智慧高速GIS+BIM平臺建設及應用

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

高速公路是現代經濟和社會發展的重要基礎設施，是構筑交通現代化的重要基礎。當前社會經濟不斷發展，汽車數量快速增加，出行和運輸需求不斷提高，對高速公路建設、管理、養護提出了更高的要求，傳統模式已經難以滿足日益嚴格的管理需求。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006-2020）將智能交通管理系統建設列入交通運輸業六大主題。

智慧高速是指融合新一代通信技術，通過人、車、路的信息交互，實現智能化的建設、運營、養護和管理，提高高速公路運營的安全性、便捷性、通暢性和綠色性。其目的是將信息化和智能化應用于高速公路的各個環節，驅動高速公路運營管理模式向全面提升，達到出行便捷化、管控精準化、應急快速化、支付電子化等效果。

我國首條智慧高速公路建設項目——杭紹甬高速公路實現了智慧化的感知、傳輸、管控和服務，有效提高了車輛運行速度、安全穩定性和出行服務質量。本研究在杭紹甬高速智慧化建設過程中，通過GIS+BIM平臺構建高速公里基礎設施設備數字化底座，對高速公路本體、高精地圖、周邊地理信息數據、專業系統及實時營運數據等數據資源進行集中存儲和開發利用，將高速公路相關的多種專業信息加載到三維GIS+BIM平臺上，實現物理資產和數字資產模型的融合，通過將毫米波雷達、卡口、監控、道路控制等多種物聯網終端設備與高精度地圖的融合應用，實現高速公路運營管理與應急處置的精細化、智能化、自動化和標準化。

2 研究現狀

高分遙感、北斗高精度定位、精準氣象、云計算、大數據、物聯網、AR/VR等技術的迅猛發展，為智慧高速公路的研究和建設提供了重要的技術支撐，高速公路的發展逐漸趨向于信息化和智能化，其中也有不少問題有待進一步研究。近年來，我國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一步研究。

殷亞君基于物聯網大數據技術，構建了智慧高速公路物聯網管控平臺的架構模式，提出了智慧運營流程和智慧養護流程。耿潔等研發的視頻智慧云聯網平臺，打造了“可視化、可觀測、可控制、可服務”的高速公路智能運行監測體系。李建利等構建了“互聯網+智慧高速”BIM隧道數智監控系統，實現了隧道機電全生命周期智能監控與應用。劉春舵等等建設了高速公路智慧建設管理系統，涵蓋結構安全監測、工地管理、預制梁場和工地實驗室等內容。張忠剛等建立了高速公路建管維綜合監控管理系統，利用GIS技術全路段一體的信息化管理和可視化展示。黃覺等建立了路運一體化綜合管理平臺，實現多源數據融合、大數據分析和移動辦公。王成松建立了基于AR與物聯網技術結合的實景可視化管理系統，提升了服務區的服務水平和運行效率。

3 高精地圖及基礎設施三維建模

（1）高精地圖

高精地圖具有厘米級精度，包含路網結構信息和道路信息，不僅具有高精度的平面位置和高程坐標，還有準確的道路形狀、車道信息、交通標志等數據。

（2）三維實景模型

高速公路覆蓋區域為狹長型地帶，采用無人機傾斜攝影配合自動化三維建模軟件建立了沿中軸線兩側1公里區域內的三維實景模型。

（3）BIM

采用BIM建模技術對主線道路、互通立交、匝道、收費站、服務區等道路主體設施，護欄、立桿、防炫板、穿跨越等道路附屬設施，以及情報板、監控、卡口、廣播等設備建立精細三維模型。

通過三維傾斜攝影和BIM相結合，構建了從全線到路段車道、從主體設施到單體設備的覆蓋面廣、顆粒度高的一體化基礎三維場景，并采用BIMID+IoTID的模式，實現模型數據與業務數據、終端設備信號的關聯集成。

4 GIS+BIM基礎平臺建設

本研究基于Cesium開發了高速公路GIS+BIM三維基礎平臺，實現地形、影像、高精地圖、三維實景模型、BIM模型等三維地理信息數據集成。以三維GIS+BIM為數據底座，通過數據服務調用外部實時監測、業務信息的數據，并關聯到對應三維模型所在位置。通過三維平臺建立從物聯網終端到應用前臺的數據通道，實現了靜態三維模型、高精地圖數據與動態業務信息、實時監測信息的關聯與應用。

針對高速公路運營管理所涵蓋的物聯網監測設備種類多樣、數據結構復雜、通信模式不一的現狀，本研究通過數據中臺的模式，將視頻監控、卡口、情報板、照明、通風、雷達、氣象監測等終端感知和道路養護業務設備所推送的結構化/非結構化數據、消息流、視頻流數據等多源異構實時信息在中臺進行統一標準化接入與集成管理，面向業務應用研發數據融合與協同分析工具，減少前臺對于高頻次實時信息的數據接收壓力與計算壓力。

5 IoT及業務數據集成應用

（1）實時運營數據

將高速路段實時運營數據，如可變情報板、高清卡口、車檢器、網絡廣播等實時可變物理資源，以及隧道內照明、通風、交通、火災消防、緊急電話、電力、閉路電視等設備與平臺中對應的三維數據或BIM模型關聯。外部業務系統中一旦調整了設備運行狀態，平臺中將同步呈現的設備實際狀態，如風機運行方向、交通控制燈、情報板文字、照明等。相反地，在平臺中操作三維模型，可控制和編輯實體設備的狀態，實現所見即所得，如圖1所示。

圖1 實時運營數據與三維BIM集成應用

（2）AR視頻監控

利用GIS+BIM三維模型提供精細化空間頂點映射集，通過視頻控制點與實體空間位置進行投影映射，實現動態監控視頻圖像空間與靜態GIS+BIM的融合，如圖2所示。根據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智能標簽，將現場管理所需要業務信息直接疊加到基于三維空間的動態視頻上，使AR標簽具有空間定位、檢索和分析能力，在高速公路運營管理中實現基于三維實景的立體化、可視化的指揮與調度。

圖2 BIM+GIS與視頻畫面融合

（3）毫米波雷達

利用毫米波雷達進行高頻次、車道級的車輛位置監測，實現路段車輛分布狀態的實時監測與車輛位置跟蹤，再將融合實時的車輛（車牌）信息與車輛定位、跟蹤信息疊加到三維GIS上，實現全路段車輛的精準定位、跟蹤與結構化，如圖3。

圖3 毫米波雷達監測信息與三維GIS疊加

（4）養護管理

基于BIM建立的路面、橋梁、邊坡、隧道、護欄等模型，顆粒度可與業務系統相匹配，因此，可通過BIM模型的構件與養護系統的養護記錄、監測信息和設備信息相關聯，將現場采集的養護記錄和監測值所在位置，映射到的虛擬三維模型中的位置。通過BIM與業務系統的關聯，在三維平臺上直接調取實時監測數據、道路病害信息和養護維保記錄，如圖4，從而提高道路監測和養護的自動化能力，保障高速公路安全運營。

圖4 監測點位與BIM關聯集成

（5）應急管控

在三維平臺中可以疊加應急管理預案，分步驟展示預案內容，直觀顯示預警所在的地理位置，在三維空間中實時表現啟動設備所在的位置及當前設備狀態，如圖5。當隧道內發生事故時，指揮中心可通過平臺中接入的實時運營信息和視頻監控了解現場情況，并通過平臺中的多級預案進行遠程指揮，控制現場物聯網設備進行救援和疏散，如開啟風機、開啟緊急逃生門、調整指示標志、隧道出入口情報板和指示燈管控。

圖5 基于BIM的應急管理

6 總結

智慧高速公路建設在近年來成為創新驅動的高地，是實現我國高速公路從高速增長階段向高質量發展階段轉變的主要載體。本研究通過建立高速公路GIS+BIM基礎平臺，在集成高精地圖、BIM、三維實景等基礎地理信息數據，接入專業系統、運營系統和物聯網終端實時監測數據，實現多源數據的融合應用，面向實際業務定制應用，實現高速公路運營管理與應急處置的精細化、智能化、自動化和標準化，為“智慧高速”實現車路協同和自動駕駛提供技術支撐和平臺服務。