)需求也日益增長。在公路養(yǎng)護(hù)工作中，養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，建立公路智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)對于高速養(yǎng)護(hù)工作來說具有非常重要的意義，是工程領(lǐng)域信息化具體應(yīng)用實踐的關(guān)鍵一環(huán)，有助于進(jìn)一步貫徹落實公路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量管理體系與管理制度的目標(biāo)，從而加強養(yǎng)護(hù)質(zhì)量管控能力建設(shè)，切實保障養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

國外公路信息養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)較為成熟的應(yīng)用為美國的AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）管理部門的PONTIS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有擴展性好、魯棒性佳及容易訪問性等優(yōu)點。PONTIS 系統(tǒng)主要設(shè)置了系統(tǒng)管理、程序模擬、橋梁預(yù)覽及清單檢查、項目數(shù)據(jù)管理等模塊。程序模擬模塊是該系統(tǒng)的特色功能，基于系統(tǒng)中的項目技術(shù)、橋梁及歷史的相關(guān)信息提供在不同病害情況下的橋梁工作建議[1]。

國內(nèi)養(yǎng)護(hù)管理平臺的應(yīng)用主要聚焦于橋梁檢測與監(jiān)測工作，并基于此開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)基于工程現(xiàn)場的實際需求開發(fā)了橋梁的基礎(chǔ)信息、檢測數(shù)據(jù)管理、安全狀況評定、養(yǎng)護(hù)維修工程管理等功能，通過不同的模塊設(shè)置實現(xiàn)橋梁的數(shù)字化管理[2]。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁數(shù)字化管理，主要涉及監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)管理、安全預(yù)警、采集設(shè)備管理等基礎(chǔ)功能和其他的定制功能。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)已在國際上廣泛應(yīng)用于已建項目，且有部分國家將其應(yīng)用于新建的承包項目。國內(nèi)的BIM 技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域要晚于建筑行業(yè)，2017 年交通運輸部頒發(fā)《開展公路BIM 技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)的通知要求》[3]，要求在公路項目的全壽命周期內(nèi)展開BIM 技術(shù)應(yīng)用示范的新建工程，在信息化管理、工程量統(tǒng)計、3D參數(shù)化建模、方案比選等[4]領(lǐng)域要有所突破。除對新建項目提出要求外，在建項目也要逐步應(yīng)用BIM 技術(shù)，以BIM 技術(shù)為核心，建立起具有項目協(xié)同管理的平臺框架設(shè)計，在此設(shè)計框架下，重點對安全管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理、計量支付管理協(xié)同等功能進(jìn)行開發(fā)。

2 基于BIM的公路養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 基本原理

BIM 養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)用系統(tǒng)是基于成熟先進(jìn)的企業(yè)技術(shù)平臺和架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)及拓展的系統(tǒng)，兼顧目前主流應(yīng)用現(xiàn)狀，并可與已有技術(shù)路線兼容，實現(xiàn)業(yè)務(wù)過程管控及平臺間各模塊協(xié)同作業(yè)的目的，最終達(dá)到縱向管控與橫向集成的信息交互目的[5]。

技術(shù)平臺基于微服務(wù)架構(gòu)模型構(gòu)建系統(tǒng)，基于完整的生態(tài)體系，設(shè)計了公用系統(tǒng)組件與底層業(yè)務(wù)組件。此外，平臺具有一定靈活性，可根據(jù)高速公路運營管理需求設(shè)置快速高效流程配置及表單配置等功能。

為滿足系統(tǒng)多方協(xié)作的設(shè)計要求，采用先進(jìn)性、實用性、可擴充性等設(shè)計原則[6]，在綜合考慮平臺的穩(wěn)定性、實用性、拓展性、可交互性以及安全性的基礎(chǔ)上，兼顧易用性和可維護(hù)性，采用Java開發(fā)語言、SpringBoot 應(yīng)用開發(fā)框架、Spring Cloud微服務(wù)架構(gòu)，集成了API網(wǎng)關(guān)、注冊中心、配置中心等開源組件。使用MyBatis 數(shù)據(jù)持久層框架和MySQL數(shù)據(jù)庫，將系統(tǒng)架構(gòu)分為三層，從上到下依次為接入層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。其中接入層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和頁面展示；服務(wù)層負(fù)責(zé)接收接入層傳入的數(shù)據(jù)，梳理數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)模型挖掘、模型解析轉(zhuǎn)換等；數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)接收來自經(jīng)服務(wù)層處理過的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使用具有持久層結(jié)構(gòu)的Mybatis 框架，將數(shù)據(jù)存儲到PostgreSql、redis等數(shù)據(jù)庫中。

2.2 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)是GIS 與BIM 的融合，可同時實現(xiàn)宏觀層次上路網(wǎng)及設(shè)施的性能演變與微觀層面上構(gòu)建的病害問題，適用于參與養(yǎng)護(hù)的各方。為分配參建各方的權(quán)限，養(yǎng)護(hù)管理平臺設(shè)置養(yǎng)護(hù)管理相關(guān)圖層，用戶登錄后根據(jù)自己的權(quán)限不同，可獲取不同的待辦事項推送。

系統(tǒng)是基于GIS 的多模態(tài)數(shù)據(jù)形式，平臺以三維模型（BIM 模型）為載體，根據(jù)實際需求不同，設(shè)置了LOD400 和LOD100 兩個級別。其中，LOD100 服務(wù)于WEB 和APP 大批量數(shù)據(jù)輕量加載，如圖1 所示。LOD400 能展現(xiàn)設(shè)施的構(gòu)件級細(xì)節(jié)，進(jìn)行工程的數(shù)值孿生及仿真模擬，可精細(xì)定位至橋梁橫隔板、隧道洞口、邊坡的擋墻、道路的龍門架等信息，如圖2所示。

圖1 LOD100模型-橋梁整體

圖2 LOD400模型-龍門架、標(biāo)志牌

3 系統(tǒng)特色模塊介紹

為滿足外化運維階段的各項工作需求，本系統(tǒng)設(shè)計了養(yǎng)護(hù)地圖、資產(chǎn)管理、巡查管理、日常養(yǎng)護(hù)、專項工程、合同管理、定期檢查、計劃管理、安全管理與應(yīng)急處置等模塊。限于篇幅，以下將介紹該系統(tǒng)的特色模塊。

3.1 養(yǎng)護(hù)地圖

基于BIM 的養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)用系統(tǒng)采用BIM 與北斗等新一代信息技術(shù)實現(xiàn)工程數(shù)字化的目的，依托業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)實現(xiàn)管理的智慧決策功能。養(yǎng)護(hù)地圖如圖3 所示。該工程利用傾斜攝影[7]、激光點云、BIM 建模手段建立外環(huán)高速數(shù)字模型，并在橋梁、隧道、立交互通、邊坡的關(guān)鍵設(shè)施賦予精度信息屬性，實現(xiàn)數(shù)字化的高速公路基礎(chǔ)設(shè)施及其運維業(yè)務(wù)。

圖3 養(yǎng)護(hù)地圖示例

養(yǎng)護(hù)地圖模塊通過二維GIS 地圖可查詢路、橋、隧、涵、坡等構(gòu)造物位置，在地圖上顯示地理坐標(biāo)，查看該設(shè)施的相應(yīng)屬性信息，并通過360°全景技術(shù)與道路資產(chǎn)的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)關(guān)聯(lián)，從不同維度掌握外環(huán)高速設(shè)施資產(chǎn)現(xiàn)狀。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫可平滑接收建設(shè)期項目完整的“虛擬資產(chǎn)”，并根據(jù)養(yǎng)護(hù)特點開發(fā)滿足國家及行業(yè)對路面、橋梁、涵洞、通道、隧道等設(shè)施資產(chǎn)屬性信息的管理要求功能。通過該功能，可添加構(gòu)件屬性，并根據(jù)設(shè)施資產(chǎn)關(guān)聯(lián)追溯相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對重要結(jié)構(gòu)物生成二維碼身份信息。

為實現(xiàn)數(shù)字化資產(chǎn)與工程實體相對應(yīng)，采用二維碼工具對各構(gòu)造物進(jìn)行唯一編碼，通過現(xiàn)場掃碼，可查詢到構(gòu)造物上的病害及維修信息，實現(xiàn)動靜態(tài)結(jié)合的設(shè)施資產(chǎn)管理模式。在資產(chǎn)管理的同時，以行業(yè)規(guī)范為依托，根據(jù)不同資產(chǎn)類別，通過知識庫的形式分類匯總病害類型、維修措施等內(nèi)容，為養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)提供有效的支持。

3.3 巡查管理

本系統(tǒng)通過將管養(yǎng)單位的養(yǎng)護(hù)要求內(nèi)置于平臺，針對不同設(shè)施巡查頻率自動生成巡查計劃，并自動規(guī)劃最優(yōu)巡查路線，巡查人員在途經(jīng)巡查點時，可自動提醒巡查人員進(jìn)行簽到。此外，APP 根據(jù)巡查人員坐標(biāo)實時記錄更新巡查軌跡，根據(jù)待巡查設(shè)施自動實時更新巡查線路，確保工作高效且不漏項。

針對日常巡查的巡查計劃實施流程如下。巡查計劃自動推送至APP，系統(tǒng)巡查人員接到巡查任務(wù)后，可利用GIS二維地圖的導(dǎo)航與最優(yōu)路徑規(guī)劃功能，自動導(dǎo)航至需巡查位置，到巡查位置后可自動簽到，簽到信息可與BIM 模型關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)支持二維與三維地圖便捷切換，巡查人員到達(dá)現(xiàn)場后，若發(fā)現(xiàn)病害，可以應(yīng)用BIM 模型定位至具體構(gòu)件，通過模型查看構(gòu)件具體屬性與歷史病害信息，以輔助巡查人員判斷病害情況。巡查人員可將病害記錄在具體構(gòu)件上，在病害上報成功后，有權(quán)限用戶可以在PC同步查看病害信息。在構(gòu)件精準(zhǔn)病害信息的基礎(chǔ)上，可為大數(shù)據(jù)分析與運營提供支持[8]。

3.4 日常養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)管理平臺對小修病害采用數(shù)據(jù)庫的管理方式，通過手機APP 和電腦線上審批相結(jié)合的方式，完成工作指示單、工程聯(lián)測表、工程驗收單等管理表單的審批，完整高效地記錄病害的維修、驗收過程信息，實現(xiàn)病害維修的全過程閉環(huán)運轉(zhuǎn)。

外環(huán)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)以BIM 模型為載體，每一條病害都被精準(zhǔn)地記錄在構(gòu)件/設(shè)施上，結(jié)合三維模型中構(gòu)件化的病害記錄信息，實現(xiàn)病害發(fā)現(xiàn)、維修、驗收的全過程閉環(huán)管理。

在日常養(yǎng)護(hù)的過程中，內(nèi)業(yè)人員在復(fù)核巡查上報病害時，平臺會根據(jù)病害的圖片、描述信息，自動推送病害的建議處理方案，供內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行選擇。平臺以巡查管理中記錄的病害為處理對象，完善病害列表的統(tǒng)計查詢與展示功能，并針對政府來文、領(lǐng)導(dǎo)指派等特殊事項完善事項列表。以病害/事項為處置對象，參照合約清單信息，按照外環(huán)高速養(yǎng)護(hù)管理的實際需求在線生成對應(yīng)的工作指示單、工程聯(lián)測表、工程驗收單等管理表單，優(yōu)化線上審批與工作流轉(zhuǎn)的流程。

系統(tǒng)施工維修人員接到任務(wù)后，可利用GIS 導(dǎo)航功能與最優(yōu)路徑規(guī)劃功能，自動導(dǎo)航至需要維修的位置，施工人員到達(dá)現(xiàn)場維修完成后，可上傳維修照片，維修照片自動與BIM 模型關(guān)聯(lián)，有權(quán)限用戶可以在PC 同步查看病害信息和維修情況，如圖4 所示。病害照片、病害信息與BIM 模型關(guān)聯(lián)，可方便用戶查看。

圖4 PC端病害復(fù)核示例

3.5 安全管理與應(yīng)急處置

高速公路突發(fā)事件常具有時間緊迫性、不可預(yù)知性、后果嚴(yán)重性、救援復(fù)雜性等特點，現(xiàn)有情況下，對突發(fā)事件的處置通常是多部門、多單位協(xié)同配合處理，在復(fù)雜的處理過程中容易出現(xiàn)信息交流不暢及配合聯(lián)動脫節(jié)等問題。因此，在強化應(yīng)急聯(lián)動機制的同時，也亟需搭建應(yīng)急通信平臺[9]。

外環(huán)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)安全管理與應(yīng)急處置模塊的應(yīng)用場景如下。一線巡查員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況判斷病害是否為應(yīng)急搶修類，若為應(yīng)急搶修類病害，病害信息提交至系統(tǒng)后，施工員將在第一時間收到待辦通知，收到通知后施工人員可立即采取措施對應(yīng)急類病害開展搶修工作。在施工員收到待辦的同時，內(nèi)業(yè)資料人員可下發(fā)、審批指示單。待現(xiàn)場搶修工作完成、搶修資料上傳完畢，且指示單審批工作完成后，應(yīng)急搶修類項目可申請驗收。

外環(huán)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)安全管理與應(yīng)急處置模塊協(xié)助養(yǎng)護(hù)管理人員的工作，有效提升管理人員監(jiān)管到位、協(xié)調(diào)聯(lián)動、響應(yīng)迅速、處置有效的水平，保障高速公路暢通、高效、安全運行，降低事故損失，減少阻塞與延誤頻率[10]，提高人民群眾出行的幸福感。

4 結(jié)語

深圳外環(huán)高速采用BIM 與GIS 技術(shù)建立的運營期管理養(yǎng)護(hù)平臺，將重要設(shè)施進(jìn)行三維建模，系統(tǒng)中自動記錄需要養(yǎng)護(hù)的信息，保證了信息的完整與準(zhǔn)確。針對復(fù)雜繁瑣的線下審批流程，將審評優(yōu)化后內(nèi)置到平臺中，提高審評效率，增加應(yīng)急處理能力?；诟咚俟返酿B(yǎng)護(hù)內(nèi)容與業(yè)主要求，設(shè)置多個模塊，使參與養(yǎng)護(hù)人員只需專注自身需要的功能，減少了軟件的學(xué)習(xí)成本。該平臺成功應(yīng)用于外環(huán)高速，為BIM 技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一定的借鑒意義。