薛鵬濤，馮志慧，許金良，牛玉欣，4

(1．長安大學公路學院，陜西 西安710064;2．河南省公路管理局，河南鄭州450016;3．河南農業(yè)大學信息與管理科學學院，河南鄭州450002;4．中國公路工程咨詢集團有限公司，北京100078)

公路養(yǎng)護工程是公路管理的重要組成部分［1］．公路養(yǎng)護巡查是為及時掌握和收集公路路況信息，及時發(fā)現(xiàn)公路及其附屬設施損壞情況，確保公路安全暢通，更好地保持公路路面的使用性能，及時采取必要的預防性措施，以延長公路使用壽命．近年來，多個省相繼開發(fā)了公路管理信息系統(tǒng)［2～5］，實現(xiàn)了道路的信息化管理．隨著智能手機的普及，公路日常養(yǎng)護數(shù)據的采集也從原來的紙質記錄轉變?yōu)橛芍悄苁謾C實現(xiàn)錄入、計算和上傳，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據采集效率［6，7］．目前，公路養(yǎng)護管理部門對于公路大中修項目進展情況及路面突發(fā)狀況的了解仍需親臨現(xiàn)場，其弊端是不能保證信息的準確性和延誤突發(fā)狀況的處理．因此，本研究旨在開發(fā)出基于手機的干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)，以在巡查過程中詳細記錄施工進度和災害發(fā)生的具體位置，準確描述發(fā)現(xiàn)的問題;及時上傳現(xiàn)場采集的圖片信息;利用手機的GPS模塊抽取出經緯度坐標，為公路大、中修巡查及道路突發(fā)狀況提供一種實時、高效、準確的數(shù)據采集方案，以加快公路管理工作人員制訂決策方案．

1 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)分析

河南地處中原，是國內重要的交通樞紐，河南省公路局通過18個市公路局、10個直管縣和110多個縣級公路養(yǎng)護單位實現(xiàn)對全省1．78萬km國道、省道的養(yǎng)護與管理，包括公路的日常養(yǎng)護和大中修工程的管理工作．為完善各項管理制度，建立起一套公路養(yǎng)護工程管理、評價辦法和檢查制度，如公路養(yǎng)護工程項目管理、公路養(yǎng)護企業(yè)資質管理、養(yǎng)護質量檢查以及數(shù)據采集標準、質量評價標準［8］等，使公路管理機構進行工程管理和行業(yè)管理時能夠有章可循、有法可依，減少管理中的人為因素，提高管理和決策水平．日前已建立起基于GIS的河南省道路信息管理系統(tǒng)并投入使用［5］．但干線公路巡查數(shù)據的采集還停留在人工方法，對于大中修項目現(xiàn)狀和突發(fā)狀況的處理，仍需省級養(yǎng)護管理工作人員親臨現(xiàn)場后才能提出決策方案．基于智能手機的干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)應作為河南省道路信息管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，為整個系統(tǒng)提供及時、可靠的道路數(shù)據，為公路養(yǎng)護工作人員提供便捷的數(shù)據采集方案．

河南省公路養(yǎng)護管理實行在交通行政主管部門領導下的省、市、縣按行政區(qū)域分級管理、分級負責的養(yǎng)護管理模式．干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的服務對象主要包括省、市、縣3級養(yǎng)護工作人員．1)縣級養(yǎng)護工作人員．利用此系統(tǒng)可及時將養(yǎng)護巡查中采集到的路況信息上傳至服務器．路況信息包括路面養(yǎng)護、橋梁養(yǎng)護、水毀等．2)市級養(yǎng)護工作人員．利用此系統(tǒng)可隨時查詢大中修項目和所轄區(qū)域內的路況信息，并可采集并及時上傳大中修路段施工現(xiàn)場和突發(fā)狀況圖片．3)省級養(yǎng)護工作人員．利用此系統(tǒng)可隨時查詢或采集省內各大中修路段現(xiàn)狀及緊急突發(fā)事故現(xiàn)場圖片，有助于及時制訂決策方案．為滿足上述人員的工作需求，干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)應采用C/S(Client/Server)模式+智能手機終端的系統(tǒng)架構．C/S模式中，所有客戶機與服務器相連，服務器負責數(shù)據處理，客戶端負責同用戶交互，并向后臺服務器發(fā)出請求．該模式可合理均衡事務處理，充分保證數(shù)據的一致性和完整性;智能手機具有無線接入互聯(lián)網的能力、PDA的功能、開放性的操作系統(tǒng)可安裝更多的應用程序、功能強大、擴展性能強等特點［3］．為保證所上傳的圖片能在道路信息管理系統(tǒng)的GIS地圖中的對應路段上顯示出來，安裝干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的智能手機還需內置有GPS功能．

2 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)總體設計

2．1 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的邏輯結構

干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)需實現(xiàn)對道路信息的實時采集、上傳、GPS定位坐標提取等功能，系統(tǒng)同時要兼顧省、市、縣各級單位的需求，并為道路養(yǎng)護對策決策分析提供重要的基礎數(shù)據．干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的邏輯結構分為功能表現(xiàn)層、邏輯應用層和數(shù)據服務層(圖1)．

圖1 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)邏輯結構Fig．1 The logical structure of the arterial highway maintenance patrol system

手機版的功能表現(xiàn)層中提供一套友好美觀的用戶界面．邏輯應用層是實現(xiàn)系統(tǒng)功能應用的核心層，采用GPS組件、數(shù)據訪問組件、用戶組件完成系統(tǒng)各個功能模塊的實現(xiàn)，組件之間通過接口互相調用．數(shù)據服務層提供數(shù)據存儲管理的功能，為系統(tǒng)提供數(shù)據服務．

2．2 數(shù)據庫設計

建立合理、完善的數(shù)據庫體系對系統(tǒng)實現(xiàn)具有重要的意義．Microsoft SQL Server 2005是一個關系數(shù)據庫管理系統(tǒng)，它具有高可用性和高安全性等特點．道路信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據庫由路面管理數(shù)據庫、橋梁管理數(shù)據庫、養(yǎng)護工程管理、應急項目管理數(shù)據庫、GIS數(shù)據庫5部分組成．本系統(tǒng)在原有數(shù)據庫的基礎上，增加了用戶管理數(shù)據庫和圖片數(shù)據庫．其中用戶管理數(shù)據庫由養(yǎng)護單位數(shù)據、各級養(yǎng)護人員用戶名密碼數(shù)據、所轄路段數(shù)據等組成;圖像數(shù)據庫存放工程施工現(xiàn)場圖片、災害圖片和由GPS定位功能提取出的經緯度坐標，并實現(xiàn)與GIS數(shù)據庫的關聯(lián)．

2．3 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的功能模塊

2．3．1 用戶登錄 根據省、市、縣用戶的級別來分配巡查和大中修路段的權限，即每級養(yǎng)護工作人員只能對所轄區(qū)域內的路段進行操作．

2．3．2 日常巡查 交通部頒發(fā)的JTG H20—2007《公路技術狀況評定標準》中規(guī)定:應加強日常養(yǎng)護工作，以確保公路完好、安全、舒適、快捷、暢通．公路水毀是因雨、雪等自然災害而引起的，一經發(fā)現(xiàn)險情隱患苗頭，必須及時處理整治，杜絕事故的發(fā)生．日常巡查模塊可對干線公路路段對應樁號的路面、橋梁、水毀等信息進行數(shù)據的查詢或采集，采集后的信息可保存后上傳．

2．3．3 GPS定位坐標提取 該模塊在運行系統(tǒng)后，自動調用智能手機的GPS定位功能，提取出經緯度坐標，可與系統(tǒng)所采集到的圖片信息一同上傳致數(shù)據庫服務器．

2．3．4 大中修項目管理 大修工程是對公路設施的較大損壞進行周期性的綜合治理，以全面恢復到原設計標準，或在原技術等級范圍內進行局部改善和個別增建以逐步提高公路通行能力的工程項目;中修工程是對公路工程設施的一般性磨損和局部損壞進行定期的修理加固，以恢復原狀的小型工程項目［1］．為了解工程進度、確保工程質量，大中修項目管理模塊可進行項目查詢、下載、進度、數(shù)據及圖片采集和上報等功能．

3 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的實現(xiàn)

干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)以VS 2008為開發(fā)平臺，以C#為編程工具進行編程，與本系統(tǒng)采用的SQL Server 2005數(shù)據庫平臺結合使用．

3．1 系統(tǒng)整體結構實現(xiàn)

手機版巡查軟件主要有4個功能．1)巡查數(shù)據及大中修項目的下載．2)數(shù)據采集功能，主要是路面、橋涵檢測數(shù)據采集，以及病害及大中修工程現(xiàn)場的數(shù)據采集．3)信息報送功能，能夠實現(xiàn)施工現(xiàn)場、突發(fā)事件、水毀塌方等數(shù)據、圖片的實時上報．4)提取出圖片采集地的GPS坐標信息，可在公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)的GIS地圖中顯示上報信息．該軟件通過GPRS無線通訊或3G網絡實現(xiàn)與公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)數(shù)據庫的連接，從而實現(xiàn)與中心數(shù)據的實時交互．

干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)整體結構如圖2所示．在內置有GPS功能的智能手機上安裝過干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)后，需在登錄界面中正確輸入用戶名和密碼后方可進入系統(tǒng)主界面，主界面中的“功能”菜單可實現(xiàn)測試GPS、采集信息上傳、停止上傳、操作日志、清空記錄、當前記錄統(tǒng)計等操作．

圖2 干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)整體結構Fig．2 The overall structure of the arterial highway maintenance patrol system

干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)的部分運行界面如圖3所示．“大中修項目管理”可實現(xiàn)大中修項目下載、數(shù)據采集、數(shù)據查詢功能，大中修項目下載可根據輸入的年度進行選擇下載，類型有招投資標、開工、工程節(jié)點、竣工、完工、交工和其他;數(shù)據采集可完成圖片的拍攝、輸入工程情況的文字說明及提取到的定位點坐標的上報;數(shù)據查詢則可根據項目名稱查詢到進度等相關信息．

“日常巡查”中的數(shù)據采集需要先輸入路段代碼和相應的樁號，選擇“路面”、“橋梁”、“水毀”或“其他”等類型，然后進行數(shù)據、文字、圖片的錄入和采集，最后對采集到的信息可保存后上傳至數(shù)據庫或作廢重新輸入．

采集到的信息若因網絡原因未能上傳成功，則所有信息暫存于手機存儲卡等待下次登錄系統(tǒng)后上傳．

圖3 手機干線公路養(yǎng)護巡查系統(tǒng)部分運行界面Fig．3 The operating interface of the arterial highway maintenance patrol system

3．2 GPS定位坐標提取

GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置［9］．GPS模塊完成對GPS衛(wèi)星的搜索跟蹤和定位速度等數(shù)據采集工作．手機內置的GPS模塊在同時收到3顆以上衛(wèi)星信號后，經過運算可獲得正確的定位數(shù)據，如果同時通訊的衛(wèi)星顆數(shù)越多，模塊就能更快更準確地獲取定位數(shù)據［10］．

系統(tǒng)主要通過API函數(shù)GPSGetPosition來獲取GPS經緯度信息，GetPosition實現(xiàn)方法如下:定義GpsPosition對象，初始值為空;調用 Utils類的LocalAlloc方法定義GPS信息存放的指針;設置對象的dwVersion屬性;將GpsPosition結構初始化為指針;讀取GPS模塊中的經緯度信息到內存;讀取成功時將指針轉換為 GpsPosition結構，檢測數(shù)據的有效性，如果GpsPosition對象的時間不正確或者當前時間減去最大時間大于GpsPosition對象的時間，則無效，釋放指針．

4 結語

隨著中國公路通車里程的快速增長、道路服務年限的增加，中國公路已進入建設與養(yǎng)護并重的時期，部分公路已進入周期性的養(yǎng)護高峰期，再加上交通量的持續(xù)增長，給養(yǎng)護管理工作帶來了更大的壓力．因此，做好公路養(yǎng)護巡查工作是保持公路及其設施的完好狀態(tài)、保證行車安全的基本手段之一．本研究將帶有GPS功能的智能手機運用到公路養(yǎng)護巡查工作中，實現(xiàn)了日常巡查和大中修項目數(shù)據的實時查詢、現(xiàn)場采集和上傳，為各級公路管養(yǎng)部門提供了及時的路況信息，使用效果表明該系統(tǒng)具有實用性強、操作方便、穩(wěn)定可靠且高效等特點．其對路況信息的實時采集實現(xiàn)了公路巡查作業(yè)的移動辦公，進一步加強了公路養(yǎng)護管理的信息化，提高了公路管理的質量和效率．系統(tǒng)提取的GPS經緯度信息可與河南省道路信息管理系統(tǒng)中的GIS地圖坐標關聯(lián)并顯示，因為公路是暴露于自然界的人工構造物，系統(tǒng)中手機GPS定位的精度僅受天氣原因的影響，經測試系統(tǒng)中提取到的經緯度信息精確度在10 m以內，能滿足現(xiàn)場圖片與采集點路段的一致性校驗．

［1］ 趙大軍，沈艷東，崔 巖，等．公路養(yǎng)護技術［M］．北京:北京理工大學出版社，2009．

［2］ 趙仲華，趙黎明，鄭江波．基于地理信息系統(tǒng)的公路管理信息系統(tǒng)［J］．長安大學學報，2005，25(1):69－72．

［3］ 王 歡．公路管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［D］．北京:北京工業(yè)大學，2007．

［4］ 王 丹．基于GIS的道路綜合信息管理系統(tǒng)研究［D］．西安:長安大學，2010．

［5］ 馮志慧．河南省道路信息管理系統(tǒng)［D］．武漢:華中科技大學，2006．

［6］ 鄒國平，黃 錚，郝國昌．基于PDA的高速公路養(yǎng)護數(shù)據采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］．交通標準化，2007(9):97－100．

［7］ 馮志慧，張 慧，薛鵬濤．基于智能手機的干線公路養(yǎng)護數(shù)據采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．河南農業(yè)大學學報，2011，45(4):455 －458．

［8］ 陸有機，韋立林．干線公路養(yǎng)護信息管理系統(tǒng)研究開發(fā)［J］．廣西大學學報，2008，33(4):374 －377．

［9］ 田 蓓．基于Windows Mobile操作系統(tǒng)手機的 GPS模塊設計與實現(xiàn)［D］．廈門:廈門大學，2008．

［10］肖國元．基于智能手機的GPS導航系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］．北京:北京郵電大學，2008．