基于“Digital Twin”技术的互通立交桥数字化系统研究

刘智，吴涛

（1.西北大学；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司）

1 引言

交通强国建设背景下，交通基础设施数字化、智能化需求日益增多，将数字孪生为代表的新兴技术与行业需求深度融合[1]，结合具体工程构筑物特点研发数字化系统顺应时代要求。互通立交桥为道路交通基础设施领域专业集成度最高，探讨其数字化解决方案，可全面推广应用至道路交通基础设施其他专业领域。

高速公路及城市道路组成的道路网中互通立交桥是重要的交通转换枢纽和关键节点构筑物。随着中国经济的高速发展，机动车保有量持续增长，高速公路节假日交通拥堵、城市道路早晚高峰拥堵状态等同停车场，对现有互通立交桥改扩建甚至新建立体交通体系是缓解交通拥堵的重要措施。另外针对出行者对道路网安全、畅通以及交通相关气象、车流量预报、最优路径导航等精细化服务需求也在日益增长。提出和实现科学有效的互通立交桥数字化解决方案是满足上述需求的关键。

经过调研国内外相关文献资料及行业现状发现，互通立交桥全生命周期内由当前传统工作流程和各种信息化系统及用户端应用程序构成的解决方案不够完善，主要缺点在于专业协同和基础数据融合深度不够。基于“Digital Twin”技术，研发新型互通立交桥数字化系统为新建或改扩建互通立交桥提供建筑全生命周期内数字化服务有利于提高工程规划、设计、建造和运营养护的品质，是推动交通基础设施高质量发展，实现交通强国的有效途径。随着系统不断迭代完善还可以为将来的无人驾驶车辆及出行者提供各种定制化的信息服务，具有广阔的应用前景。

2 行业现状

以一座互通立交桥构筑物为例，规划、设计、建造、运营、养护全生命周期范围内涉及人员和单位多、周期长、资料复杂，工程数字化难度大。以设计过程为例包含总体设计、互通、路基、桥涵、交通工程等。通常按专业由不同技术人员开展设计，CAD、CAE、BIM等数字化产品也是选择相关专业软件系统，最终对设计输出成果汇编成册，数字化成果交付，目前还处于探索阶段。施工、运营养护等阶段又有各自特点也会产生大量工程数据，构筑物全生命周期内受不同软件系统平台的制约，立交桥系统整体数据的深度共享和融合存在“数字鸿沟”，导致最终的数据与文件化成果的匹配和融合存在较严重短板，不利于深度协同和提供“互通立交桥”全生命周期高效管理和智能决策。

数字化浪潮下，新技术热点层出不穷，传统单机版设计软件甚至C/S、B/S架构的设计软件也已经和新硬件、新工作流程产生了矛盾，产品面临推广瓶颈还有高成本维护更新等难题。定制架构科学、模块耦合性好、易于维护更新的新型智能数字化系统符合新时代用户需求。

交通领域BIM技术解决方案提供商美国Bentley系统公司也在积极推进数字孪生技术[2]，利用在项目交付过程中创建的数字孪生模型，在基础设施资产运营和维护期间，使之成为最具效能的数字孪生模型或“数字DNA”，这是迈向数字化至关重要的机会。有资料显示目前达索公司开发的 3DEXPERIENCity 平台实现了城市规划布局、管网以及气象的数字孪生应用，使得城市应急处置效率提升，城市拥堵率降低[3]。

国产的互通立交桥相关软件产品大都集中在道路、桥梁设计CAD和CAE领域[4]，BIM相关标准规范和软件还处于起步阶段，主要研发方向在建模及轻量化展示方向，施工和运维阶段BIM项目应用虽然很多，但任然欠缺和设计阶段模型数据的联通和交互。传感器耐久性和成本等因素针对互通立交桥的健康监测系统研究，以及来自各种传感器的实时海量数据处理及分析也处于起步阶段。

从政策导向和市场需求看，互通立交桥高装配化率和标准构件工厂化智能建造是发展趋势。无论是钢桥还是预应力钢筋混凝土桥梁满足装配化、智能化设计建造及运管养全生命周期服务需求很明确。基于“Digital Twin”技术，研发新型互通立交桥数字化系统，有望从底层数据采集、融合、处理来驱动相关标准及行业软件升级，从而更好的服务于公路与城市道路基础设施中互通立交桥工程建设。

3 技术路径

“Digital Twin”是智能建造的关键基础技术，也是当前跨行业融合研究热点。基于“Digital Twin”的五维结构模型[5]和应用准则，以构建“互通立交桥数字孪生体”模型为核心，融合CAD、BIM、IOT等数字孪生数据，分析依托工程数据仓库（项目信息库、规范标准库、标准化数字图库、规则库、造价库、病害库等），实现集成传统业务应用软件的整体数字化解决方案。

系统架构借鉴大数据平台搭建，以工程数据仓库建设为基础，融合分析互通立交桥全生命周期内数据，实现咨询、设计、智能建造、展示等工程应用，如图1所示。

4 主要研发内容

基于“Digital Twin”研发的“互通立交桥数字化系统”是一套集多源异构数据采集、分析、计算、成果发布为一体的综合服务系统。研究内容主要包括总体框架研究、传感网数据交互、以标准化技术为核心的工程数据库、路桥专业算法及客户端研发等五部分，并可依据本项目研究成果编制相关的标准规范。

技术研发关键点如下：

图1 系统架构图

①互通立体交叉、桥梁工程、交通工程等专业的设计标准化技术；

②多专业共享和深度融合的工程数据库构建；

③CAD、BIM、IOT及各种文档数据源的数据科学采集、处理、存储、分析技术；

④互通立交桥数字孪生体和物理实体的耦合技术；

⑤互通立交桥数字孪生体和物理实体的交互技术；

⑥互通立交桥数字孪生体和物理实体的生命周期迭代管理。

此外，积极开展高速公路和市政道路专项定制开发，尽快研发出产品原型。

针对地质及气候条件复杂恶劣的高寒高海拔地区，专项研究此类地区新建高速公路项目涉及的互通立交桥数字化技术，如利用新一代人工智能辅助选线、基于本系统数据库辅助确定互通立交方案以及互通立交桥型比选等。

借鉴国内数字孪生城市建设相关经验[6]，专项研究满足数字孪生城市要求的硬件、软件及数据处理方案，争取参与试点城市中互通立交桥项目，打造互通立交桥数字孪生示范应用。

5 目标客户

目标客户初期是企业自身各业务部门员工，中后期兼顾企业外部数据技术服务需求。

对企业内部，主要包含满足传统互通立交桥业务需求的智能规划设计系统、智能审查系统、智能咨询系统、智能建造系统、智能监测预警系统。

对企业外部，聚焦智慧城市、智慧交通相关政府部门和行业业主平台的工程专业数据内容服务，提供互通立交桥全寿命周期数字资产服务。

预期目标客户及应用场景图2所示。

6 结论及展望

伴随着中国交通基础设施快速发展，道路和桥梁信息化建设管理理念不断提升，信息化系统正在向资产管理系统发展[7]。“Digital Twin”技术在交通行业的工程应用研究目前还在起步阶段，相关技术标准和应用指南欠缺，需要共同实践探索。

图2 预期目标客户及应用场景图

“互通立交桥数字孪生模型”的构建和“数字孪生数据”分析采用自主研发方式完成，实现核心技术可控，以后持续开展相关工作可全面推广应用至道路交通基础设施其他专业领域。

鉴于本系统庞杂，技术难度高，研发周期较长，建议在整体规划框架下，分模块并行开发，有成果即开展同步试用反馈，实现产品快速迭代。

本系统实现和应用，有望助力智慧企业、智慧交通、智慧城市建设，提高道路交通基础设施数字化及标准化水平，为无人驾驶、车联网等新交通场景应用提供技术服务。