高精度數字底圖在廣東高速公路中的設計與應用

摘要 文章以廣東高速公路為背景，運用高精度移動測量等先進IT技術構建集團高速公路“高精度數字底圖”，開展以高精地圖數據、業務數據標準化為核心的數字化建設，重點開展業務數據采集與融合治理、基礎支撐系統建設、高精度數字化資源服務引擎集成，以及路網運行與應急指揮調度可視化、路網機電設備管養可視化、道路設施養護與應急處置可視化、道路設施設備動態集成呈現可視化等“一張圖”應用展示，打造創新應用的高速公路數字化資源服務開放平臺。

關鍵詞 廣東高速公路；高精度移動測量；高精度數字底圖

中圖分類號 U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0029-04

0 引言

2021年，中共中央、國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》，以及交通運輸部印發的《交通運輸領域新型基礎設施建設行動方案（2021—2025年）》中均將基礎設施全要素、數字化作為建設目標和任務，并且在提升公路智慧化服務水平方面[1]，以及精準定位、車道級應用等高精度時空信息服務方面均提出了要求。在規劃綱要的重點任務中，再次明確提出了“構建高精度交通地理信息平臺，加快各領域建筑信息模型技術自主創新應用”[2-4]。

廣東省交通集團作為全省高速公路建設運營的主力軍，面向企業高質量發展，應加快推進高精度交通基礎設施數字化平臺建設，建立集團“一張圖”支撐體系（含存儲計算網絡資源）和專網地圖，融合體系內外的多源數據，以各類引擎為支撐，以開放平臺為統一出入口，向內匯聚各類地理空間數據，向外統一提供地理空間數據及引擎服務能力，最終提升各業務管理水平，達到降本增效、助力集團數字化轉型的目的。

1 建設目標

建設目標包括數據資源建設、基礎支撐系統建設、四張圖可視化建設和大屏可視化及配套系統。數據資源建設包括數據標準化治理、數據資源管理平臺和數據集市，數據標準化治理是對43項道路設施設備資產數據的標準化治理，制定標準模型、轉換清洗、進行多源數據整合、資產上圖工作，形成標準數據及數據質量報告；數據資源管理平臺提供標準模型標準數據管理、數據質量管理數據服務軟件功能；數據集市是建設高速公路的數據指標體系，構建資產域、養護域、收費域、監控域、專題域等領域指標并提供數據共享。基礎支撐系統包括數據采集系統、流式計算系統、地圖引擎封裝服務和共享接口安全管理系統，數據采集系統是數據接入和分發的工具，針對業務系統且各系統之間的網絡部署、技術體系等不同的業務現狀，提供滿足跨網訪問、多源異構的數據采集系統，滿足數據資源建設的數據接入需求；流式計算系統基于分布式計算引擎，大數據量的實時數據處理能力，支持各項業務數據實時處理及分析需求；地圖引擎封裝服務基于地圖引擎基礎能力，提供高精度地圖引擎、數字孿生引擎、交通仿真引擎的服務封裝，為集團業務應用開發提供便捷統一的接口；共享接口安全管理系統作為整體架構服務接口流量的統一網關入口，提供統一服務發布管理、應用接入管理、服務安全管控、服務監測與告警等基礎能力。

圖1所示為可視化建設路網運行及應急指揮調度、路網機電設備管養、道路設施養護及應急處置、道路設施設備動態集成呈現的可視化系統，展示數據資源及高精度數字地圖的建設成效。

2 整體設計

該設計依托廣東省交通集團現有的數據資源及高精度地圖資源，開展以高精地圖數據、業務數據標準化為核心的數字化建設，重點開展業務數據采集與融合治理、基礎支撐系統建設、高精度數字化資源服務引擎集成，以及路網運行及應急指揮調度可視化、路網機電設備管養可視化、道路設施養護及應急處置可視化、道路設施設備動態集成呈現可視化等“一張圖”應用展示，打造這些創新應用的高速公路數字化資源服務開放平臺。

2.1 技術結構

總體建設內容包括數據資源建設、流式計算系統、四個“一張圖”可視化建設、基礎支撐系統建設，如圖2所示：

展示層包括了路網運行及應急指揮調度可視化、路網機電設備管養可視化、道路設施養護及應急處置可視化、道路設施設備動態集成呈現可視化展示的4個可視化場景的應用展示，讓用戶更加直觀地查看每個主題“一張圖”的數據情況。四張圖都包含相應的業務功能，如資源的疊加上圖、資源查詢定位應用等。

共享發布層為整體業務提供統一安全的服務能力入口，為上層信息化系統提供統一的服務發布管理、應用接入管理、服務安全管控、服務監測與告警等基礎能力；提供網關可視化管理功能，支持服務發布、認證授權、應用接入、流量控制、傳輸加密、監測告警、日志審計等，構建多業務隔離的彈性網關集群，將流量請求按需路由分發至多臺后端服務器，實現業務系統的水平擴展，提升服務能力，并通過全面的彈力設計提升業務系統的可用性。

服務層是支撐服務層，為四個“一張圖”可視化展示提供服務支撐，包括地圖引擎封裝服務和數據共享服務，使用地圖的能力結合數據服務，可視化展示四個“一張圖”。

數據管理層是該項目對接的數據內容，是項目數據資源的數據來源，有數據資源管理平臺：標準管理、數據質量、主數據管理、數據安全、元數據管理和數據校正。數據集市：資產域、收費域、養護域和監控域。數據治理：數據分析、空間數據映射、標準模型制定、數據分級分類、業務數據映射和數據質量分析，為高精度數字底圖提供數據支撐。

數據接入層由數據采集系統和流式計算系統組成。數據采集系統主要對接業務系統、集團數據中臺，實現數據的采集與匯聚；提供結構化數據采集、文件數據采集、API接口采集，以及實時采集的方式。流式計算系統在數據接入層，提供數據的實時計算、任務管理、批處理服務，實現數據的加工、分析、轉換等，發揮數據的內在價值及時效性。

數據源層以數據資源管理為中心：一是提供軟件載體的數據資源管理平臺，實現數據資產管理、數據質量管理、數據安全管理、主數據管理、數據標準管理、元數據管理等功能模塊；二是數據治理體系建設，完成數據分析、數據標準制定、數據轉換清洗、空間數據映射、數據分級分類、數據質量驗證等體系建設；三是以資產主題、養護主題、應急指揮主題、兩客一危專題的指標數據。

2.2 整體部署架構

應用系統整體部署在信息化大區，其中在廣交云阿里云資源區部署數據資源管理平臺、數據集市兩個應用系統，并使用阿里資源區的計算資源、中間件、數據總線等基礎能力；在廣交云百度資源區部署安全接口安全管理系統集群、流計算系統集群、數據采集管理系統集群及相關服務集群、四張圖可視化系統集群、任務調度系統集群，以及告警監控及采集組件。在生產大區，根據實際需要，在監控網部署數據采集代理。

（1）廣交百度云區域內的數據采集系統開放18 000與18 080端口，供位于監控網區域的數據采集系統代理服務進行數據推送。

（2）廣交阿里云區域內的數字監測與運行支撐系統開放8 140端口、高速公路機電運維管理平臺開放8 282端口，供廣交百度云區域的采集系統進行數據采集。

2.3 網絡架構

云數據中心網絡架構設計使用一套基本的工程指導原則，確保網絡設計能夠平衡可用性、安全性、靈活性、可管理性，以滿足當前和未來的業務和技術需求。基本的工程和架構原則為層次化、模塊化、高可用性、靈活性。

廣交云現有網絡中有多個網絡模塊，每一個模塊均有相對獨立的設計，所有模塊均可作為獨立的組件，提供更高的整體系統可用性及更簡單的管理和運作，各個模塊可隨著業務形態的變化進行獨立優化變更。

基于存量的網絡模塊，進行了擴展和部分優化，比如增加安全區、新增接入互聯網絡設備等。

云外網絡：包含公共用戶和終端用戶所在的互聯網區、異地數據中心及二級單位等遠端區域、部署Oracle和小型機及SAN存儲的傳統業務托管區、異構云平臺、專線接入區、運維開發測試團隊所在的運維區等。

邊界網絡：為云外/云內網絡提供網絡接入和邊界防護功能，該部分包括兩對防火墻和一對堆疊。

交換機組成：一對互聯網防火墻公網對接運營商線路，主要實現對接互聯網層的安全防護；另外一對交換機對接內網接入，完成對接異地IDC、異構云、托管區及運維開發區等。同時，為了提升整個網絡架構的彈性和功能擴展，充分發揮不同網絡設備的功能特點。

底圖云平臺：整個廣交云百度資源區數據中心的核心資源區域，其中互聯網接入防護區結合邊界防護區為公網接入提供多重的深度防護；帶外管理區是一個與業務網絡完全隔離的運維管理網絡，提供接入審計，為運維人員提供操作管理的接入，上行至堡壘機上；互聯網接入云防護與綜合接入云防護實現方式按需進行數據流向的控制，達到最終的防護目標。

安全區網絡：為云數據中心提供云外網絡流量進入廣交云百度資源區/阿里資源區網絡的安全防護和安全檢測，并為云數據中心提供遠程接入服務和安全運維審計。

專線接入區網絡：為專線接入區網絡和廣交云資源區之間提供安全邊界隔離，實現數據同步、視頻傳輸的數據檢查，保障數據交換的安全性。

2.4 業務系統訪問底圖整體方案

底圖構建的能力服務主要有五部分，其中高速公路提供地圖基礎引擎、應用開放平臺，提供地圖引擎封裝服務、底圖共享數據、四張圖可視化等三大部分。

地圖基礎引擎包括高精地圖引擎、數字孿生引擎、交通仿真引擎的地圖能力，應用開放平臺是高精度數字地圖的門戶平臺，是項目能力的展示平臺，主要提供包括基礎地圖引擎、地圖引擎封裝服務、共享數據API等技術文檔的展示和管理，用戶可以在開放平臺統一瀏覽底圖能力的服務說明。

地圖引擎封裝服務是對高速公路地圖基礎引擎開展能力的封裝和增強。底圖共享數據是在底圖建設后共享的數據內容，具體表現在數據資源的建設成果。四張圖可視化是基于地圖和數據開展的基礎圖層的可視化呈現。

集團業務系統使用底圖有兩種形式：一是通過應用開放平臺，查看底圖能力和相關技術文檔；二是通過共享接口安全管理系統訪問底圖能力服務，共享接口安全管理系統作為底圖服務的統一出口，與業務系統進行統一對接和管理。

2.5 高精地圖數據建設設計方案

高精地圖是利用移動測繪車、差分定位技術、遙感、GIS和互聯網等相關技術，形成從數據采集、數據處理與地圖制圖、地圖渲染、地圖服務發布到平臺功能設計的完整技術服務方案，為智慧交通上層應用提供精細化地圖支撐，滿足智能交通行業更加精細化的道路監控和管理需求。結合高速公路業務場景，為高精度地圖引擎提供功能封裝，包括但不限于提供地圖API轉換（將圖商的API轉換成目前集團在用的API，快速置換業務系統所使用的地圖）、高速公路場景功能封裝、二次開發文檔、示例中心、常見問題指引、滿足業務應用的技術支撐等功能和服務。

“高速公路行業數字化”是將高速公路的世界與虛擬的數字表達鏈接起來，并在此基礎上創建“高速公路數字孿生底座”，通過采用數字化表達方式，為各業務板塊創新及增強提供數字支撐，從而推動集團各板塊業務尋求全新的商業模式及服務模式。“數字化轉型”是企業戰略層面的概念，而不是追求眼前效益的機靈戰術。

對于廣東全省高速三維高精地圖，分為三個部分：一是基礎小型模型（如攝像頭、標牌、桿件等）和復雜大型模型（如收費站、服務區等），通過人工建模方式形成模型庫；二是隧道、橋梁或其他可參數化建模的模型，則通過參數化建模方法進行建模；三是路面、道路標線等要素，通過高精數據驅動自動生成。

高精數據預處理：采集的二維高精地圖數據，往往不能直接進行三維高精地圖的生成，其原因主要如下：一是數據通常使用WGS-84經緯度坐標，在不同緯度，與歐拉距離代表的地面長度不一致，不易直接進行三維建模；二是采集過程中，直接使用采集的點，不同區域的采樣間隔不一致，且由于測量精度及人工處理誤差等問題，矢量數據往往無法平滑展示，需要進行內插、平滑處理。

道路數據自動化建模處理：主要依托預處理好的道路高精數據，通過對道路數據進行參數化建模的方式直接生成三維模型。不同參數化建模的具體方法見參數化建模章節。整體道路面的參數化建模方法如下：

（1）高精車道自動建模：將車道繪制成三維車道，是把車道分解成三角平面的組合，沿著車道中心點向著一個方向逐點計算，由一個個圖元連接而成。

（2）基于基礎模型的自動化建模處理：對于路面上的設施，其幾何形狀往往無法直接通過高精道路的矢量數據獲得。在采集高精道路時，通常只采集設施的坐標點位置、外包圍盒及相關的屬性信息，需要結合模型庫中的模型，映射到高精地圖所對應的要素，并生成三維高精地圖中的設備設施。

（3）地圖三維模型導出：導出單元的作用就是通過處理地圖數據并生成道路表面后，再對道路表面做局部劃分，以達到更好的利用效果，從而最大限度地利用模型的方便性。這是因為在作圖時，一般采用各外形點相對于坐標原點的偏移量，而事實上各道路曲面的起點與ECEF坐標系下的起點并不一致。若使所推導的道路表面模式具有不同的局部坐標起點，為了滿足實際應用需求，必須對各道路表面模型做相應轉換。三維網格模型用于模擬器的物理模塊和渲染模塊。在物理模塊方面，由于道路曲面的幾何特征會對車體的姿態產生一定影響，因此并未對該模型進行真實性檢驗，以獲得精確的車體重心和道路曲面之間的對應關系。

3 高精度數字底圖在高速公路中的實際應用

交通仿真引擎基于大數據分析平臺，結合可視化信息化基礎設施模型、三維TGIS平臺、北斗定位及自建網絡定位等，將數據與數據庫進行有機結合，建立相應的屬性庫和圖形庫。

基于交通仿真引擎的監控數據，結合交通流典型參數，對交通運行狀態進行識別，并預測未來數分鐘或一定時長周期內的交通流狀態，可以便于及時采取適當的交通控制措施和誘導措施，分流擁堵路段，有效減少交通擁堵的發生概率。對交通流運行狀態及運行趨勢的預測，可以為交通管理措施，比如匝道控制、智能誘導、主線控制等提供預測基礎，以改變行車線路，誘導交通流，評價交通擁堵程度。

交通運行狀態預測與評價依托交通仿真系統，通過路側感知設備對交通運行狀態信息、氣象條件、路面狀況及結構物狀態進行采集，能夠實時、快速監測高速公路異常事件的發生，并預測復雜路網環境下交通事件發生后未來短時的交通擁堵發展態勢，以及交通事故與交通運行的異常狀態，可以很好地為高速公路應急處置提供快速、科學的決策支持，為公路運營管理提供服務。

高速公路交通運行狀況的實時分析和階段性預測功能建立在對交通流實時及未來分布形態正確分析的基礎上，這一分析需要利用動態交通需求的預測模型，包括交通數據分析、交通運行狀態預測，為仿真方案提供數據支持，進而可以對未來可能出現的交通擁堵等問題進行提前識別，便于及時采取適當的交通管理措施。

除此之外，數字孿生引擎基于UE5，自主研發一款數字孿生的可視化引擎，可將地理信息、人、車輛、道路、設備、環境等要素數字化，在網絡空間構建一個與之完全對應的“虛擬世界”，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的格局，是一個高擴展性、強兼容性、應用靈活的前端集成展示載體。

數字孿生引擎可完美融合物聯網、人工智能、邊緣計算、交通仿真等技術，構建服務智慧交通業務場景的“全域立體感知、萬物可信互聯、泛在普惠計算、智能定義一切、數據驅動決策”的數字孿生體。以成熟先進的地圖測繪技術，快速采集地理信息進行建模，以全要素數字表達技術精準“描繪”物理世界，標識感知技術實時“讀寫”真實物理樞紐，協同計算技術高效處理樞紐海量運行數據，模擬仿真技術助力在數字空間刻畫和推演交通運行態勢。

4 結束語

該文應用GIS、數字孿生、交通仿真等技術手段全方位監控和管理高速公路，開展業務數據采集與融合治理、基礎支撐系統建設、高精度數字化資源服務引擎集成，以及路網運行及應急指揮調度可視化、路網機電設備管養可視化、道路設施養護及應急處置可視化、道路設施設備動態集成呈現可視化等“一張圖”應用展示，打造創新應用的高速公路數字化資源服務開放平臺。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-21

作者簡介：曹波（1989—），男，碩士研究生，工程師，主要從事高速公路機電監理工作。