高速公路路網(wǎng)數(shù)字底座研究與建設(shè)

陳龍浩　陳小彪　鄧輝　龔文森　伍清標(biāo)　魯業(yè)果

摘要 文章以數(shù)字底座在黃埔大橋運(yùn)營(yíng)管理中的應(yīng)用為背景，以路網(wǎng)數(shù)字底座的搭建為基礎(chǔ)，探究在高速公路運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中的具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用，通過(guò)提出利用路網(wǎng)數(shù)字底座系統(tǒng)在日常運(yùn)營(yíng)管理中提供的數(shù)據(jù)支撐、仿真模擬及可視化展示與分析能力，有效提升相關(guān)業(yè)務(wù)管理人員的工作效率與質(zhì)量，維護(hù)周邊路網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保障公眾的出行安全及財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞 路網(wǎng)數(shù)字底座；數(shù)字孿生；運(yùn)營(yíng)管理；仿真模擬

中圖分類號(hào) U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0023-03

0 引言

高速公路作為提升交通效率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要交通樞紐，在國(guó)家發(fā)展和城市規(guī)劃建設(shè)中有著重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而當(dāng)前高速公路運(yùn)營(yíng)管理的過(guò)程，存在信息不對(duì)稱、供需矛盾日益明顯等問(wèn)題[1]，受到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注，亟待綜合利用多種手段進(jìn)行解決，為公眾提供更加快捷、便利的出行服務(wù)。

1 高速公路路網(wǎng)數(shù)字底座系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

1.1 建設(shè)范圍

主要圍繞廣州交投集團(tuán)黃埔大橋路段的全要素建筑、構(gòu)筑物、資產(chǎn)、設(shè)備等進(jìn)行精細(xì)度建模，同時(shí)還原路側(cè)50m范圍內(nèi)的建筑及植被等，打造更加逼真的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。同時(shí)接入攝像槍、龍門架、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等監(jiān)測(cè)傳感數(shù)據(jù)，圍繞建、管、養(yǎng)、服等四大業(yè)務(wù)對(duì)高速公路上的車流運(yùn)行、事件事故、風(fēng)險(xiǎn)隱患等進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，幫助高速公路管理者科學(xué)、有效、及時(shí)地預(yù)判和處置事件，降低風(fēng)險(xiǎn)危害。

1.2 總體架構(gòu)

圍繞廣州交投集團(tuán)為廣州建設(shè)大交通的目標(biāo)，結(jié)合目前數(shù)字孿生技術(shù)、大數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)，以高速運(yùn)營(yíng)管理融合創(chuàng)新的思路，按照“頂層設(shè)計(jì)、需求導(dǎo)向、統(tǒng)籌兼顧、分步實(shí)施，適時(shí)演進(jìn)、技術(shù)包容，創(chuàng)新應(yīng)用、安全可控”的原則開展黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座系統(tǒng)的建設(shè)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)：通過(guò)路側(cè)各類感知設(shè)備獲得的感知數(shù)據(jù)、路網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)據(jù)、傾斜攝影采集的影像數(shù)據(jù)以及各類建筑CAD、圖片等數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得到三維建模所需的數(shù)據(jù)。

模型：利用采集、處理、分析后的數(shù)據(jù)對(duì)高速公路中的路網(wǎng)、大型建筑、小型設(shè)備進(jìn)行建模，并利用三維渲染引擎進(jìn)行云渲染。

應(yīng)用：模型搭建完成后為上層應(yīng)用服務(wù)提供支撐。具體的應(yīng)用包含：高速場(chǎng)景管理、資產(chǎn)模型管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、駕駛艙及各類型業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1.3 技術(shù)路線及架構(gòu)

1.3.1 三維建模與傾斜攝影建模相結(jié)合

（1）三維建模。①收集建筑CAD、照片、影像等參考資料，并分析建筑結(jié)構(gòu)組成，例如橋梁的橋墩、梁箱等結(jié)構(gòu)、大小、材質(zhì)等要素。②根據(jù)所需建模外形，利用3dmax中類似模型進(jìn)行點(diǎn)、線、面的調(diào)整后，形成最終模型。③將單個(gè)模型進(jìn)行模型組合，并放置到相應(yīng)位置。④對(duì)模型材質(zhì)進(jìn)行處理，根據(jù)實(shí)體建筑內(nèi)容制作貼圖，導(dǎo)入3dmax與模型進(jìn)行適配編輯后，形成最終模型。

（2）傾斜攝影建模。①傾斜影像采集。獲取地物多個(gè)方位（尤其是側(cè)面）的影像信息材料，并對(duì)這些材料進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)、幾何校正、同名點(diǎn)匹配等加工處理。②傾斜模型生產(chǎn)。通過(guò)傾斜攝影獲取的多視角影像生產(chǎn)模型，即利用經(jīng)處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建三角網(wǎng)，最后將高分影像貼圖，從而得到傾斜攝影模型。最終得到的傾斜攝影模型精度為15 cm。

1.3.2 大規(guī)模場(chǎng)景高精度渲染

場(chǎng)景的渲染顯示采用LOD等技術(shù)，根據(jù)距離加載不同層級(jí)的場(chǎng)景，以控制整體的渲染預(yù)算，讓整個(gè)體驗(yàn)過(guò)程流暢、順滑。

1.3.3 端訪問(wèn)的云渲染技術(shù)

云渲染技術(shù)憑借云端的強(qiáng)大計(jì)算力，將高清渲染效果實(shí)時(shí)呈現(xiàn)于各種終端設(shè)備。根據(jù)高速公路運(yùn)營(yíng)公司的實(shí)際需求，可以靈活選擇公有云、私有云、混合云、邊緣計(jì)算或本地計(jì)算等計(jì)算模式。這樣不僅提升了渲染效率，更讓不同終端獲得一致的視覺享受，能夠更加逼真地還原業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

1.3.4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合

黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座具備豐富的數(shù)據(jù)接口類型與異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合能力，包括：

（1）全要素場(chǎng)景衍生數(shù)據(jù)。即各業(yè)務(wù)系統(tǒng)在不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下所產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，主要包括橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、橋梁日常巡檢數(shù)據(jù)、黃埔大橋橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

（2）專題地理信息數(shù)據(jù)。即黃埔大橋及全線高速公路所在路段的地理信息等。

（3）動(dòng)態(tài)仿真車流數(shù)據(jù)。即黃埔大橋及全線高速公路所包含的日常流量數(shù)據(jù)、重點(diǎn)車輛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)擁堵指數(shù)等日常運(yùn)營(yíng)的車流態(tài)勢(shì)情況。

1.3.5 多層次一體化交通仿真與渲染

黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座不僅支持有人駕駛場(chǎng)景的交通流仿真，也支持自動(dòng)駕駛條件下的仿真。數(shù)字孿生底座從底層將宏觀、中觀、微觀不同尺度下的交通流仿真進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性融合，實(shí)現(xiàn)宏觀、中觀、微觀場(chǎng)景的無(wú)縫銜接，確保仿真結(jié)果統(tǒng)一、準(zhǔn)確。

2 算法應(yīng)用

2.1 框架

黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座主要應(yīng)用的算法框架是Unity中的ET6.0框架。相比于傳統(tǒng)框架，ET6.0是一款Unity雙端框架，特點(diǎn)是擁有更高的開發(fā)效率、性能強(qiáng)、雙端共享邏輯代碼、客戶端服務(wù)器更加機(jī)制完善，支持UDP、TCP、WebSocket等協(xié)議通信。

ET6.0可用于開發(fā)大型MMO線上游戲，且開發(fā)后運(yùn)行穩(wěn)定。因此，針對(duì)高速公路這類要素較多、里程較長(zhǎng)、場(chǎng)景較豐富的項(xiàng)目，采用ET6.0可以很好地還原具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，賦能日常的運(yùn)營(yíng)管理。同時(shí)，ET6.0不僅可做跨平臺(tái)分布式服務(wù)器，也可單獨(dú)使用客戶端內(nèi)容。ET6.0擁有協(xié)程服務(wù)，降低性能，提供客戶端機(jī)器人框架邏輯，可進(jìn)行服務(wù)器抗壓負(fù)載測(cè)試。

2.2 貝塞爾曲線

針對(duì)動(dòng)態(tài)車流仿真的應(yīng)用模塊，基于當(dāng)前的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)門架之間的連續(xù)性車流仿真較為困難，同時(shí)需要對(duì)門架之間的車流線進(jìn)行處理，才能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)車流進(jìn)行仿真。而在黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字孿生底座中，應(yīng)用貝塞爾曲線解決了巡航過(guò)程以及車流仿真過(guò)程中車流線的仿真繪制問(wèn)題[2]。貝塞爾曲線的背后是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，N階即N次方，二階貝塞爾曲線即在一階貝塞爾曲線的基礎(chǔ)上再求一次一階貝塞爾曲線，三階貝塞爾曲線即在二階貝塞爾曲線的基礎(chǔ)上再求一次一階貝塞爾曲線，以此類推。而每一階可以看作是一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)。

因此，當(dāng)點(diǎn)A到點(diǎn)B記為線段A1，點(diǎn)B到點(diǎn)C記為線段B1，從起點(diǎn)A1沿線段到B1移動(dòng)得到的曲線就是貝塞爾曲線。而貝塞爾曲線可以實(shí)現(xiàn)物體的平滑轉(zhuǎn)彎移動(dòng)，也就可以仿真模擬出車流的運(yùn)行軌跡。當(dāng)重復(fù)以上操作就可以得到若干曲線，將曲線進(jìn)行組合即可得到一條曲線，用于模擬路面車輛轉(zhuǎn)彎的移動(dòng)等操作。

2.3 Unity3D二分查找法

由于在黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座模型中，需要經(jīng)常對(duì)路段或者路段上的某個(gè)建筑、資產(chǎn)進(jìn)行查找，因此查找比較頻繁，對(duì)系統(tǒng)的要求及反應(yīng)時(shí)間要求較高。而折半查找方法正好適用于不經(jīng)常變動(dòng)而查找頻繁的有序列表，因此在數(shù)字孿生底座中，二分查找法可用于數(shù)字孿生底座模型中具體路段及資產(chǎn)建筑的定位。

具體查找方式與過(guò)程為：假設(shè)表中元素是按升序排列，將表中間位置記錄的關(guān)鍵字與查找關(guān)鍵字比較，如果兩者相等，則查找成功；否則利用中間位置記錄將表分成前、后兩個(gè)子表，如果中間位置記錄的關(guān)鍵字大于查找關(guān)鍵字，則進(jìn)一步查找前一子表，否則查找后一子表。重復(fù)以上過(guò)程，直到找到滿足條件的記錄，便查找成功，或直到子表不存在該關(guān)鍵字為止，此時(shí)查找不成功。利用二分查找法，可以對(duì)路段、資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高頻的查找。

3 高速公路路網(wǎng)數(shù)字底座系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 高速運(yùn)行總覽

多角度、多維度展示各路段收費(fèi)、門架車流、事件事故等數(shù)據(jù)，直觀分析路段關(guān)心的運(yùn)營(yíng)管理工作情況。

3.2 場(chǎng)景

配置定位選項(xiàng)功能，可以快速精準(zhǔn)定位到各路段及下屬的建筑類資產(chǎn)和設(shè)備類資產(chǎn)；資產(chǎn)信息管理，細(xì)顆粒度展示各資產(chǎn)的基本信息及關(guān)鍵屬性，并可以跳轉(zhuǎn)至攝像槍資產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面；漫游巡航，可自主配置巡航視角和巡航速度，對(duì)目標(biāo)路段進(jìn)行巡航視察。

3.3 模型庫(kù)

針對(duì)高速各項(xiàng)大型建筑和小型設(shè)備進(jìn)行三維模型庫(kù)建設(shè)，包括橋梁、隧道、收費(fèi)站、攝像槍、龍門架等；支持對(duì)模型庫(kù)進(jìn)行增加、刪除、修改、查操作；支持對(duì)某一模型進(jìn)行360度視角查看。

3.4 資產(chǎn)

將高速路段詳細(xì)資產(chǎn)、設(shè)備與模型關(guān)聯(lián)，以數(shù)據(jù)資產(chǎn)方式細(xì)顆粒度匯聚全量高速資產(chǎn)；支持增加、刪除、修改、查看具體資產(chǎn)基本信息，支持查看具體資產(chǎn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（如攝像槍實(shí)時(shí)視頻）。未來(lái)可與資產(chǎn)管理系統(tǒng)融合對(duì)接，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)資產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和一體化管理。

3.5 駕駛艙

基于三維模型與GIS結(jié)合實(shí)現(xiàn)精確定位，可快速定位至路段及路段下屬建設(shè)、資產(chǎn)及設(shè)備等目標(biāo)；結(jié)合龍門架車流數(shù)據(jù)，進(jìn)行高速交通流量的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為管理者提前預(yù)判分析風(fēng)險(xiǎn)事件及位置，并可以提供車道級(jí)的交通流量分析，對(duì)每個(gè)車道的數(shù)量、類型、速度、來(lái)源等進(jìn)行精準(zhǔn)分析，為進(jìn)一步的車道級(jí)管控提供依據(jù)[3]；交通事件監(jiān)測(cè)報(bào)警，結(jié)合攝像槍的事件感知識(shí)別，對(duì)正在發(fā)生的事件事故進(jìn)行報(bào)警，并快速跳轉(zhuǎn)至事件位置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻輔助實(shí)現(xiàn)事件感知的數(shù)模一體化。駕駛艙頁(yè)面如圖2所示：

4 系統(tǒng)應(yīng)用成效

黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座，結(jié)合無(wú)人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)，對(duì)廣州東二環(huán)（黃埔大橋）的高速公路路網(wǎng)、建筑、資產(chǎn)等要素，進(jìn)行整個(gè)路段的全要素建模，形成當(dāng)前L3場(chǎng)景級(jí)的數(shù)字孿生底座，打造一個(gè)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的“賦能平臺(tái)、數(shù)據(jù)樞紐”，有效提升了高速場(chǎng)景的三維仿真還原能力。高速公路路網(wǎng)數(shù)字底座所形成的逼真的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，提升了應(yīng)急事件感知、流轉(zhuǎn)、處理等各環(huán)節(jié)的處置效率，做到更準(zhǔn)確地感知突發(fā)事件，更迅速通知相關(guān)部門以及更有效地進(jìn)行事故處置，從而保障高速公路出行通暢與安全。

未來(lái)，高速公路數(shù)字孿生底座可同自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)、北斗高精度定位和精準(zhǔn)授時(shí)服務(wù)相結(jié)合，有效提升道路巡查范圍及巡查準(zhǔn)確率。相比傳統(tǒng)巡查方式，不僅降低綜合人力成本，減少高速公路人工巡查人員頻率，還能提升日常巡檢作業(yè)效率，為道路巡查、養(yǎng)護(hù)提供輔助決策支持。

5 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)高速公路路網(wǎng)數(shù)字底座進(jìn)行研究，利用三維建模與傾斜攝影技術(shù)的融合，構(gòu)建路網(wǎng)全要素模型，建成黃埔大橋路網(wǎng)數(shù)字底座系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)黃埔大橋、隧道等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障路段的穩(wěn)定運(yùn)行與安全暢通。未來(lái)，通過(guò)路網(wǎng)數(shù)字底座的孿生模型能力、虛擬仿真能力、數(shù)據(jù)管理能力及數(shù)據(jù)分析能力，深耕高速公路各個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為高速公路的運(yùn)營(yíng)管理模式升級(jí)賦能。

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