基于BIM+GIS的高速公路智慧监控系统优化研究

蔡小平

(广东广乐高速公路有限公司，广东 广州 510000)

基于高速公路隧道的特殊性，对高速公路隧道的建设、管理、养护提出了更高的要求，传统的高速公路隧道监控平台无法满足严格的管理需求[2-3]。各个管理单元之间没有有效的数据交互，无法对高速公路隧道进行综合管控；严重依赖人工手段对异常情况进行判断，无法实现智能化的指挥调度；缺乏多维度管理机制，管理人员无法实时掌握隧道的运行情况以及设备的状态[4]。鉴于此，有必要对高速公路智慧隧道监控平台进行深入研究。本文基于建筑信息模型(BIM)和地理信息系统(GIS)，融入了设备的实时信息，对高速公路隧道进行数字化、立体化、智能化监控，保证了监控的维度的多元化、信息处理的可视化、监控的智能化，提升了高速公路隧道监控的智能化程度，提高了管理效率[5-6]。

1 建筑信息模型与地理信息系统

1.1 建筑信息模型

建筑信息模型顾名思义就是以建筑项目的相关数据为基础进行模型的搭建，以数学模型的形式对建筑物的相关信息进行模拟。建筑信息模型能够体现出建筑物数据的完整性、关联性、一致性，并且能够通过可视界面将建筑物形象的展现出来[7]。

1.2 地理信息系统

地理信息系统是一项结合计算机软硬件技术的系统，它能够将地理空间中的相关数据进行采集、存储、运算、分析、显示，专门用于解决与空间相关联的问题[8-9]。地理信息系统中描述的物件位置由经度、纬度、海拔3个参数来描述，即：

ALoc=(x,y,z)

(1)

1.3 建筑信息模型与地理信息系统的关联性

用于隧道监控的机电设备信息量十分丰富，其本身属性需要通过建筑信息模型来描述。但是，地理信息系统是专门针对于宏观地理信息的，显示物体的空间属性。建筑信息模型是地理信息系统的重要信息来源，通过数据将建筑信息模型和地理信息系统关联起来[10]。

2 高速公路智慧隧道监控平台功能需求

隧道是高速公路的特殊组成部分，其处于封闭环境中，光线较常规线路存在不足，因此隧道的安全风险要高于常规线路。一旦隧道中发生事故，会出现信息传递困难，救援不易到达等问题，容易造成严重后果[11-12]。因此智慧隧道监控平台需要以下功能需求：

(1)集成化监控需求：将功能独立的子单元统一接入到主控单元中，对隧道中的车流、通风、照明等进行全范围、全时段、多角度的无死角监控，并通过机电设备进行远程操控。这一点是智慧隧道监控的最基本要求；

(2)异常事件的智能化诊断需求：传统的采用人工监控的手段效率低下，严重影响了事件的处理效率。将信息技术、人工智能技术等新兴技术应用到高速公路隧道监控中，能够提升隧道异常事件的自主诊断能力，实现了隧道的智能化高效监控；

(3)高效应急处置需求：能够根据异常事件的类型及严重程度进行合理分级，并进行有效响应，启动与异常事件相对应的应急预案，实现信息的快速流转，提高异常事件的处置效率，这一点是隧道监控的最核心需求。

3 高速公路智慧隧道监控平台架构与功能

本文所研究的高速公路智慧隧道监控平台，能够将交通设施、监控设备、通风设备等进行统一接入，以高速公路隧道监控为核心目标，提供“监测、管控、处理、调度”为一体的管理方式，形成业务闭环控制，提高高速公路隧道的监控效率，实现高速公路隧道运营的“可测、可视、可控”[13-14]。

3.1 监控平台架构

本文所研究的高速公路智慧隧道监控平台架构可以划分为6个层次，即监测层、通信层、数据层、支撑层、业务层、显示层[15]，具体的架构分布如图1所示。

图1 监控平台架构Fig.1 Monitoring platform architecture

(1)监测层：该层能够实现交通流监测、交通事件监测、交通设备监测、交通环境监测等，其设备必须具备网络通信能力，能够将感知到的信息实时传输到主控中心；

(2)通信层：该层由多种网络通信设备构成，提供数据传输通道，通过通信网络完成数据传输，需要配置安全认证机制强化数据的安全防护，保证数据传输的可靠性。在进行数据传输时，还需要对数据进行加密处理，可以通过式(2)实现。x为明文；p1，p2，…，pn为加密算子；φ(x)为经过加密处理后得到的密文。

(2)

(3)数据层：该层提供数据标准格式，实现各种类型数据的对接。

(4)支撑层：该层提供工作流引擎、GIS引擎、数据交换引擎、日志服务、同一用户管理等，为上层服务提供应用支持。

(5)业务层：该层包含了二维地图、三维地图、报警分析、状态巡检、设备控制、实时视频，状态解析等；

(6)显示层：该层要根据用户的实际需求出发，分为了隧道三维全景展现、二维平面监控、监控曲线报表、运维管理、资产管理、事件响应及处理。显示层中还会用到虚拟三维场景技术，这里涉及到坐标系的变换。需要进行注意的是VRML三维坐标系中x、y、z坐标轴3DS MAX坐标系中的坐标轴指向有所区别，VRML和3DS MAX坐标系定义如图2所示。

图2 VRML与3D MAX三维坐标示意图Fig.2 Schematic diagram of three-dimensional coordinates of VRML and 3D MAX

进行模型平移的方法：

设A位置坐标为(xA,yA,zA)，移动到目标位置B，AB之间的距离D坐标为(xD,yD,zD)，方向向量为L(Nx,Ny,Nz)，则B位置坐标(xB,yB,zB)可以表示为：

(3)

即：

(4)

3.2 监控平台功能

基于该监控平台，能够通过多种方式完成对机电设备的控制，即全自动、半自动、手动3种方式。该平台能够十分直观的将隧道状态、隧道机电设备状态等以二维、三维的形式呈现给用户；在隧道现场出现异常情况时，能够进行智能化的诊断分析，自主提出应对预案；能够进行异常情况的模拟演练；对隧道本身及隧道机电设备进行定期智能化巡检，降低运营维护成本。

(1)二维、三维一体化展示：基于建筑信息模型和地理信息系统，在同一监控平台下，进行统一管控，能够对隧道进行平面化、立体化、可视化的监控；

(2)设备管理智能化：设备的基本信息、技术资料、维护保养记录等全部录入监控平台，需要时从中调取。实现设备的智能管理；

(3)多维度智能化监控：对设备进行管控时，设备的三维场景能够进行实时动态显示，同时显示设备所处的实时位置及其他相关数据，实现信息的多维度呈现。

(4)应急联动机制：具备交通事故、火灾及其他异常情况下的事件联动机制，能够保证以最快速度发现异常情况、定位异常情况，并对事件进行科学有效的处理。

(5)异常情况模拟演练：能够在平台正常运行的情况下，动态模拟异常情况发生后的联动机制执行流程，为异常情况的应急处理做好准备；

(6)数据整合能力：能够对交通、火灾、消防、照明、视频的多种事物产生的数据进行有效的整合处理，并且将数据统一接入到监控平台，提升了隧道运营的综合监控效率；

(7)视频轮询：能够对视频的轮询功能进行自主化定义，包括轮询分组、轮询定时等。

3.3 智能预案管理

(1)交通预案：该预案保证车辆在隧道内安全通行，最大限度降低交通事故的发生概率，提高高速公路的运营效率；

(2)照明预案：该预案以最低的能源消耗保证隧道出入口的亮度柔和变化，提高驾驶员的驾驶舒适度和安全性。根据环境状况灵活调节照明，具体的照明方案可以通过监控平台配置或根据周围环境变化自主配置；

(3)通风预案：该预案保证向隧道内输入新鲜的空气，并且将隧道内的空气污染物排出，改善隧道中的空气质量。降低隧道内出现起火等异常情况时，热和烟对人员带来的危害；

(4)排水预案：该预案实时监控消防水池的水位变化，自动对消防水池进行控制，维持水位平衡。及时处理污水池中的污水；

(5)应急预案：该预案主要针对能见度低下、强风、交通事故等恶劣的异常情况。这些异常情况发生时，监控平台会自动调取与异常情况相对应的应急预案。自动提示给用户，由用户进行确认，如果用户确认合理，则直接下发；如果用户确认不合理，则进行修改后下发。

4 应用实例

4.1 隧道概况

某高速公路隧道全长约4.2 km，其中隧道工程约3.5 km，道路等级为双向4车道高速公路。自2016年高速公路通车起，高速公路隧道监控平台随之投入运行,隧道实景如图3所示。

图3 高速公路隧道实景Fig.3 Real scene of highway tunnel

4.2 隧道设备运用现状

隧道设备主要包括：综合管线、供配电线路、通信设备、监控设备、照明设备、通风设备、消防设备、排水设备、控制单元等组成。由于隧道中设备的运行环境较差，对设备的正常运行造成了一定程度的影响，故障率较高，因此对设备进行了升级改造。监控设备已经从模拟视频监控升级为网络数字化高清视频监控，视频数据还可以通过网络直接传送到公安机关的交通管理平台。

4.3 监控平台应用效果

对隧道及隧道设备的基础性信息进行维护管理，并通过二维、三维模型将隧道及隧道设备的实际状态进行实时显示；同时隧道中的多种设备都接入到监控平台中。

监控平台主要包括：隧道配置与控制模块、隧道及设备实时监测模块、异常情况处理模块、异常情况诊断模块，能够实现监测、管控、处理、调度为一体的闭环流程；隧道及设备实时监测模块能够对隧道设备的状态以及隧道环境信息进行实时监测。一旦出现异常情况，异常情况诊断模块就会触发诊断功能，自动调取相关视频信息，快速确定异常情况的处理方案，开启应急联动机制进行有效的处理，提高高速公路隧道的运行效率；高速公路隧道的实时监控图4所示。

图4 高速公路隧道实时监控界面Fig.4 Real-time monitoring interface of highway tunnel

结合隧道的实际运行情况，通过高速公路智慧隧道监控平台，能够将功能独立、分散的单元进行有效整合，真正实现了高速公路隧道的一体化管控，减少了日常监控、异常情况处理中需要用到的人力和物力，实现了运营管理效率的提升。

5 结语

本文从高速公路隧道运营管理现状的角度出发，分析了构建高速公路智慧隧道监控平台的重要意义。对高速公路智慧隧道监控平台的功能需求进行了深入分析，提出了监控平台的基本架构以及能够实现的具体功能，将设计出的监控平台在某高速公路隧道进行了试点应用。监控平台实现了从实时监测、异常情况诊断、异常情况预警、异常情况决策、应急联动机制的闭环业务流程，实现了从传统的单一方面管理向综合一体化监控的转变，实现了子功能单元的单一化建设向综合集成一体化建设的转变，将子功能单元进行了有效的功能集成，解决了子单元各自工作，之间没有数据交互、运营效率低、管控水平差的问题，能够有效促进高速公路智慧隧道监控技术的发展，对提升隧道的运营安全程度有着促进作用，对于隧道管理单位实现智能化管理的转变具有重要意义。