文｜中航安貞（浙江）信息科技有限公司 方磊 賈鳳海 王立幼

1 引言

高速公路是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是構(gòu)筑交通現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，汽車數(shù)量快速增加，出行和運(yùn)輸需求不斷提高，對(duì)高速公路建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)模式已經(jīng)難以滿足日益嚴(yán)格的管理需求。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006-2020）將智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)列入交通運(yùn)輸業(yè)六大主題。

智慧高速是指融合新一代通信技術(shù)，通過人、車、路的信息交互，實(shí)現(xiàn)智能化的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)和管理，提高高速公路運(yùn)營(yíng)的安全性、便捷性、通暢性和綠色性。其目的是將信息化和智能化應(yīng)用于高速公路的各個(gè)環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)高速公路運(yùn)營(yíng)管理模式向全面提升，達(dá)到出行便捷化、管控精準(zhǔn)化、應(yīng)急快速化、支付電子化等效果。

我國(guó)首條智慧高速公路建設(shè)項(xiàng)目——杭紹甬高速公路實(shí)現(xiàn)了智慧化的感知、傳輸、管控和服務(wù)，有效提高了車輛運(yùn)行速度、安全穩(wěn)定性和出行服務(wù)質(zhì)量。本研究在杭紹甬高速智慧化建設(shè)過程中，通過GIS+BIM平臺(tái)構(gòu)建高速公里基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備數(shù)字化底座，對(duì)高速公路本體、高精地圖、周邊地理信息數(shù)據(jù)、專業(yè)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中存儲(chǔ)和開發(fā)利用，將高速公路相關(guān)的多種專業(yè)信息加載到三維GIS+BIM平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)物理資產(chǎn)和數(shù)字資產(chǎn)模型的融合，通過將毫米波雷達(dá)、卡口、監(jiān)控、道路控制等多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與高精度地圖的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)營(yíng)管理與應(yīng)急處置的精細(xì)化、智能化、自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2 研究現(xiàn)狀

高分遙感、北斗高精度定位、精準(zhǔn)氣象、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR等技術(shù)的迅猛發(fā)展，為智慧高速公路的研究和建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐，高速公路的發(fā)展逐漸趨向于信息化和智能化，其中也有不少問題有待進(jìn)一步研究。近年來，我國(guó)在智慧高速方面開展的大量研究，其中也存在一定問題有待進(jìn)一步研究。

殷亞君基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建了智慧高速公路物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)的架構(gòu)模式，提出了智慧運(yùn)營(yíng)流程和智慧養(yǎng)護(hù)流程。耿潔等研發(fā)的視頻智慧云聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，打造了“可視化、可觀測(cè)、可控制、可服務(wù)”的高速公路智能運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系。李建利等構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧高速”BIM隧道數(shù)智監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道機(jī)電全生命周期智能監(jiān)控與應(yīng)用。劉春舵等等建設(shè)了高速公路智慧建設(shè)管理系統(tǒng)，涵蓋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、工地管理、預(yù)制梁場(chǎng)和工地實(shí)驗(yàn)室等內(nèi)容。張忠剛等建立了高速公路建管維綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，利用GIS技術(shù)全路段一體的信息化管理和可視化展示。黃覺等建立了路運(yùn)一體化綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析和移動(dòng)辦公。王成松建立了基于AR與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的實(shí)景可視化管理系統(tǒng)，提升了服務(wù)區(qū)的服務(wù)水平和運(yùn)行效率。

3 高精地圖及基礎(chǔ)設(shè)施三維建模

（1）高精地圖

高精地圖具有厘米級(jí)精度，包含路網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息和道路信息，不僅具有高精度的平面位置和高程坐標(biāo)，還有準(zhǔn)確的道路形狀、車道信息、交通標(biāo)志等數(shù)據(jù)。

（2）三維實(shí)景模型

高速公路覆蓋區(qū)域?yàn)楠M長(zhǎng)型地帶，采用無人機(jī)傾斜攝影配合自動(dòng)化三維建模軟件建立了沿中軸線兩側(cè)1公里區(qū)域內(nèi)的三維實(shí)景模型。

（3）BIM

采用BIM建模技術(shù)對(duì)主線道路、互通立交、匝道、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等道路主體設(shè)施，護(hù)欄、立桿、防炫板、穿跨越等道路附屬設(shè)施，以及情報(bào)板、監(jiān)控、卡口、廣播等設(shè)備建立精細(xì)三維模型。

通過三維傾斜攝影和BIM相結(jié)合，構(gòu)建了從全線到路段車道、從主體設(shè)施到單體設(shè)備的覆蓋面廣、顆粒度高的一體化基礎(chǔ)三維場(chǎng)景，并采用BIMID+IoTID的模式，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、終端設(shè)備信號(hào)的關(guān)聯(lián)集成。

4 GIS+BIM基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)

本研究基于Cesium開發(fā)了高速公路GIS+BIM三維基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地形、影像、高精地圖、三維實(shí)景模型、BIM模型等三維地理信息數(shù)據(jù)集成。以三維GIS+BIM為數(shù)據(jù)底座，通過數(shù)據(jù)服務(wù)調(diào)用外部實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)，并關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)三維模型所在位置。通過三維平臺(tái)建立從物聯(lián)網(wǎng)終端到應(yīng)用前臺(tái)的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)三維模型、高精地圖數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息的關(guān)聯(lián)與應(yīng)用。

針對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)管理所涵蓋的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備種類多樣、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信模式不一的現(xiàn)狀，本研究通過數(shù)據(jù)中臺(tái)的模式，將視頻監(jiān)控、卡口、情報(bào)板、照明、通風(fēng)、雷達(dá)、氣象監(jiān)測(cè)等終端感知和道路養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)設(shè)備所推送的結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、消息流、視頻流數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)實(shí)時(shí)信息在中臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化接入與集成管理，面向業(yè)務(wù)應(yīng)用研發(fā)數(shù)據(jù)融合與協(xié)同分析工具，減少前臺(tái)對(duì)于高頻次實(shí)時(shí)信息的數(shù)據(jù)接收壓力與計(jì)算壓力。

5 IoT及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

（1）實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)

將高速路段實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，如可變情報(bào)板、高清卡口、車檢器、網(wǎng)絡(luò)廣播等實(shí)時(shí)可變物理資源，以及隧道內(nèi)照明、通風(fēng)、交通、火災(zāi)消防、緊急電話、電力、閉路電視等設(shè)備與平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的三維數(shù)據(jù)或BIM模型關(guān)聯(lián)。外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)中一旦調(diào)整了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，平臺(tái)中將同步呈現(xiàn)的設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，如風(fēng)機(jī)運(yùn)行方向、交通控制燈、情報(bào)板文字、照明等。相反地，在平臺(tái)中操作三維模型，可控制和編輯實(shí)體設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)所見即所得，如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)與三維BIM集成應(yīng)用

（2）AR視頻監(jiān)控

利用GIS+BIM三維模型提供精細(xì)化空間頂點(diǎn)映射集，通過視頻控制點(diǎn)與實(shí)體空間位置進(jìn)行投影映射，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控視頻圖像空間與靜態(tài)GIS+BIM的融合，如圖2所示。根據(jù)視頻空間與三維空間的投影映射集，將空間POI信息投射到視頻圖像中建立AR智能標(biāo)簽，將現(xiàn)場(chǎng)管理所需要業(yè)務(wù)信息直接疊加到基于三維空間的動(dòng)態(tài)視頻上，使AR標(biāo)簽具有空間定位、檢索和分析能力，在高速公路運(yùn)營(yíng)管理中實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)景的立體化、可視化的指揮與調(diào)度。

圖2 BIM+GIS與視頻畫面融合

（3）毫米波雷達(dá)

利用毫米波雷達(dá)進(jìn)行高頻次、車道級(jí)的車輛位置監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)路段車輛分布狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與車輛位置跟蹤，再將融合實(shí)時(shí)的車輛（車牌）信息與車輛定位、跟蹤信息疊加到三維GIS上，實(shí)現(xiàn)全路段車輛的精準(zhǔn)定位、跟蹤與結(jié)構(gòu)化，如圖3。

圖3 毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)信息與三維GIS疊加

（4）養(yǎng)護(hù)管理

基于BIM建立的路面、橋梁、邊坡、隧道、護(hù)欄等模型，顆粒度可與業(yè)務(wù)系統(tǒng)相匹配，因此，可通過BIM模型的構(gòu)件與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)記錄、監(jiān)測(cè)信息和設(shè)備信息相關(guān)聯(lián)，將現(xiàn)場(chǎng)采集的養(yǎng)護(hù)記錄和監(jiān)測(cè)值所在位置，映射到的虛擬三維模型中的位置。通過BIM與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，在三維平臺(tái)上直接調(diào)取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、道路病害信息和養(yǎng)護(hù)維保記錄，如圖4，從而提高道路監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)的自動(dòng)化能力，保障高速公路安全運(yùn)營(yíng)。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與BIM關(guān)聯(lián)集成

（5）應(yīng)急管控

在三維平臺(tái)中可以疊加應(yīng)急管理預(yù)案，分步驟展示預(yù)案內(nèi)容，直觀顯示預(yù)警所在的地理位置，在三維空間中實(shí)時(shí)表現(xiàn)啟動(dòng)設(shè)備所在的位置及當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，如圖5。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生事故時(shí)，指揮中心可通過平臺(tái)中接入的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)信息和視頻監(jiān)控了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并通過平臺(tái)中的多級(jí)預(yù)案進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，控制現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行救援和疏散，如開啟風(fēng)機(jī)、開啟緊急逃生門、調(diào)整指示標(biāo)志、隧道出入口情報(bào)板和指示燈管控。

圖5 基于BIM的應(yīng)急管理

6 總結(jié)

智慧高速公路建設(shè)在近年來成為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的高地，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)高速公路從高速增長(zhǎng)階段向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變的主要載體。本研究通過建立高速公路GIS+BIM基礎(chǔ)平臺(tái)，在集成高精地圖、BIM、三維實(shí)景等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，接入專業(yè)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，面向?qū)嶋H業(yè)務(wù)定制應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)營(yíng)管理與應(yīng)急處置的精細(xì)化、智能化、自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，為“智慧高速”實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同和自動(dòng)駕駛提供技術(shù)支撐和平臺(tái)服務(wù)。