智慧高速GIS+BIM平台建设及应用

文｜中航安贞（浙江）信息科技有限公司 方磊 贾凤海 王立幼

1 引言

高速公路是现代经济和社会发展的重要基础设施，是构筑交通现代化的重要基础。当前社会经济不断发展，汽车数量快速增加，出行和运输需求不断提高，对高速公路建设、管理、养护提出了更高的要求，传统模式已经难以满足日益严格的管理需求。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）将智能交通管理系统建设列入交通运输业六大主题。

智慧高速是指融合新一代通信技术，通过人、车、路的信息交互，实现智能化的建设、运营、养护和管理，提高高速公路运营的安全性、便捷性、通畅性和绿色性。其目的是将信息化和智能化应用于高速公路的各个环节，驱动高速公路运营管理模式向全面提升，达到出行便捷化、管控精准化、应急快速化、支付电子化等效果。

我国首条智慧高速公路建设项目——杭绍甬高速公路实现了智慧化的感知、传输、管控和服务，有效提高了车辆运行速度、安全稳定性和出行服务质量。本研究在杭绍甬高速智慧化建设过程中，通过GIS+BIM平台构建高速公里基础设施设备数字化底座，对高速公路本体、高精地图、周边地理信息数据、专业系统及实时营运数据等数据资源进行集中存储和开发利用，将高速公路相关的多种专业信息加载到三维GIS+BIM平台上，实现物理资产和数字资产模型的融合，通过将毫米波雷达、卡口、监控、道路控制等多种物联网终端设备与高精度地图的融合应用，实现高速公路运营管理与应急处置的精细化、智能化、自动化和标准化。

2 研究现状

高分遥感、北斗高精度定位、精准气象、云计算、大数据、物联网、AR/VR等技术的迅猛发展，为智慧高速公路的研究和建设提供了重要的技术支撑，高速公路的发展逐渐趋向于信息化和智能化，其中也有不少问题有待进一步研究。近年来，我国在智慧高速方面开展的大量研究，其中也存在一定问题有待进一步研究。

殷亚君基于物联网大数据技术，构建了智慧高速公路物联网管控平台的架构模式，提出了智慧运营流程和智慧养护流程。耿洁等研发的视频智慧云联网平台，打造了“可视化、可观测、可控制、可服务”的高速公路智能运行监测体系。李建利等构建了“互联网+智慧高速”BIM隧道数智监控系统，实现了隧道机电全生命周期智能监控与应用。刘春舵等等建设了高速公路智慧建设管理系统，涵盖结构安全监测、工地管理、预制梁场和工地实验室等内容。张忠刚等建立了高速公路建管维综合监控管理系统，利用GIS技术全路段一体的信息化管理和可视化展示。黄觉等建立了路运一体化综合管理平台，实现多源数据融合、大数据分析和移动办公。王成松建立了基于AR与物联网技术结合的实景可视化管理系统，提升了服务区的服务水平和运行效率。

3 高精地图及基础设施三维建模

（1）高精地图

高精地图具有厘米级精度，包含路网结构信息和道路信息，不仅具有高精度的平面位置和高程坐标，还有准确的道路形状、车道信息、交通标志等数据。

（2）三维实景模型

高速公路覆盖区域为狭长型地带，采用无人机倾斜摄影配合自动化三维建模软件建立了沿中轴线两侧1公里区域内的三维实景模型。

（3）BIM

采用BIM建模技术对主线道路、互通立交、匝道、收费站、服务区等道路主体设施，护栏、立杆、防炫板、穿跨越等道路附属设施，以及情报板、监控、卡口、广播等设备建立精细三维模型。

通过三维倾斜摄影和BIM相结合，构建了从全线到路段车道、从主体设施到单体设备的覆盖面广、颗粒度高的一体化基础三维场景，并采用BIMID+IoTID的模式，实现模型数据与业务数据、终端设备信号的关联集成。

4 GIS+BIM基础平台建设

本研究基于Cesium开发了高速公路GIS+BIM三维基础平台，实现地形、影像、高精地图、三维实景模型、BIM模型等三维地理信息数据集成。以三维GIS+BIM为数据底座，通过数据服务调用外部实时监测、业务信息的数据，并关联到对应三维模型所在位置。通过三维平台建立从物联网终端到应用前台的数据通道，实现了静态三维模型、高精地图数据与动态业务信息、实时监测信息的关联与应用。

针对高速公路运营管理所涵盖的物联网监测设备种类多样、数据结构复杂、通信模式不一的现状，本研究通过数据中台的模式，将视频监控、卡口、情报板、照明、通风、雷达、气象监测等终端感知和道路养护业务设备所推送的结构化/非结构化数据、消息流、视频流数据等多源异构实时信息在中台进行统一标准化接入与集成管理，面向业务应用研发数据融合与协同分析工具，减少前台对于高频次实时信息的数据接收压力与计算压力。

5 IoT及业务数据集成应用

（1）实时运营数据

将高速路段实时运营数据，如可变情报板、高清卡口、车检器、网络广播等实时可变物理资源，以及隧道内照明、通风、交通、火灾消防、紧急电话、电力、闭路电视等设备与平台中对应的三维数据或BIM模型关联。外部业务系统中一旦调整了设备运行状态，平台中将同步呈现的设备实际状态，如风机运行方向、交通控制灯、情报板文字、照明等。相反地，在平台中操作三维模型，可控制和编辑实体设备的状态，实现所见即所得，如图1所示。

图1 实时运营数据与三维BIM集成应用

（2）AR视频监控

利用GIS+BIM三维模型提供精细化空间顶点映射集，通过视频控制点与实体空间位置进行投影映射，实现动态监控视频图像空间与静态GIS+BIM的融合，如图2所示。根据视频空间与三维空间的投影映射集，将空间POI信息投射到视频图像中建立AR智能标签，将现场管理所需要业务信息直接叠加到基于三维空间的动态视频上，使AR标签具有空间定位、检索和分析能力，在高速公路运营管理中实现基于三维实景的立体化、可视化的指挥与调度。

图2 BIM+GIS与视频画面融合

（3）毫米波雷达

利用毫米波雷达进行高频次、车道级的车辆位置监测，实现路段车辆分布状态的实时监测与车辆位置跟踪，再将融合实时的车辆（车牌）信息与车辆定位、跟踪信息叠加到三维GIS上，实现全路段车辆的精准定位、跟踪与结构化，如图3。

图3 毫米波雷达监测信息与三维GIS叠加

（4）养护管理

基于BIM建立的路面、桥梁、边坡、隧道、护栏等模型，颗粒度可与业务系统相匹配，因此，可通过BIM模型的构件与养护系统的养护记录、监测信息和设备信息相关联，将现场采集的养护记录和监测值所在位置，映射到的虚拟三维模型中的位置。通过BIM与业务系统的关联，在三维平台上直接调取实时监测数据、道路病害信息和养护维保记录，如图4，从而提高道路监测和养护的自动化能力，保障高速公路安全运营。

图4 监测点位与BIM关联集成

（5）应急管控

在三维平台中可以叠加应急管理预案，分步骤展示预案内容，直观显示预警所在的地理位置，在三维空间中实时表现启动设备所在的位置及当前设备状态，如图5。当隧道内发生事故时，指挥中心可通过平台中接入的实时运营信息和视频监控了解现场情况，并通过平台中的多级预案进行远程指挥，控制现场物联网设备进行救援和疏散，如开启风机、开启紧急逃生门、调整指示标志、隧道出入口情报板和指示灯管控。

图5 基于BIM的应急管理

6 总结

智慧高速公路建设在近年来成为创新驱动的高地，是实现我国高速公路从高速增长阶段向高质量发展阶段转变的主要载体。本研究通过建立高速公路GIS+BIM基础平台，在集成高精地图、BIM、三维实景等基础地理信息数据，接入专业系统、运营系统和物联网终端实时监测数据，实现多源数据的融合应用，面向实际业务定制应用，实现高速公路运营管理与应急处置的精细化、智能化、自动化和标准化，为“智慧高速”实现车路协同和自动驾驶提供技术支撑和平台服务。