路网级高速公路基础设施数字化平台的设计与实现

赵 霄 李 凯 曾梓义

（四川智慧高速科技有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

随着我国交通运输业的蓬勃发展及科技水平的不断提高，高速公路基础设施已向数字化、智能化、信息化方向发展。为实现对供给侧的深化改革，国家高度重视高速公路基础设施的数字化、信息化和智能化升级［1］。国务院印发的《交通强国建设纲要》提出：“推进数据资源赋能交通发展，加速交通基础设施网、运输服务网、能源网与信息网络融合发展，构建泛在先进的交通信息基础设施。”因此，实现高速公路基础设施的数字化、信息化、智慧化，对高速公路建设具有重要意义。

1 项目概况

2021年8月，四川智慧高速科技有限公司经技术验证，正式开展川高系统基础设施数字化平台建设，该平台业务架构如图1所示。该平台定位为支撑高速公路建管养运业务全周期、全要素管理的数据服务基座，通过引入BIM、GIS等先进技术，来构建高速公路全路网基础设施数据“一张图”。本研究对原川高系统进行升级和业务拓展，探索建设蜀道集团基础设施数字化平台的路线。

图1 川高系统高速公路基础设施数字化平台业务架构

根据蜀道集团数字化建设的总体框架要求，采用BIM、GIS 等技术来构建蜀道集团路网要素基础数据库（包括基础设施路线、桩号、工程属性、设计图纸等静态数据和设施三维空间数据）。对原川高系统基础设施数字化平台进行系统升级和业务拓展，完成蜀道集团基础设施数字化平台建设，实现蜀道集团多产业板块全要素、全周期、全业务的数字化管理应用基础数据支撑。该平台作为蜀道集团通用“一张图”数字化基础的底座，为建设、养护和营运等阶段提供标准化要素数据、应用接口及设施设备的二维（三维）模型和高精度地图等可视化服务和技术支持。

2 平台优化升级

基础设施数字化平台的优化升级包括基础平台架构升级、基础数据管理优化、数据服务能力提升、系统承载能力提升、业务支撑能力提升等5 个方面。蜀道集团数字化基础底座业务架构升级如图2所示。

图2 蜀道集团数字化基础底座业务架构升级

2.1 基础平台架构升级

通过划分业务域、专业库、专题库等方式，为单业务域应用向多业务域应用的转移提供支撑。

2.2 基础数据管理优化

通过建立元数据统一入库接口及对数据逻辑关系进行动态配置，实现对数据的矩阵式管理。

2.3 数据服务能力提升

对公共基础数据进行收集整理，通过数据服务配置功能来扩展数据服务范围，从而提升数据服务的适应性。

2.4 系统承载能力提升

对当前数据存储及服务框架进行优化，提升数据承载能力。根据多业务域的应用特点，对当前“BIM+GIS”图形框架进行优化完善，提升系统可视化承载能力。

2.5 业务支撑能力提升

基于“BIM+GIS”图形框架，在为各业务系统提供统一图形底座支撑的同时，通过标准化数据及系统集成接口，以基础设施数据为中心来实现多系统、多业务、多类型、多维度数据的集成整合，提升数据综合应用及可视化呈现支撑能力。

3 数字化平台建设

3.1 数据管理系统建设

前期的高速公路基础设施数字化平台已实现对高速公路业务域基础设施静态数据的管理，包括路线数据、桩号数据、设施基本信息、EBS 工程结构、图纸资料、BIM+GIS 空间数据、地灾数据等。本研究对该平台进行升级，一方面是完善高速公路业务域的基础数据管理，增加数据入库规则性校验与数据清理；另一方面是拓展铁路、能源等业务域基础设施静态数据的管理支持。

3.2 数据应用系统建设

该系统依托基础设施数字化数据管理系统中的专题数据配置来完成对专题库数据的建立，是根据应用需求来建立专题应用功能。整个系统的专题应用包括综合应用支撑的基础设施电子沙盘系统和公路基础设施专题应用。其中，公路基础设施专题应用系统是根据前期高速公路基础设施数字化平台建设成果进行升级完善的，包括路网数据应用专题、建设数据应用专题、路产数据应用专题、运营数据应用专题、安全数据应用专题、应急数据应用专题等。

3.2.1 基础设施电子沙盘系统。基础设施电子沙盘系统基于“BIM+GIS”图形框架［2］，将全公路相关基础设施空间数据在一个电子沙盘场景内进行可视化加载与交互呈现，包括全省地形、影像数据、生态红线、保护区、基本农田、地灾点位等，还包括公路铁路路网、路线、路桥隧等设施构件，能源及房地产项目空间分布、设施构件等。基础设施电子沙盘系统示意如图3所示。

图3 基础设施电子沙盘系统示意

3.2.2 公路基础设施专题应用系统。公路基础设施应用专题系统是根据前期高速公路基础设施数字化平台建设成果进行升级完善的，包括路网数据应用专题、建设数据应用专题、运营数据应用专题、安全数据应用专题、应急数据应用专题等。

①路网数据应用专题。该专题利用路网专题数据库中的信息，对集团全路网分布情况、路线等级情况、线路所属阶段、建设年限情况、路网管理机构等进行直观可视化分析和统计，帮助集团及管理部门掌握集团公路的整体情况。

②建设数据应用专题。该专题依托建设项目BIM 模型对象及建设系统所管理的建设过程相关数据（设计信息、设计图纸、质量信息、进度数据、变更数据、计量数据等），通过与基础设施数字化平台的对接，将这些数据形成建设监管专题数据。

③运营数据应用专题。该专题通过与运营管理系统的相关运营数据进行结合，基于BIM 模型对设备运行状态、收费站开关状态、情报板数据、收费站及门架车流量数据、收费站值班人员信息、路巡车辆及人员信息等进行直观可视化呈现，实现公路运营监管的数字化应用。

④安全数据应用专题。该专题通过与路安管理系统、养护管理系统、健康监测系统、视频监控系统、设施定检系统等的相关数据结合，并纳入天气主题数据、地灾主题数据等，形成运营监管的专题数据，用来支持基于BIM 模型的多维数据综合可视化管理应用，包括对全线地灾分布情况、前线各路段天气情况、设施安全状态、设备运行状态、收费站开关状态、交通事故点数据等的直观可视化呈现与动态分析。

⑤应急数据应用专题。该专题与建设管理系统、养护管理系统、健康监测系统、视频监控系统、路巡系统、应急物资管理系统等的相关数据进行结合，并纳入天气主题数据、地灾主题数据、应急仓库数据等，形成应急抢险专题数据，用来支持基于BIM 模型的多维数据综合可视化应急抢险管理应用。

当发生应急事件时，管理人员可及时在基础设施数字化平台三维虚拟场景内查看应急事件的发生位置、周边结构物及地理环境。管理人员通过查看相应的监测数据及监控视频，可全面观察现场实际情况。结合应急设备、应急物资管理数据，可在数字化应急指挥系统内快速显示事件位置指定范围内的应急设备及物资分布情况，分析相应设备离灾害点的距离、灾害点周边的路网分布情况等，为管理者的决策分析提供技术支持。同时，相关专家可以登录平台，在三维虚拟场景内进行决策会商。

根据决策方案，结合“BIM+3D GIS”的数字化场景及实时监测和监控数据，能对应急人员、应急设备及应急物资进行可视化应急指挥调度，同时应急数据会实时反馈“BIM+3D GIS”的数字化场景（当前应急人员、应急设备调度执行情况、现场监测实时数据等），以便指挥人员能及时进行动态调整，并以最快速度进行应急调度。

3.3 应用支撑平台建设

通过建设应用支撑平台，为应用系统建设提供支撑基础平台，为硬件资源的统筹管理和系统数据资源的交换、存储、查询、备份管理及应用软件功能开发、集成、调用和展现等提供技术支持，从而实现硬件资源、数据资源的有效共享和业务应用系统的互联互通［3］，统一支撑所建各应用系统的支撑软件或功能组件的集合。

3.3.1 统一授权中心。建立统一的授权中心，对平台用户相关应用权限及其他业务平台系统的数据接口调用权限进行统一的授权管理［4］。各业务系统调用平台数据及相关服务时均须通过鉴权，通过采集业务平台的具体需求，对不同业务提供不同层级的权限鉴权接口，供业务系统向其内部账号提供不同权限。平台除设定内部管理账号外，还要给各业务系统分配相应的账号及角色权限，平台管理员对各业务系统接口的访问账号进行统一授权管理，平台对业务系统每一次鉴权及数据调用均进行记录，从而形成日志文件并存档。

3.3.2 GIS服务平台。根据前期高速公路基础设施数字化平台的应用成果，结合该系统的总体建设目标和内容，采用国产GIS 服务平台为GIS 服务提供技术支持，并根据实际需求进行扩容升级［5］。

3.3.3 基础设施数据服务监控中心。根据前期高速公路基础设施数字化平台的应用成果，结合系统的总体建设目标和内容，在当前服务监控中心的基础上，根据实际需求进行升级和完善。

3.3.4 基础设施数据共享服务中心。采用标准化数据对接方式来建基础设施数据共享服务中心，实现各业务系统与集团基础设施数字化平台的对接，并根据数据类型及支撑业务，分别建立对接元数据，每个元数据记录对接的数据来源、数据内容、数据类型、数据格式等，不在平台内存储实际数据，用以支撑各主题数据库、专题数据库的建立和应用，从而实现数据的有效共享服务［6］。

3.4 主机、存储系统、网络系统及安全保障系统建设

对主机、存储系统和网络系统的建设，先期是沿用当前高速公路基础设施数字化平台的相关资源，后期再根据实际情况进行扩容。

通过往期项目建设，集团云平台已具有完善的安全防护体系，可划分为用于部署等保二级、等保三级信息系统的安全域。基于安全需求分析及安全系统现状分析，目前的安全防护体系能满足该应用系统的部署和等保二级安全防护的相关要求，该系统可直接利用云平台安全防护体系，不再重复建设。

4 结语

蜀道集团基础设施数字化平台的构建是整个智慧高速建设体系的核心底座，也是蜀道集团数字化建设的重要环节。本研究以数字化平台技术为基础，对基础设施数据化数据管理系统、数据化数据应用系统、应用支撑平台和主机、存储系统、网络系统及安全保障系统提供了相应的建设方案，大大提高高速公路建设和运营的信息化程度，使高速公路基础设施数字化平台形成集团通用“一张图”，成为真正意义上的交通建设重要组成部分。