路網(wǎng)級高速公路基礎設施數(shù)字化平臺的設計與實現(xiàn)

趙 霄 李 凱 曾梓義

（四川智慧高速科技有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展及科技水平的不斷提高，高速公路基礎設施已向數(shù)字化、智能化、信息化方向發(fā)展。為實現(xiàn)對供給側(cè)的深化改革，國家高度重視高速公路基礎設施的數(shù)字化、信息化和智能化升級［1］。國務院印發(fā)的《交通強國建設綱要》提出：“推進數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎設施網(wǎng)、運輸服務網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡融合發(fā)展，構(gòu)建泛在先進的交通信息基礎設施。”因此，實現(xiàn)高速公路基礎設施的數(shù)字化、信息化、智慧化，對高速公路建設具有重要意義。

1 項目概況

2021年8月，四川智慧高速科技有限公司經(jīng)技術驗證，正式開展川高系統(tǒng)基礎設施數(shù)字化平臺建設，該平臺業(yè)務架構(gòu)如圖1所示。該平臺定位為支撐高速公路建管養(yǎng)運業(yè)務全周期、全要素管理的數(shù)據(jù)服務基座，通過引入BIM、GIS等先進技術，來構(gòu)建高速公路全路網(wǎng)基礎設施數(shù)據(jù)“一張圖”。本研究對原川高系統(tǒng)進行升級和業(yè)務拓展，探索建設蜀道集團基礎設施數(shù)字化平臺的路線。

圖1 川高系統(tǒng)高速公路基礎設施數(shù)字化平臺業(yè)務架構(gòu)

根據(jù)蜀道集團數(shù)字化建設的總體框架要求，采用BIM、GIS 等技術來構(gòu)建蜀道集團路網(wǎng)要素基礎數(shù)據(jù)庫（包括基礎設施路線、樁號、工程屬性、設計圖紙等靜態(tài)數(shù)據(jù)和設施三維空間數(shù)據(jù)）。對原川高系統(tǒng)基礎設施數(shù)字化平臺進行系統(tǒng)升級和業(yè)務拓展，完成蜀道集團基礎設施數(shù)字化平臺建設，實現(xiàn)蜀道集團多產(chǎn)業(yè)板塊全要素、全周期、全業(yè)務的數(shù)字化管理應用基礎數(shù)據(jù)支撐。該平臺作為蜀道集團通用“一張圖”數(shù)字化基礎的底座，為建設、養(yǎng)護和營運等階段提供標準化要素數(shù)據(jù)、應用接口及設施設備的二維（三維）模型和高精度地圖等可視化服務和技術支持。

2 平臺優(yōu)化升級

基礎設施數(shù)字化平臺的優(yōu)化升級包括基礎平臺架構(gòu)升級、基礎數(shù)據(jù)管理優(yōu)化、數(shù)據(jù)服務能力提升、系統(tǒng)承載能力提升、業(yè)務支撐能力提升等5 個方面。蜀道集團數(shù)字化基礎底座業(yè)務架構(gòu)升級如圖2所示。

圖2 蜀道集團數(shù)字化基礎底座業(yè)務架構(gòu)升級

2.1 基礎平臺架構(gòu)升級

通過劃分業(yè)務域、專業(yè)庫、專題庫等方式，為單業(yè)務域應用向多業(yè)務域應用的轉(zhuǎn)移提供支撐。

2.2 基礎數(shù)據(jù)管理優(yōu)化

通過建立元數(shù)據(jù)統(tǒng)一入庫接口及對數(shù)據(jù)邏輯關系進行動態(tài)配置，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的矩陣式管理。

2.3 數(shù)據(jù)服務能力提升

對公共基礎數(shù)據(jù)進行收集整理，通過數(shù)據(jù)服務配置功能來擴展數(shù)據(jù)服務范圍，從而提升數(shù)據(jù)服務的適應性。

2.4 系統(tǒng)承載能力提升

對當前數(shù)據(jù)存儲及服務框架進行優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)承載能力。根據(jù)多業(yè)務域的應用特點，對當前“BIM+GIS”圖形框架進行優(yōu)化完善，提升系統(tǒng)可視化承載能力。

2.5 業(yè)務支撐能力提升

基于“BIM+GIS”圖形框架，在為各業(yè)務系統(tǒng)提供統(tǒng)一圖形底座支撐的同時，通過標準化數(shù)據(jù)及系統(tǒng)集成接口，以基礎設施數(shù)據(jù)為中心來實現(xiàn)多系統(tǒng)、多業(yè)務、多類型、多維度數(shù)據(jù)的集成整合，提升數(shù)據(jù)綜合應用及可視化呈現(xiàn)支撐能力。

3 數(shù)字化平臺建設

3.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設

前期的高速公路基礎設施數(shù)字化平臺已實現(xiàn)對高速公路業(yè)務域基礎設施靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理，包括路線數(shù)據(jù)、樁號數(shù)據(jù)、設施基本信息、EBS 工程結(jié)構(gòu)、圖紙資料、BIM+GIS 空間數(shù)據(jù)、地災數(shù)據(jù)等。本研究對該平臺進行升級，一方面是完善高速公路業(yè)務域的基礎數(shù)據(jù)管理，增加數(shù)據(jù)入庫規(guī)則性校驗與數(shù)據(jù)清理；另一方面是拓展鐵路、能源等業(yè)務域基礎設施靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理支持。

3.2 數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)建設

該系統(tǒng)依托基礎設施數(shù)字化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的專題數(shù)據(jù)配置來完成對專題庫數(shù)據(jù)的建立，是根據(jù)應用需求來建立專題應用功能。整個系統(tǒng)的專題應用包括綜合應用支撐的基礎設施電子沙盤系統(tǒng)和公路基礎設施專題應用。其中，公路基礎設施專題應用系統(tǒng)是根據(jù)前期高速公路基礎設施數(shù)字化平臺建設成果進行升級完善的，包括路網(wǎng)數(shù)據(jù)應用專題、建設數(shù)據(jù)應用專題、路產(chǎn)數(shù)據(jù)應用專題、運營數(shù)據(jù)應用專題、安全數(shù)據(jù)應用專題、應急數(shù)據(jù)應用專題等。

3.2.1 基礎設施電子沙盤系統(tǒng)。基礎設施電子沙盤系統(tǒng)基于“BIM+GIS”圖形框架［2］，將全公路相關基礎設施空間數(shù)據(jù)在一個電子沙盤場景內(nèi)進行可視化加載與交互呈現(xiàn)，包括全省地形、影像數(shù)據(jù)、生態(tài)紅線、保護區(qū)、基本農(nóng)田、地災點位等，還包括公路鐵路路網(wǎng)、路線、路橋隧等設施構(gòu)件，能源及房地產(chǎn)項目空間分布、設施構(gòu)件等。基礎設施電子沙盤系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 基礎設施電子沙盤系統(tǒng)示意

3.2.2 公路基礎設施專題應用系統(tǒng)。公路基礎設施應用專題系統(tǒng)是根據(jù)前期高速公路基礎設施數(shù)字化平臺建設成果進行升級完善的，包括路網(wǎng)數(shù)據(jù)應用專題、建設數(shù)據(jù)應用專題、運營數(shù)據(jù)應用專題、安全數(shù)據(jù)應用專題、應急數(shù)據(jù)應用專題等。

①路網(wǎng)數(shù)據(jù)應用專題。該專題利用路網(wǎng)專題數(shù)據(jù)庫中的信息，對集團全路網(wǎng)分布情況、路線等級情況、線路所屬階段、建設年限情況、路網(wǎng)管理機構(gòu)等進行直觀可視化分析和統(tǒng)計，幫助集團及管理部門掌握集團公路的整體情況。

②建設數(shù)據(jù)應用專題。該專題依托建設項目BIM 模型對象及建設系統(tǒng)所管理的建設過程相關數(shù)據(jù)（設計信息、設計圖紙、質(zhì)量信息、進度數(shù)據(jù)、變更數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)等），通過與基礎設施數(shù)字化平臺的對接，將這些數(shù)據(jù)形成建設監(jiān)管專題數(shù)據(jù)。

③運營數(shù)據(jù)應用專題。該專題通過與運營管理系統(tǒng)的相關運營數(shù)據(jù)進行結(jié)合，基于BIM 模型對設備運行狀態(tài)、收費站開關狀態(tài)、情報板數(shù)據(jù)、收費站及門架車流量數(shù)據(jù)、收費站值班人員信息、路巡車輛及人員信息等進行直觀可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)公路運營監(jiān)管的數(shù)字化應用。

④安全數(shù)據(jù)應用專題。該專題通過與路安管理系統(tǒng)、養(yǎng)護管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設施定檢系統(tǒng)等的相關數(shù)據(jù)結(jié)合，并納入天氣主題數(shù)據(jù)、地災主題數(shù)據(jù)等，形成運營監(jiān)管的專題數(shù)據(jù)，用來支持基于BIM 模型的多維數(shù)據(jù)綜合可視化管理應用，包括對全線地災分布情況、前線各路段天氣情況、設施安全狀態(tài)、設備運行狀態(tài)、收費站開關狀態(tài)、交通事故點數(shù)據(jù)等的直觀可視化呈現(xiàn)與動態(tài)分析。

⑤應急數(shù)據(jù)應用專題。該專題與建設管理系統(tǒng)、養(yǎng)護管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、路巡系統(tǒng)、應急物資管理系統(tǒng)等的相關數(shù)據(jù)進行結(jié)合，并納入天氣主題數(shù)據(jù)、地災主題數(shù)據(jù)、應急倉庫數(shù)據(jù)等，形成應急搶險專題數(shù)據(jù)，用來支持基于BIM 模型的多維數(shù)據(jù)綜合可視化應急搶險管理應用。

當發(fā)生應急事件時，管理人員可及時在基礎設施數(shù)字化平臺三維虛擬場景內(nèi)查看應急事件的發(fā)生位置、周邊結(jié)構(gòu)物及地理環(huán)境。管理人員通過查看相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)控視頻，可全面觀察現(xiàn)場實際情況。結(jié)合應急設備、應急物資管理數(shù)據(jù)，可在數(shù)字化應急指揮系統(tǒng)內(nèi)快速顯示事件位置指定范圍內(nèi)的應急設備及物資分布情況，分析相應設備離災害點的距離、災害點周邊的路網(wǎng)分布情況等，為管理者的決策分析提供技術支持。同時，相關專家可以登錄平臺，在三維虛擬場景內(nèi)進行決策會商。

根據(jù)決策方案，結(jié)合“BIM+3D GIS”的數(shù)字化場景及實時監(jiān)測和監(jiān)控數(shù)據(jù)，能對應急人員、應急設備及應急物資進行可視化應急指揮調(diào)度，同時應急數(shù)據(jù)會實時反饋“BIM+3D GIS”的數(shù)字化場景（當前應急人員、應急設備調(diào)度執(zhí)行情況、現(xiàn)場監(jiān)測實時數(shù)據(jù)等），以便指揮人員能及時進行動態(tài)調(diào)整，并以最快速度進行應急調(diào)度。

3.3 應用支撐平臺建設

通過建設應用支撐平臺，為應用系統(tǒng)建設提供支撐基礎平臺，為硬件資源的統(tǒng)籌管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的交換、存儲、查詢、備份管理及應用軟件功能開發(fā)、集成、調(diào)用和展現(xiàn)等提供技術支持，從而實現(xiàn)硬件資源、數(shù)據(jù)資源的有效共享和業(yè)務應用系統(tǒng)的互聯(lián)互通［3］，統(tǒng)一支撐所建各應用系統(tǒng)的支撐軟件或功能組件的集合。

3.3.1 統(tǒng)一授權中心。建立統(tǒng)一的授權中心，對平臺用戶相關應用權限及其他業(yè)務平臺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口調(diào)用權限進行統(tǒng)一的授權管理［4］。各業(yè)務系統(tǒng)調(diào)用平臺數(shù)據(jù)及相關服務時均須通過鑒權，通過采集業(yè)務平臺的具體需求，對不同業(yè)務提供不同層級的權限鑒權接口，供業(yè)務系統(tǒng)向其內(nèi)部賬號提供不同權限。平臺除設定內(nèi)部管理賬號外，還要給各業(yè)務系統(tǒng)分配相應的賬號及角色權限，平臺管理員對各業(yè)務系統(tǒng)接口的訪問賬號進行統(tǒng)一授權管理，平臺對業(yè)務系統(tǒng)每一次鑒權及數(shù)據(jù)調(diào)用均進行記錄，從而形成日志文件并存檔。

3.3.2 GIS服務平臺。根據(jù)前期高速公路基礎設施數(shù)字化平臺的應用成果，結(jié)合該系統(tǒng)的總體建設目標和內(nèi)容，采用國產(chǎn)GIS 服務平臺為GIS 服務提供技術支持，并根據(jù)實際需求進行擴容升級［5］。

3.3.3 基礎設施數(shù)據(jù)服務監(jiān)控中心。根據(jù)前期高速公路基礎設施數(shù)字化平臺的應用成果，結(jié)合系統(tǒng)的總體建設目標和內(nèi)容，在當前服務監(jiān)控中心的基礎上，根據(jù)實際需求進行升級和完善。

3.3.4 基礎設施數(shù)據(jù)共享服務中心。采用標準化數(shù)據(jù)對接方式來建基礎設施數(shù)據(jù)共享服務中心，實現(xiàn)各業(yè)務系統(tǒng)與集團基礎設施數(shù)字化平臺的對接，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型及支撐業(yè)務，分別建立對接元數(shù)據(jù)，每個元數(shù)據(jù)記錄對接的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式等，不在平臺內(nèi)存儲實際數(shù)據(jù)，用以支撐各主題數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫的建立和應用，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效共享服務［6］。

3.4 主機、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)及安全保障系統(tǒng)建設

對主機、存儲系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設，先期是沿用當前高速公路基礎設施數(shù)字化平臺的相關資源，后期再根據(jù)實際情況進行擴容。

通過往期項目建設，集團云平臺已具有完善的安全防護體系，可劃分為用于部署等保二級、等保三級信息系統(tǒng)的安全域。基于安全需求分析及安全系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，目前的安全防護體系能滿足該應用系統(tǒng)的部署和等保二級安全防護的相關要求，該系統(tǒng)可直接利用云平臺安全防護體系，不再重復建設。

4 結(jié)語

蜀道集團基礎設施數(shù)字化平臺的構(gòu)建是整個智慧高速建設體系的核心底座，也是蜀道集團數(shù)字化建設的重要環(huán)節(jié)。本研究以數(shù)字化平臺技術為基礎，對基礎設施數(shù)據(jù)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)化數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)、應用支撐平臺和主機、存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)及安全保障系統(tǒng)提供了相應的建設方案，大大提高高速公路建設和運營的信息化程度，使高速公路基礎設施數(shù)字化平臺形成集團通用“一張圖”，成為真正意義上的交通建設重要組成部分。