基于BIM+GIS技術(shù)的ETC門架系統(tǒng)運(yùn)維管理平臺應(yīng)用探討

作者簡介：李迪杰（1982—），碩士，工程師，主要從事高速公路運(yùn)營管理工作。

摘要：文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、BIM+GIS和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，提出高速公路ETC門架系統(tǒng)的智能化運(yùn)維解決方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的智能運(yùn)維，可大幅提高ETC門架系統(tǒng)運(yùn)維管理效率，有效提升ETC門架設(shè)備管養(yǎng)水平。

關(guān)鍵詞：高速公路；BIM+GIS；ETC門架系統(tǒng)；運(yùn)維管理

中圖分類號：U491.5⁺4A521792

0 引言

2020-01-01，全國高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)完成并網(wǎng)切換，自此，高速公路收費(fèi)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉侄问骄_計(jì)費(fèi)模式。在新的收費(fèi)模式下，ETC門架系統(tǒng)承載著分段計(jì)費(fèi)及路徑識別等重要功能，是實(shí)現(xiàn)高速公路通行費(fèi)精確計(jì)費(fèi)的關(guān)鍵，因此確保ETC門架系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行成為高速公路運(yùn)營管理的一項(xiàng)重要工作。

1 ETC門架運(yùn)維工作現(xiàn)狀分析

相比以往的收費(fèi)模式，現(xiàn)有收費(fèi)模式對ETC門架設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求，ETC門架系統(tǒng)需保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，確保準(zhǔn)確讀取通行車輛的通行信息，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)費(fèi)。面對大量的機(jī)電設(shè)備及復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，ETC門架系統(tǒng)必須要定期進(jìn)行檢修、維護(hù)，及時(shí)消除各種設(shè)備故障隱患，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行^［1］。在當(dāng)前ETC門架系統(tǒng)日常管養(yǎng)工作中，存在設(shè)備數(shù)量多、分布范圍廣、維護(hù)難度大等問題，且缺乏有效的設(shè)備故障預(yù)警手段，設(shè)備故障的處置工作仍然以被動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障、人工填報(bào)維修處置、人工驗(yàn)收的方式進(jìn)行，設(shè)備維護(hù)及時(shí)性達(dá)不到要求，設(shè)備運(yùn)維耗時(shí)長，人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)缺乏有效的預(yù)警和提醒，部分設(shè)備隱患長期不被發(fā)現(xiàn)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 解決方案

基于BIM+GIS融合技術(shù)的高速公路ETC門架系統(tǒng)運(yùn)維管理平臺以新一代信息技術(shù)為核心，可有效解決現(xiàn)階段ETC門架運(yùn)維管理中存在的問題，可為高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維管理提供一套實(shí)用的智能化管理綜合解決方案。該平臺融合了物聯(lián)網(wǎng)、BIM+GIS和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，可以有效發(fā)揮其在模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、分析預(yù)測、模擬仿真等方面的作用，助力推進(jìn)交通產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，進(jìn)一步促進(jìn)高速公路機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維智能化發(fā)展。

3 ETC門架系統(tǒng)運(yùn)維管理平臺總體架構(gòu)及系統(tǒng)功能

3.1 運(yùn)維管理平臺總體架構(gòu)

ETC門架系統(tǒng)運(yùn)維管理平臺結(jié)合高速公路運(yùn)營管理的實(shí)際需要，對不停車收費(fèi)門架系統(tǒng)的軟硬件運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控，保障門架系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)采用感知層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用展現(xiàn)層四層管理架構(gòu)，如圖1所示。

感知層：通過高速公路全路段布設(shè)的智能傳感器，按固定周期獲取ETC門架機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)對ETC門架機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。感知層是門架系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測、設(shè)備管養(yǎng)的基礎(chǔ)，為高速公路機(jī)電系統(tǒng)智能化運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支持^［2］。

數(shù)據(jù)層：可實(shí)現(xiàn)對ETC門架運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障信息、設(shè)備運(yùn)行性能、歷史數(shù)據(jù)、維修記錄等設(shè)備系統(tǒng)及管養(yǎng)數(shù)據(jù)的存儲管理。

平臺層：包括中間件、數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，通過統(tǒng)一的服務(wù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用組件的有效整合和管理，為平臺運(yùn)行提供軟件環(huán)境。

應(yīng)用展現(xiàn)層：實(shí)現(xiàn)高速公路ETC門架系統(tǒng)的設(shè)備管理、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)訂閱等業(yè)務(wù)。

3.2 智慧運(yùn)維管理平臺主要功能

3.2.1 設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

設(shè)備管理功能包括設(shè)備資產(chǎn)和設(shè)備屬性兩大模塊。

設(shè)備資產(chǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)后續(xù)功能的依據(jù)。該模塊主要用于維護(hù)高速公路ETC門架相關(guān)的設(shè)備，主要包括門架、車牌識別器、抓拍補(bǔ)光燈、射頻天線、供配電控制箱（柜）、蓄電池、低壓電源轉(zhuǎn)換器、天線控制器、路側(cè)計(jì)算單元、交換機(jī)、機(jī)柜恒溫系統(tǒng)等設(shè)備。

設(shè)備屬性模塊主要用于配置設(shè)備資產(chǎn)具體的屬性信息，除維護(hù)設(shè)備類型的基礎(chǔ)信息外，還用于維護(hù)設(shè)備的狀態(tài)、設(shè)備壽命閥值、開始使用時(shí)間、維修頻次閥值、歷史維修記錄。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、使用壽命、維修情況會在設(shè)備預(yù)警模塊進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

3.2.2 機(jī)電設(shè)備布設(shè)管理

機(jī)電布設(shè)用于對設(shè)備資產(chǎn)和三維BIM模型進(jìn)行管理，建立關(guān)聯(lián)后，通過點(diǎn)擊三維模型，能預(yù)覽設(shè)備資產(chǎn)對應(yīng)的屬性信息，也可通過點(diǎn)擊設(shè)備資產(chǎn)定位到具體的三維模型。該模塊主要分為兩部分，一部分展示設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)，另一部分展示實(shí)際的三維場景。

3.2.3 ETC門架設(shè)備維修管理

設(shè)備維修模塊用于管理設(shè)備維修的相關(guān)數(shù)據(jù)，維修人員選擇具體的機(jī)電設(shè)備，填寫本次維修記錄，并上傳相關(guān)附件，確定信息無誤后，勾選數(shù)據(jù)并點(diǎn)擊提交按鈕，將本次維修信息上報(bào)給審批人員審批；審批人員根據(jù)實(shí)際情況，對本次的維修操作情況通過審核或者退回審核，如果退回審批后，維修人員根據(jù)反饋進(jìn)行修改后，再發(fā)起審批流程。

3.2.4 ETC門架系統(tǒng)設(shè)備巡檢管理

巡檢人員對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行巡檢后，可通過月度巡檢模塊記錄本次巡檢的范圍，并記錄具體機(jī)電設(shè)備的使用狀態(tài)。如果設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常，可選擇推薦的處理方式（維修、更換、其他），如果選擇的處理方式為其他，需填寫具體的處理意見。另外該模塊還提供臺賬功能，通過該功能可查看到每次巡檢的設(shè)備總數(shù)、正常設(shè)備數(shù)、異常設(shè)備數(shù)、已處理的異常設(shè)備、未處理的異常設(shè)備等。

3.2.5 ETC門架系統(tǒng)設(shè)備預(yù)警管理

系統(tǒng)可透過設(shè)備預(yù)警看板直觀地看到所有門架，門架上標(biāo)識的不同顏色表示門架存在的異常狀態(tài)。點(diǎn)擊具體的門架設(shè)備，在頁面中設(shè)有設(shè)備類型導(dǎo)航欄，點(diǎn)擊設(shè)備類型能查看到該門架同一設(shè)備類型的全部設(shè)備資料卡片，資料卡片展示的內(nèi)容根據(jù)設(shè)備類型的不同有所差異，但從總體上來說，主要展示設(shè)備監(jiān)控屬性、設(shè)備狀態(tài)及設(shè)備預(yù)警信息三大類數(shù)據(jù)。

3.2.6 三維可視化功能

三維可視化功能可實(shí)現(xiàn)在視覺上將BIM模型、機(jī)電設(shè)備模型、線路所處環(huán)境融合到一個(gè)場景上，旨在還原真實(shí)的場景；在功能上主要實(shí)現(xiàn)了行車模擬、機(jī)電設(shè)備、異常機(jī)電設(shè)備、異常數(shù)據(jù)的功能。行車模擬用于模擬車輛通行的情況，通過機(jī)電設(shè)備管理功能，能定位到具體的設(shè)備，查看設(shè)備的屬性信息。

4 ETC門架系統(tǒng)運(yùn)維管理平臺主要技術(shù)

平臺融合了GIS、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，結(jié)合ETC門架智能化管養(yǎng)需求，實(shí)現(xiàn)了ETC門架系統(tǒng)的可視化、智能化的運(yùn)維管理。

4.1 BIM+GIS融合技術(shù)

BIM圖形引擎用于三維圖層資源的托管管理、功能聚合、資源分發(fā)，組件功能涵蓋項(xiàng)目空間定義、空間場景定義、場景元素發(fā)布與訪問，提供三維瀏覽數(shù)據(jù)以及模型屬性數(shù)據(jù)服務(wù)。整合GIS圖層、DEM地形層、地理傾斜攝影圖層、標(biāo)繪矢量圖層以及各種BIM三維建模資源圖層，為系統(tǒng)多維數(shù)字展示提供穩(wěn)定高可用的資源服務(wù)，其功能如圖2所示。

通過對標(biāo)準(zhǔn)格式的BIM模型和GIS地形數(shù)據(jù)的接入，基于統(tǒng)一的模型粒度標(biāo)準(zhǔn)、圖層劃分標(biāo)準(zhǔn)、材質(zhì)及貼圖標(biāo)準(zhǔn)、模型體量標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)交互、存儲標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合構(gòu)件劃分、屬性綁定等要求，將構(gòu)建完成的BIM建筑信息模型與處理完成的三維數(shù)字地形相互擬合，實(shí)現(xiàn)在三維可視化狀態(tài)中對項(xiàng)目全線情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理展示。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)收集相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)調(diào)度服務(wù)定期執(zhí)行特定的數(shù)據(jù)提取、交換、分析、存儲的任務(wù)，以數(shù)據(jù)交換引擎實(shí)現(xiàn)交換和協(xié)同的核心功能，提供模式管理、數(shù)據(jù)變換和協(xié)同等服務(wù)。同時(shí)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用平臺層、模型層以及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)于項(xiàng)目的管理和管控。

4.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對ETC門架設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘并建模，在智能運(yùn)維管理平臺內(nèi)展示設(shè)備運(yùn)行性能、故障原因等分析結(jié)果，管理人員可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行研判，逐步推進(jìn)設(shè)備性能結(jié)構(gòu)及人員配置優(yōu)化，促進(jìn)設(shè)備管養(yǎng)工作效率提升^［3］。

5 應(yīng)用成果

該智能運(yùn)維管理平臺成功在浙江省甬臺溫高速公路應(yīng)用，系統(tǒng)通過GIS模型構(gòu)建及設(shè)備設(shè)施BIM建模，實(shí)現(xiàn)ETC門架模型和數(shù)據(jù)的可視化管理，平臺可直觀展示管養(yǎng)路段ETC門架系統(tǒng)設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)，可對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)了門架系統(tǒng)管養(yǎng)流程信息化管理，為機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維工作的順利開展提供了強(qiáng)有力的支撐。平臺的應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化了資源配置，有效提升了ETC門架系統(tǒng)管養(yǎng)水平。

6 結(jié)語

基于BIM+GIS融合技術(shù)的高速公路交通設(shè)施設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺初步實(shí)現(xiàn)了ETC門架系統(tǒng)的三維可視化、設(shè)備管養(yǎng)信息化、信息共享化、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化，滿足當(dāng)前高速公路管理單位對ETC門架系統(tǒng)的運(yùn)維管理需求。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)可探索通過平臺進(jìn)一步挖掘利用ETC門架數(shù)據(jù)進(jìn)行交通流監(jiān)控與仿真模擬，基于實(shí)測數(shù)據(jù)還原車輛軌跡，并在此基礎(chǔ)上模擬交通流及交通擁堵狀況，根據(jù)不同時(shí)期、不同時(shí)刻、不同斷面的交通擁堵狀況的分析預(yù)測結(jié)果，為道路維修養(yǎng)護(hù)施工組織及運(yùn)營管理人員管理決策提供參考，全面提升高速公路運(yùn)營管理的智慧化水平。

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