基于BIM+GIS的高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化研究

蔡小平

(廣東廣樂(lè)高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

基于高速公路隧道的特殊性，對(duì)高速公路隧道的建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的高速公路隧道監(jiān)控平臺(tái)無(wú)法滿足嚴(yán)格的管理需求[2-3]。各個(gè)管理單元之間沒(méi)有有效的數(shù)據(jù)交互，無(wú)法對(duì)高速公路隧道進(jìn)行綜合管控；嚴(yán)重依賴人工手段對(duì)異常情況進(jìn)行判斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化的指揮調(diào)度；缺乏多維度管理機(jī)制，管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)掌握隧道的運(yùn)行情況以及設(shè)備的狀態(tài)[4]。鑒于此，有必要對(duì)高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行深入研究。本文基于建筑信息模型(BIM)和地理信息系統(tǒng)(GIS)，融入了設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，對(duì)高速公路隧道進(jìn)行數(shù)字化、立體化、智能化監(jiān)控，保證了監(jiān)控的維度的多元化、信息處理的可視化、監(jiān)控的智能化，提升了高速公路隧道監(jiān)控的智能化程度，提高了管理效率[5-6]。

1 建筑信息模型與地理信息系統(tǒng)

1.1 建筑信息模型

建筑信息模型顧名思義就是以建筑項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行模型的搭建，以數(shù)學(xué)模型的形式對(duì)建筑物的相關(guān)信息進(jìn)行模擬。建筑信息模型能夠體現(xiàn)出建筑物數(shù)據(jù)的完整性、關(guān)聯(lián)性、一致性，并且能夠通過(guò)可視界面將建筑物形象的展現(xiàn)出來(lái)[7]。

1.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是一項(xiàng)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的系統(tǒng)，它能夠?qū)⒌乩砜臻g中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析、顯示，專門(mén)用于解決與空間相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題[8-9]。地理信息系統(tǒng)中描述的物件位置由經(jīng)度、緯度、海拔3個(gè)參數(shù)來(lái)描述，即：

ALoc=(x,y,z)

(1)

1.3 建筑信息模型與地理信息系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性

用于隧道監(jiān)控的機(jī)電設(shè)備信息量十分豐富，其本身屬性需要通過(guò)建筑信息模型來(lái)描述。但是，地理信息系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)于宏觀地理信息的，顯示物體的空間屬性。建筑信息模型是地理信息系統(tǒng)的重要信息來(lái)源，通過(guò)數(shù)據(jù)將建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)[10]。

2 高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)功能需求

隧道是高速公路的特殊組成部分，其處于封閉環(huán)境中，光線較常規(guī)線路存在不足，因此隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)要高于常規(guī)線路。一旦隧道中發(fā)生事故，會(huì)出現(xiàn)信息傳遞困難，救援不易到達(dá)等問(wèn)題，容易造成嚴(yán)重后果[11-12]。因此智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)需要以下功能需求：

(1)集成化監(jiān)控需求：將功能獨(dú)立的子單元統(tǒng)一接入到主控單元中，對(duì)隧道中的車(chē)流、通風(fēng)、照明等進(jìn)行全范圍、全時(shí)段、多角度的無(wú)死角監(jiān)控，并通過(guò)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。這一點(diǎn)是智慧隧道監(jiān)控的最基本要求；

(2)異常事件的智能化診斷需求：傳統(tǒng)的采用人工監(jiān)控的手段效率低下，嚴(yán)重影響了事件的處理效率。將信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等新興技術(shù)應(yīng)用到高速公路隧道監(jiān)控中，能夠提升隧道異常事件的自主診斷能力，實(shí)現(xiàn)了隧道的智能化高效監(jiān)控；

(3)高效應(yīng)急處置需求：能夠根據(jù)異常事件的類型及嚴(yán)重程度進(jìn)行合理分級(jí)，并進(jìn)行有效響應(yīng)，啟動(dòng)與異常事件相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)信息的快速流轉(zhuǎn)，提高異常事件的處置效率，這一點(diǎn)是隧道監(jiān)控的最核心需求。

3 高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)與功能

本文所研究的高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)，能夠?qū)⒔煌ㄔO(shè)施、監(jiān)控設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等進(jìn)行統(tǒng)一接入，以高速公路隧道監(jiān)控為核心目標(biāo)，提供“監(jiān)測(cè)、管控、處理、調(diào)度”為一體的管理方式，形成業(yè)務(wù)閉環(huán)控制，提高高速公路隧道的監(jiān)控效率，實(shí)現(xiàn)高速公路隧道運(yùn)營(yíng)的“可測(cè)、可視、可控”[13-14]。

3.1 監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)

本文所研究的高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)可以劃分為6個(gè)層次，即監(jiān)測(cè)層、通信層、數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務(wù)層、顯示層[15]，具體的架構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Monitoring platform architecture

(1)監(jiān)測(cè)層：該層能夠?qū)崿F(xiàn)交通流監(jiān)測(cè)、交通事件監(jiān)測(cè)、交通設(shè)備監(jiān)測(cè)、交通環(huán)境監(jiān)測(cè)等，其設(shè)備必須具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，能夠?qū)⒏兄降男畔?shí)時(shí)傳輸?shù)街骺刂行模?/p>

(2)通信層：該層由多種網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備構(gòu)成，提供數(shù)據(jù)傳輸通道，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸，需要配置安全認(rèn)證機(jī)制強(qiáng)化數(shù)據(jù)的安全防護(hù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谶M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，可以通過(guò)式(2)實(shí)現(xiàn)。x為明文；p1，p2，…，pn為加密算子；φ(x)為經(jīng)過(guò)加密處理后得到的密文。

(2)

(3)數(shù)據(jù)層：該層提供數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，實(shí)現(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)的對(duì)接。

(4)支撐層：該層提供工作流引擎、GIS引擎、數(shù)據(jù)交換引擎、日志服務(wù)、同一用戶管理等，為上層服務(wù)提供應(yīng)用支持。

(5)業(yè)務(wù)層：該層包含了二維地圖、三維地圖、報(bào)警分析、狀態(tài)巡檢、設(shè)備控制、實(shí)時(shí)視頻，狀態(tài)解析等；

(6)顯示層：該層要根據(jù)用戶的實(shí)際需求出發(fā)，分為了隧道三維全景展現(xiàn)、二維平面監(jiān)控、監(jiān)控曲線報(bào)表、運(yùn)維管理、資產(chǎn)管理、事件響應(yīng)及處理。顯示層中還會(huì)用到虛擬三維場(chǎng)景技術(shù)，這里涉及到坐標(biāo)系的變換。需要進(jìn)行注意的是VRML三維坐標(biāo)系中x、y、z坐標(biāo)軸3DS MAX坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸指向有所區(qū)別，VRML和3DS MAX坐標(biāo)系定義如圖2所示。

圖2 VRML與3D MAX三維坐標(biāo)示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-dimensional coordinates of VRML and 3D MAX

進(jìn)行模型平移的方法：

設(shè)A位置坐標(biāo)為(xA,yA,zA)，移動(dòng)到目標(biāo)位置B，AB之間的距離D坐標(biāo)為(xD,yD,zD)，方向向量為L(zhǎng)(Nx,Ny,Nz)，則B位置坐標(biāo)(xB,yB,zB)可以表示為：

(3)

即：

(4)

3.2 監(jiān)控平臺(tái)功能

基于該監(jiān)控平臺(tái)，能夠通過(guò)多種方式完成對(duì)機(jī)電設(shè)備的控制，即全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)3種方式。該平臺(tái)能夠十分直觀的將隧道狀態(tài)、隧道機(jī)電設(shè)備狀態(tài)等以二維、三維的形式呈現(xiàn)給用戶；在隧道現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠進(jìn)行智能化的診斷分析，自主提出應(yīng)對(duì)預(yù)案；能夠進(jìn)行異常情況的模擬演練；對(duì)隧道本身及隧道機(jī)電設(shè)備進(jìn)行定期智能化巡檢，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

(1)二維、三維一體化展示：基于建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)，在同一監(jiān)控平臺(tái)下，進(jìn)行統(tǒng)一管控，能夠?qū)λ淼肋M(jìn)行平面化、立體化、可視化的監(jiān)控；

(2)設(shè)備管理智能化：設(shè)備的基本信息、技術(shù)資料、維護(hù)保養(yǎng)記錄等全部錄入監(jiān)控平臺(tái)，需要時(shí)從中調(diào)取。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能管理；

(3)多維度智能化監(jiān)控：對(duì)設(shè)備進(jìn)行管控時(shí)，設(shè)備的三維場(chǎng)景能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)顯示設(shè)備所處的實(shí)時(shí)位置及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的多維度呈現(xiàn)。

(4)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制：具備交通事故、火災(zāi)及其他異常情況下的事件聯(lián)動(dòng)機(jī)制，能夠保證以最快速度發(fā)現(xiàn)異常情況、定位異常情況，并對(duì)事件進(jìn)行科學(xué)有效的處理。

(5)異常情況模擬演練：能夠在平臺(tái)正常運(yùn)行的情況下，動(dòng)態(tài)模擬異常情況發(fā)生后的聯(lián)動(dòng)機(jī)制執(zhí)行流程，為異常情況的應(yīng)急處理做好準(zhǔn)備；

(6)數(shù)據(jù)整合能力：能夠?qū)煌ā⒒馂?zāi)、消防、照明、視頻的多種事物產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的整合處理，并且將數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入到監(jiān)控平臺(tái)，提升了隧道運(yùn)營(yíng)的綜合監(jiān)控效率；

(7)視頻輪詢：能夠?qū)σ曨l的輪詢功能進(jìn)行自主化定義，包括輪詢分組、輪詢定時(shí)等。

3.3 智能預(yù)案管理

(1)交通預(yù)案：該預(yù)案保證車(chē)輛在隧道內(nèi)安全通行，最大限度降低交通事故的發(fā)生概率，提高高速公路的運(yùn)營(yíng)效率；

(2)照明預(yù)案：該預(yù)案以最低的能源消耗保證隧道出入口的亮度柔和變化，提高駕駛員的駕駛舒適度和安全性。根據(jù)環(huán)境狀況靈活調(diào)節(jié)照明，具體的照明方案可以通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)配置或根據(jù)周?chē)h(huán)境變化自主配置；

(3)通風(fēng)預(yù)案：該預(yù)案保證向隧道內(nèi)輸入新鮮的空氣，并且將隧道內(nèi)的空氣污染物排出，改善隧道中的空氣質(zhì)量。降低隧道內(nèi)出現(xiàn)起火等異常情況時(shí)，熱和煙對(duì)人員帶來(lái)的危害；

(4)排水預(yù)案：該預(yù)案實(shí)時(shí)監(jiān)控消防水池的水位變化，自動(dòng)對(duì)消防水池進(jìn)行控制，維持水位平衡。及時(shí)處理污水池中的污水；

(5)應(yīng)急預(yù)案：該預(yù)案主要針對(duì)能見(jiàn)度低下、強(qiáng)風(fēng)、交通事故等惡劣的異常情況。這些異常情況發(fā)生時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)取與異常情況相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。自動(dòng)提示給用戶，由用戶進(jìn)行確認(rèn)，如果用戶確認(rèn)合理，則直接下發(fā)；如果用戶確認(rèn)不合理，則進(jìn)行修改后下發(fā)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 隧道概況

某高速公路隧道全長(zhǎng)約4.2 km，其中隧道工程約3.5 km，道路等級(jí)為雙向4車(chē)道高速公路。自2016年高速公路通車(chē)起，高速公路隧道監(jiān)控平臺(tái)隨之投入運(yùn)行,隧道實(shí)景如圖3所示。

圖3 高速公路隧道實(shí)景Fig.3 Real scene of highway tunnel

4.2 隧道設(shè)備運(yùn)用現(xiàn)狀

隧道設(shè)備主要包括：綜合管線、供配電線路、通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、消防設(shè)備、排水設(shè)備、控制單元等組成。由于隧道中設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境較差，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行造成了一定程度的影響，故障率較高，因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造。監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)從模擬視頻監(jiān)控升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化高清視頻監(jiān)控，視頻數(shù)據(jù)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接傳送到公安機(jī)關(guān)的交通管理平臺(tái)。

4.3 監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用效果

對(duì)隧道及隧道設(shè)備的基礎(chǔ)性信息進(jìn)行維護(hù)管理，并通過(guò)二維、三維模型將隧道及隧道設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)隧道中的多種設(shè)備都接入到監(jiān)控平臺(tái)中。

監(jiān)控平臺(tái)主要包括：隧道配置與控制模塊、隧道及設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、異常情況處理模塊、異常情況診斷模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)、管控、處理、調(diào)度為一體的閉環(huán)流程；隧道及設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)λ淼涝O(shè)備的狀態(tài)以及隧道環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)異常情況，異常情況診斷模塊就會(huì)觸發(fā)診斷功能，自動(dòng)調(diào)取相關(guān)視頻信息，快速確定異常情況的處理方案，開(kāi)啟應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行有效的處理，提高高速公路隧道的運(yùn)行效率；高速公路隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖4所示。

圖4 高速公路隧道實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig.4 Real-time monitoring interface of highway tunnel

結(jié)合隧道的實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)，能夠?qū)⒐δ塥?dú)立、分散的單元進(jìn)行有效整合，真正實(shí)現(xiàn)了高速公路隧道的一體化管控，減少了日常監(jiān)控、異常情況處理中需要用到的人力和物力，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)管理效率的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從高速公路隧道運(yùn)營(yíng)管理現(xiàn)狀的角度出發(fā)，分析了構(gòu)建高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)的重要意義。對(duì)高速公路智慧隧道監(jiān)控平臺(tái)的功能需求進(jìn)行了深入分析，提出了監(jiān)控平臺(tái)的基本架構(gòu)以及能夠?qū)崿F(xiàn)的具體功能，將設(shè)計(jì)出的監(jiān)控平臺(tái)在某高速公路隧道進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常情況診斷、異常情況預(yù)警、異常情況決策、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制的閉環(huán)業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的單一方面管理向綜合一體化監(jiān)控的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了子功能單元的單一化建設(shè)向綜合集成一體化建設(shè)的轉(zhuǎn)變，將子功能單元進(jìn)行了有效的功能集成，解決了子單元各自工作，之間沒(méi)有數(shù)據(jù)交互、運(yùn)營(yíng)效率低、管控水平差的問(wèn)題，能夠有效促進(jìn)高速公路智慧隧道監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提升隧道的運(yùn)營(yíng)安全程度有著促進(jìn)作用，對(duì)于隧道管理單位實(shí)現(xiàn)智能化管理的轉(zhuǎn)變具有重要意義。