智慧高速GIS+BIM平臺建設(shè)及應(yīng)用

文｜中航安貞（浙江）信息科技有限公司 方磊 賈鳳海 王立幼

1 引言

高速公路是現(xiàn)代經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是構(gòu)筑交通現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。當前社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，汽車數(shù)量快速增加，出行和運輸需求不斷提高，對高速公路建設(shè)、管理、養(yǎng)護提出了更高的要求，傳統(tǒng)模式已經(jīng)難以滿足日益嚴格的管理需求。《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006-2020）將智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)列入交通運輸業(yè)六大主題。

智慧高速是指融合新一代通信技術(shù)，通過人、車、路的信息交互，實現(xiàn)智能化的建設(shè)、運營、養(yǎng)護和管理，提高高速公路運營的安全性、便捷性、通暢性和綠色性。其目的是將信息化和智能化應(yīng)用于高速公路的各個環(huán)節(jié)，驅(qū)動高速公路運營管理模式向全面提升，達到出行便捷化、管控精準化、應(yīng)急快速化、支付電子化等效果。

我國首條智慧高速公路建設(shè)項目——杭紹甬高速公路實現(xiàn)了智慧化的感知、傳輸、管控和服務(wù)，有效提高了車輛運行速度、安全穩(wěn)定性和出行服務(wù)質(zhì)量。本研究在杭紹甬高速智慧化建設(shè)過程中，通過GIS+BIM平臺構(gòu)建高速公里基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備數(shù)字化底座，對高速公路本體、高精地圖、周邊地理信息數(shù)據(jù)、專業(yè)系統(tǒng)及實時營運數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源進行集中存儲和開發(fā)利用，將高速公路相關(guān)的多種專業(yè)信息加載到三維GIS+BIM平臺上，實現(xiàn)物理資產(chǎn)和數(shù)字資產(chǎn)模型的融合，通過將毫米波雷達、卡口、監(jiān)控、道路控制等多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與高精度地圖的融合應(yīng)用，實現(xiàn)高速公路運營管理與應(yīng)急處置的精細化、智能化、自動化和標準化。

2 研究現(xiàn)狀

高分遙感、北斗高精度定位、精準氣象、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR等技術(shù)的迅猛發(fā)展，為智慧高速公路的研究和建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐，高速公路的發(fā)展逐漸趨向于信息化和智能化，其中也有不少問題有待進一步研究。近年來，我國在智慧高速方面開展的大量研究，其中也存在一定問題有待進一步研究。

殷亞君基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建了智慧高速公路物聯(lián)網(wǎng)管控平臺的架構(gòu)模式，提出了智慧運營流程和智慧養(yǎng)護流程。耿潔等研發(fā)的視頻智慧云聯(lián)網(wǎng)平臺，打造了“可視化、可觀測、可控制、可服務(wù)”的高速公路智能運行監(jiān)測體系。李建利等構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧高速”BIM隧道數(shù)智監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道機電全生命周期智能監(jiān)控與應(yīng)用。劉春舵等等建設(shè)了高速公路智慧建設(shè)管理系統(tǒng)，涵蓋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、工地管理、預(yù)制梁場和工地實驗室等內(nèi)容。張忠剛等建立了高速公路建管維綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，利用GIS技術(shù)全路段一體的信息化管理和可視化展示。黃覺等建立了路運一體化綜合管理平臺，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析和移動辦公。王成松建立了基于AR與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的實景可視化管理系統(tǒng)，提升了服務(wù)區(qū)的服務(wù)水平和運行效率。

3 高精地圖及基礎(chǔ)設(shè)施三維建模

（1）高精地圖

高精地圖具有厘米級精度，包含路網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息和道路信息，不僅具有高精度的平面位置和高程坐標，還有準確的道路形狀、車道信息、交通標志等數(shù)據(jù)。

（2）三維實景模型

高速公路覆蓋區(qū)域為狹長型地帶，采用無人機傾斜攝影配合自動化三維建模軟件建立了沿中軸線兩側(cè)1公里區(qū)域內(nèi)的三維實景模型。

（3）BIM

采用BIM建模技術(shù)對主線道路、互通立交、匝道、收費站、服務(wù)區(qū)等道路主體設(shè)施，護欄、立桿、防炫板、穿跨越等道路附屬設(shè)施，以及情報板、監(jiān)控、卡口、廣播等設(shè)備建立精細三維模型。

通過三維傾斜攝影和BIM相結(jié)合，構(gòu)建了從全線到路段車道、從主體設(shè)施到單體設(shè)備的覆蓋面廣、顆粒度高的一體化基礎(chǔ)三維場景，并采用BIMID+IoTID的模式，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、終端設(shè)備信號的關(guān)聯(lián)集成。

4 GIS+BIM基礎(chǔ)平臺建設(shè)

本研究基于Cesium開發(fā)了高速公路GIS+BIM三維基礎(chǔ)平臺，實現(xiàn)地形、影像、高精地圖、三維實景模型、BIM模型等三維地理信息數(shù)據(jù)集成。以三維GIS+BIM為數(shù)據(jù)底座，通過數(shù)據(jù)服務(wù)調(diào)用外部實時監(jiān)測、業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)，并關(guān)聯(lián)到對應(yīng)三維模型所在位置。通過三維平臺建立從物聯(lián)網(wǎng)終端到應(yīng)用前臺的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)了靜態(tài)三維模型、高精地圖數(shù)據(jù)與動態(tài)業(yè)務(wù)信息、實時監(jiān)測信息的關(guān)聯(lián)與應(yīng)用。

針對高速公路運營管理所涵蓋的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備種類多樣、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信模式不一的現(xiàn)狀，本研究通過數(shù)據(jù)中臺的模式，將視頻監(jiān)控、卡口、情報板、照明、通風、雷達、氣象監(jiān)測等終端感知和道路養(yǎng)護業(yè)務(wù)設(shè)備所推送的結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、消息流、視頻流數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)實時信息在中臺進行統(tǒng)一標準化接入與集成管理，面向業(yè)務(wù)應(yīng)用研發(fā)數(shù)據(jù)融合與協(xié)同分析工具，減少前臺對于高頻次實時信息的數(shù)據(jù)接收壓力與計算壓力。

5 IoT及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

（1）實時運營數(shù)據(jù)

將高速路段實時運營數(shù)據(jù)，如可變情報板、高清卡口、車檢器、網(wǎng)絡(luò)廣播等實時可變物理資源，以及隧道內(nèi)照明、通風、交通、火災(zāi)消防、緊急電話、電力、閉路電視等設(shè)備與平臺中對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)或BIM模型關(guān)聯(lián)。外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)中一旦調(diào)整了設(shè)備運行狀態(tài)，平臺中將同步呈現(xiàn)的設(shè)備實際狀態(tài)，如風機運行方向、交通控制燈、情報板文字、照明等。相反地，在平臺中操作三維模型，可控制和編輯實體設(shè)備的狀態(tài)，實現(xiàn)所見即所得，如圖1所示。

圖1 實時運營數(shù)據(jù)與三維BIM集成應(yīng)用

（2）AR視頻監(jiān)控

利用GIS+BIM三維模型提供精細化空間頂點映射集，通過視頻控制點與實體空間位置進行投影映射，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控視頻圖像空間與靜態(tài)GIS+BIM的融合，如圖2所示。根據(jù)視頻空間與三維空間的投影映射集，將空間POI信息投射到視頻圖像中建立AR智能標簽，將現(xiàn)場管理所需要業(yè)務(wù)信息直接疊加到基于三維空間的動態(tài)視頻上，使AR標簽具有空間定位、檢索和分析能力，在高速公路運營管理中實現(xiàn)基于三維實景的立體化、可視化的指揮與調(diào)度。

圖2 BIM+GIS與視頻畫面融合

（3）毫米波雷達

利用毫米波雷達進行高頻次、車道級的車輛位置監(jiān)測，實現(xiàn)路段車輛分布狀態(tài)的實時監(jiān)測與車輛位置跟蹤，再將融合實時的車輛（車牌）信息與車輛定位、跟蹤信息疊加到三維GIS上，實現(xiàn)全路段車輛的精準定位、跟蹤與結(jié)構(gòu)化，如圖3。

圖3 毫米波雷達監(jiān)測信息與三維GIS疊加

（4）養(yǎng)護管理

基于BIM建立的路面、橋梁、邊坡、隧道、護欄等模型，顆粒度可與業(yè)務(wù)系統(tǒng)相匹配，因此，可通過BIM模型的構(gòu)件與養(yǎng)護系統(tǒng)的養(yǎng)護記錄、監(jiān)測信息和設(shè)備信息相關(guān)聯(lián)，將現(xiàn)場采集的養(yǎng)護記錄和監(jiān)測值所在位置，映射到的虛擬三維模型中的位置。通過BIM與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，在三維平臺上直接調(diào)取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、道路病害信息和養(yǎng)護維保記錄，如圖4，從而提高道路監(jiān)測和養(yǎng)護的自動化能力，保障高速公路安全運營。

圖4 監(jiān)測點位與BIM關(guān)聯(lián)集成

（5）應(yīng)急管控

在三維平臺中可以疊加應(yīng)急管理預(yù)案，分步驟展示預(yù)案內(nèi)容，直觀顯示預(yù)警所在的地理位置，在三維空間中實時表現(xiàn)啟動設(shè)備所在的位置及當前設(shè)備狀態(tài)，如圖5。當隧道內(nèi)發(fā)生事故時，指揮中心可通過平臺中接入的實時運營信息和視頻監(jiān)控了解現(xiàn)場情況，并通過平臺中的多級預(yù)案進行遠程指揮，控制現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行救援和疏散，如開啟風機、開啟緊急逃生門、調(diào)整指示標志、隧道出入口情報板和指示燈管控。

圖5 基于BIM的應(yīng)急管理

6 總結(jié)

智慧高速公路建設(shè)在近年來成為創(chuàng)新驅(qū)動的高地，是實現(xiàn)我國高速公路從高速增長階段向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變的主要載體。本研究通過建立高速公路GIS+BIM基礎(chǔ)平臺，在集成高精地圖、BIM、三維實景等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，接入專業(yè)系統(tǒng)、運營系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)終端實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，面向?qū)嶋H業(yè)務(wù)定制應(yīng)用，實現(xiàn)高速公路運營管理與應(yīng)急處置的精細化、智能化、自動化和標準化，為“智慧高速”實現(xiàn)車路協(xié)同和自動駕駛提供技術(shù)支撐和平臺服務(wù)。