基于BIM 的高速公路数字化应用研究

曾蕾洁

（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038）

工业和信息化部规划司2020 年12 月24 日在国新办举行的新闻发布会上表示，十九届五中全会明确提出要加快数字经济的发展。交通基础设施影响城市的空间结构，也是现代化标志，其建设和运营关乎到社会生活和国家经济的各个方面。高速公路涉及路基、路面、路肩、桥梁、隧道、涵洞、照明系统、消防系统、监控系统、排水系统，及施工、养护、运营用的收费站，高速公路管理中心等。数字化需要智能BIM，而智能BIM，第一要搭建智能环境，使设备能够自动地交换信息、触发动作和实时控制，第二要将BIM 技术和云计算、大数据、人工智能和互联网等技术相融合来建造智慧的管理。

1 数字化转型应用技术

本研究使用文献分析软件CiteSpace 把发布在知网上的近20 年有关道路基础设施的文献，包括中文639 篇，外文1661 篇，进行高频关键词共现分析，依据阈值参数经验将关键词设置为5，梳理了291 个关键词，得到关键词共现知识图谱，结论是：建筑信息模型、智能交通、智慧城市、云计算、物联网IoT、大数据中心等技术是当前的研究热点[1]。道路基础设施建设、性能监测和管理的数字化转型是未来发展的方向。本文汇集建筑信息模型（BIM）、地理信息系统(GIS)、5G 互联网、大数据驱动、数字孪生、人工智能应用于公路，从策划到运维整个生命周期的物理信息、性能特征、状态和行为四个方面进行把控，指导公路的数字化新建、重建或改造，实现数字化成果交付，以及数字化运维管理。

1.1 BIM

BIM 模型不等于数字资产建筑信息模型：1）BIM 是一个建设项目物理和功能特性的数字化表达；2）BIM 是一个共享的资源，为该设施从规划建设到拆除的全生命周期的所有决策提供可靠依据的过程；3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM 中插入、提取、更新和修改信息以支持和反应其各自职责的协同作业。智慧运营在BIM 模型支持的基础上，还需要施工建设期的其他数据，以及运维管理系统更多的信息，把所有信息完整集成并有效地管理起来，为数字化资产运营提供应用点。

1.2 GIS

地理信息系统是地理科学基础上集成各类数据，使用地图和3D 场景分析空间位置，是基于空间数据库的技术，可支撑对大范围场景的协同分析和共享应用。三维GIS 能提供空间对象间的平面、垂向关系，还可实现对宏观地理场景下单体的物理空间数据和环境做输入、存储、查询、分析和显示地理数据，常运用于定位、监控变化、管理及响应事件，预测、确定优先级、了解趋势等方面。

1.3 Digital Twin

2003 年密西根大学的MichaelGneves 教授提出概念，2011 年正式命名为Digital Twin。BIM 是基于协调性能公开标准的共享“数字表达”，而数字孪生是基于BIM 技术广泛应用下诞生的一个重要物联网新技术。通过将规范、图纸、BIM 模型、空间位置、地理信息、资产标签、工单、维护记录、检测记录等集成数字信息，使用物联网、传感器、飞行器、图像采集、激光、点云等运营技术得到数字资产模型，分析数字资产模型对实物资产进行管控。

1.4 5G、大数据

5G 具有高数据速率、低延迟、省能源、降成本、提高系统容量和大规模设备连接的性能。大数据是在信息大爆炸的今天，为适应海量、高增长率且多样化的信息资产，通过云计算、分布式处理技术、存储技术和感知技术对海量数据进行采集、处理、存储，最后形成结果，体现决策力、洞察发现力和流程优化力。

1.5 人工智能

人工智能是研究并开发用于模拟、扩展人类智能行为（如学习、推理、思考、计划等）的理论、方法、技术及应用系统的技术科学。采用计算机实现智能的原理制造类似于人脑智能的计算机，实现更为高级的应用。

2 技术的数字化应用

高速公路数字化关键技术应用包括：模型的参数化建立、多源模型融合与互操作、建设数据存储与管理、运营数据挖掘与分析等，在高速公路规划设计、施工建设、运营维护、公路出行服务各阶段进行信息集成、监测检测、安全预警与应用管理等，实现数字化建造与运营管理。

2.1 BIM+GIS

BIM 是三维模型表达，将设计、施工、运维等信息附进模型，其几何结构精细、信息丰富及参数特征明显，GIS 对宏观地理场景信息管理、分析和强调技术成熟，二者结合，优势互补，对高速公路建设、交付和运维管理起到最优作用。GIS 与BIM集成的技术运用到公路隧道的运维管理中，将各类BIM 建筑模型数据融入GIS 建立的地理环境中，进行单体与宏观地理信息融合建模，形成单体空间及周边地理环境三维一体可视化全信息模型，进行智慧建造及运维管养[2]。融合技术并不很成熟是目前一个难题。

2.2 DT 五维模型

数字孪生的五维模型分别为：物理实体、虚拟实体、连接、孪生数据和服务。数字孪生通过物理世界与信息世界连接融合达到虚拟现实的交互与融合，在交通领域，其立足在BIM+GIS 技术之上。物理实体主要包括各个子系统（如监控系统）以及部署的传感器，传感器采集设备及其环境数据在各子系统具备不同的功能，共同支持设备的运行。实物资产和数字资产两个模型保持信息同步、更新一致，以数字资产模型进行分析洞察和决策，通过物联网、自动化控制设备将优化指令传递到实物资产执行干预。模型要素的交互和数字孪生数据合理建设是一个难点，制约着应用[3]。

2.3 5G 和大数据

利用5G 技术可实时传输监控信息到地面，构建动车组的数字孪生平台，以开发数字化建造、运维的各种场景。大数据在5G 的到来之下更好地全面落地，实现对公路的健康进行监测、检测、预测和全生命周期的健康管理，移动装备的检修也可由计划修转为状态修、预测修，正在逐步构建数据采集、分析、检修、调度等建设运营智能化管理体系[4]。

2.4 新一代人工智能

清华大学教授张建平说：“BIM 构筑行业大数据并支撑行业的数字化，人工智能是行业发展的未来，大数据驱动新一代人工智能”。相较于之前，新一代人工智能落地于实践基础了。在交通领域，通过人工智能，记录识别司机的规范性操作和违规异常行为，建立自动驾驶行为系统，已实现有司机监控的无人自动驾驶。智慧公路采用“车路协同”技术，路侧的车路协同设备可实时感知车辆速度、位置、驾驶状态等数据。人工智能监控人和机械建设行为，辅助建设管理；采集实时交通信息，优化公众出行；分析海量交通数据，提供科学决策。

3 结论

高速公路数字化包括基础设施数字化和业务流程数字化，完成全场景、全业务流程以及全生命周期下从物理世界到数字世界的转换。基于BIM技术的数字化技术在高速公路的应用要落在GIS、5G 互联网、大数据驱动、数字孪生和人工智能上。目前已有研究成果，但仍需要很长一段时间的磨合，对关键技术和相关应用进一步研发、拓展，构筑高速公路数字化信息互通、资源共享、能力协同、开放合作的新体系。