智慧高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳志濤CHEN Zhi-tao；李朋LI Peng；陸艷銘LU Yan-ming

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650041）

0 引言

我國(guó)各地區(qū)高速公路機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展水平不統(tǒng)一，高速公路信息化水平地域差異性顯著。現(xiàn)階段我國(guó)高速公路交通運(yùn)行信息化建設(shè)正處于關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型期，由孤立封閉轉(zhuǎn)向開(kāi)放共享。

我國(guó)高速公路機(jī)電系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理、應(yīng)急體制大多是以“一條（段）高速公路、一個(gè)投資主體、一個(gè)管理分中心”為基礎(chǔ)的“省中心-路段分中心-收費(fèi)站”三級(jí)管理模式[1，2]，只有少數(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)的高速公路實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控。

在高速公路發(fā)展過(guò)程中引入BIM 技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，BIM 具有非常強(qiáng)大的信息集成度以及直觀可視性，同時(shí)具有較強(qiáng)的可協(xié)調(diào)能力[3，4]。應(yīng)用BIM 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路各階段以及各參與方之間信息資源共享，顯著提升高速公路管理信息化水平。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 項(xiàng)目背景

召夸至瀘西高速公路，位于曲靖市陸良縣、師宗縣和紅河州瀘西縣境內(nèi)，是滇中城市經(jīng)濟(jì)圈環(huán)線的重要組成部分，也是曲靖市、紅河州公路規(guī)劃網(wǎng)的骨架路網(wǎng)。路線起點(diǎn)北接曲陸、江召高速公路，經(jīng)召夸南、葵山鎮(zhèn)、金馬鎮(zhèn)、止于白水鎮(zhèn)連接彌瀘二期高速公路。主線全長(zhǎng)34.14km。

該項(xiàng)目將基于新一代信息技術(shù)，充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和工具，構(gòu)建以信息化技術(shù)為支撐的BIM+GIS 智慧高速公路的數(shù)字孿生平臺(tái)。對(duì)高速公路機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行一體化無(wú)縫隙整合建設(shè)、管理以及養(yǎng)護(hù)。利用數(shù)字路網(wǎng)對(duì)路段運(yùn)行和通阻等實(shí)現(xiàn)可視化、實(shí)景化定位和并聯(lián)分析展示。

1.2 數(shù)字孿生高速公路構(gòu)建思路

BIM 技術(shù)突破傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)的局限，以數(shù)字化為基礎(chǔ)，通過(guò)其可視性、仿真性以及協(xié)調(diào)性等諸多優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為高速公路數(shù)字化的重要應(yīng)用。通過(guò)BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路建設(shè)進(jìn)行建模及可視化處理是高速公路數(shù)字化初級(jí)應(yīng)用，高速公路數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化水平隨著智慧高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)而不斷提高，為高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)的形成與發(fā)展奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以及通信基礎(chǔ)。BIM 技術(shù)作為信息技術(shù)時(shí)代里建筑行業(yè)信息技術(shù)的重要代表，在重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)管理全生命周期等已有應(yīng)用，可以借助BIM 技術(shù)使信息數(shù)據(jù)貫穿高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)三大重要環(huán)節(jié)。BIM 技術(shù)可以歸納為如圖1 所示的3 個(gè)層級(jí)方面的應(yīng)用。

圖1 BIM 層次結(jié)構(gòu)圖

2 平臺(tái)架構(gòu)

針對(duì)智慧高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)的架構(gòu)如圖2 所示。從下而上依次為：感知層、數(shù)據(jù)層、中間服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層。

圖2 高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)架構(gòu)圖

其中，感知層是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的最初源頭，數(shù)字孿生系統(tǒng)將氣象感知、結(jié)構(gòu)物感知、沿線設(shè)施感知和道路檢測(cè)感知等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、梳理后存儲(chǔ)，為驅(qū)動(dòng)平行世界的三維場(chǎng)景和模型進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

數(shù)據(jù)層是數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)平行世界所有環(huán)境的呈現(xiàn)，包括了公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、視頻數(shù)據(jù)庫(kù)、公路技術(shù)狀況數(shù)據(jù)庫(kù)和地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)等所有動(dòng)態(tài)元素所需要的數(shù)據(jù)支撐庫(kù)。

中間服務(wù)層是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收處理各類數(shù)據(jù)和模型，并將數(shù)據(jù)和模型轉(zhuǎn)換為平行虛擬世界場(chǎng)景，包括GIS 引擎、BIM 引擎、報(bào)表中間件、數(shù)據(jù)中間件和工作流引擎五個(gè)部分。

業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層能夠保證順利實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)各個(gè)業(yè)務(wù)功能點(diǎn)。其中，業(yè)務(wù)展現(xiàn)層提供業(yè)務(wù)功能的支撐，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、公路技術(shù)狀況、GIS+BIM、信息發(fā)布和日常養(yǎng)護(hù)管理等功能模塊。應(yīng)用層通過(guò)創(chuàng)建智慧化管養(yǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)交通管理、路況分析、及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)等功能。

2.1 三維模型創(chuàng)建

①融入“互聯(lián)網(wǎng)+”，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，空間地理信息技術(shù)、三維實(shí)景技術(shù)、無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)以及BIM 等新一代信息技術(shù)，充分利用GIS 電子地圖、專家遠(yuǎn)程診斷等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和工具，構(gòu)建以信息化技術(shù)為支撐的BIM+GIS高速公路三維數(shù)字可視化平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的建、管、養(yǎng)的一體化無(wú)縫隙整合。

②架構(gòu)基于開(kāi)源的Cesium3D 地圖引擎，軟件前端JS框架采用vue、three.js 和Babylon 等技術(shù)，UI 框架采用Ant Design、Echarts 以及D3.js 等技術(shù)，設(shè)計(jì)Restful 標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口，構(gòu)建面向應(yīng)用的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備、設(shè)施的數(shù)字化模型。建立綜合數(shù)字化平臺(tái)，突破性能、功能的動(dòng)態(tài)參數(shù)的數(shù)字建模和空間映射關(guān)系全數(shù)字實(shí)現(xiàn)等技術(shù)，形成系統(tǒng)解決方案，為開(kāi)拓機(jī)電運(yùn)維新業(yè)務(wù)夯實(shí)技術(shù)支撐。

2.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程

本平臺(tái)將高速公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、管理的智慧化所解決的關(guān)鍵問(wèn)題聚焦于數(shù)字化和面向個(gè)性化應(yīng)用的信息處理自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的方法。

首先對(duì)高速公路的路基路面實(shí)際工程構(gòu)造物、橋涵隧構(gòu)件、機(jī)電設(shè)施的關(guān)鍵設(shè)備等面向應(yīng)用進(jìn)行數(shù)字化，拼接數(shù)字化個(gè)體構(gòu)建高速公路主體設(shè)施與機(jī)電設(shè)施實(shí)體的數(shù)字孿生。

針對(duì)建養(yǎng)管全周期智慧化對(duì)大數(shù)據(jù)處理能力的需求，提出以內(nèi)容為基礎(chǔ)的MySQL、MongoDB+Redis 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，確保系統(tǒng)在數(shù)據(jù)層面實(shí)現(xiàn)適配集存儲(chǔ)、生產(chǎn)、發(fā)布于一體的彈性應(yīng)用和靈活的業(yè)務(wù)拓展。

建立了主體設(shè)施關(guān)鍵構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的BIM 建筑信息模型和動(dòng)態(tài)多層次數(shù)字化模型。結(jié)合WebGIS 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了作為項(xiàng)目全周期信息源頭的設(shè)計(jì)數(shù)字化交付。

通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入高速公路機(jī)電設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取基礎(chǔ)設(shè)施、氣象、交通流量等的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知與預(yù)警等級(jí)研判。

智慧高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)將上述數(shù)據(jù)疊加路網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合設(shè)施設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)成大數(shù)據(jù)匯總分析平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)路網(wǎng)交通管理、路況分析、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控等功能。

3 平臺(tái)主要功能

可視化平臺(tái)架構(gòu)結(jié)合BIM 模型的特點(diǎn)，能夠?yàn)锽IM數(shù)據(jù)提供多種實(shí)用的三維GIS 查詢分析功能，同時(shí)發(fā)揮GIS 的位置服務(wù)和空間分析特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)BIM 模型加載，將道路附屬構(gòu)造物橋梁、隧道等進(jìn)行可視化建模展示，通過(guò)BIM 模型對(duì)病害進(jìn)行歸類、分析，通過(guò)關(guān)聯(lián)維修養(yǎng)護(hù)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路設(shè)施設(shè)備的可視、可查和可追蹤，對(duì)不同維度的信息進(jìn)行分析挖掘，統(tǒng)一匯集到三維可視化平臺(tái)中，提升信息交互效率，構(gòu)建高速公路的監(jiān)控、預(yù)警、診斷、分析一體化的三維可視化平臺(tái)，功能構(gòu)架示意見(jiàn)圖3。

圖3 高速公路數(shù)字孿生功能架構(gòu)圖

①模型加載。

完成道路傾斜攝影模型、機(jī)電與土建BIM 模型的加載與定位。

②工具集。

系統(tǒng)具有空間測(cè)距、貼地距離測(cè)量、空間面積測(cè)量、高度測(cè)量、角度測(cè)量等工具箱。

③三維數(shù)據(jù)展示。

系統(tǒng)能三維展示路線、構(gòu)件數(shù)據(jù)、情報(bào)板數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等信息。

④數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，將設(shè)備的原始數(shù)據(jù)上傳至隧管所、管理處和分中心，并通過(guò)給定的協(xié)議進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的清洗、拆分、融合和脫敏，最后將分析出的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

⑤外部接口數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)能接入三大系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與三維數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

該高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)中建模、監(jiān)測(cè)、管養(yǎng)是五大主要功能模塊為：

①全信息化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建。

采用全信息化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建BIM 信息模型，通過(guò)集成橋梁、路基、路面、隧道、交通工程各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、信息化，以及利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)道路整體的自動(dòng)建模并加載。

②路網(wǎng)數(shù)據(jù)集成與運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

將高速公路設(shè)施設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)字路網(wǎng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)空間化。通過(guò)應(yīng)急處置平臺(tái)對(duì)事件的報(bào)送，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全省路網(wǎng)、道路、路段的通阻情況。

③實(shí)時(shí)交通流數(shù)字孿生。

基于交通量檢測(cè)數(shù)據(jù)、車路協(xié)同系統(tǒng)采集的車、路的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及攝像機(jī)的視頻事件檢測(cè)器采集的交通流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)交通流基本指標(biāo)（流量、速度、密度）的采集與分析，對(duì)公路的擁擠程度進(jìn)行識(shí)別和數(shù)字孿生，依托智慧高速數(shù)字孿生平臺(tái)進(jìn)行直觀的展示。

④道路管養(yǎng)及維護(hù)。

分析隧道、橋梁、公路的技術(shù)狀況并做出等級(jí)評(píng)定，根據(jù)評(píng)定結(jié)果開(kāi)展養(yǎng)護(hù)工作。年度的養(yǎng)護(hù)狀況為今后的養(yǎng)護(hù)方案制定提供了數(shù)據(jù)支持。

⑤可視化。

以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS 技術(shù)等新一代信息技術(shù)為依托，針對(duì)監(jiān)控管理人員的工作需求，提升數(shù)字化水平，實(shí)時(shí)掌握營(yíng)運(yùn)管理的態(tài)勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，根據(jù)不同營(yíng)運(yùn)管理的需求，設(shè)定不同的可視化場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，建立如上智能高速公路平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的健康進(jìn)行檢測(cè)、預(yù)測(cè)和全生命周期的健康管理，如對(duì)道路設(shè)備監(jiān)控、收費(fèi)系統(tǒng)監(jiān)控、管理系統(tǒng)監(jiān)控等，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該路段上的事故信息，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的智能管理與監(jiān)控。

未來(lái)可以在此基礎(chǔ)上對(duì)所監(jiān)測(cè)路段進(jìn)行擴(kuò)大，使之組成更大的智能高速高速公路平臺(tái)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)更寬廣路段的智能化管理與監(jiān)測(cè)，為未來(lái)國(guó)家智能交通體系貢獻(xiàn)力量。