曾蕾潔

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)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(jì)的發(fā)展。交通基礎(chǔ)設(shè)施影響城市的空間結(jié)構(gòu)，也是現(xiàn)代化標(biāo)志，其建設(shè)和運(yùn)營關(guān)乎到社會生活和國家經(jīng)濟(jì)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(hù)、運(yùn)營用的收費(fèi)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(shè)備能夠自動地交換信息、觸發(fā)動作和實(shí)時控制，第二要將BIM 技術(shù)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相融合來建造智慧的管理。

1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)用技術(shù)

本研究使用文獻(xiàn)分析軟件CiteSpace 把發(fā)布在知網(wǎng)上的近20 年有關(guān)道路基礎(chǔ)設(shè)施的文獻(xiàn)，包括中文639 篇，外文1661 篇，進(jìn)行高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，依據(jù)閾值參數(shù)經(jīng)驗(yàn)將關(guān)鍵詞設(shè)置為5，梳理了291 個關(guān)鍵詞，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜，結(jié)論是：建筑信息模型、智能交通、智慧城市、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)IoT、大數(shù)據(jù)中心等技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1]。道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、性能監(jiān)測和管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)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(qū)動、數(shù)字孿生、人工智能應(yīng)用于公路，從策劃到運(yùn)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(jìn)行把控，指導(dǎo)公路的數(shù)字化新建、重建或改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成果交付，以及數(shù)字化運(yùn)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(shè)項(xiàng)目物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)；2）BIM 是一個共享的資源，為該設(shè)施從規(guī)劃建設(shè)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(xiàng)目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM 中插入、提取、更新和修改信息以支持和反應(yīng)其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。智慧運(yùn)營在BIM 模型支持的基礎(chǔ)上，還需要施工建設(shè)期的其他數(shù)據(jù)，以及運(yùn)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(yùn)營提供應(yīng)用點(diǎn)。

1.2 GIS

地理信息系統(tǒng)是地理科學(xué)基礎(chǔ)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(shù)，可支撐對大范圍場景的協(xié)同分析和共享應(yīng)用。三維GIS 能提供空間對象間的平面、垂向關(guān)系，還可實(shí)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(yùn)用于定位、監(jiān)控變化、管理及響應(yīng)事件，預(yù)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(xué)的MichaelGneves 教授提出概念，2011 年正式命名為Digital Twin。BIM 是基于協(xié)調(diào)性能公開標(biāo)準(zhǔn)的共享“數(shù)字表達(dá)”，而數(shù)字孿生是基于BIM 技術(shù)廣泛應(yīng)用下誕生的一個重要物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)。通過將規(guī)范、圖紙、BIM 模型、空間位置、地理信息、資產(chǎn)標(biāo)簽、工單、維護(hù)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(diǎn)云等運(yùn)營技術(shù)得到數(shù)字資產(chǎn)模型，分析數(shù)字資產(chǎn)模型對實(shí)物資產(chǎn)進(jìn)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(shè)備連接的性能。大數(shù)據(jù)是在信息大爆炸的今天，為適應(yīng)海量、高增長率且多樣化的信息資產(chǎn)，通過云計(jì)算、分布式處理技術(shù)、存儲技術(shù)和感知技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲，最后形成結(jié)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(kuò)展人類智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、思考、計(jì)劃等）的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)。采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能的原理制造類似于人腦智能的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)更為高級的應(yīng)用。

2 技術(shù)的數(shù)字化應(yīng)用

高速公路數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用包括：模型的參數(shù)化建立、多源模型融合與互操作、建設(shè)數(shù)據(jù)存儲與管理、運(yùn)營數(shù)據(jù)挖掘與分析等，在高速公路規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)、公路出行服務(wù)各階段進(jìn)行信息集成、監(jiān)測檢測、安全預(yù)警與應(yīng)用管理等，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建造與運(yùn)營管理。

2.1 BIM+GIS

BIM 是三維模型表達(dá)，將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等信息附進(jìn)模型，其幾何結(jié)構(gòu)精細(xì)、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(qiáng)調(diào)技術(shù)成熟，二者結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，對高速公路建設(shè)、交付和運(yùn)維管理起到最優(yōu)作用。GIS 與BIM集成的技術(shù)運(yùn)用到公路隧道的運(yùn)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(jìn)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(jìn)行智慧建造及運(yùn)維管養(yǎng)[2]。融合技術(shù)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(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)。數(shù)字孿生通過物理世界與信息世界連接融合達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的交互與融合，在交通領(lǐng)域，其立足在BIM+GIS 技術(shù)之上。物理實(shí)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(shè)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(shè)備的運(yùn)行。實(shí)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(jìn)行分析洞察和決策，通過物聯(lián)網(wǎng)、自動化控制設(shè)備將優(yōu)化指令傳遞到實(shí)物資產(chǎn)執(zhí)行干預(yù)。模型要素的交互和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)合理建設(shè)是一個難點(diǎn)，制約著應(yīng)用[3]。

2.3 5G 和大數(shù)據(jù)

利用5G 技術(shù)可實(shí)時傳輸監(jiān)控信息到地面，構(gòu)建動車組的數(shù)字孿生平臺，以開發(fā)數(shù)字化建造、運(yùn)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(shí)現(xiàn)對公路的健康進(jìn)行監(jiān)測、檢測、預(yù)測和全生命周期的健康管理，移動裝備的檢修也可由計(jì)劃修轉(zhuǎn)為狀態(tài)修、預(yù)測修，正在逐步構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、分析、檢修、調(diào)度等建設(shè)運(yùn)營智能化管理體系[4]。

2.4 新一代人工智能

清華大學(xué)教授張建平說：“BIM 構(gòu)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(qū)動新一代人工智能”。相較于之前，新一代人工智能落地于實(shí)踐基礎(chǔ)了。在交通領(lǐng)域，通過人工智能，記錄識別司機(jī)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(shí)現(xiàn)有司機(jī)監(jiān)控的無人自動駕駛。智慧公路采用“車路協(xié)同”技術(shù)，路側(cè)的車路協(xié)同設(shè)備可實(shí)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(jī)械建設(shè)行為，輔助建設(shè)管理；采集實(shí)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(xué)決策。

3 結(jié)論

高速公路數(shù)字化包括基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化和業(yè)務(wù)流程數(shù)字化，完成全場景、全業(yè)務(wù)流程以及全生命周期下從物理世界到數(shù)字世界的轉(zhuǎn)換。基于BIM技術(shù)的數(shù)字化技術(shù)在高速公路的應(yīng)用要落在GIS、5G 互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)驅(qū)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(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用進(jìn)一步研發(fā)、拓展，構(gòu)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。