智慧高速公路数字孪生平台的设计与实现

陈志涛CHEN Zhi-tao；李朋LI Peng；陆艳铭LU Yan-ming

（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650041）

0 引言

我国各地区高速公路机电系统的发展水平不统一，高速公路信息化水平地域差异性显著。现阶段我国高速公路交通运行信息化建设正处于关键的转型期，由孤立封闭转向开放共享。

我国高速公路机电系统的建设、运营、管理、应急体制大多是以“一条（段）高速公路、一个投资主体、一个管理分中心”为基础的“省中心-路段分中心-收费站”三级管理模式[1，2]，只有少数发达地区的高速公路实现联网联控。

在高速公路发展过程中引入BIM 技术是当前的研究热点，BIM 具有非常强大的信息集成度以及直观可视性，同时具有较强的可协调能力[3，4]。应用BIM 技术，能够实现高速公路各阶段以及各参与方之间信息资源共享，显著提升高速公路管理信息化水平。

1 发展现状

1.1 项目背景

召夸至泸西高速公路，位于曲靖市陆良县、师宗县和红河州泸西县境内，是滇中城市经济圈环线的重要组成部分，也是曲靖市、红河州公路规划网的骨架路网。路线起点北接曲陆、江召高速公路，经召夸南、葵山镇、金马镇、止于白水镇连接弥泸二期高速公路。主线全长34.14km。

该项目将基于新一代信息技术，充分利用数据挖掘技术和工具，构建以信息化技术为支撑的BIM+GIS 智慧高速公路的数字孪生平台。对高速公路机电系统进行一体化无缝隙整合建设、管理以及养护。利用数字路网对路段运行和通阻等实现可视化、实景化定位和并联分析展示。

1.2 数字孪生高速公路构建思路

BIM 技术突破传统CAD 设计的局限，以数字化为基础，通过其可视性、仿真性以及协调性等诸多优势，现已成为高速公路数字化的重要应用。通过BIM 技术实现对高速公路建设进行建模及可视化处理是高速公路数字化初级应用，高速公路数字化、网联化水平随着智慧高速公路建设的不断推进而不断提高，为高速公路数字孪生平台的形成与发展奠定了数据基础以及通信基础。BIM 技术作为信息技术时代里建筑行业信息技术的重要代表，在重大交通基础设施项目规划、设计、建设、施工、运营、养护管理全生命周期等已有应用，可以借助BIM 技术使信息数据贯穿高速公路建设、运营和养护三大重要环节。BIM 技术可以归纳为如图1 所示的3 个层级方面的应用。

图1 BIM 层次结构图

2 平台架构

针对智慧高速公路数字孪生平台的架构如图2 所示。从下而上依次为：感知层、数据层、中间服务层、业务层和应用层。

图2 高速公路数字孪生平台架构图

其中，感知层是整个数字孪生系统所有数据的最初源头，数字孪生系统将气象感知、结构物感知、沿线设施感知和道路检测感知等数据进行收集、分析、梳理后存储，为驱动平行世界的三维场景和模型进行数据准备。

数据层是数字孪生系统内平行世界所有环境的呈现，包括了公路基础数据库、养护业务数据库、模型数据库、视频数据库、公路技术状况数据库和地理空间数据库等所有动态元素所需要的数据支撑库。

中间服务层是整个数字孪生系统的大脑，负责接收处理各类数据和模型，并将数据和模型转换为平行虚拟世界场景，包括GIS 引擎、BIM 引擎、报表中间件、数据中间件和工作流引擎五个部分。

业务层和应用层能够保证顺利实现数字孪生系统各个业务功能点。其中，业务展现层提供业务功能的支撑，包括基础数据管理、公路技术状况、GIS+BIM、信息发布和日常养护管理等功能模块。应用层通过创建智慧化管养平台实现路网交通管理、路况分析、及基础设施监测等功能。

2.1 三维模型创建

①融入“互联网+”，基于云计算、大数据，空间地理信息技术、三维实景技术、无人机航拍技术以及BIM 等新一代信息技术，充分利用GIS 电子地图、专家远程诊断等数据挖掘技术和工具，构建以信息化技术为支撑的BIM+GIS高速公路三维数字可视化平台架构，实现机电系统的建、管、养的一体化无缝隙整合。

②架构基于开源的Cesium3D 地图引擎，软件前端JS框架采用vue、three.js 和Babylon 等技术，UI 框架采用Ant Design、Echarts 以及D3.js 等技术，设计Restful 标准服务接口，构建面向应用的关键机电设备、设施的数字化模型。建立综合数字化平台，突破性能、功能的动态参数的数字建模和空间映射关系全数字实现等技术，形成系统解决方案，为开拓机电运维新业务夯实技术支撑。

2.2 平台设计过程

本平台将高速公路建设、养护、管理的智慧化所解决的关键问题聚焦于数字化和面向个性化应用的信息处理自动化实现的方法。

首先对高速公路的路基路面实际工程构造物、桥涵隧构件、机电设施的关键设备等面向应用进行数字化，拼接数字化个体构建高速公路主体设施与机电设施实体的数字孪生。

针对建养管全周期智慧化对大数据处理能力的需求，提出以内容为基础的MySQL、MongoDB+Redis 数据存储方案，确保系统在数据层面实现适配集存储、生产、发布于一体的弹性应用和灵活的业务拓展。

建立了主体设施关键构件、结构的BIM 建筑信息模型和动态多层次数字化模型。结合WebGIS 技术，实现了作为项目全周期信息源头的设计数字化交付。

通过移动互联网接入高速公路机电设备，实时获取基础设施、气象、交通流量等的监测数据，实现态势感知与预警等级研判。

智慧高速公路数字孪生平台将上述数据叠加路网运行参数，结合设施设备监测运行数据，构成大数据汇总分析平台，能够实现路网交通管理、路况分析、基础设施监控等功能。

3 平台主要功能

可视化平台架构结合BIM 模型的特点，能够为BIM数据提供多种实用的三维GIS 查询分析功能，同时发挥GIS 的位置服务和空间分析特长，实现BIM 模型加载，将道路附属构造物桥梁、隧道等进行可视化建模展示，通过BIM 模型对病害进行归类、分析，通过关联维修养护过程，实现对高速公路设施设备的可视、可查和可追踪，对不同维度的信息进行分析挖掘，统一汇集到三维可视化平台中，提升信息交互效率，构建高速公路的监控、预警、诊断、分析一体化的三维可视化平台，功能构架示意见图3。

图3 高速公路数字孪生功能架构图

①模型加载。

完成道路倾斜摄影模型、机电与土建BIM 模型的加载与定位。

②工具集。

系统具有空间测距、贴地距离测量、空间面积测量、高度测量、角度测量等工具箱。

③三维数据展示。

系统能三维展示路线、构件数据、情报板数据、管线数据、视频监控等信息。

④数据管理。

系统能够对机电设备实现数字化，将设备的原始数据上传至隧管所、管理处和分中心，并通过给定的协议进行原始数据的解析，实现对数据的清洗、拆分、融合和脱敏，最后将分析出的数据存储到数据库中。

⑤外部接口数据。

系统能接入三大系统的设备实时状态数据，并与三维数字平台进行联动。

该高速公路数字孪生平台中建模、监测、管养是五大主要功能模块为：

①全信息化数据模型构建。

采用全信息化数据模型构建BIM 信息模型，通过集成桥梁、路基、路面、隧道、交通工程各个模块实现设计标准化、智能化、信息化，以及利用数据驱动实现道路整体的自动建模并加载。

②路网数据集成与运行监测。

将高速公路设施设备运行监测数据与数字路网数据关联，实现路网运行监测空间化。通过应急处置平台对事件的报送，实时监测全省路网、道路、路段的通阻情况。

③实时交通流数字孪生。

基于交通量检测数据、车路协同系统采集的车、路的运行监测数据以及摄像机的视频事件检测器采集的交通流数据，实现交通流基本指标（流量、速度、密度）的采集与分析，对公路的拥挤程度进行识别和数字孪生，依托智慧高速数字孪生平台进行直观的展示。

④道路管养及维护。

分析隧道、桥梁、公路的技术状况并做出等级评定，根据评定结果开展养护工作。年度的养护状况为今后的养护方案制定提供了数据支持。

⑤可视化。

以移动互联网、物联网、GIS 技术等新一代信息技术为依托，针对监控管理人员的工作需求，提升数字化水平，实时掌握营运管理的态势，及时发现异常情况，根据不同营运管理的需求，设定不同的可视化场景。

4 结语

本文基于数字孪生技术，建立如上智能高速公路平台，实现对高速公路的健康进行检测、预测和全生命周期的健康管理，如对道路设备监控、收费系统监控、管理系统监控等，还可以实时监测该路段上的事故信息，真正实现对高速公路的智能管理与监控。

未来可以在此基础上对所监测路段进行扩大，使之组成更大的智能高速高速公路平台网，实现对更宽广路段的智能化管理与监测，为未来国家智能交通体系贡献力量。