基于高精地圖的高速公路數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)研究

0 引言

近年來，我國交通運輸行業(yè)取得了長足的進(jìn)步，高速公路總里程持續(xù)增加，路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，逐步實現(xiàn)了全國高速公路的“覆蓋成網(wǎng)”，為我國現(xiàn)代化建設(shè)提供了有力支撐。在當(dāng)前我國交通強國戰(zhàn)略實施不斷深入的背景下，高速公路建設(shè)如火如荼，但高速公路基礎(chǔ)設(shè)施管理和運營養(yǎng)護(hù)在信息化、網(wǎng)絡(luò)化方面與歐美等發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距[1]。目前，高速公路基礎(chǔ)信息和養(yǎng)護(hù)管理的收集和應(yīng)用是我國高速公路數(shù)字化管控方面最突出的問題，如果公路缺乏及時有效的養(yǎng)護(hù)和管理，道路狀況將隨著時間的推移而逐漸惡化。在經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的形勢下，高速公路信息化建設(shè)顯得尤為突出和重要[2]。同時，隨著高速公路信息化建設(shè)的不斷深入，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)采集不規(guī)范、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)未統(tǒng)一等問題，現(xiàn)有高速公路管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享尚未完全打通，不能有效支撐高速公路的智能化、自動化管控，基礎(chǔ)設(shè)施在可視化呈現(xiàn)上精細(xì)化程度不夠，高速公路路網(wǎng)與基礎(chǔ)設(shè)施間缺乏融合應(yīng)用體現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化管理尚未建立有效體系，難以支撐高速公路后續(xù)運營、養(yǎng)護(hù)及數(shù)字化管理等應(yīng)用場景[3]。因此，實現(xiàn)高速公路路網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施管理的數(shù)字化、可視化，對進(jìn)一步提升高速公路的建設(shè)能力和營運管理服務(wù)水平具有重要意義。

1 高速公路數(shù)字化管理現(xiàn)狀

隨著我國交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，行業(yè)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用水平也在不斷提高，高速公路路網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施管理也在努力探索和尋求更完善的管理理念和方法，旨在促進(jìn)當(dāng)前高速公路數(shù)字化、智能化管理和服務(wù)水平的不斷提高。但是，傳統(tǒng)的高速公路信息化管理大多還停留在單項設(shè)施管理階段，在整體管理體制和管理模式方面存在一定的局限性，尤其是在路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)分析和服務(wù)管理優(yōu)化等方面還存在明顯的不足和缺陷，難以滿足后高速時代對高速公路路網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化管理的需求[4]，存在的主要問題如下：

（1）隨著高速公路運營路段智能化、信息化應(yīng)用的不斷深入，路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施投入也在持續(xù)增加，大多數(shù)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施管理以建立臺賬為主，采用分區(qū)、分地、分人的管理模式，存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息規(guī)范性不足、數(shù)據(jù)分析利用不充分、歷史數(shù)據(jù)信息溯源難、基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)信息不直觀等問題，無法滿足高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施精細(xì)化管理和維護(hù)快速響應(yīng)的要求[5]。

（2）隨著高速公路各種基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)使用和老化，其運行狀況和服務(wù)能力也會受到影響，容易發(fā)生設(shè)備故障或者失效等情況。與此同時，由于部分高速公路投入運營時間較早，設(shè)計時對地理環(huán)境因素考慮不充分，加上基礎(chǔ)設(shè)施荷載和材料變化的交互作用，在投入使用后，增加了設(shè)備故障或損壞風(fēng)險，面對突發(fā)的設(shè)備異常事件，管理人員束手無策。此外，對于基礎(chǔ)設(shè)施性能預(yù)測模型的重視不足，缺乏主動的基礎(chǔ)設(shè)施智能化管理手段。

綜上所述，傳統(tǒng)的高速公路路網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施管理模式已難以滿足當(dāng)前高速公路數(shù)字化、智能化的管理需求，隨著當(dāng)前高速公路營運管理要求的不斷提高，如何充分發(fā)揮高速公路基礎(chǔ)設(shè)施價值，進(jìn)一步應(yīng)用好、管理好、維護(hù)好高速公路基礎(chǔ)設(shè)施，提升高速公路路網(wǎng)服務(wù)水平，推動高速公路運營管理高效、便捷，滿足社會公眾需求，已成為高速公路運營管理實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要舉措[6]。

2 高速公路數(shù)字化管理系統(tǒng)總體設(shè)計

圍繞高速公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展下的數(shù)字化底座和高速公路后期的管理和運維需要，以高精地圖數(shù)據(jù)為支撐，結(jié)合高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的自動化采集與智能化匹配，構(gòu)建基于高精地圖的高速公路數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)高速公路道路（寬度、坡度、路面標(biāo)線等）、主要構(gòu)造物（橋梁、涵洞、互通等）、機電設(shè)施設(shè)備、交安等設(shè)施的數(shù)字化呈現(xiàn)，推動實現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的精細(xì)化管理，為高速公路后期的運營、養(yǎng)護(hù)和服務(wù)提供高精度的地理位置數(shù)據(jù)支撐。首先，通過系統(tǒng)實現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚，全方位采集高速公路路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)集；其次，在此基礎(chǔ)上，以路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的全生命周期管理，包括高速公路路線信息、路段信息和各類基礎(chǔ)設(shè)施信息的查詢、統(tǒng)計等，同時完成高速公路路網(wǎng)在時間、空間等維度上信息數(shù)據(jù)的二維、三維的模擬展示，包括對路網(wǎng)、各類交通設(shè)施設(shè)備位置、基礎(chǔ)信息、運行狀態(tài)等，結(jié)合數(shù)據(jù)集完成對各類交通設(shè)施設(shè)備的批量化管理和智能化分析[7]；最后，通過結(jié)合屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)，利用高精地圖完成高速公路路網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施的文字、圖示、空間維度的一體化管理等。

高速公路數(shù)字化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)采用5層架構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。系統(tǒng)總體架構(gòu)采取分層、分布式的部署模式，包括用戶展現(xiàn)層、應(yīng)用系統(tǒng)層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)資源層和基礎(chǔ)支撐層。其中，用戶展現(xiàn)層是系統(tǒng)面向前端用戶的應(yīng)用展示，包括集團(tuán)公司、下屬子公司、路段管理部門、政府部門等；應(yīng)用系統(tǒng)層是整個系統(tǒng)的服務(wù)支撐，以高精地圖數(shù)據(jù)為支撐，為高速公路運營、養(yǎng)護(hù)、服務(wù)提供應(yīng)用服務(wù)，包含高速公路數(shù)字化管理、高速公路數(shù)字化專題應(yīng)用和路網(wǎng)高精可視化展示；應(yīng)用支撐層是整體應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)保障，各應(yīng)用模塊建設(shè)可基于基礎(chǔ)支撐組件的應(yīng)用，快速搭建相關(guān)功能模塊；數(shù)據(jù)資源層是整個系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、存儲、分析的基礎(chǔ)，主要分為基礎(chǔ)庫、主題庫和專題庫；基礎(chǔ)支撐層是系統(tǒng)前端應(yīng)用中的基礎(chǔ)軟硬件支撐，包括云服務(wù)資源、存儲設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和安全保障等[8]。

3 高速公路數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 基于高精地圖的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化建模技術(shù)

圍繞高速公路路網(wǎng)上的主要構(gòu)造物（橋梁、涵洞、互通等），以及基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備（機電設(shè)施設(shè)備、交安等）進(jìn)行二維、三維的數(shù)字化重構(gòu)，構(gòu)建高速公路路網(wǎng)靜態(tài)場景。數(shù)字化模型主要采用OpenDrive格式的高精度地圖，根據(jù)路網(wǎng)主要元素（路線、超高面、車道標(biāo)示線、路段標(biāo)識等）進(jìn)行路網(wǎng)及相關(guān)要素的二維、三維數(shù)字化場景的自動化生成，基于標(biāo)準(zhǔn)化繪圖實現(xiàn)圖形的硬件加速，通過匯集多源、多類型的高速公路路網(wǎng)靜態(tài)模型數(shù)據(jù)，搭建精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的高速公路路網(wǎng)二維、三維可視化場景[9]。同時，基于前端動態(tài)采集高速公路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備實時的運行數(shù)據(jù)，采用空間配準(zhǔn)方式，實現(xiàn)設(shè)備動態(tài)運行數(shù)據(jù)與靜態(tài)模型的有效疊合，實現(xiàn)高速公路路網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備動靜態(tài)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，為高速公路數(shù)字化管理提供設(shè)備設(shè)施狀態(tài)與靜態(tài)模型的協(xié)同展示。靜態(tài)要素主要涵蓋高速公路路網(wǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等，高速公路路網(wǎng)是各類要素可視化展示的基礎(chǔ)，基于不同的顯示層級，路網(wǎng)的展示方式也有所不同，例如在比例尺縮小時，可以顯示該路段的通行狀態(tài)，而在比例尺放大時，則可顯示車道級的路網(wǎng)，包括道路邊界虛實線、導(dǎo)流線﹑道路標(biāo)識線、限速標(biāo)志等，如圖2所示：

3.2 高速公路附屬設(shè)施自動建模技術(shù)

二維、三維空間數(shù)據(jù)模型更有利于實現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的精細(xì)化管理。目前，在高速公路信息化管理領(lǐng)域的主要研究對象多為車道、交通流量、建設(shè)管理、機電養(yǎng)護(hù)等，對基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)模型研究較少。首先，針對高速公路附屬設(shè)施的數(shù)字化處理，在采集高速公路基礎(chǔ)設(shè)施全景的基礎(chǔ)上，同步采用車載激光采集點云數(shù)據(jù)，并從點云數(shù)據(jù)中提取附屬設(shè)施，進(jìn)一步提高模型精度，達(dá)到快速建模成像的效果；其次，針對交通標(biāo)識牌、標(biāo)識牌桿、ETC門架等在激光點云中的高強度特點，一方面采用反射強度的檢測方法對其進(jìn)行識別，基于標(biāo)識牌特征屬性，結(jié)合聚類方法獲得其聚類，另一方面采用形狀特征的檢測方法，從點云數(shù)據(jù)中識別標(biāo)識牌桿、ETC門架等桿狀物，提取出具有面狀維度特征的目標(biāo)物作為桿體模型；最后，將兩次提取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加和合并，形成最終的點云模型，實現(xiàn)高速公路標(biāo)識牌、標(biāo)識牌桿、ETC門架等附屬設(shè)施的自動化建模，具體流程如圖3所示：

3.3 基于高精地圖的智慧路網(wǎng)可視化管控技術(shù)

高精地圖特有的可視化形式能夠更加直觀地將高速公路路網(wǎng)附屬設(shè)施、機電設(shè)施、位置信息數(shù)據(jù)等呈現(xiàn)在空間模型中，并且能夠通過時間、空間等維度進(jìn)行構(gòu)筑物間關(guān)聯(lián)關(guān)系的展示[10]。為此，結(jié)合高精地圖將高速公路路網(wǎng)及沿線附屬設(shè)施、機電設(shè)備、行政區(qū)劃圖、地形圖等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，構(gòu)建基于高精地圖的高速公路路網(wǎng)空間地理數(shù)據(jù)庫和構(gòu)筑物屬性數(shù)據(jù)庫。同時，通過與高速公路數(shù)字化管理各項業(yè)務(wù)屬性信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)外場設(shè)備設(shè)施接入機電設(shè)備、事件信息、車輛信息、設(shè)施數(shù)據(jù)等在高精地圖上的精確展示，能夠覆蓋較大范圍的路段和數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和處理，通過與高速公路其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，可進(jìn)一步優(yōu)化和完善各類交通突發(fā)事件的應(yīng)急處置效率，有效支撐應(yīng)急指揮調(diào)度決策，提升突發(fā)事件應(yīng)急處置和協(xié)同指揮調(diào)度的智能化和科學(xué)化水平。

4 結(jié)語

高速公路管理數(shù)字化與智慧化轉(zhuǎn)型已是必然趨勢，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化是實現(xiàn)高速公路數(shù)字化管理的重要組成部分，是助推我國交通強國建設(shè)的關(guān)鍵支撐。該文圍繞高速公路數(shù)字化管理轉(zhuǎn)型需求，通過探討高速公路交通要素數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)，提出了結(jié)合高精地圖的高速公路數(shù)字化管理系統(tǒng)構(gòu)建思路，為高速公路管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了一套新思路和解決方案參考，有助于推動高速公路運營與養(yǎng)護(hù)工作的標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)高速公路建設(shè)的精細(xì)化管理，達(dá)到降本增效的目的。

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摘要 當(dāng)前我國正處于交通強國建設(shè)的關(guān)鍵時期，如何有效推動新一代信息技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，加速交通基礎(chǔ)設(shè)施、運輸服務(wù)與信息資源的融合發(fā)展，構(gòu)建交通路網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施全要素、全周期的數(shù)字化管理是后高速時期主要發(fā)展方向之一。文章圍繞高速公路數(shù)字化管理現(xiàn)狀，融合高精地圖和各類高速公路路網(wǎng)的動靜態(tài)要素，以基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化為基礎(chǔ)，探討了高速公路數(shù)字化管理系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)研究，通過搭建高速公路數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)高速公路交通要素的數(shù)字化管理和可視化展示，以期為高速公路營運管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展提供解決方案參考。

關(guān)鍵詞 高速公路；數(shù)字化；基礎(chǔ)設(shè)施；高精地圖；可視化

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0001-03

收稿日期：2024-07-15

作者簡介：黃媛（1988—），女，碩士研究生，高級工程師，研究方向：高速公路數(shù)字化規(guī)劃與信息建設(shè)、智慧高速、智慧管養(yǎng)等。

基金項目：貴州省交通運輸廳2023年度科技項目重大科技攻關(guān)“服務(wù)于高速公路全生命周期的建設(shè)階段數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2023-122-017）。