基于GIS的高速公路养护与路产管理系统研究.doc

摘要地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是信息技术的一个重要组成部分，同时GIS是一种决策支持系统，对空间数据的存储和分析能力是它的主要特征。本文将GIS应用于高速公路的养护与路产管理中，来解决其中与空间有关的问题。高速公路病害和路产，都具有空间特征，一般的管理信息系统是无法储存，描速和分析这些空间特性的，为解决这些问题，论文提出基于GIS的高速公路养护与路产管理系统（Superway Maintenance and Assets Management System，简称SMAMS）。本文在综述GIS的来源、发展与应用的基础上，分析了高速公路养护和路产管理的现状，指出公路养护管理地理信息系统的开发是公路管理的基础性工作。从而明确了建立SMAMS的必要性和可行性。论文对系统进行了分析和设计，确立了“系统为客户端服务器模式”，“以移动道路测量系统采集数据”，“以SQL Server2000作为数据库工具”，等技术方案。并解决了空间数据和属性数据的组织和管理、远程数据库访问、数据格式转换、空间分析等关键问题。最后介绍了SMAMS的实现方法和主要界面。基于GIS的高速公路养护与路产管理系统能完成一般意义的管理信息系统的各种功能， 并且可以利用它的空间数据管理能力，做到及时发现养护和路产管理中的问题，分析出养护的重点，也能对某些路产进行更优的布置或者其它的决策支持，从而在整体上提高管理的水平，促进我国高速公路事业的健康发展。关键词：高速公路养护；地理信息系统；移动道路测量系统；客户端服务器模式；路产AbstractGeographic Information System（GIS）is an important part of Information Technology and it is a kind of decision support system. Its main characteristic is the save of spactial data and spatial analysis.Based on the study of GIS,this paper uses GIS in the super way maintenance and assets management for solving the problem of space. The disease and assets of superway all have spactial characteristic. General management information system is cant store, visualize, analyze these spatial characteristic. So the paper give “The super way maintenance and assets management system based on the geographic information system ”First，the paper decribe the origin,development,application of GIS. The aculity of maintenance and assets management. The conclusion is the management based on GIS is the foundation of super way management. So the need and feasibility is clear.Second with analysis and design, the paper shows a scheme of “client/sever”, “Mobile Mapping System as the method of renewing data”, ”SQL Sever as database ”etc. The main problem as the spatial data and attribute data management, access to remote database, the data formula transition, the spatial analysis, are solved. Last, the program of building SMAMS is presented. The application of system is simply introduced.The SMAMS have the function of common Management System. And with its ability managing spatial data; the detection can be on time and maintenance can be finished efficiently; the assets are in good order etc. So the healthy development of our country is promoted.Key words： maintenance of superway；GIS； Mobile Mapping Syetem； the customer server mode； assets of superway 目录1 绪论11.1 研究背景21.1.1 GIS及其发展状况21.1.2 国内外GIS在公路及其养护中的应用状况41.2 研究的目的和意义61.3 论文的结构82高速公路养护与路产管理概述92.1高速公路养护的概念92.2高速公路养护的工作内容分析92.3 高速公路养护的工作特点分析102.4 高速公路路产分析122.5 小结133 SMAMS系统总体设计153.1 系统目标153.2 技术路线153.3系统框架设计173.3.1 数据输入183.3.2 空间数据管理183.3.3 属性数据管理183.3.4 数据输出183.4 数据采集方式设计193.5 空间数据存储模式设计203.6系统的数据流程分析213.7 小结234SMAMS的数据组织与管理244.1空间数据的组织与管理244.1.1 空间数据模型的选择244.1.2 图层设计254.2属性数据的组织与管理264.2.1 系统数据的E-R模型274.3 空间数据与属性数据的连接384.4 小结395 SMAMS系统中关键技术问题研究405.1 远程数据库访问实现方法405.1.1 数据库连接方法的分析405.1.2 数据库连接方法的具体实现425.2 数据格式转换435.2.1 文件解析方法445.2.2 基于Arcview的方法475.3地理空间分析在系统开发中的应用研究495.3.1 空间聚类方法在高速公路病害密集区分析中的应用研究495.3.2 缓冲区技术在路产及养护站点服务区域分析中的应用研究525.4 高速公路的三维可视化方法研究565.5 基于动态链接库的地物符号化方法研究575.6 小结576 SMAMS系统的实现596.1 硬件配制和网络接入596.2 实现系统的主要程序语句606.3 界面介绍606.4 小结667 结论和展望677.1结论677.2展望68参考文献69致谢73附录741 绪论进入20世纪90年代以来，计算机网络技术、信息通讯技术、空间信息获取技术与GIS技术的空前发展，改变了传统的经济运行方式，带动人类社会各方面的活动进入全球化的信息时代。现代信息技术不仅深刻地影响着现代科学技术、教育、工农业生产，以及经济建设的各个方面，而且影响着人们的生活和工作方式，信息技术应用水平已成为衡量一个国家现代化水平和综合国力的重要标志。美国、英国、加拿大、澳大利亚、欧洲等国家与地区经历了以社会信息化和信息社会化为标志的知识经济发展过程，带动了经济全球化，建立健全了国家信息基础设施，通过政府调控与市场相结合的政策导向和各种机制，使信息技术逐步实现了产业化，并因此获得了巨大的经济与社会效益。人们在进行处理、发布和查询信息时，发现大量的信息与地理空间位置有关，例如分析某矿区矿藏的储量，查询两城市之间的交通连接，查询旅游景点和路线，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅，开采矿产资源时了解知道矿产的分布、位置、储量等都需要有地理空间参考。可见在众多信息中，地理信息尤其重要，它是信息化的一个基础和平台，为其他信息提供地理参考，使与地理和地球有关的空间信息能够准确地表达、描述和查询。地理信息（Geographic information）是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息，是表征地理圈或地理环境内各种现象的数量、质量、分布特征、空间关系和规律等有联系的数字、文字、图形、图像等信息的总称（陈述彭，1999），它向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息具有描述现象本身，记录现象的空间位置和反映现象变化过程三个基本特征，地理信息的空间定位特征是通过公共的地理基础来体现的，即按照特定地区的经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置识别的，并可以按照指定的区域进行信息的并或分。地理信息还具有多维结构特征，即在二维或三维空间的基础上，实现多专题的信息结构。地理信息处理技术的快速发展使得人们的活动方式发生了根本性变化。人们在地理信息处理方面的研究也取得了长足的进步，特别是随着计算机技术、遥感技术和全球定位技术的的飞速发展，地理信息的处理、分析手段日趋先进。作为地理信息理论和技术研究的集成者便是地理信息系统（Geographic Information System或Geo-Information Systerm，简称 GIS）3643。1.1 研究背景1.1.1 GIS及其发展状况地理信息系统是把地理学、测绘学、制图学、遥感学、图形图像学应用电子计算机技术后自然形成的一门新兴边缘学科，是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它以计算机为手段，用于采集、贮存、管理、处理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。它由计算机硬软件、空间数据库、数据输入、输出、显示、转换和通讯设备等组成，以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，实时提供各种空间的动态的地理信息，并为研究和决策服务，核心模块主要包括数据输入和编辑、空间数据管理、数据处理和分析、数据输出、用户界面以及系统二次开发能力。早期的地理信息系统主要是地理信息的分析、获取，地图的输出等较少的功能，针对的领域主要偏重于地理界和测量界。现阶段，地理信息系统的功能和应用领域没有限制，其应用已远远超出了它最初的范畴。要研究GIS，我们首先必须要了解GIS的发展历程、现状与趋势58。GIS从诞生到现在只不过30多年的时间，然而，现在它已经作为信息产业的重要组成部分进入信息社会，并成为一个新的学科。GIS由兴起到产业形成，再到学科的确立，这就是它30多年发展的历史轨迹。GIS的兴起得益于计算机辅助地图制图的研究和应用。人们由此而得到启示，试图构造一种工具来收集、存储和利用海量的空间数据，导致1956年澳地利首先利用计算机建立地籍数据库，并逐步发展为土地信息系统（LIS），用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家RFTomlinson首先提出“地理信息系统”这一术语，并建立了世界上第一个地理信息系统（CGIS），这可算作GIS的起步。尽管当时的GIS带有更多的机助制图色彩，查询功能非常简单，分析功能基本没有，但是GIS的兴起引起了社会的强烈反响，许多国家的政府部门和私人机关对此表现出了极大的兴趣，相继建立了不少与GIS有关的组织机构，如美国城市和区域信息系统协会（URISA）、国际地理联合会（IGU）、地理数据采集与处理委员会（CGDSP）等，这对传播GIS知识和发展GIS技术起了重要作用565762。进入70年代后，计算机硬件与软件水平的提高，促使GIS朝实用化方向迅速发展。一些经济发达国家先后建立了许多专题性的GIS，在自然资源的管理和规划方面发挥了重要作用。80年代兴起的计算机网络技术使地理信息系统的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报，与卫星遥感技术相结合用于全球监测，为宏观决策提供信息服务，并成为一种新兴的产业。国内GIS应用在九十年代初开始发展，其主要领域也是在基础测绘、城市规划、土地管理、农业资源普查及生态环境监测等方面。GIS三十多年的发展已深入到测绘、规划、土地管理、交通、地质、矿山、环境保护、电力、通讯、商业、银行、公安、房地产、工农业生产布局、军事等诸多与国计民生密切相关的领域，并在其中发挥着越来越重大的作用。目前GIS在总体上呈现网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性、社会化等发展趋势61。网络化指的是在分布计算环境下实现地理信息系统或者在Web上发布空间数据，即实现WebGIS。网络化是开放性的基础，开放性的地理信息系统OpenGIS的目标是，制定一个规范，使得应用系统开发者可以在单一的环境和单一的工作流中，使用分布于网上的任何地理数据和地理处理。OpenGIS的主要标准由美国OGC(OpenGIS协会，OpenGIS Consortium)提出。OGC是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的互操作性(Interoperablity)，OGC会员主要包括GIS相关的计算机硬件和软件制造商（包括ESRI, Intergraph,MapInfo等知名GIS软件开发商），数据生产商以及一些高等院校，政府部门等，其技术委员会负责具体标准的制定工作。地理信息区别于其它类型信息的显著的标志是多维结构特性，与此相关的多维数据模型、多维分析、地学多维图解等都是研究的热点。多维性的一个重要方面是地理信息虚拟现实技术，虚拟现实技术，是指运用计算机技术生成一个逼真的，具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互、动态的“世界”，人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察。目前，GIS、虚拟现实以及Web技术相结合的方式之一是VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实造型语言)，通过用VRML描述 GIS信息，可以在因特网上发布空间三维数据供用户浏览。在地理信息系统发展的初期，只是一门被少数科研人员所掌握的技术，那时的地理信息系统称为实验室的GIS。而目前，在汽车导航、野外探险和旅游、银行信用卡管理、商家经营分析、保险赔偿分析等等，人们生活的各个方面，GIS都在发挥作用，GIS的社会化水平已经初具规模，未来GIS的社会化程度会更高，以致达到“GIS发展的将来就是没有GIS”的境界5960。1.1.2 国内外GIS在公路及其养护中的应用状况GIS在产生后不久就被应用到公路当中，1963年，加拿大建立了世界上第一个地理信息系统（CGIS），1964年在加拿大的多伦多市约1000个十字路口的信号灯实现了以道路网络为对象的控制，1966年日本东京都市中心实现了36个十字路口的信号灯控制。加拿大和日本的这两个信号灯控制系统中，已经初步应用了地理信息系统。地理信息系统在公路中应用的标志性事件是1968年美国开发了最早的电子导航系统（ERGS即Electronic Route Guidance System），它没有考虑堵车情况，用路和车之间的通信形成的导航系统，该系统在美国首都华盛顿特区进行了小规模的试验25。上述信号灯控制系统和电子导航信息系统都是智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）的分支，智能交通系统是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面运输的实际需求，建立起全方位、实时准确、高效的地面运输系统，实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统8。ITS的萌芽可以追溯到1939年美国纽约世界博览会，新泽西与曼哈顿之间的乔治华盛顿大桥上设置的基于道路和车辆之间通信的交通信息系统，由此可见，ITS的出现是早于地理信息系统的。但是，在地理信息系统出现以后，特别是在地理信息技术比较成熟的今天，地理信息系统技术几乎成为ITS不可或缺的技术保障。下面的几个实例就突出反映了地理信息系统在ITS中的必要性，90年代以前美国在数个城市进行了先进的交通信息系统(ATMS)和先进的旅行信息系统(ATIS )的综合实验，不仅向驾驶员提供道路信息，同时也提供旅馆和饭店等信息。日本在1996年7月由五家政府部门合作制定了推进智能交通系统(ITS)整体构思成为日本发展智能交通系统(ITS)的基本方案，其中提出的智能导航系统、交通管理系统、运输车辆管理系统、车辆紧急支援系统都是基于GIS研制的。1999年11月1日，意大利的卫星定位清雪除冰车辆及其管理系统首先在佛罗伦萨至博洛尼亚的高速公路上启用。该系统主要通过GPS和GIS实时对工作车辆进行监控、调度64。但应该看到智能交通系统的主体部分是使用先进的监控、通讯技术和计算机系统，以及先进的交通工程和管理方法对道路上的车流进行引导，对道路交通进行管理，以便减少拥挤从而增进行车的安全性和舒适性。所以智能交通系统和下面论述的公路数据库系统是有一定区别的8。西方发达国家从60年代起开始利用管理信息系统技术开发建设公路数据库管理系统，在80年代，美国联邦公路总署用地理信息系统技术建立了全国公路数据库，并于1988年完成，同时，威斯康辛州和科罗拉多州建立了路面维护信息系统和交通安全管理信息系统。到90年代初，美国、德国、丹麦已基本实现公路信息网络化的数据库管理系统。数据采集方式也越来越先进，如加拿大Alberta省交通厅建立全省公路维护系统，利用GPS和路况摄影采集车进行路况数据的采集，对路况采集车所拍摄的公路图像进行计算机图像处理，达到实时共享和无纸化传输。美国伊利诺州芝加哥市的地方运输局建立了交通路产管理信息系统（Transit Asset Management System），该系统的用户可以搜索浏览地区地交通资产和各种服务，如火车站、铁路、公交线路、服务设施等63。国内，80年代出现了路况管理数据库，但应用效果不理想。1993年陕西省交通厅推出国内第一个建立在GIS系统上的公路数据库。1997年，福建省高速公路建设总指挥部研制开发了“高速公路数据库系统”，采用ClientSever体系结构，运用SQL Sever6.0数据库和Power Builder5.0等开发平台将空间属性数据与物理属性数据有机结合，能够实现图形、图像和统计数据的综合分析及处理。路面管理系统（China Pavement Management System简称CPMS）和公路桥梁管理系统 （China Express-Way Bridge Management System简称CBMS）是国家“七五”重点科技攻关成果，“八五”重点新技术推广项目。路面管理系统由数据采集系统、图文数据库、模型数据库、养护决策系统、养护报告制作系统和前方图像管理系统6个基本系统组成，适用于高速公路和一般公路的沥青路面、水泥路面和砂石路面的养护管理。公路桥梁管理系统主要由桥梁数据库和桥梁评价系统两部分组成。其功能是存贮桥梁基本状况和对桥梁破损进行基本评价，确定桥梁破损等级4。1998年安徽省公路管理局参加了“九五”国家重点科技项目“GIS在公路设计中的应用研究与开发”课题，建立了“安徽省公路地理信息系统”。该系统基于ArcView3.1，利用其二次开发语言Avenue进行集成，SQL Sever6.5进行数据库管理。此系统分为路面管理系统和公路桥梁管理系统两个子系统，它拥有自己的电子地图，能生成各种专题地图，提供线路查询、条件查询和图上查询三种查询模式。1999年河北省高速公路管理局和交通部科学研究所共同开发了河北省高速公路路面管理系统，主要包括高速公路路面数据库管理系统，路面管理与决策系统，公路前方图像管理系统和公路地理信息系统一批子系统。其中地理信息系统运用Mapinfo平台，实现了以专题地图的形式显示分析决策结果的空间分布5。2000年陕西省高等级公路管理局和西安交远信息产业有限公司联合研制完成“陕西省高速公路养护管理数据库”。该系统采用Mapinfo Professional5.0完成电子地图的制作，以IBM DB6.10数据库存储数据，以MapX和Delphi作为前台开发工具。上述的系统中，陕西省交通厅推出的公路数据库没有基于计算机网络来考虑问题。这样的技术方案是不适应高速公路养护与管理的实际情况的。高速公路的管理中心在城市中心，而养护站点分布于近几百公里的公路周边，从而设计的系统，必须能把管理中心和养护站点紧密联系起来。交通部研制的路面管理系统和公路桥梁管理系统、安徽省公路管理局推出“安徽省公路地理信息系统”、河北省高速公路管理局开发的“河北省高速公路路面管理系统”等都是规模庞大的系统，用户局限于交通部、交通厅、高速公路管理局这些上级单位，对于近来大量涌现的中小养护企业是不适合的。另外可以看出国内获取路况和路产信息的途径是落后的，除了交通部的路面管理信息系统提出了“前方图象采集车”以外，其它的系统没有解决数据采集这个关键问题。但是“前方图象采集车”的定位是利用“计数器”，未采用全球定位系统GPS和惯性导航系统INS。 从技术路线来看，这些系统全部采用了地理信息系统辅助高速公路的管理。高速公路涉及的路线长，整体分布在较大和较复杂的空间环境中。对高速公路进行管理，进行决策，离不开对空间因素的考虑。例如某段高速地区出现滑坡时，必须确定滑坡的位置、必须知道周围的地形、地貌、地质情况、水系、铁路等的详细情况，才能快速稳妥的处理。要准确获取这些信息是离不开地理信息系统的1.2 研究的目的和意义高速公路养护主要是保持和恢复原有的技术状况和技术标准，对原来达不到要求的设施进行完善和提高，提高公路的抗灾能力，延长公路的使用寿命，保证公路畅通，主要工作的内容包括对路基、路面、防护栏、紧急电话及各类通信、监护设施、交通标志、收费设施、休息区、服务区、绿化及各种服务于高速公路的设施的日常养护巡查、保洁、修缮等养护任务。目前我国的高速公路养护存在许多问题，信息技术应用水平较低，大多数养护单位对养护和路产的管理都是采用手工填写报表的方式，已经不能适应高速公路病害复杂，频繁发生的现状，使得高速公路得不到及时的养护，较严重地影响公路的运营能力和使用寿命。并且养护企业的人力，财力，和各种仪器设备得不到充分的利用；员工的责任心不强，工作效率低下；浪费公司财产，粗心大意损坏仪器的现象时常发生。这些问题引起了国家高度重视，交通部制定了公路养护与管理发展纲要（2001-2010年）、2001-2010年公路水路交通行业政策及产业发展序列目录和公路水路交通科技 “十五” 发展计划，提出要“把信息化放在行业发展的优先位置，以信息化带动交通运输现代化。”通过“着力引导公路养护工作向专业化、机械化、市场化方向发展，提高养护资金使用效益和公路养护质量。”，到2010年“公路养护技术进步主导作用显著增强，公路管理的信息化程度与发达国家的差距明显缩小。”其中信息化是基础，是高速公路养护在实行市场化和机械化过程中，对高速公路养护管理提出的必然要求。自从中国在2001年底正式加入世贸组织后，国内市场的开放程度不断加大，国外的企业和资本将进入各个领域，高速公路的养护也面临着同样的境况。首先入世后，国外高速公路开发商将以各种方式进入中国，或者独资开发、或者合资建设，开发商会在高速公路的建设、收费、养护等方面全方位参与我国的高速公路事业。世贸组织的最基本规则之一，就是给予国外的企业“国民待遇”。也就是说进入中国市场的高速公路开发商和运营商，在招标投标、税收、工商管理等方面享受与国内企业同样的待遇。欧美日各国企业的研发和管理水平，远远高于国内企业。单独就养护来说，发达国家采用各种路面管理信息系统，并且作业高度的机械化，目前国内的养护企业无法和这些先进的企业竞争。其次，我国的经济会以更快的速度增长，国与国之间、地区与地区之间的物流大幅度的增加，对高速公路会形成更大的压力。没有高质量的养护支持，高速公路不能畅通，经济的发展就会受到阻碍。鉴于上述情况，大力提高国内养护企业的信息化和管理水平，使国内养护企业有能力和国外企业竞争，加强养护和路产的管理水平，满足经济发展的需要，成为公路养护企业迫切需要解决的问题，为此，交通部设立了一个重点研究项目“楚天高速公路养护及路产管理信息系统的研究”作为试点工程，其中“基于GIS的高速公路养护与路产管理系统” (the Superway Maitenance and Assets Management Systerm Based on GIS,简称SMAMS)的研发就是就是该项目的重要组成部分。1.3 论文的结构本文就 SMAMS研发中的关键问题进行探讨。论文由以下几个部分组成：第一章，综述GIS的由来、发展、应用，分析国内外GIS在公路及其养护中的应用状况，指出研究的目的和意义。第二章，研究和分析高速公路养护与路产管理的工作内容，并对高速公路养护的工作特点进行分析。第三章，基于第二章的分析提出系统设计目的及技术路线，在此基础上提出SMAMS系统的整体框架设计方案，并对系统中的数据采集方案、空间数据存储方案进行详细设计，同时对SMAMS系统中的数据流程进行分析。第四章，从空间数据和属性数据两个方面对SMAMS系统中的数据组织和管理进行研究。第五章，对SMAMS系统建设中的所涉及的若干关键技术问题，如“数据格式转换”、“聚类分析”、“缓冲区分析”以及“高速公路三维可视化”等问题进行较为详细的分析和研究。第六章，对SMAMS系统的实现情况进行总结。第七章，总结全文，并对系统的进一步开发给出了建议。2高速公路养护与路产管理概述2.1高速公路养护的概念 高速公路的定义，按照交通部公路设计规范（JTJ01194）的规定：高速公路，一般能适应各种汽车（包括摩托车）折合成小客车的年平均昼夜交通量为2500辆以上具有特别重要的政治、经济意义，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路1。高速公路的有效行车道至少在4条以上。高速公路养护指保持和恢复原有的技术状况和技术标准，对原来达不到要求的设施进行完善和提高，提高公路的抗灾能力，延长公路的使用寿命，保证公路畅通。高速公路是经济发展的产物，是一个国家现代化水平的重要标志之一。1988年10月沪嘉高速公路通车，我国大陆高速公路实现零的突破。1990年底，高速公路通车里程达到522公里；1995年底达到2141公里；2000年底高速公路通车里程已经达到16000公里。2001年末，高速公路达到1.9万公里，少于美国，居世界第二；2002年10月，达到2万公里 。随着我国高速公路规模的日益扩大和路网的形成，我国的高速公路发展日益成熟，工作中心已从单纯的建设高速公路转向建、管、养的齐步发展。高速公路养护管理是高速公路管理的重要组成部分，养护工作的好坏，对高速公路的使用寿命、使用性能和运营有着直接的影响。养护管理好一条高速公路与建设好一条高速公路同样重要，甚至更重要。2.2高速公路养护的工作内容分析高速公路养护对象可以细分为四类：路面、路基边坡、沿线设施、桥涵，如表21所示。表21 高速公路的养护对象和内容养护对象养护内容路面沥青混凝土路面日常养护，针对如裂缝、坑槽、拱起等病害的修理和完善水泥混凝土路面路基边坡日常的平整、清洁、加固等工作针对路基坍塌、边坡坍塌、路肩损坏的维修沿线设施收费站设施日常的检查、清洁针对不同的病害进行维修保养防撞护栏防眩设施照明设施等桥涵桥梁清除污泥、积雪、杂物对桥梁桥头跳车，面层断裂等病害进行维修，确保涵洞畅通涵洞 表21中的沿线设施是高速公路养护的重点内容，同时沿线设施又属于路产的范畴，所以高速公路的养护和路产管理之间是没有绝对的分界线的。高速公路的养护工作是围绕养护对象类进行的，根据高速公路的特点，养护工作分为维修保养、专项工程和大修工程三类，这三类共同形成养护工作类。（1） 维修保养是为保持高速公路及其附属设施的正常使用功能，而安排的经常性保养和修补其轻微损坏部分的作业。（2） 专项工程是对高速公路及其附属设施的一般性磨损和局部损坏，进行定期修理和完善的作业。（3） 大修工程是对高速公路及其附属设施因已达到其服务周期和由于水毁、地震、交通事故、风暴、冰雪造成的重大损害，而进行的综合、全面的修理。2.3 高速公路养护的工作特点分析高等级公路是一种快速的、大交通量的运输系统，快速、安全、舒适、畅通是其基本要求，所以高速公路管理部门应对高等级公路及其设施进行经常性、及时性、周期性和预防性的养护和维修，确保高等级公路的正常使用功能。（1） 预防性，预防性养护可以延缓由于交通和环境荷载的作用引起的路面性能恶化，延长路面的使用寿命，所以很受高速公路养护单位的重视和提倡。（2） 经常性和周期性，高速公路的养护是一项长期的任务，每天、每月、每季都有不同的内容。比如：天天都有巡查、保洁、清扫、绿化、浇水等工作；春季，做好沥青路面的裂缝的灌治，防治坑槽、松散、翻浆等病害的出现；夏季，是路面养护施工的有利季节，及时处置各种病害，恢复路面性能等；秋季，抓紧完成养护工程年度任务，适时做好冬季病害的预防性保养和修理；冬季，做好防雪、防水、防滑及养护材料采备工作。（3） 复原性，指经过养护维修后的路面应该完全恢复路面原有的使用性能，亦即其平整度、磨擦性能、承载能力、噪声等使用性能应满足高等级公路快速、安全、舒适的基本要求，而不能因养护维修作业而有所下降。（4） 补强性，高速公路的养护维修作业往往还带有弥补原有路面强度不足的要求，这就是所谓的补强作用。补强不仅是增强原有路面的薄弱环节，而且还常常出于对延长路面的寿命以及满足日益增长的交通流量的考虑，因为原有路面的设计交通流量由于国民经济的迅速增长而很快被突破。有时在设计路面时为了减少初期投资而有意识地减弱路面地强度，这是因为高速公路建成使用地初期交通量一般不会太大，但会随着时间而增加，当交通量增加到一定程度时，再在原有路面上加铺第二层罩面。（5） 时间效益性，指高速公路养护维修作业时交通扰乱持续时间对经济效益地影响。根据美国国家沥青协会地估算，一段平均日交通量达10万辆车次的交通若被扰乱，每天地直接经济损失就高达22万美元。因此尽可能减少对交通的干扰、缩短交通扰乱地时间是高速公路养护维修作业地一项重要要求。为此应尽量减少养护作业地时间，快速地准备好作业现场，在养护维修工作完成后快速撤离现场，恢复交通（6） 安全性，高速公路地车流量大，车速高，在进行养护维修作业时通常只是封闭一个车道，在车辆继续运行地情况下必须确保养护操作人员以及往来车辆地安全，这是高速公路养护所必须考虑的因素。 上面所讲的6个特点，是高速公路养护的一般特点，我国由于特殊的国情，使得高速公路的养护有着自己的特点。我国人多地少，所以高速公路边坡取值偏陡，也就是说相对地增加了路侧的危险性；在经济比较发达的地区，高速公路沿线村镇密集，下穿通道很多，因此也要抬高路堤高度，从而业增加了路侧的危险性。这些设计上的特点使得我国高速公路路基边坡和防护栏的养护具有相对的重要性。除了路堤高度比较高，边坡比较陡以外，中央分隔带、路缘带、路肩等的宽度与国外标准相比也是偏向下限值，这些较窄的中央分隔带、路缘带、路肩都使得实地养护作业可以利用的空间减小，工作的难度变大。2.4 高速公路路产分析从全局的角度来看，高速公路的路产是一大类事物路产类，它可以分成两部分：沿线附属设施和养护所用的机械与车辆。沿线附属设施包括：交通安全设施、监控系统、收费系统、通信系统、供电照明系统和服务区等，如表22所示。表22 沿线附属设施包括的建筑物、仪器、设备交通安全设施交通标志：道路编号、方位标志；交叉口方向、地点标志；收费站标志；交通指示标志等安全护栏：中央隔离带护栏、路侧护栏、防撞垫防眩设施、隔离设施、视线诱导标监控系统监控中心： 紧急电话控制器、闭路电视控制器、大屏幕投影仪、大型地图版、计算机系统信息采集系统：车辆监测器、能见度监测器、路面冰冻监测器、光亮度监测器、摄像机、紧急电话信息提供系统：可变情报板收费系统收费中心收费站收费车道设备：车道控制计算机收费员终端 电动栏杆票据打印机等闭路电视设备对讲系统通信系统光缆、电缆、网络设备、电话等服务区加油站、维修站、餐厅旅社、停车场、厕所，供水设施、污水处理设备供电系统低压变电器、发电机组、整流器、架空线、电缆、接地体、避雷针等照明系统杆柱、高杆、悬索、照明器高速公路的养护机械和车辆主要有：背携式除草机、洒水车、路面清扫车、 15-40吨大型沥青混合料摊铺机、多功能养护车、多用途压路机、沥青储罐、可移动式沥青混合料拌合机、发电机组、养护自卸车、装载机、油罐、油罐汽车、运输汽车等。2.5 小结本章研究的内容是SMAMS系统设计的基础，它在系统功能模型与工作流程分析中具有十分重要的意义。本章的内容可概括为以下几点：（1）总结了高速公路养护的基本概念，并指出了支持高速公路养护在交通发展过程中的重要意义。（2）深入分析了高速公路养护及路产管理的工作内容，总结出高速公路养护和路产管理中所要面对的三类事物：即养护对象类、养护工作类、路产类，这三类事物的确定为下章SMAMS系统的设计奠定了基础。（3）提出了高速公路养护的六大特点，即预防性，经常性和周期性，复原性，补强性，时间效益性以及安全性，对我国高速公路养护的特殊性进行探讨，这些特点的分析也为系统的具体设计提供了参考依据。3 SMAMS系统总体设计3.1 系统目标 本系统设计的目的是针对目前国内高速公路养护管理的现状基于GIS技术与网络技术开发一套适用于国内高速公路中小养护企业的管理信息系统。该系统的建成后，可使分散在几十，几百公里范围内的养护站点统一起来，接受管理中心的管理，使得单独的作业成为联合的行动，从而使设备、资金、人力得到更为充分的利用。同时系统在移动道路测量系统，特别是地理信息系统的支持下，能及时发现急需养护的地段，分析出养护的重点，也能对某些路产进行更优的布置或者其他的决策支持，从而在整体上提高管理的水平。除此之外，系统还将路产信息纳入系统的管理，从而可使路产的使用更加科学、合理，同时，也可确保减少公司资产的流失或使用不当所造成的破坏。3.2 技术路线3.2.1 客户机/服务器模式（Client/Sever,C/S）在一个应用程序系统中，包括数据存储层、业务处理层和界面表示层等三个层次。在数据存储层中，由数据库管理系统来完成对数据的各种维护操作。业务处理层就是数据库应用程序将要处理的与用户紧密相关的的各种业务操作，这一层通常使用相关程序设计语言编程来完成。界面表示层是数据库应用程序提供给用户的可视化操作界面，是用户提出请求和接受回应的地方。应用程序的架构模式就是指应用程序系统中数据存储层、业务处理层、界面表示层以及网络通信之间的布局和分布，一般可以分为四种模式：单用户模式、集中式模式、客户机/服务器模式、浏览器/服务器模式（Browser/Sever，B/S）。单用户模式一般采用Microsoft Access、Visual FoxPro等桌面型数据库管理系统，数据存储层、业务处理层和界面表示层都存在于一台计算机上，这种模式适合于未联网的用户。集中式模式是一种采用大型主机和终端结合的系统，数据存储层和业务处理层都放在主机内，只有界面表示层放在终端上。客户/服务器模式简称为C/S，服务器通常采用高性能的PC、工作站或小型机，并采用大型数据库系统，如Oracle、Sybase、Informix或 SQL Server。客户端需要安装专用的客户端软件。C/S模式中数据存储层在服务器上，业务处理层和界面表示层在客户机上。浏览器/服务器模式简称为B/S，客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix或 SQL Server等数据库。浏览器通过eb Server 同数据库进行数据交互。B/S模式是在C/S模式的基础上发展起来的，但是不能笼统的讲B/S模式优于C/S模式，它们各有优缺点。B/S模式数据和应用程序都存放在服务器上，客户端用户界面直观，易于使用，通用的浏览器对所有服务上的信息进行查询和共享，而且客户端仅需单一的浏览器，而不需要安装其它的应用软件。也就是说在客户端不存在改造和版本更新问题，这样就使得系统维护和管理费用降低。C/S主要的特点在于能够给服务器减轻压力，能充分发挥客户端的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，从而客户端的响应速度较快。C/S 一般面向相对固定的用户群, 对信息安全的控制能力很强，系统的运行也较为稳定， B/S面向是不可知的用户群, 对安全的控制能力相对弱。目前ERP（Enterprise Resource Planning的缩写，中文翻译为“企业资源计划”）等办公软件产品还是以C/S居多，还有微软的MCSE、印度NIIT等的远程考试系统都是基于C/S结构。由于养护公司的各个养护站点沿着高速公路分布在几十到几百公里的范围内，而公司的管理中心一般在大城市内。所以利用单用户模式设计的系统是不可能解决管理问题的，而集中式模式是基于局域网的，养护站点和管理中心相距最远有几百公里，因此集中式模式也是不适用的。在上述的四种模式中，只有C/S、B/S模式是可选的。考虑到C/S模式在减轻服务器压力、客户端响应速度快、安全性和稳定性等方面的优点，从而在C/S和B/S模式中选择C/S模式来构架SMAMS1316。3.2.2 组件技术的应用根据系统的设计目标，SMAMS系统应是一个典型的空间信息管理系统，而空间信息系统的开发有独立开发、宿主型二次开发以及组件式二次开发等三种模式，其中组件式二次开发具有以下特点：开发高效无缝的系统集成，允许将专业模型、GIS控件、其它控件紧密地结合在统一的界面下5051。无需专门的GIS开发语言， 只要掌握基于Windows平面的通用环境(VB,VC+,Delphi,power Builder等)，以及组件式GIS各控件的属性、方法和事件，就能完成应用系统的开发。大众化的GIS， 用户可以象使用ActiveX控件一样使用GIS的控件，使非专业的GIS用户也能胜任GIS应用开发工作。开发成本低， 非GIS功能可以利用非专业控件，降低了系统的成本。鉴于上述的分析，在SMAMS系统中组件式开发二次模式应是较好的选择，在本系统中采用的是ERSI 公司的MapObjects2.0组件，开发环境为Microsoft Visual Basic6.0。在此基础上，同时系统利用了ArcView的编辑、分析、输出功能2120。3.3系统框架设计根据上章的分析以及系统设计目标，SMAMS系统的实现至少要对养护对象、路产、养护工作等三类事物进行管理，考虑到这三类事物都具有明显的空间特性，因此，系统的实现必须基于GIS技术。图3-1给出了系统的总体构架。该系统包含路况管理模块、路产管理模块、日常养护模块、系统管理模块以及地理信息系统模块等五个模块，系统管理模块负责管理系统使用者的权限、用户名和密码，在系统中处于相对独立的地位。系统从总体上可划分为数据输入功能，空间数据管理功能，属性数据管理功能以及数据输出功能等四部分。养护对象类路产类养护工作类路况管理模块路产管理模块日常养护管理模块系统地理信息系统模块系统管理模块图31 系统的总体框架3.3.1 数据输入数据输入功能包括三方面内容，即移动道路测量系统采集和处理的数据以Shape文件的形式进入系统，用户通过设计的用户界面向系统输入数据，系统从Excel和Text的文件导入数据。3.3.2 空间数据管理该模块主要完成空间数据库基本操作、图形管理、空间分析等功能。数据库基本操作：在空间数据库中追加、删除、修改相应的记录，对空间数据作基于属性条件、空间条件的查询，如搜索距离某个位置最近的加油站。图形管理功能：包括图形的缩放、漫游、符号设计、图形修整和装饰，增删、移动、拷贝图形、计算长度、面积、周长等。空间分析功能：在本系统中设计有缓冲区分析、空间聚类分析以及地形3维可视化等功能。3.3.3 属性数据管理属性数据管理是整个系统的重要组成部分，它具备数据库操作、数据输入功能。数据库结构操作包括以下三个部分：建立新库，包括字段名称、类型及长度的定义，建好新库后可直接输入属性数据。修改库结构，包括字段内容、类型及宽度，以及字段的插入、删除。拷贝库结构，具有相同字段的库文件可拷贝库结构来建立一个新的库文件。数据库操作功能包括：对数据库中的表按字段或者记录联结；从其它形式的数据导入或导出其它形式的数据；对数据库文件排序，利用结构化语句SQL查询。3.3.4 数据输出数据输出包括文档和图件输出两个方面。文档输出：系统可将用户所需要的各种报表以Word、Excel以及Text文件形式进行输出5455。图件输出：图件输出前，用户可以根据需要添加符号、颜色、注记、图