路網(wǎng)級(jí)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)交通運(yùn)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(chǔ)設(shè)施已向數(shù)字化、智能化、信息化方向發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)對(duì)供給側(cè)的深化改革，國(guó)家高度重視高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、信息化和智能化升級(jí)［1］。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出：“推進(jìn)數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，構(gòu)建泛在先進(jìn)的交通信息基礎(chǔ)設(shè)施?！币虼耍瑢?shí)現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、信息化、智慧化，對(duì)高速公路建設(shè)具有重要意義。

1 項(xiàng)目概況

2021年8月，四川智慧高速科技有限公司經(jīng)技術(shù)驗(yàn)證，正式開(kāi)展川高系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)，該平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。該平臺(tái)定位為支撐高速公路建管養(yǎng)運(yùn)業(yè)務(wù)全周期、全要素管理的數(shù)據(jù)服務(wù)基座，通過(guò)引入BIM、GIS等先進(jìn)技術(shù)，來(lái)構(gòu)建高速公路全路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)“一張圖”。本研究對(duì)原川高系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和業(yè)務(wù)拓展，探索建設(shè)蜀道集團(tuán)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的路線。

圖1 川高系統(tǒng)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)

根據(jù)蜀道集團(tuán)數(shù)字化建設(shè)的總體框架要求，采用BIM、GIS 等技術(shù)來(lái)構(gòu)建蜀道集團(tuán)路網(wǎng)要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（包括基礎(chǔ)設(shè)施路線、樁號(hào)、工程屬性、設(shè)計(jì)圖紙等靜態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)）。對(duì)原川高系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和業(yè)務(wù)拓展，完成蜀道集團(tuán)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)蜀道集團(tuán)多產(chǎn)業(yè)板塊全要素、全周期、全業(yè)務(wù)的數(shù)字化管理應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。該平臺(tái)作為蜀道集團(tuán)通用“一張圖”數(shù)字化基礎(chǔ)的底座，為建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和營(yíng)運(yùn)等階段提供標(biāo)準(zhǔn)化要素?cái)?shù)據(jù)、應(yīng)用接口及設(shè)施設(shè)備的二維（三維）模型和高精度地圖等可視化服務(wù)和技術(shù)支持。

2 平臺(tái)優(yōu)化升級(jí)

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的優(yōu)化升級(jí)包括基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)升級(jí)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理優(yōu)化、數(shù)據(jù)服務(wù)能力提升、系統(tǒng)承載能力提升、業(yè)務(wù)支撐能力提升等5 個(gè)方面。蜀道集團(tuán)數(shù)字化基礎(chǔ)底座業(yè)務(wù)架構(gòu)升級(jí)如圖2所示。

圖2 蜀道集團(tuán)數(shù)字化基礎(chǔ)底座業(yè)務(wù)架構(gòu)升級(jí)

2.1 基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)升級(jí)

通過(guò)劃分業(yè)務(wù)域、專業(yè)庫(kù)、專題庫(kù)等方式，為單業(yè)務(wù)域應(yīng)用向多業(yè)務(wù)域應(yīng)用的轉(zhuǎn)移提供支撐。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理優(yōu)化

通過(guò)建立元數(shù)據(jù)統(tǒng)一入庫(kù)接口及對(duì)數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的矩陣式管理。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)能力提升

對(duì)公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)配置功能來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)服務(wù)范圍，從而提升數(shù)據(jù)服務(wù)的適應(yīng)性。

2.4 系統(tǒng)承載能力提升

對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及服務(wù)框架進(jìn)行優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)承載能力。根據(jù)多業(yè)務(wù)域的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前“BIM+GIS”圖形框架進(jìn)行優(yōu)化完善，提升系統(tǒng)可視化承載能力。

2.5 業(yè)務(wù)支撐能力提升

基于“BIM+GIS”圖形框架，在為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一圖形底座支撐的同時(shí)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)及系統(tǒng)集成接口，以基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)為中心來(lái)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、多業(yè)務(wù)、多類型、多維度數(shù)據(jù)的集成整合，提升數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用及可視化呈現(xiàn)支撐能力。

3 數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)

3.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)

前期的高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路業(yè)務(wù)域基礎(chǔ)設(shè)施靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理，包括路線數(shù)據(jù)、樁號(hào)數(shù)據(jù)、設(shè)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(zāi)數(shù)據(jù)等。本研究對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)，一方面是完善高速公路業(yè)務(wù)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，增加數(shù)據(jù)入庫(kù)規(guī)則性校驗(yàn)與數(shù)據(jù)清理；另一方面是拓展鐵路、能源等業(yè)務(wù)域基礎(chǔ)設(shè)施靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理支持。

3.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

該系統(tǒng)依托基礎(chǔ)設(shè)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(lái)完成對(duì)專題庫(kù)數(shù)據(jù)的建立，是根據(jù)應(yīng)用需求來(lái)建立專題應(yīng)用功能。整個(gè)系統(tǒng)的專題應(yīng)用包括綜合應(yīng)用支撐的基礎(chǔ)設(shè)施電子沙盤(pán)系統(tǒng)和公路基礎(chǔ)設(shè)施專題應(yīng)用。其中，公路基礎(chǔ)設(shè)施專題應(yīng)用系統(tǒng)是根據(jù)前期高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)成果進(jìn)行升級(jí)完善的，包括路網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、建設(shè)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、路產(chǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、安全數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、應(yīng)急數(shù)據(jù)應(yīng)用專題等。

3.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施電子沙盤(pán)系統(tǒng)。基礎(chǔ)設(shè)施電子沙盤(pán)系統(tǒng)基于“BIM+GIS”圖形框架［2］，將全公路相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)在一個(gè)電子沙盤(pán)場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)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(hù)區(qū)、基本農(nóng)田、地災(zāi)點(diǎn)位等，還包括公路鐵路路網(wǎng)、路線、路橋隧等設(shè)施構(gòu)件，能源及房地產(chǎn)項(xiàng)目空間分布、設(shè)施構(gòu)件等?；A(chǔ)設(shè)施電子沙盤(pán)系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)設(shè)施電子沙盤(pán)系統(tǒng)示意

3.2.2 公路基礎(chǔ)設(shè)施專題應(yīng)用系統(tǒng)。公路基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用專題系統(tǒng)是根據(jù)前期高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)成果進(jìn)行升級(jí)完善的，包括路網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、建設(shè)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、安全數(shù)據(jù)應(yīng)用專題、應(yīng)急數(shù)據(jù)應(yīng)用專題等。

①路網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題。該專題利用路網(wǎng)專題數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，對(duì)集團(tuán)全路網(wǎng)分布情況、路線等級(jí)情況、線路所屬階段、建設(shè)年限情況、路網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)等進(jìn)行直觀可視化分析和統(tǒng)計(jì)，幫助集團(tuán)及管理部門(mén)掌握集團(tuán)公路的整體情況。

②建設(shè)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題。該專題依托建設(shè)項(xiàng)目BIM 模型對(duì)象及建設(shè)系統(tǒng)所管理的建設(shè)過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)圖紙、質(zhì)量信息、進(jìn)度數(shù)據(jù)、變更數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)等），通過(guò)與基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的對(duì)接，將這些數(shù)據(jù)形成建設(shè)監(jiān)管專題數(shù)據(jù)。

③運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)應(yīng)用專題。該專題通過(guò)與運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，基于BIM 模型對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、收費(fèi)站開(kāi)關(guān)狀態(tài)、情報(bào)板數(shù)據(jù)、收費(fèi)站及門(mén)架車流量數(shù)據(jù)、收費(fèi)站值班人員信息、路巡車輛及人員信息等進(jìn)行直觀可視化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)營(yíng)監(jiān)管的數(shù)字化應(yīng)用。

④安全數(shù)據(jù)應(yīng)用專題。該專題通過(guò)與路安管理系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)施定檢系統(tǒng)等的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合，并納入天氣主題數(shù)據(jù)、地災(zāi)主題數(shù)據(jù)等，形成運(yùn)營(yíng)監(jiān)管的專題數(shù)據(jù)，用來(lái)支持基于BIM 模型的多維數(shù)據(jù)綜合可視化管理應(yīng)用，包括對(duì)全線地災(zāi)分布情況、前線各路段天氣情況、設(shè)施安全狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、收費(fèi)站開(kāi)關(guān)狀態(tài)、交通事故點(diǎn)數(shù)據(jù)等的直觀可視化呈現(xiàn)與動(dòng)態(tài)分析。

⑤應(yīng)急數(shù)據(jù)應(yīng)用專題。該專題與建設(shè)管理系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、路巡系統(tǒng)、應(yīng)急物資管理系統(tǒng)等的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，并納入天氣主題數(shù)據(jù)、地災(zāi)主題數(shù)據(jù)、應(yīng)急倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)等，形成應(yīng)急搶險(xiǎn)專題數(shù)據(jù)，用來(lái)支持基于BIM 模型的多維數(shù)據(jù)綜合可視化應(yīng)急搶險(xiǎn)管理應(yīng)用。

當(dāng)發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)，管理人員可及時(shí)在基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)查看應(yīng)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(guò)查看相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及監(jiān)控視頻，可全面觀察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。結(jié)合應(yīng)急設(shè)備、應(yīng)急物資管理數(shù)據(jù)，可在數(shù)字化應(yīng)急指揮系統(tǒng)內(nèi)快速顯示事件位置指定范圍內(nèi)的應(yīng)急設(shè)備及物資分布情況，分析相應(yīng)設(shè)備離災(zāi)害點(diǎn)的距離、災(zāi)害點(diǎn)周邊的路網(wǎng)分布情況等，為管理者的決策分析提供技術(shù)支持。同時(shí)，相關(guān)專家可以登錄平臺(tái)，在三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行決策會(huì)商。

根據(jù)決策方案，結(jié)合“BIM+3D GIS”的數(shù)字化場(chǎng)景及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能對(duì)應(yīng)急人員、應(yīng)急設(shè)備及應(yīng)急物資進(jìn)行可視化應(yīng)急指揮調(diào)度，同時(shí)應(yīng)急數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)反饋“BIM+3D GIS”的數(shù)字化場(chǎng)景（當(dāng)前應(yīng)急人員、應(yīng)急設(shè)備調(diào)度執(zhí)行情況、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等），以便指揮人員能及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并以最快速度進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度。

3.3 應(yīng)用支撐平臺(tái)建設(shè)

通過(guò)建設(shè)應(yīng)用支撐平臺(tái)，為應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提供支撐基礎(chǔ)平臺(tái)，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(chǔ)、查詢、備份管理及應(yīng)用軟件功能開(kāi)發(fā)、集成、調(diào)用和展現(xiàn)等提供技術(shù)支持，從而實(shí)現(xiàn)硬件資源、數(shù)據(jù)資源的有效共享和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)互通［3］，統(tǒng)一支撐所建各應(yīng)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(quán)中心。建立統(tǒng)一的授權(quán)中心，對(duì)平臺(tái)用戶相關(guān)應(yīng)用權(quán)限及其他業(yè)務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口調(diào)用權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一的授權(quán)管理［4］。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用平臺(tái)數(shù)據(jù)及相關(guān)服務(wù)時(shí)均須通過(guò)鑒權(quán)，通過(guò)采集業(yè)務(wù)平臺(tái)的具體需求，對(duì)不同業(yè)務(wù)提供不同層級(jí)的權(quán)限鑒權(quán)接口，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)向其內(nèi)部賬號(hào)提供不同權(quán)限。平臺(tái)除設(shè)定內(nèi)部管理賬號(hào)外，還要給各業(yè)務(wù)系統(tǒng)分配相應(yīng)的賬號(hào)及角色權(quán)限，平臺(tái)管理員對(duì)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口的訪問(wèn)賬號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一授權(quán)管理，平臺(tái)對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)每一次鑒權(quán)及數(shù)據(jù)調(diào)用均進(jìn)行記錄，從而形成日志文件并存檔。

3.3.2 GIS服務(wù)平臺(tái)。根據(jù)前期高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的應(yīng)用成果，結(jié)合該系統(tǒng)的總體建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容，采用國(guó)產(chǎn)GIS 服務(wù)平臺(tái)為GIS 服務(wù)提供技術(shù)支持，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)［5］。

3.3.3 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)服務(wù)監(jiān)控中心。根據(jù)前期高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的應(yīng)用成果，結(jié)合系統(tǒng)的總體建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容，在當(dāng)前服務(wù)監(jiān)控中心的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行升級(jí)和完善。

3.3.4 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心。采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)對(duì)接方式來(lái)建基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)與集團(tuán)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的對(duì)接，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型及支撐業(yè)務(wù)，分別建立對(duì)接元數(shù)據(jù)，每個(gè)元數(shù)據(jù)記錄對(duì)接的數(shù)據(jù)來(lái)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(tái)內(nèi)存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)，用以支撐各主題數(shù)據(jù)庫(kù)、專題數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效共享服務(wù)［6］。

3.4 主機(jī)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及安全保障系統(tǒng)建設(shè)

對(duì)主機(jī)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)，先期是沿用當(dāng)前高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的相關(guān)資源，后期再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)容。

通過(guò)往期項(xiàng)目建設(shè)，集團(tuán)云平臺(tái)已具有完善的安全防護(hù)體系，可劃分為用于部署等保二級(jí)、等保三級(jí)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(hù)體系能滿足該應(yīng)用系統(tǒng)的部署和等保二級(jí)安全防護(hù)的相關(guān)要求，該系統(tǒng)可直接利用云平臺(tái)安全防護(hù)體系，不再重復(fù)建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

蜀道集團(tuán)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)的構(gòu)建是整個(gè)智慧高速建設(shè)體系的核心底座，也是蜀道集團(tuán)數(shù)字化建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本研究以數(shù)字化平臺(tái)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺(tái)和主機(jī)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及安全保障系統(tǒng)提供了相應(yīng)的建設(shè)方案，大大提高高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的信息化程度，使高速公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化平臺(tái)形成集團(tuán)通用“一張圖”，成為真正意義上的交通建設(shè)重要組成部分。