基于BIM 的高速公路數字化應用研究

曾蕾潔

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038）

工業和信息化部規劃司2020 年12 月24 日在國新辦舉行的新聞發布會上表示，十九屆五中全會明確提出要加快數字經濟的發展。交通基礎設施影響城市的空間結構，也是現代化標志，其建設和運營關乎到社會生活和國家經濟的各個方面。高速公路涉及路基、路面、路肩、橋梁、隧道、涵洞、照明系統、消防系統、監控系統、排水系統，及施工、養護、運營用的收費站，高速公路管理中心等。數字化需要智能BIM，而智能BIM，第一要搭建智能環境，使設備能夠自動地交換信息、觸發動作和實時控制，第二要將BIM 技術和云計算、大數據、人工智能和互聯網等技術相融合來建造智慧的管理。

1 數字化轉型應用技術

本研究使用文獻分析軟件CiteSpace 把發布在知網上的近20 年有關道路基礎設施的文獻，包括中文639 篇，外文1661 篇，進行高頻關鍵詞共現分析，依據閾值參數經驗將關鍵詞設置為5，梳理了291 個關鍵詞，得到關鍵詞共現知識圖譜，結論是：建筑信息模型、智能交通、智慧城市、云計算、物聯網IoT、大數據中心等技術是當前的研究熱點[1]。道路基礎設施建設、性能監測和管理的數字化轉型是未來發展的方向。本文匯集建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(GIS)、5G 互聯網、大數據驅動、數字孿生、人工智能應用于公路，從策劃到運維整個生命周期的物理信息、性能特征、狀態和行為四個方面進行把控，指導公路的數字化新建、重建或改造，實現數字化成果交付，以及數字化運維管理。

1.1 BIM

BIM 模型不等于數字資產建筑信息模型：1）BIM 是一個建設項目物理和功能特性的數字化表達；2）BIM 是一個共享的資源，為該設施從規劃建設到拆除的全生命周期的所有決策提供可靠依據的過程；3）在項目的不同階段，不同利益相關方通過在BIM 中插入、提取、更新和修改信息以支持和反應其各自職責的協同作業。智慧運營在BIM 模型支持的基礎上，還需要施工建設期的其他數據，以及運維管理系統更多的信息，把所有信息完整集成并有效地管理起來，為數字化資產運營提供應用點。

1.2 GIS

地理信息系統是地理科學基礎上集成各類數據，使用地圖和3D 場景分析空間位置，是基于空間數據庫的技術，可支撐對大范圍場景的協同分析和共享應用。三維GIS 能提供空間對象間的平面、垂向關系，還可實現對宏觀地理場景下單體的物理空間數據和環境做輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據，常運用于定位、監控變化、管理及響應事件，預測、確定優先級、了解趨勢等方面。

1.3 Digital Twin

2003 年密西根大學的MichaelGneves 教授提出概念，2011 年正式命名為Digital Twin。BIM 是基于協調性能公開標準的共享“數字表達”，而數字孿生是基于BIM 技術廣泛應用下誕生的一個重要物聯網新技術。通過將規范、圖紙、BIM 模型、空間位置、地理信息、資產標簽、工單、維護記錄、檢測記錄等集成數字信息，使用物聯網、傳感器、飛行器、圖像采集、激光、點云等運營技術得到數字資產模型，分析數字資產模型對實物資產進行管控。

1.4 5G、大數據

5G 具有高數據速率、低延遲、省能源、降成本、提高系統容量和大規模設備連接的性能。大數據是在信息大爆炸的今天，為適應海量、高增長率且多樣化的信息資產，通過云計算、分布式處理技術、存儲技術和感知技術對海量數據進行采集、處理、存儲，最后形成結果，體現決策力、洞察發現力和流程優化力。

1.5 人工智能

人工智能是研究并開發用于模擬、擴展人類智能行為（如學習、推理、思考、計劃等）的理論、方法、技術及應用系統的技術科學。采用計算機實現智能的原理制造類似于人腦智能的計算機，實現更為高級的應用。

2 技術的數字化應用

高速公路數字化關鍵技術應用包括：模型的參數化建立、多源模型融合與互操作、建設數據存儲與管理、運營數據挖掘與分析等，在高速公路規劃設計、施工建設、運營維護、公路出行服務各階段進行信息集成、監測檢測、安全預警與應用管理等，實現數字化建造與運營管理。

2.1 BIM+GIS

BIM 是三維模型表達，將設計、施工、運維等信息附進模型，其幾何結構精細、信息豐富及參數特征明顯，GIS 對宏觀地理場景信息管理、分析和強調技術成熟，二者結合，優勢互補，對高速公路建設、交付和運維管理起到最優作用。GIS 與BIM集成的技術運用到公路隧道的運維管理中，將各類BIM 建筑模型數據融入GIS 建立的地理環境中，進行單體與宏觀地理信息融合建模，形成單體空間及周邊地理環境三維一體可視化全信息模型，進行智慧建造及運維管養[2]。融合技術并不很成熟是目前一個難題。

2.2 DT 五維模型

數字孿生的五維模型分別為：物理實體、虛擬實體、連接、孿生數據和服務。數字孿生通過物理世界與信息世界連接融合達到虛擬現實的交互與融合，在交通領域，其立足在BIM+GIS 技術之上。物理實體主要包括各個子系統（如監控系統）以及部署的傳感器，傳感器采集設備及其環境數據在各子系統具備不同的功能，共同支持設備的運行。實物資產和數字資產兩個模型保持信息同步、更新一致，以數字資產模型進行分析洞察和決策，通過物聯網、自動化控制設備將優化指令傳遞到實物資產執行干預。模型要素的交互和數字孿生數據合理建設是一個難點，制約著應用[3]。

2.3 5G 和大數據

利用5G 技術可實時傳輸監控信息到地面，構建動車組的數字孿生平臺，以開發數字化建造、運維的各種場景。大數據在5G 的到來之下更好地全面落地，實現對公路的健康進行監測、檢測、預測和全生命周期的健康管理，移動裝備的檢修也可由計劃修轉為狀態修、預測修，正在逐步構建數據采集、分析、檢修、調度等建設運營智能化管理體系[4]。

2.4 新一代人工智能

清華大學教授張建平說：“BIM 構筑行業大數據并支撐行業的數字化，人工智能是行業發展的未來，大數據驅動新一代人工智能”。相較于之前，新一代人工智能落地于實踐基礎了。在交通領域，通過人工智能，記錄識別司機的規范性操作和違規異常行為，建立自動駕駛行為系統，已實現有司機監控的無人自動駕駛。智慧公路采用“車路協同”技術，路側的車路協同設備可實時感知車輛速度、位置、駕駛狀態等數據。人工智能監控人和機械建設行為，輔助建設管理；采集實時交通信息，優化公眾出行；分析海量交通數據，提供科學決策。

3 結論

高速公路數字化包括基礎設施數字化和業務流程數字化，完成全場景、全業務流程以及全生命周期下從物理世界到數字世界的轉換。基于BIM技術的數字化技術在高速公路的應用要落在GIS、5G 互聯網、大數據驅動、數字孿生和人工智能上。目前已有研究成果，但仍需要很長一段時間的磨合，對關鍵技術和相關應用進一步研發、拓展，構筑高速公路數字化信息互通、資源共享、能力協同、開放合作的新體系。