基于BIM的智慧交通信息管理系统在城市道路运营中的应用

唐振羽 吴亚刚 李泽深

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.绍兴市智慧城市集团有限公司，浙江 绍兴 312000)

0 引言

随着我国城镇化水平的不断提高，城市人口及城市车辆保有量逐年增加，城市道路的建设规模达到了前所未有的水平.但是，由于城市里普遍存在交通资源相对短缺，监测信息碎片化严重，管理机构之间存在沟通壁垒，交通信息传递相对滞后等诸多问题，导致当前城市道路的运营管理工作面临巨大挑战.

GIS、物联网、大数据分析、云计算等新兴智能科技的蓬勃发展为城市道路的智慧化管理提供了发展方向.基于物联网技术的道路监测系统可以实时传递道路安全、环境、交通信息.大数据分析系统可以在城市交通建设与规划过程中为决策者提供可靠的决策依据[1].借助地理信息系统及物联网数据分析可就能源消耗问题对城市建筑集群进行合理规划[2].然而，从信息的收集到信息的使用，仍然存在一些薄弱环节：首先，道路运营管理部门众多，各部门获得的信息往往自成体系，无法相互传递共享.其次，各部门监测到的信息碎片化严重，无法在一个平台上统一管理.第三，收集到的信息往往仅用于单一问题的预警，在智能分析、数据预测以及辅助决策等方面的应用仍有待提高.

BIM(Building information modeling)由其高度集成化的特点可充分弥补信息管理方面的不足.BIM的概念最早是在1975年美国乔治亚理工大学Chuck Eastman教授的一篇文章中初见雏形，随着研究的不断深入，BIM的概念得到了进一步的丰富与完善.张建新[3]在文章中指出BIM是在建筑工程全寿命周期中运用动态的建模软件，集成建筑工程各种相关信息的工程三维数据，实施动态的三维实时处理，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达.郑华海[4]等人认为BIM是以三维数字技术为基础，集成建设工程项目各种相关信息的工程数据模型，同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化技术.目前对于BIM的解释相对较完整的是美国国家BIM标准的定义：“BIM是设施物理特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全寿命中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作”[5].

BIM技术作为建筑信息集成交互的数字化工具，在土木工程领域已经取得了较为成熟发展.谢晖[6]以某大学图书馆为例，演示了BIM模型施工模拟与Project施工进度文件的相结合，实现了BIM4D协助施工管理.赵雪峰等[7]以叶盛黄河公路大桥为背景利用BIM参数化、可视化、仿真模拟性的特点，解决了施工过程中的难点.翟越[8]从安全施工的角度在虚拟施工技术的基础上，构建了包含资料管理、模拟施工、安全监控模块的多维数字化安全管理体系.李静[9]等人借用鲁班造价算量软件系统以某房地产开发项目为例，利用BIM模型参数化及构件可算性的特点，初步实现基于BIM的全过程造价管理.

随着BIM优越性的不断彰显，BIM也被应用于协助建筑物的运维管理.李明柱[10]等人强调了全生命周期各个阶段数据收集的重要性，丰亮、陆惠民[11]提出了基于BIM的工程项目管理信息系统的架构及其九大功能模块，实现了项目信息数据的全寿命周期集成管理.刘榕、陈侃[12]等人针对城市地下综合管廊后期运维管理问题，结合“BIM+”理念提出了以BIM为核心的可视化运维管理集成平台设计思路.王延魁[13]等人通过整合BIM与RFID技术，将BIM模型构件与含RFID标签的设备相互关联生成设备运维管理数据库，便于现实组件与BIM元素之间的信息交流.王茹、黄鑫[14]则运用VB+SQL Server软件开发技术，构建了基于BIM的运维阶段建筑构件预警管理系统，实现了BIM模型中的构件设备信息于系统中的监控与管理.

事实上，BIM技术不仅仅是一个封闭的建筑信息载体，基于BIM技术结合多种信息采集传输分析手段，可为道路智慧化管理提供解决方案.汤圣君[15]等针对BIM与GIS数据集成，提出IFC几何要素过滤方法以及IFC到CityGML的语义映射规则，为IFC与CityGML建筑模型的几何、语义信息互操作提供了一种通用手段.罗洁[16]就BIM与物联网技术的融合应用，在工程管理过程中做出了具体使用前景的理论分析.王雅琼[17]等从智慧交通对大数据分析的需求变化出发，提出了交通服务实时优化、智能合理化的大数据应用新模式，为智慧交通大数据的应用提供了思路.王若霞和陈卓[18]对智慧高速公路系统建设发表了自己的见解，围绕着数据采集、公众出行、综合管控等子系统介绍了整个系统的构造和应用，刘桐[19]将空间信息技术应用到智慧高速公路的建设中，提出了高速公路信息化、智能化、数字化、现代化的“四化”管理概念.

本文建立一个基于BIM的城市道路智慧化运营管理平台，通过综合应用GIS信息化技术、传感技术、通信技术及大数据分析技术，对城市道路信息进行采集、传输、集成分析及应用.以实现城市交通系统更加自动化、交通出行更加信息化、交通决策更加智能化、交通控制更加现代化的新型城市道路发展理念.最后，通过一个具体案例，详细说明了该系统在城市道路安全监控、交通实时诱导等方面的应用优势.

1 BIM结合信息化技术在城市道路运营管理中的优势

BIM技术以计算机信息技术为载体，将建设项目的参数化信息反映到三维数字化的建筑模型上.并通过可视化、协调性、模拟性、一体性等优势帮助改进传统的建设模式，取得了较多的应用成果.虽然BIM技术的发展旨在解决与项目建设过程相关的各项信息的集成和传递，但这与城市道路的数字化管理理念完全一致.利用BIM技术提供的城市道路信息，利用信息化技术获得的城市道路的碎片化信息得以集成和跨越式延伸，BIM技术也将不仅仅只是一个“信息孤岛”[20].其优势主要表现在：

1.1 信息集成多元化

应用BIM技术在设计阶段集成大量基础数据和复杂构件信息；在施工阶段，融入时间、成本进行BIM4D、BIM5D施工管理，既能实时地对工程项目进行控制，又能对施工过程中的实际信息以及工程造价的最终数据进行集成归档，为后续的运维管理积累基础.在项目建成后的运维阶段，利用GIS技术对城市道路设施故障或交通事故进行准确定位，利用物联网等传感技术可以实时获取物体信息.城市道路基础数据、构件信息、位置信息及实时的设施安全信息、环境信息、交通信息等在基于BIM模型的信息处理平台进行集成并实现交互融合.

1.2 信息管理标准化

BIM技术的使用能够在项目自身建设中通过软件建模基本实现领域内建筑、结构、水电等不同专业的交互协作.而在项目建成后的使用阶段，面对传感器物联网、地理信息位置等多元化的跨领域复杂数据，BIM信息管理系统的搭建应用能够在BIM模型信息语句与物联网监测数据、GIS地理数据等其他数据的语句之间找到映射关系，使不同领域的数据得到标准统一，实现各领域不同专业信息的相互衔接、编号分类，便于城市道路运营管理过程中的信息调用和数据分析.

1.3 信息使用协同化

传统建设项目无论在设计、施工阶段，还是建成后的使用、运维阶段，都充斥着数据信息冗杂、数据不统一、数据碎片化的现象.全生命周期内的BIM技术使用，能够在设计施工阶段将项目建设的各专业信息集成并通过计算机网络实现不同部门不同专业的协同合作，可有效减少因变更造成的工期延误.在运维阶段，结合物联网的传感技术可将构筑物的自身受力情况、自然环境影响以及运行状况等实时数据传递到BIM信息管理平台，各部门专业人士在平台中可进行多种数据的深度挖掘解析，结合大数据技术对项目运行状况做出有效诊断，实现结构力学数据、构件材料信息、自然环境信息等各类专业数据的相互交叉辅助预警.

2 基于BIM的交通信息管理平台的构建

信息管理平台由数据采集层，传输层，分析层及应用层四大模块构成.如图1所示.

图1 智慧交通信息管理平台的构建

2.1 数据采集层

负责进行数据的采集和临时存放.将工程项目竣工模型所包含的建筑基本信息、构件尺寸及位置、管线预埋布置等数据录入BIM运维模型.在项目使用过程中利用卡口抓拍单元、道路预埋传感器网以及智慧监控设备对交通运行数据进行实时采集，并及时储存至终端服务器的临时数据库.

2.2 数据传输层

负责进行数据的传送.运用光纤、网络专线和无线通信系统等信息传送手段，将数据传送至平台客户端和移动终端.

2.3 数据集成分析层

负责进行数据的集成和分析.找到BIM模型基础数据语句和其他专业的数据之间的映射关系，建立统一的标准，并通过建立信息平台形成一个大数据库，从而对数据进行分组标号和预处理分析.

2.4 数据应用层

负责进行数据的最终处理和应用.通过信息平台的建立，将之前采集到的经过分析处理的有效数据进行整合，并根据道路实际运行状况进行比对，最终利用平台的系统客户端和用户移动终端设备进行实时信息的传递与发布.

3 基于BIM的信息管理系统的应用

本节以绍兴市某智慧公路信息平台的建立与应用为例，来详细介绍基于BIM的信息管理系统的应用.对城市道路中存在的设施病害分析，风险评估，交通诱导，应急管理等方面应用的具体功能做出详细的介绍.

3.1 技术架构

如图2所示，基于BIM的智慧公路信息管理系统需要数据采集、传输、分析子系统作支撑.其中数据采集可以分为BIM基础数据的采集和公路实时运营数据的采集.BIM基础数据是由建成后的BIM模型为支撑，将模型中的构件信息与对应的实体部件逐个标注存档，形成BIM运维模型数据库；而公路实时数据可以利用由高清卡口摄像组成的智能监控相机和路基中预埋的道路感应设备以及环境监测仪器等智能化设施进行采集.

图2 智慧交通信息管理系统的架构

数据传输则可以利用光纤、专用网线和无限通讯设备实现数据信息的高效、精准传递.最后通过BIM运维模型基础数据和其他专业领域数据之间的语句映射关系，实现不同专业不同类型数据标准的统一，经过各领域专业人士对数据协同分析处理，将有效信息集成在信息管理平台，各单位部门的相关人员均可在平台的软件客户端中对道路运行状况进行监控，并利用大数据分析技术深入挖掘数据库对未来运营风险进行有效评估.

3.2 应用模块举例

3.2.1 道路安全监控

现代城市道路车流量巨大，而高荷载甚至超载的运输车辆更容易给道路带来巨大的运行压力和损耗.通过采集道路安全信息，在基于BIM的信息管理平台上进行定位和信息处理，可以帮助实现城市道路健康运营和管理.图3即为道路安全监控功能工作示意图.沿路隔段埋设道路受力传感器可对路基承重进行荷载数据采集，在路面板分段预埋角度传感器可将路面的沉降变化以客观数据展示.利用已有网络专线及无线网络将车辆通行时路基的承重荷载等数据传递到信息平台服务器的数据库，相关部门负责人从不同的专业角度出发在信息管理平台的软件客户端上将其与BIM运维模型中已存构件的各项极限数据相比对，以多个专业数据的视角分析出整个道路的实际运营情况.一旦发现存有问题的数据，立即通过信息管理平台数据库的分类标号，快速查询定位到需要细查的具体构件，并对其进行及时的诊断和维修，实现道路安全的健康运行.

图3 道路安全监控功能工作示意图

图4即为基于BIM的智慧交通信息管理平台功能展示图，平台通过程序开发设计拥有多种功能模块.BIM模型工程结构树可对海量工程构件的数据进行分类集成管理.属性查询模块可精确定位到细部构件的属性、进度甚至是成本等基础数据.而快速编码能让所有的构件得到统一的定义，便于查询功能的快速实现.融合GIS模型的空间定位功能，更能将具体位置的经纬度迅速地反映在平台上，以便于后续的路况分析诊断.

图4 基于BIM的智慧交通信息管理平台功能展示图

3.2.2 交通环境预警

雨雾天气等极端恶劣环境会增加驾驶风险，影响城市道路交通的正常运营，基于BIM的城市交通信息管理系统通过能见度探测仪、一体化智能监控相机等采集环境信息，在中心平台进行信息处理，利用智慧路灯及雾区引导预警灯等信息化设备(如图5所示)，实现雨雾天的行车引导、防撞预警，可减少极端天气的行车风险.

图5 智能化道路环境监测设备

智慧灯杆顶端附有风向标可直观反馈出所处环境的风力大小变化，太阳能电池板照明系统可满足阴暗环境下的光照强度.杆间的高清摄像监控与LED信息屏，既能对灯杆周围的环境做出实时监测，也能经过控制中心的指示发布交通信息.灯杆底部的电池充电桩可为因长途行驶导致电力不足的车辆提供可靠动力.遭遇强风天气时，管理中心相关人员可通过监控摄像装置传递的影像资料，评测风力等级并在灯杆自有电子屏中发布道路环境预警.能见度探测仪可对道路行驶环境中的能见度进行实时数据采集，当大气环境变得浑浊不清能见度低于相应标准值时，经BIM交通信息管理中心许可后雾区引导灯即可自动开启工作(如图6所示).雾区引导灯可凭信息管理平台的软件设定照射不同的色光，默认色光为黄色配合智慧灯杆的路灯起警示照明作用.当有车辆通过雾区引导灯的磁感应圈，色光便会自动转变变为红色，以警告后方车辆此处有车通过进而起到雾区引导防撞的作用，可有效减少雨雾天的驾驶风险.

图6 雾区引导功能示意图

图7所示为基于BIM的信息管理平台的环境监测功能模块，该模块利用前端的传感器、环境监测信息化设备，将环境温度、湿度、风速、噪声、PM值、能见度等环境实时数据以图表的形式形象地呈现在平台中.既能生成实时环境数值曲线，也可经后台专业人员编制生成环境预测曲线，对未来恶劣天气的分析预警及发布有着重大作用.此外，结合平台的构件编码定位功能，可在平台对前端设备的属性及运行状态进行精确查询，便于设备的定期巡检维护.

图7 基于BIM的信息管理平台的环境监测功能

3.2.3 交通实时诱导

交通突发事故、道路拥堵通常会影响到整个交通的运行状况，基于BIM的城市交通信息管理平台的应用可以快速有效解决路面突发情况，并及时进行交通疏导.图8所示即为交通实时诱导功能工作示意图.由枪球联动摄像机、视频卡口电子警察、智慧监控单元等监控设备构成的前端信息采集子系统将负责完成数据、图片、视频的采集，可将路口标号、车辆具体信息、行车时速等信息收集至服务器终端数据库.在各监控路段搭建路口局域网，利用独立光纤接入线路将所采集的数据汇聚到信息管理中心的平台网络中.在数据的集成分析阶段，各专业领域人员将不同专业的数据统一语句标准、按类编号分组，形成分类别致的总数据库以保证不同部门人员均可在平台客户端上协同操作、分析及预测.至于交通诱导的具体应用展示，实则是不同专业领域协同分工合作的一个过程，在GIS地理信息系统中根据前端摄像系统采集的影像等数据可快速锁定目标路段的详细位置，再结合BIM运维模型中对应位置的构件分组编号找到最近的道路信号灯、交通信息诱导屏等信息引导设备，最后在中心平台利用计算机交通诱导算法实现交通信息的实时发布，从而有效疏导道路交通，促进行车安全.

图8 交通实时诱导功能工作示意图

图9展示的是基于BIM的信息管理平台的视频实时监控功能，利用专线网络的高速传输及视频插件的安装优化，可实现道路交通实时路况于管理平台窗口化显示.而前端监控设备的属性、编号、定位及运行状态均可通过平台的其他功能相互辅助实现.平台使用者可根据道路运行视频反映的实时状况，在LED交通指示屏上发

图9 基于BIM的信息管理平台的视频实时监控功能

布交通诱导信息，及时做出交通系统的实时优化.

4 结论

本文从BIM技术的优势及应用现状出发，提出将BIM技术应用于城市道路运营的智慧化管理中的设计方法，建立一个包含数据采集、数据传输、数据集成分析和数据应用四层结构的智慧交通信息管理系统.结合绍兴市某路段对该系统在城市道路设施病害分析，风险评估，交通诱导，应急管理等方面的具体功能应用案例详细阐述了基于BIM的智慧交通信息管理平台的运行过程.为城市道路运营阶段的智慧化管理提供了一种合理可行的解决方法.