（信号与信息处理专业论文）基于struts2的高等级公路评价与养护系统设计与实现.pdf

design and implementation of high-grade highway evaluation and maintenance system based on struts2 a dissertation submitted for the degree of master candidate：wang bo supervisor：prof. sun zhaoyun changan university, xian, china i 摘 要 随着我国高等级公路里程的不断增加， 公路发展的重点已经从修建新路逐步转变到 养护上来，高等级公路评价与养护的信息化也越来越凸显出其重要性。 本文对国内外路面管理系统与公路评价模型进行了深入研究；对系统的开发原则、 业务需求和用例进行了分析；然后引入 struts2 框架完成 mvc 结构的设计，设计了基于 角色的访问控制机制来区分访问权限，建立了数据库模型，对系统的功能模块特别是对 道路评价与养护，桥梁评价与养护的功能模块进行设计与实现；开发了基于 struts2 的 高等级公路评价与养护系统。该系统的特点主要体现在如下几个方面： （1） 将公路与桥梁的评价和养护模块整合在一个系统中， 使得在对公路技术状况指 数评价中桥涵构造物分项指标的分析更加准确， 不仅能够满足公路管理部门提出的对高 等级公路评价和养护的需求，而且提供了单独的桥梁的评价与养护，弥补了现有 cpms （china pavement management system）和 cbms(china bridge management system)相互 孤立、数据不能良好交互的不足。 （2）利用 struts2 框架完成本 web 应用的开发，提高了系统的可扩展性和可维护性。 系统采用b/s结构， 可以通过web浏览器的方式操作本系统对高等级公路进行养护评价， 这种方式是对我国现有 c/s 结构的 cpms 系统的重要补充和改进。 （3） 采用 jxl 来操作 excel 文件进行录入原始信息。 这种方式解决了大量数据录入 困难的问题，提高了公路管理者的工作效率。 对系统进行测试，其结果表明整个系统整体运行正常。本系统功能齐全，能够满足 公路管理部门对高等级公路的评价与养护的信息化要求， 可以辅助公路管理人员完成公 路资产养护和评价工作。 关键字关键字：高等级公路，养护，评价，struts2，b/s，mvc ii abstract with the increasing of high-grade highway mileage, the focus of highway development has gradually transferred from new highways building to maintenance and management. evaluation of the highway is an important basis of the highway maintenance. the informationization of the high-grade highway evaluation and maintenance shows its importance more obviously than ever before. in this paper, the pms (pavement management system) and highway evaluation models at home and abroad was researched in-depth in the first place; then the development principals、 the business requirements and the use case were analysed; finally the high-grade highway evaluation and maintenance system (hhems) based on struts2 was developed. struts2 framework has been used in order to complete the design of mvc structure. role-based access control mechanism has been designed to control the access of system. database model has been set up. all function modules have been designed and implemented in detail, especially the maintenance and evaluation of highway module and the maintenance and evaluation of bridge module. main characteristics of hhems are as follows: firstly，the evaluation and maintenance module of road and bridge has been combined into hhems. this not only meets the demands of highway management department for the evaluation and maintenance of high-level highways, but also provides independent evaluation and maintenance of bridge, which solves mutually isolation and insufficient data interaction between cpms(china pavement management system) and cbms (china bridge management system). secondly, the whole system was developed based on struts2 framework , which has improved the scalability and maintainability of this system .besides, b/s structure was adopted in this system, so users can maintain and evaluate highways by operating the system via a web browser. the b/s-based system is an important supplement and improvement to the existing c/s-based cpms. thirdly, the operation of excel file was implemented by jxl （java excel api） which can help read and write excel files conveniently. it solves the difficulty of large-scale data entry and will improve the efficiency of road managers as well. the system has been tested many aspects，including unit testing、system module testing and compatibility testing. the result shows that the overall system can operate normally. with its full function, the system can well meet the demands of highway iii department for the evaluation and maintenance of high-grade highways and assist these departments to complete the highway asset conservation and evaluation. keywords：high-grade highways, maintenance, evaluation, struts2, b/s, mvc v 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究状况 . 2 1.2.1 国外研究状况 . 2 1.2.2 国内研究状况 . 3 1.3 本文的研究内容 . 4 1.4 本文的章节安排 . 4 第二章 高等级公路评价与养护研究 . 6 2.1 高等级公路评价与养护范畴 . 6 2.1.1 高等级公路分类 . 6 2.1.2 公路病害及缺陷 . 6 2.2 公路养护与评价 . 7 2.3 养护评价模型 . 7 2.3.1 现时服务能力指数（psi） . 8 2.3.2 养护控制指数（mci） . 9 2.3.3 路面状况指数（pci） . 10 2.3.4 道路状况指数（rci） . 10 2.3.5 公路状况指数（mqi） . 11 第三章 高等级公路评价与养护系统分析 . 17 3.1 系统职能分析 . 17 3.2 系统开发原则分析 . 17 3.3 系统业务需求分析 . 18 3.4 系统用例分析 . 18 3.4.1 管理员用例分析 . 19 3.4.2 专家用户用例分析 . 21 3.4.3 一般用户用例分析 . 21 第四章 高等级公路评价与养护系统设计 . 23 4.1 系统总体功能和流程设计 . 23 4.1.1 系统总体功能设计 . 23 4.1.2 系统工作流程 . 24 4.2 系统框架设计 . 24 4.3 用户角色设计 . 25 4.3.1 访问控制机制 . 26 4.3.2 权限设置 . 26 4.4 数据库设计 . 26 4.4.1 数据库 er 模型设计 . 26 4.4.2 数据库表结构设计 . 27 4.5 主要功能模块设计 . 32 4.5.1 用户管理模块 . 32 vi 4.5.2 道路信息管理模块 . 35 4.5.3 道路评价养护模块 . 37 4.5.4 桥梁评价养护模块 . 45 4.5.5 辅助模块 . 46 第五章 高等级公路评价与养护系统实现 . 50 5.1 系统的开发环境 . 50 5.2 系统的配置 . 50 5.2.1 web.xml 配置 . 50 5.2.2 struts2.0 的引入与配置 . 50 5.3 系统中的包和类实现 . 53 5.3.1 系统中包实现 . 53 5.3.2 系统中类实现 . 54 5.4 控制器的实现 . 56 5.5 web 层实现 . 57 5.5.1 界面实现 . 57 5.5.2 界面展示 . 58 5.5.3 主要代码示例 . 66 5.6 系统配置 . 69 5.7 解决中文乱码问题 . 70 第六章 高等级公路评价与养护系统测试 . 72 6.1 单元测试 . 72 6.2 系统测试 . 73 6.3 兼容性测试 . 76 结论和展望 . 77 结论 . 77 展望 . 77 参考文献 . 79 致致 谢谢 .80 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景及意义 高等级公路是经济社会发展的重要基础设施， 是衡量一个国家和地区经济与社会发 展情况的重要标志1。我国高速公路的发展用了十多年的时间，就达到了其他发达国家 需要 4050 年才能达到的里程数。交通运输部公布的数据显示，1989 年我国高速公路 总里程仅为 271 公里，到 1999 年突破 1 万公里，到 2002 年底达到 2.52 万公里，2010 年底，已经达到 7.4 万公里。斥巨资修建的公路值国家重要的资产之一，公路里程数的 剧增，加之早年修建的高等级公路随着时间的推移，在车流的作用，在环境、气候的影 响下，公路的使用性能或多或少会产生退化，逐步计入大修和中修期，高等级公路公路 养护的任务也越来越重， 现阶段我国高等级公路发展的重点已经从以建设新路为主转移 到建设与养护并重。 完成道路的养护首先要求养护部门根据一定的指标对道路的情况做 出正确的评价，依靠此评价结果判断做出关于道路养护的决策。因此高等级公路的评价 与养护工作越来越凸显出来其重要性。 公路养护的目的在于，第一.防止公路退化、延长公路的使用寿命；第二.使公路保 持良好的运营状态、减少不必要的运营开支；第三.对道路的缺损及时维修、保持交通的 安全以及正常通行。对于这些指标的获取就涉及到道路的评价。包括公路的技术状况指 数，以及公路所包含的各种资产评价：路面的使用性能指数、路基的使用性能指数、沿 线设施技术状况指数和桥涵隧道物技术状况指数2。道路的评价将直接影响着对于道路 的养护策略。为了使高等级公路充分发挥其应有的功能，养护评价工作必须向信息化和 自动化的方向发展。高等级公路由于交通量大、车速较高的特点要求养护工作必须要有 较高的养护管理体制， 而目前我国的公路养护模式单一、 管理相对滞后、 技术水平偏低、 机械化程度不高、不能适应当前高等级公路养护工程的需要，公路越发展越需要养护管 理，技术越进步，越是要实行现代化的养护管理。所以有必要利用先进的信息和计算机 技术与高等级公路的养护管理相结合， 从而提高高等级公路养护管理的信息化、 高效化、 科学化。同样面对这个问题，世界上各个发达国家已经开始了将先进的计算技术同道路 管理技术相结合，比较成熟的研究成果就是路面管理系统（pms pavement management system） ，该系统对路网的使用状态做出跟踪检测和数据采集、将数据持久化的存储、 根据采集来的信息进行建模与分析、得到对信息的准确、完整的评价，以此为依据进行 科学经济的道路养护工作，使得道路的使用性能始终保持在良好的状态。因此我国在路 第一章 绪论 2 网特别是高等级道路路网建成后，研究先进的公路评价养护是非常必要的。 路面管理系统是依靠尖端的计算机技术，公路管理人员对路面养护与评价、预测、 分析与决策等一系列工作的辅助决策系统，同时也是帮助道路养护管理的重要工具3。 1.2 国内外研究状况 本文设计实现的高等级道路评价与养护系统从大的范畴属于道路管理系统， 具体针 对道路的评价养护设计出的系统。对于道路管理系统的概念并没有非常严格的定义，但 是一般认为，道路管理系统应该与道路的规划、设计、施工、养护、评价和和各种研究 活动组成的一个综合体，其发展先后经历了路面管理系统、桥梁管理系统以及现有的道 路资产管理系统4。由于社会、经济以及交通系统自身的需要以及由于系统实施所带来 的效益，不论是在国外还是在国内，有关机构已经展开了大量的研究并取得了一系列的 成果。 1.2.1 国外研究状况 道路管理系统起源于 20 世纪 60 年代， 最初道路管理系统本质上是为了消除公路路 面、现行以及道路容量等路网技术层面上的缺陷、为其提供优化的设计方案，这种系统 是属于项目级别的系统，其代表是加拿大的 opac 系统5。随着时间的推移，一些发达 国家诸如德国、美国等公路路网建设基本完成，公路管理部门开始将其只要的精力从扩 建公路和扩展公路网转移到对原有公路和路网的改建与养护从而改善现有的路网， 公路 管理系统借此契机得到蓬勃的发展。 1972 年， 世界银行开展了公路养护方面的工作， 在经过许多国家的时间和改进之后 建立了第三版的公路设计与养护标准模型（dhm-）6。hdm-主要应用于单项目工 程分析以及多项目分析，但是在实际应用中也有不少不足，比如：不预测模型不完全， 未充分考虑环境影响，不能反映新的道路技术水平等. 从 1970 年开始，美国开始着力于对路面管理系统的研究，到 1990 年代初，全国 50 个州和哥伦比亚特区的研究并推行一些他们的路面管理系统7。比较有代表性的有：德 克萨斯大学研发的“城镇道路管理系统” 、亚利桑那州路面管理系统、密西根州路面管 理系统。 城镇道路管理系统是专门为中小型城镇研发的路面管理系统， 可以在项目级和网络 级不同层次上提供有效的管理公路的手段8。目前，美国大多数城镇所采集到的路面数 据已经能够满足城镇道路管理系统的实施的要求， 但是阻碍其发展的最大原因在于检测 长安大学硕士学位论文 3 仪器、检测方法、检测标准的不一致，这使得各个州之间的数据与经验的交流和对比有 很大的障碍。 亚利桑那州路面管理系统是一个面向网络级层次的路面管理系统， 为了给财政规划 提供优化，其开创性的特点就是引入马尔科夫决策过程到网级层次的路面管理系统9。 系统不仅仅是考虑个别道路或者项目的方案而是把问题着眼于整个道路网， 研究如何让 以最低的费用维护并保持道路的性能。 密西根州路面管理系统的特点是在引入马尔科夫决策过程的同时与路面的衰减曲 线相结合，以此为来预测路面的使用性能，从而实行对道路养护费用的合理性规划10。 罗马尼亚的道路管理系统， 建设目标在于列出待修复项目， 并在预算的约束条件下， 所处短期、长期的资金需求计划。其特点在于：1 市区内部的道路不适用该系统；2 在 计算道路破损以及运营养护成本中引入先进的 hdm 模型；3 由于罗马尼亚本身的气候 比较寒冷，在道路破损计算中加入了适应当地的冻融参数；4 检测弯沉时利用落锤式的 弯沉检测方法，并能根据季节的变化对检测结果进行修正10。 泰国路面管理系统于 1984 年首次使用， 到 1988 年已经在泰国全国范围内的路网使 用10。该系统的编写语言是 mbasic 语言，系统只有在 btos 操作系统上才能正常运 行。对公路以 200 米为一个单位进行评价，在路况的评价结果低于系统中预先设定的标 准的前提下，管理模型会根据某些参数制定对该单位的处置措施。措施的制定需要根据 子路段的破损数量、破损程度、交通量作为参考。 1.2.2 国内研究状况 我国探索和研究路面管理系统始于 1980 年代，1985 年辽宁营口市开创性的移植了 英国的沥青路面养护与管理系统，随后全国一些省市，比如北京、广东、河北、山东、 河南和江西等相继建立了各自的沥青路面管理系统。 “七五”期间，路面管理系统进一 步的发展与完善， 国内的许多科研院所公路管理研发部门开发出来了一系列的路面管理 系统。交通部的一些专家分析了我国公路路面管理系统的基本框架，并在研究与参考国 内外模型的基础上，提出了符合我国具体情况的模型。同济大学的刘可博士，引入了马 尔科夫法用来预测水泥路面的使用系能，提出了水泥路面的评价、养护、费用的模型。 我国路面管理系统中成果最突出的系统是 cpms (china pavement management system）和 cbms (china bridge management system)11。 cpms 是我国干线路面的评价养护系统，是建立在国家的重点攻关项目“干线公路 路面评价系统成套技术”的研究，该系统作为交通部的重点推广项目，已经在广东、天 第一章 绪论 4 津等多个省市得到推广与应用1512。 广东省应用的高速公路数据管理系统，在集成以前公路管理系统的前提下，为了实 现简单数据的可视化查询，将先进的地理信息技术引入到 pms 中，但是不足之处在于 该系统不能对所查询的道路进行动态的分段，所以数据不能动态显示出来。 20 世纪 90 年代由交通部研发与编制的公路桥梁管理系统 cbms，在全国各省市公 路部门分批推广。其作用是对公路所属的桥梁进行日常管理，具体包括桥梁技术状况检 查、数据等级、桥梁的评价、养护与维修决策、投资预算等 综上所述，我国路面管理系统发展至今已经有近 30 年的历史，虽然有了很大的成 果，但是还有一些问题。主要体现在以下几个方面：1.数据的采集和处理；2.相关模型 的建立和分析；3.评价指标及其标准化；4.路面管理系统本身的优化；5.养护决策。 1.3 本文的研究内容 1设计并实现高等级公路评价和养护系统（hhmes） 。整个系统是为交通管理部 门对于高等级公路养护和评价工作提供的一套解决方案， 能够满足公路管理部门对公路 指标提出的评价要求， 并能够给出对公路养护的建议。 系统使用 b/s 结构， 可以通过 web 浏览器的方式对高等级公路进行养护评价进行操作，这种方式是对我国现有的 cpms 系 统的重要补充和改进。 2采用 struts2 框架实现 mvc 模型。能够简化开发过程，使得系统的可扩展性和可 维护性大大加强。 3桥梁的单独评价养护模块和道路的养护评价模块整合，使得道路的数据和桥梁 的数据能够方便的交互，解决以往桥梁与道路的评价与决策系统分离的问题。 4分析公路评价养护模型，提出使用 mqi 作为本系统评价的模型，为本系统数据 的处理提供了理论依据。对各种主流的评价模型进行分析与比较，重点对 mqi 模型进 行了深入研究，包括 mqi 及各个分项指标的评价和桥梁的评价。 5 实现以操作 excel 向系统导入大量的道路数据的方法解决大量数据录入困难的问 题，减少了使用者的工作量，提高了工作效率。 1.4 本文的章节安排 本论文共六章，按如下方式组织： 第一章绪论，介绍了课题的研究背景及意义、国内外的研究现状，并概括了本文的 研究内容。 长安大学硕士学位论文 5 第二章公路资产评价与养护研究，分析了研究的对象为高速公路和一级公路，及其 病害及缺陷 。重点介绍了不同的公路评价模型，并对其比较分析，最后确定使用公路 状况指数（mqi）作为道路的评价模型。 第三章系统分析，对系统所包含的主要功能做出分析；提出了系统的开发原则；对 系统的业务需求出分析得到用例图和系统的 5 个功能模块即用户管理模块、 用户管理模 块、道路性能评价模块、桥梁评价模块、辅助模块。 第四章系统设计，说明了整个系统的设计过程。1.功能以及流程；2. mvc 框架；3. 角色限制；4.对系统中所涉及到的数据库进行设计；5.系统包含的五个功能模块的详细 设计。 第五章系统实现，说明了系统的开发环境，重点在于引入 struts2 框架实现 mvc 的 3 层结构，通过系统主要的 java 模型类编写的模型层实现，通过 struts2 的 action 类和 控制器的控制层实现，通过 jsp 界面编写对系统的表现层实现。 第六章软件测试， 介绍了常见的软件测试方法， 并使用其中方法对本系统做出测试。 本文中使用如下测试方法对系统进行测试：单元测试、系统测试和兼容性测试，重点介 绍了使用 junit 进行的单元测试。 最后是结论和展望，概括了本文的主要工作，指出其中的不足并提出进一步改进的 方向。 第二章 公路评价与养护概述 6 第二章 高等级公路评价与养护研究 最近 10 年我国的公路建设事业，特别是高等级公路的建设事业进入了一个迅速发 展的时期，全国新建公路以每年 30,000 km 左右的速度增加 ，其中高速公路以年增 1,000km 左右的速度发展13。在建设新公路的同时，我们也注意到了，一些已经建成的 公路，随着使用年限的增加已经出现了不同程度的病害。为了提高高等级公路的运营效 益、保障国民经济命脉的畅通，必须针对高等级公路资产的评价与养护提出科学和先进 的管理办法。 2.1 高等级公路评价与养护范畴 2.1.1 高等级公路分类 高等级公路一般是指汽车专用公路， 能够使汽车安全高速与通畅无阻运行的现代化 公路、是连接主要的政治、经济中心以及工矿区、港口和机场重要的交通纽带。 高等级公路按照交通量及其使用任务和性质一般可分为 3 个等级： 高速公路、 一级 公路和二级公路14，本文主要研究对象为高等级公路中的高速公路和一级公路。 高速公路是专供汽车分到高速行驶并全程控制入口的公路， 具有重要的政治、 经济 意义，一般能适应交通量按各种 汽车折合成小和车的平均昼夜交通计算 25,000 辆以上 的交通。 一级公路是为连接重要政治、经济中心，通往重要的港口、机场等，专供汽车分到 形式并部分控制出入的公路，一般能适应交通量按各种 汽车折合成小和车的平均昼夜 交通计算 10,00025,000 辆以上的交通。 2.1.2 公路病害及缺陷 对于公路的损坏主要从以下四个方面进行讨论：路面、路基、桥隧构造物和沿线 设施215。其中路面包括沥青路面、水泥混凝土路面和砂石路面，本文中只研究沥青路 面的性能。 1. 沥青路面：沥青路面的缺陷主要包括 11 类 21 项，具体如下： 龟裂（按照程度不同可分为轻度、中度和重度） 、块状裂缝（按照程度不同可分为轻度、 重度） 、纵向裂缝（按照程度不同可分为轻度、重度） 、横向裂缝（按照程度不同可分为 轻度、重度） 、坑槽（按照程度不同可分为轻度、重度）松散（按照程度不同可分为轻 度、重度） 、沉陷（按照程度不同可分为轻度、重度） 、车辙（按照程度不同可分为轻度、 重度） 、波浪拥包（按照程度不同可分为轻度、重度） 、泛油、修补。 长安大学硕士学位论文 7 2路基：路基的损坏分为 8 类，具体如下：边坡坍塌、路肩边沟不洁、路肩损坏、水 沟冲毁、路基构造物损坏、路缘石缺损、路基沉降、排水系统淤塞 16。 3.桥隧构造物：桥隧构造物包括桥梁、隧道和涵洞三类。 桥梁的损坏：翼墙耳墙、锥坡护坡、桥台及基础、桥墩及基础、地基冲刷、支座、 上部主要承重部件、上部一般承重部件、桥面铺装、桥头与路堤连接部、伸缩缝、人行 道、栏杆与护栏、灯具与标志、排水设施、调治构造物、其他。 隧道的损坏：土建结构损坏（洞口、洞门、衬砌、路面、检修道、 排水设施、吊 顶、内装） 、配电和通风照明设施、通风设施、消防与救援设施、监控设施、其他工程 设施。 涵洞的损坏：进水口、出水口、涵身两侧、涵身顶部、涵底铺砌、涵附近填土。 4.沿线设施：沿线设施的损坏分为 5 类，具体如下：防护设施缺损、隔离栅损坏、标志 缺损、标线缺损、绿化管护不善。 2.2 公路养护与评价 在对公路的养护与评价中，对公路技术状况进行评价是其最根本，也是最重要的一 项工作。公路技术状况评价，应建立一套客观、科学、定量的评价方法17。 一套优秀的评价方法应具有如下的特质：第一，公路的评价模型可以准确的反应出 真实状况；第二，数据的采集具有可操作性。 caray 和 irick 在 1962 年首次提出了路面使用性能（performance）这个概念，随后 对路面使用性能的认识逐渐的变化与深入，其评定方法也不断的变迁 18。到目前为止， 路面的评价方法一般都是围绕以下 5 个方面进行设计的，包括：形式质量、破损状况、 车辆行驶质量与安全性、路面承载能力和道路外观。 2.3 养护评价模型 国外的养护评价模型主要有以下几种：美国的现时服务能力指数（psi） 、日本的养 护管理（控制）指数（mci） 、美国军队的路面状况指数（pci） 、英国的道路状况指数 （rci） 。 20 世纪 60 年代早期，美国计划并实施了 aasho 道路试验，提出了路面使用（服 务）性能评价指标，建立了现时服务能力指数 psi（present serviceability index）路面评 价模型。psi 评价模型的建立标志着世界范围路面使用性能评价技术研究的开始，对路 面养护管理技术的发展有着深远的影响19。在随后的 20 多年里，随着检测技术的进步、 第二章 公路评价与养护概述 8 装备水平的提高和路面管理系统（pms）的深入研究及广泛应用，许多国家（包括加拿 大、英国、芬兰、法国、日本）和国际机构（世界银行）先后提出了不同的路面评价指 标，建立了不同类型的路面评价模型。其中包括加拿大的行驶舒适性指数（rci） 、英国 的道路状况指数（rci） 、日本的养护管理指