尹紫紅 蘭富安 蔣良濰 冉光炯 王雪嶺

（1、西南交通大學(xué)，四川 成都610000 2、四川樂西高速公路有限責(zé)任公司，四川 西昌615000 3、四川高速公路建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都610000）

傳統(tǒng)的公路建設(shè)信息化中，只限于對(duì)施工進(jìn)度、安全、質(zhì)量等因素的研究。但隨著數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、智慧城市等概念的提出，智慧公路也逐漸為人所熟悉。隨著智慧公路建造的深入發(fā)展，對(duì)技術(shù)方案提出了越來越高的要求。要實(shí)現(xiàn)智慧公路的進(jìn)一步發(fā)展，就必須厘清概念理論，從數(shù)據(jù)架構(gòu)形式、數(shù)據(jù)融合算法的機(jī)制和方法路徑上著手實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

1 研究背景

數(shù)字技術(shù)的不斷深入發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)的數(shù)字化應(yīng)用趨勢(shì)日益加深加廣，并影響著人們生活的方方面面。隨著公路工程的不斷成熟，與信息化建設(shè)結(jié)合也日趨緊密。要實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)信息化，合理、高效利用BIM、GIS 等數(shù)字化技術(shù)就必須從數(shù)據(jù)處理的理論上著手，深入了解數(shù)據(jù)處理算法及平臺(tái)架構(gòu)技術(shù)。

2 多元數(shù)據(jù)融合算法

在大體量的目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域中，多元數(shù)據(jù)融合新型的數(shù)據(jù)處理手段得到了較大的重視和發(fā)展。

應(yīng)用多元數(shù)據(jù)融合需要針對(duì)不同場(chǎng)景選擇不同算法[1]。一般來說主要分為物理類型類、參數(shù)類、認(rèn)識(shí)模型類三種算法。數(shù)據(jù)融合算法分類見圖1。

圖1 融合算法分類

2.1 物理模型

物理模型類算法即依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際物理模型直接計(jì)算三維實(shí)體各類特征。這類算法中典型的分析方法有句法分析、估計(jì)分析兩種。句法分析通過對(duì)物理對(duì)象語(yǔ)法表達(dá)進(jìn)行開發(fā)，將一個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)系中的物理對(duì)象的各類各類特征進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集，實(shí)現(xiàn)物理模型向三維實(shí)體模型的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用這種方法需要對(duì)每個(gè)對(duì)象開發(fā)處具體的語(yǔ)言和句法，較為繁瑣。估計(jì)分析法則利用卡爾曼濾波、最大似然估計(jì)、最小二乘法實(shí)現(xiàn)對(duì)物理模型的大致構(gòu)建。

應(yīng)用物理模型類算法，需要基于已有物理特征進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集、模型構(gòu)建。在較為精密的基礎(chǔ)研究工作中較為重要，對(duì)于大體量的計(jì)算工作，由于實(shí)際中物理模型較為復(fù)雜，建立內(nèi)在數(shù)據(jù)聯(lián)系難度較大。

2.2 基于參數(shù)類

參數(shù)類分析算法往往需要一個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)識(shí)，隨后所有數(shù)據(jù)將依賴這一基礎(chǔ)標(biāo)識(shí)建立映射關(guān)系。參數(shù)類算法又可分為基于統(tǒng)計(jì)的算法和基于信息論的算法。

2.2.1 基于信息論的算法

基于信息論的數(shù)據(jù)算法中常見的即數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中的熵理論法、在現(xiàn)代神經(jīng)學(xué)理論上提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、將大體量數(shù)據(jù)合理分類的聚類分析算法等。

熵理論算法通過計(jì)算某一隨機(jī)事物的發(fā)生概率、期望值來體現(xiàn)其中的信息量。該理論中發(fā)生概率小的事件熵極大，發(fā)生概率大的時(shí)間熵極小。在多源數(shù)據(jù)融合中，運(yùn)用熵理論算法衡量某一系統(tǒng)整體效益，具有極大優(yōu)勢(shì)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法從邏輯思維角度出發(fā)，將多元數(shù)據(jù)信息符號(hào)化、概念化，再運(yùn)用基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)符號(hào)算法語(yǔ)言進(jìn)行邏輯推理，可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)整合[2]。

聚類分析算法通過將各類數(shù)據(jù)對(duì)象按功能、需求等進(jìn)行分組，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模前對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化。

2.2.2 基于統(tǒng)計(jì)論的算法

基于統(tǒng)計(jì)論的數(shù)據(jù)算法中往往需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出先驗(yàn)條件，進(jìn)行下一步算法操作。在統(tǒng)計(jì)論的算法中一般包括經(jīng)典理論、Bayes 算法、D-S 理論等。

經(jīng)典推理法通過給存在的目標(biāo)先驗(yàn)假設(shè)，確定標(biāo)識(shí)目標(biāo)與已觀測(cè)數(shù)據(jù)在該假設(shè)條件發(fā)生相關(guān)性的概率。運(yùn)用經(jīng)典推理算在解決變量較多的數(shù)據(jù)時(shí)，算法較為復(fù)雜，具有一定局限性。同時(shí)運(yùn)用經(jīng)典推理算法需要具備大量先驗(yàn)密度函數(shù)的有效度以提供先驗(yàn)假設(shè)條件。

Bayes 推理算法在經(jīng)典推理算法的基礎(chǔ)上削弱了先驗(yàn)函數(shù)的不可動(dòng)搖的地位，該算法通過給定的預(yù)先似然估計(jì)結(jié)合觀測(cè)的附加條件作為最小風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)的基本模型[3]。

Bayes 推理算法極大程度上減少了先驗(yàn)需求?；谶@一特征，Bayes 算法的難度體現(xiàn)在需要較為準(zhǔn)確的定義極大似然估計(jì)；同經(jīng)典推理算法一樣，若有多個(gè)假設(shè)條件或者變量，定義極大似然估計(jì)函數(shù)會(huì)更加復(fù)雜；運(yùn)用多個(gè)假設(shè)條件分別定義極大似然估計(jì)函數(shù)時(shí)需要每個(gè)條件互不相容以保證極大似然估計(jì)函數(shù)變量獨(dú)立。

D-S 推理算法在Bayes 算法上更為廣義的拓展，該算法從更為全局的角度考慮算法準(zhǔn)合理性。D-S 推理算法利用概率區(qū)間及不確定區(qū)間定義多條件假設(shè)下的似然函數(shù)，有效的解決了當(dāng)假設(shè)條件相容時(shí)的情況。運(yùn)用該種算法解決假設(shè)條件較多的案例時(shí)具有一定的靈活性，但當(dāng)推論鏈較長(zhǎng)時(shí)由于函數(shù)情況復(fù)雜使用論據(jù)較為不便；同時(shí)可能會(huì)造成前期基本假設(shè)條件值改變很小的情況下產(chǎn)生結(jié)果變化較大的情況。

2.3 認(rèn)識(shí)模型

認(rèn)識(shí)模型算法中主要包括用于匹配識(shí)別的邏輯模板算法、用于群體優(yōu)化的遺傳算法、忽略不穩(wěn)定性因素的模糊集理論算法以及基于客觀屬性的知識(shí)系統(tǒng)算法。

邏輯模板算法通過將先驗(yàn)函數(shù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)匹配識(shí)別，確定條件是否滿足推論需求，若滿足則進(jìn)一步進(jìn)行推理。從功能需求來看邏輯模板算法最重要的是用來定義關(guān)系不確定性的的邏輯算法，可以說模板算法即用邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)參數(shù)匹配的一種綜合性算法。

模糊集理論算法通過將數(shù)據(jù)集合中不穩(wěn)定、不確定、不精確性因素進(jìn)行降噪處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的主觀模糊性，從而簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)模型。遺傳算法通過對(duì)初始觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行一系列優(yōu)化，通過控制結(jié)果所給反饋信息實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程中各類從參數(shù)的特征化控制。知識(shí)系統(tǒng)算法基于一些列對(duì)象集合的特征，結(jié)合已有的對(duì)客觀對(duì)象的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行對(duì)對(duì)象集合的表達(dá)。

3 數(shù)據(jù)集成架構(gòu)形式

3.1 C/S 架構(gòu)

C/S 架構(gòu)即客戶端/服務(wù)器架構(gòu)模式，是使用較早的一種軟件架構(gòu)形式，多用于局域網(wǎng)。C/S 數(shù)據(jù)架構(gòu)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 C/S 架構(gòu)示意圖

C/S 數(shù)據(jù)架構(gòu)主要有用戶表示層、數(shù)據(jù)庫(kù)層兩個(gè)層面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接傳輸，無需中間層。基于C/S 架構(gòu)的形式，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：在用戶表示層可設(shè)置豐富的操作及界面，且均可由用戶自定義；由于沒有多余的中間層，故安全性可以得到保證；僅一層交互，信息傳遞速度很快。

同時(shí)，由于C/S 架構(gòu)形式的雙向化，導(dǎo)致其適用面較窄，一般僅適用于局域網(wǎng)中；適用服務(wù)功能需求較單一化的用戶；客戶端的程序升級(jí)維護(hù)成本較高。

3.2 B/S 數(shù)據(jù)架構(gòu)形式

B/S 架構(gòu)是對(duì)C/S 架構(gòu)的一種改進(jìn)，其中的B 即代表Browser，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)形式。這種架構(gòu)形式的事務(wù)邏輯大多在服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，只有極少數(shù)才會(huì)在前端實(shí)現(xiàn)[4-6]。

不同于C/S 架構(gòu)，B/S 架構(gòu)模式從功能上來說有三層，B/S架構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 B/S 架構(gòu)示意圖

使用這種架構(gòu)模式，用戶在瀏覽器上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，無需安裝客戶端，極大減少了用戶端電腦壓力；B/S 架構(gòu)可在廣域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置一定權(quán)限即可以實(shí)現(xiàn)多客戶訪問，交互性較強(qiáng)；B/S 通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，只需要對(duì)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)維護(hù)升級(jí)，無需像C/S 一樣對(duì)客戶端軟件升級(jí)，產(chǎn)生較大維護(hù)成本。

B/S 架構(gòu)模式以瀏覽器作為服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯處理，保證其安全性及傳遞速度需要較大的設(shè)計(jì)成本；同時(shí)B/S 采用的是請(qǐng)求- 響應(yīng)交互模式，在瀏覽器界面需要時(shí)常刷新以獲取最新的數(shù)據(jù)，而非實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)；最后，在跨越不同的瀏覽器時(shí)，B/S 架構(gòu)模式會(huì)呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)性能。

3.3 WEBGL 數(shù)據(jù)架構(gòu)形式

WEBGL（Web Graphics Library）是一種以HTML 為框架，直接調(diào)用個(gè)體電腦GPU 進(jìn)行硬件加速，用于前端的3D 繪圖協(xié)議。

圖4 WEBGL 架構(gòu)示意圖

4 基于BIM+GIS 數(shù)據(jù)融合及集成

當(dāng)采用GIS 技術(shù)作為數(shù)據(jù)來源時(shí)條件時(shí)，為確保數(shù)據(jù)真實(shí)性需要直接將采集的大量的地理地形數(shù)據(jù)直接處理、保管，數(shù)據(jù)處理算法力求簡(jiǎn)單精確、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能需要適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件條件、數(shù)據(jù)結(jié)果需要適應(yīng)空間矢量復(fù)雜程度及真實(shí)的動(dòng)態(tài)需求。

基于以上算法及數(shù)據(jù)架構(gòu)形式的研究，可以確定采用聚類分析算法及WEBGL 數(shù)據(jù)架構(gòu)形式可以有效的實(shí)現(xiàn)地空模型的構(gòu)建。

4.1 WBS 結(jié)構(gòu)方法

WBS（WorkBreakdownStructure）工作分解結(jié)構(gòu)按功能不同將項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)化、分解。從數(shù)據(jù)融合算法來看，隸屬聚類分析的一種，及按照功能性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在實(shí)際工程需求中，通過WBS 結(jié)構(gòu)方法可以有效的處理各項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)高效的實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)管理及協(xié)同工作。

BIM 數(shù)據(jù)融合將建管系統(tǒng)進(jìn)度、設(shè)計(jì)變更、工序檢查、計(jì)量支付、試驗(yàn)檢測(cè)、質(zhì)檢評(píng)定等功能與BIM 模型構(gòu)件掛鉤，通過WBS 及EBS 結(jié)構(gòu)樹實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件層級(jí)與建設(shè)過程中各環(huán)節(jié)所涉及的資料及報(bào)表相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可視化，確保工程建設(shè)全過程信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)深度融合?；赪BS 結(jié)構(gòu)建立的BIM計(jì)量支付及融合工序檢查見圖5、圖6。

圖5 BIM 融合計(jì)量支付

圖6 BIM 融合工序檢查

4.2 電子沙盤

圖7 電子沙盤

電子沙盤模塊，基于BIM+GIS 引擎，采用WEBGL 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)線路、多專業(yè)的BIM模型及三維地形和影像數(shù)據(jù)的輕量化動(dòng)態(tài)加載與展示。

模塊基于工程結(jié)構(gòu)樹（EBS）對(duì)BIM模型對(duì)象及屬性信息進(jìn)行管理，提供BIM對(duì)象的快速檢索定位（樁號(hào)檢索定位、標(biāo)段檢索定位、工點(diǎn)檢索定位、地名檢索定位）、視圖定位、構(gòu)造物快速篩選、地形透視、快速顯隱，以及模型動(dòng)態(tài)剖切、幾何量測(cè)、行車漫游、關(guān)聯(lián)信息及圖紙查看等功能，幫助系統(tǒng)使用人員全面、直觀、準(zhǔn)確的了解樂西工程相關(guān)數(shù)據(jù)信息。基于WEBGL 數(shù)字架構(gòu)建立的電子沙盤模型見圖7、圖8。

圖8 電子沙盤EBS 結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文從數(shù)據(jù)融合算法及數(shù)據(jù)架構(gòu)形式兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。采用物理模型融合算法可以有效準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)GIS 技術(shù)對(duì)地空數(shù)據(jù)的有效識(shí)別，同時(shí)結(jié)合聚類分析算法可以有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合管理及存儲(chǔ)需求。基于BIM+GIS 技術(shù)，結(jié)合WEBGL 數(shù)據(jù)架構(gòu)形式，可輕量化的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線動(dòng)態(tài)管理及對(duì)工程全階段的資料有效整合。