基于BIM 的高速公路數(shù)字化應用研究

曾蕾潔

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038）

工業(yè)和信息化部規(guī)劃司2020 年12 月24 日在國新辦舉行的新聞發(fā)布會上表示，十九屆五中全會明確提出要加快數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。交通基礎設施影響城市的空間結構，也是現(xiàn)代化標志，其建設和運營關乎到社會生活和國家經(jīng)濟的各個方面。高速公路涉及路基、路面、路肩、橋梁、隧道、涵洞、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、排水系統(tǒng)，及施工、養(yǎng)護、運營用的收費站，高速公路管理中心等。數(shù)字化需要智能BIM，而智能BIM，第一要搭建智能環(huán)境，使設備能夠自動地交換信息、觸發(fā)動作和實時控制，第二要將BIM 技術和云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)等技術相融合來建造智慧的管理。

1 數(shù)字化轉型應用技術

本研究使用文獻分析軟件CiteSpace 把發(fā)布在知網(wǎng)上的近20 年有關道路基礎設施的文獻，包括中文639 篇，外文1661 篇，進行高頻關鍵詞共現(xiàn)分析，依據(jù)閾值參數(shù)經(jīng)驗將關鍵詞設置為5，梳理了291 個關鍵詞，得到關鍵詞共現(xiàn)知識圖譜，結論是：建筑信息模型、智能交通、智慧城市、云計算、物聯(lián)網(wǎng)IoT、大數(shù)據(jù)中心等技術是當前的研究熱點[1]。道路基礎設施建設、性能監(jiān)測和管理的數(shù)字化轉型是未來發(fā)展的方向。本文匯集建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)(GIS)、5G 互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)驅動、數(shù)字孿生、人工智能應用于公路，從策劃到運維整個生命周期的物理信息、性能特征、狀態(tài)和行為四個方面進行把控，指導公路的數(shù)字化新建、重建或改造，實現(xiàn)數(shù)字化成果交付，以及數(shù)字化運維管理。

1.1 BIM

BIM 模型不等于數(shù)字資產(chǎn)建筑信息模型：1）BIM 是一個建設項目物理和功能特性的數(shù)字化表達；2）BIM 是一個共享的資源，為該設施從規(guī)劃建設到拆除的全生命周期的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；3）在項目的不同階段，不同利益相關方通過在BIM 中插入、提取、更新和修改信息以支持和反應其各自職責的協(xié)同作業(yè)。智慧運營在BIM 模型支持的基礎上，還需要施工建設期的其他數(shù)據(jù)，以及運維管理系統(tǒng)更多的信息，把所有信息完整集成并有效地管理起來，為數(shù)字化資產(chǎn)運營提供應用點。

1.2 GIS

地理信息系統(tǒng)是地理科學基礎上集成各類數(shù)據(jù)，使用地圖和3D 場景分析空間位置，是基于空間數(shù)據(jù)庫的技術，可支撐對大范圍場景的協(xié)同分析和共享應用。三維GIS 能提供空間對象間的平面、垂向關系，還可實現(xiàn)對宏觀地理場景下單體的物理空間數(shù)據(jù)和環(huán)境做輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)，常運用于定位、監(jiān)控變化、管理及響應事件，預測、確定優(yōu)先級、了解趨勢等方面。

1.3 Digital Twin

2003 年密西根大學的MichaelGneves 教授提出概念，2011 年正式命名為Digital Twin。BIM 是基于協(xié)調性能公開標準的共享“數(shù)字表達”，而數(shù)字孿生是基于BIM 技術廣泛應用下誕生的一個重要物聯(lián)網(wǎng)新技術。通過將規(guī)范、圖紙、BIM 模型、空間位置、地理信息、資產(chǎn)標簽、工單、維護記錄、檢測記錄等集成數(shù)字信息，使用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、飛行器、圖像采集、激光、點云等運營技術得到數(shù)字資產(chǎn)模型，分析數(shù)字資產(chǎn)模型對實物資產(chǎn)進行管控。

1.4 5G、大數(shù)據(jù)

5G 具有高數(shù)據(jù)速率、低延遲、省能源、降成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接的性能。大數(shù)據(jù)是在信息大爆炸的今天，為適應海量、高增長率且多樣化的信息資產(chǎn)，通過云計算、分布式處理技術、存儲技術和感知技術對海量數(shù)據(jù)進行采集、處理、存儲，最后形成結果，體現(xiàn)決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化力。

1.5 人工智能

人工智能是研究并開發(fā)用于模擬、擴展人類智能行為（如學習、推理、思考、計劃等）的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的技術科學。采用計算機實現(xiàn)智能的原理制造類似于人腦智能的計算機，實現(xiàn)更為高級的應用。

2 技術的數(shù)字化應用

高速公路數(shù)字化關鍵技術應用包括：模型的參數(shù)化建立、多源模型融合與互操作、建設數(shù)據(jù)存儲與管理、運營數(shù)據(jù)挖掘與分析等，在高速公路規(guī)劃設計、施工建設、運營維護、公路出行服務各階段進行信息集成、監(jiān)測檢測、安全預警與應用管理等，實現(xiàn)數(shù)字化建造與運營管理。

2.1 BIM+GIS

BIM 是三維模型表達，將設計、施工、運維等信息附進模型，其幾何結構精細、信息豐富及參數(shù)特征明顯，GIS 對宏觀地理場景信息管理、分析和強調技術成熟，二者結合，優(yōu)勢互補，對高速公路建設、交付和運維管理起到最優(yōu)作用。GIS 與BIM集成的技術運用到公路隧道的運維管理中，將各類BIM 建筑模型數(shù)據(jù)融入GIS 建立的地理環(huán)境中，進行單體與宏觀地理信息融合建模，形成單體空間及周邊地理環(huán)境三維一體可視化全信息模型，進行智慧建造及運維管養(yǎng)[2]。融合技術并不很成熟是目前一個難題。

2.2 DT 五維模型

數(shù)字孿生的五維模型分別為：物理實體、虛擬實體、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務。數(shù)字孿生通過物理世界與信息世界連接融合達到虛擬現(xiàn)實的交互與融合，在交通領域，其立足在BIM+GIS 技術之上。物理實體主要包括各個子系統(tǒng)（如監(jiān)控系統(tǒng)）以及部署的傳感器，傳感器采集設備及其環(huán)境數(shù)據(jù)在各子系統(tǒng)具備不同的功能，共同支持設備的運行。實物資產(chǎn)和數(shù)字資產(chǎn)兩個模型保持信息同步、更新一致，以數(shù)字資產(chǎn)模型進行分析洞察和決策，通過物聯(lián)網(wǎng)、自動化控制設備將優(yōu)化指令傳遞到實物資產(chǎn)執(zhí)行干預。模型要素的交互和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)合理建設是一個難點，制約著應用[3]。

2.3 5G 和大數(shù)據(jù)

利用5G 技術可實時傳輸監(jiān)控信息到地面，構建動車組的數(shù)字孿生平臺，以開發(fā)數(shù)字化建造、運維的各種場景。大數(shù)據(jù)在5G 的到來之下更好地全面落地，實現(xiàn)對公路的健康進行監(jiān)測、檢測、預測和全生命周期的健康管理，移動裝備的檢修也可由計劃修轉為狀態(tài)修、預測修，正在逐步構建數(shù)據(jù)采集、分析、檢修、調度等建設運營智能化管理體系[4]。

2.4 新一代人工智能

清華大學教授張建平說：“BIM 構筑行業(yè)大數(shù)據(jù)并支撐行業(yè)的數(shù)字化，人工智能是行業(yè)發(fā)展的未來，大數(shù)據(jù)驅動新一代人工智能”。相較于之前，新一代人工智能落地于實踐基礎了。在交通領域，通過人工智能，記錄識別司機的規(guī)范性操作和違規(guī)異常行為，建立自動駕駛行為系統(tǒng)，已實現(xiàn)有司機監(jiān)控的無人自動駕駛。智慧公路采用“車路協(xié)同”技術，路側的車路協(xié)同設備可實時感知車輛速度、位置、駕駛狀態(tài)等數(shù)據(jù)。人工智能監(jiān)控人和機械建設行為，輔助建設管理；采集實時交通信息，優(yōu)化公眾出行；分析海量交通數(shù)據(jù)，提供科學決策。

3 結論

高速公路數(shù)字化包括基礎設施數(shù)字化和業(yè)務流程數(shù)字化，完成全場景、全業(yè)務流程以及全生命周期下從物理世界到數(shù)字世界的轉換?；贐IM技術的數(shù)字化技術在高速公路的應用要落在GIS、5G 互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)驅動、數(shù)字孿生和人工智能上。目前已有研究成果，但仍需要很長一段時間的磨合，對關鍵技術和相關應用進一步研發(fā)、拓展，構筑高速公路數(shù)字化信息互通、資源共享、能力協(xié)同、開放合作的新體系。