摘要 公路路線不僅對公路運維安全以及周圍環(huán)境均有著重要影響，且在設(shè)計過程中也是面臨的最大難題之一，為解決該難題，該研究集成了建筑信息建模（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的兩大技術(shù)，結(jié)合利用BIM技術(shù)的仿真高維模擬能力以及GIS的強大信息優(yōu)化能力，制定了基于成本最小的公路路線優(yōu)化設(shè)計算法。該算法技術(shù)能夠?qū)Φ刭|(zhì)和地理進行有效分析，極大地提高了地球災(zāi)害和環(huán)境敏感區(qū)域的識別，并能直接促進公路路線規(guī)劃。

關(guān)鍵詞 公路；BIM；GIS；路線；選線

中圖分類號 U412.33 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0018-03

0 引言

公路路線方案的選擇直接影響建設(shè)成本，施工和運營安全，施工期的長短以及與運營、管理和維護相關(guān)的成本。實際上，公路路線規(guī)劃受很多外部因素限制約束，如規(guī)范、地形等因素制約，因此，應(yīng)努力結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)確定最佳備選方案。與建筑項目相比，基礎(chǔ)設(shè)施項目更具獨特性，包括項目的各種土地高程和項目使用壽命中不斷變化的地質(zhì)條件。因此，民用基礎(chǔ)設(shè)施項目很容易受到地形細微變化的影響。公路的設(shè)計需要大量的基于周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)和信息以及地質(zhì)條件，將公路規(guī)劃和設(shè)計與地質(zhì)及環(huán)境分析隔離，將會延誤規(guī)劃進程。目前的規(guī)劃方法通常只涉及公路本身，沒有充分考慮巖土和環(huán)境情況。規(guī)劃過程耗時、低效、成本高。為了解決這一問題，該研究提出了一種綜合的建筑信息建模（BIM）和地理信息科學(xué)（GIS）模型，通過允許BIM和GIS工具之間的數(shù)據(jù)交換，以促進公路規(guī)劃過程。

1 BIM、GIS相關(guān)技術(shù)理論及現(xiàn)狀

1.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)以其三維仿真技術(shù)的特點，已經(jīng)成功地應(yīng)用于建筑行業(yè)。在建筑行業(yè)中，BIM技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)幫助設(shè)計從業(yè)人員以及施工從業(yè)人員輔助完成設(shè)計和施工過程模擬，通過模擬相關(guān)流程，完成對設(shè)計及施工的優(yōu)化。然而，BIM技術(shù)至今仍存在一定的局限性，比如BIM技術(shù)的仿真模擬技術(shù)只針對結(jié)構(gòu)可復(fù)制、地質(zhì)環(huán)境條件簡單的建筑才能適用，在公路行業(yè)尚未得到廣泛應(yīng)用。這是因為垂直施工（如建筑）與水平施工（如橋梁、公路、隧道）是完全不同的過程，垂直施工過程中由于工程實體的復(fù)制性高，約束條件小，可替代性強，而在地理地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的公路中，BIM技術(shù)略顯乏力。

1.2 GIS技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

與BIM技術(shù)相比，GIS技術(shù)在公路行業(yè)的應(yīng)用是先進的、完善的，主要用于對路線信息和概況進行空間分析。地理信息系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括航空航天和國防、油氣勘探、水和廢水處理、運輸和物流等工程的建設(shè)。

Auto CAD使設(shè)計人員能夠下載、導(dǎo)入和預(yù)覽項目環(huán)境的地圖。但是，考慮到與基礎(chǔ)設(shè)施項目相關(guān)的復(fù)雜性和變量的數(shù)量，Auto CAD無法對數(shù)據(jù)進行自動分析。因此，為了有效地管理基礎(chǔ)設(shè)施項目，路線信息應(yīng)該在幾何和語義上良好地表示。BIM技術(shù)在許多方面迅速確定了它對這些類型項目的局限性：在大區(qū)域上定位對象的精確度、有關(guān)環(huán)境的信息和空間查詢。對于基礎(chǔ)設(shè)施項目規(guī)劃中使用的大量空間數(shù)據(jù)，GIS在管理項目周圍環(huán)境方面具有重要價值。

1.3 BIM、GIS集成技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

由上述分析可知，BIM技術(shù)以及GIS技術(shù)各有優(yōu)缺點。應(yīng)用BIM技術(shù)時可以通過參數(shù)進行建模分析，并利用詳細參數(shù)，完成項目的整個生命周期模擬，進而可以有效地管理建筑項目。由BIM技術(shù)所創(chuàng)造的模型能夠在整個項目的生命周期中提供豐富的幾何參數(shù)及自然語義。GIS技術(shù)則是執(zhí)行復(fù)雜空間分析和生成最優(yōu)路徑的強大工具，包括數(shù)據(jù)管理、空間分析和地理可視化。為實現(xiàn)在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用，GIS已開發(fā)并應(yīng)用地理信息系統(tǒng)，用于預(yù)測和規(guī)劃自然災(zāi)害，如地震和滑坡等自然災(zāi)害。此外，GIS技術(shù)還可用于生產(chǎn)、存儲和分析地理空間信息。GIS技術(shù)的應(yīng)用已擴展到多個領(lǐng)域，如城市和區(qū)域規(guī)劃、包裹運輸、資源管理和公用事業(yè)等。

2 公路路線優(yōu)化的BIM-GIS集成模型應(yīng)用分析

為使得公路路線的選線更為合理，該文綜合利用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的優(yōu)點，通過研究兩者在數(shù)據(jù)處理方面的特點，綜合分析兩者的功用情況，建立兩者之間的聯(lián)系。由于GIS工具可以提供有關(guān)垂直公路路線的準(zhǔn)確信息，與傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的結(jié)果相比，可以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。先前的研究已證實，綜合BIM技術(shù)及GIS技術(shù)集成的BIM-GIS模型是簡化和加快規(guī)劃設(shè)計過程的有力工具。地理空間信息在基礎(chǔ)設(shè)施項目中很重要，GIS模型可以進行地理空間分析；然而，GIS技術(shù)缺少在BIM技術(shù)中可用的參數(shù)化建模的必要工具。同樣，BIM技術(shù)對地理空間數(shù)據(jù)的處理能力也很有限。BIM技術(shù)和GIS技術(shù)代表了互補的解決方案。BIM技術(shù)與GIS技術(shù)信息交換如圖1所示。

基于以上所述，該文提出了一種新的集成BIM和GIS的模型。該模型不僅能夠利用BIM技術(shù)的仿真高維模擬能力，還可以極大地發(fā)揮GIS的強大信息處理能力，制定基于成本最小的公路路線優(yōu)化設(shè)計方案。

該模型建立具體步驟如下：

步驟一：我們首先開發(fā)一個IFC本體來描述BIM對象的層次結(jié)構(gòu)、屬性和關(guān)系。

步驟二：由于GIS本體是通過首先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GML，然后將GML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RDF/OWL來構(gòu)建。

步驟三：通過使用本體圖匹配來執(zhí)行本體匹配。具體是將這些BIM和GIS本體轉(zhuǎn)換成RDF二分圖，并采用GMO比較BIM和GIS本體的結(jié)構(gòu)相似性。相似性矩陣被分配初始值，迭代繼續(xù)進行，直到在相似性矩陣中實現(xiàn)1∶1映射。這個過程是由Python進行的。

步驟四：BIM和GIS本體合并后，RDF被形式化。

步驟五：最后，使用SPARQL來操作和檢索RDF數(shù)據(jù)。由此，便可得到一個完全集成的BIM-GIS RDF圖。

3 BIM-GIS集成模型優(yōu)化算法選擇

對公路路線的優(yōu)化是一個極其復(fù)雜的過程，它確定了連接指定點或路段的新道路的最佳路徑。由于與該問題關(guān)聯(lián)的因素眾多，開發(fā)一種選擇最佳路線的有效方法對行業(yè)專業(yè)人員來說是一個重大挑戰(zhàn)。以往的研究多采用許多數(shù)學(xué)模型來對公路選線進行優(yōu)化。這些方法就包括線性規(guī)劃、距離變換、動態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)格搜索等多種方式方法。最早由胡廉[1]等學(xué)者引入，并被廣泛應(yīng)用于公路路線設(shè)計。根據(jù)后來學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，基于GA算法的方法是現(xiàn)有方法中最好的一種。

此外，為探索更好的路線優(yōu)化系統(tǒng)，楊宏志等人將遺傳算法集成到GIS平臺中，并將其與地理信息相結(jié)合以優(yōu)化公路路線[2]。涂圣文等人引入了粒子群優(yōu)化（PSO），并提出了一種并行PSO方法來尋找公路對齊問題的最佳解決方案[3]。謝春玲等人應(yīng)用了灰色相關(guān)度理論，建立了基于灰色加權(quán)相關(guān)的公路路線方案的評估方法[4]。鄭強等提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)的模糊綜合評估和選擇方法[5]。王立等引入了一種多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，用于比較和選擇基于多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析理論的公路路線方案[6]。但上述研究均停留在對于公路路線優(yōu)化軟件的理論層面，也大多是基于GIS進行優(yōu)化而來，直到21世紀(jì)，隨著BIM技術(shù)的成熟和應(yīng)用，其強大的三維可視化及建模分析能力，使得學(xué)者們重新將眼光投入至BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的深度融合，以期實現(xiàn)利用GIS分析地理情況，并通過BIM技術(shù)進行建模，實現(xiàn)路線選型的三維可視化和成本具體分析。

對比上述不同的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，Gas相比其他優(yōu)化方法而言，不僅連續(xù)搜索能力強，垂直和水平對齊的聯(lián)合優(yōu)化能力突出，其現(xiàn)實的對齊生成能力也較為優(yōu)越，此外，還較為成熟，能夠節(jié)省成本和時間。為此，該文在進行算法選擇方面主要選擇Gas作為模型的優(yōu)化算法。

4 BIM-GIS集成模型應(yīng)用分析

經(jīng)過優(yōu)化后的模型能夠大大改善模型的選線效率，并能夠給公路選線提供合理的線路優(yōu)化選擇，為驗證模型的準(zhǔn)確性，該研究通過一些實例證明了該模型的有效性。

首先，通過該算法獲取目標(biāo)城市的真實地圖，并對地圖上所選的兩個地域進行終點和起點的定位，通過地圖導(dǎo)入功能，鎖定目標(biāo)區(qū)域的終點和起點，同時采用BIM軟件對上述地形進行導(dǎo)入，指定事先鎖定的終點以及起點，并對導(dǎo)入的地形圖進行分析建模。建模實例如圖2所示。

其次，為比較該文模型的優(yōu)劣，分別將所獲取的地圖導(dǎo)入至優(yōu)化模型以及未進行優(yōu)化模型、GIS模型、BIM模型4個不同模型之中，利用各自模型對路線進行選擇優(yōu)化，將4個模型對公路線路選擇的方案進行比較，包括對選線距離及選線造價估計2個指標(biāo)進行評判。4個模型選線結(jié)果如圖3所示。

由圖3模型的2個評價指標(biāo)比對結(jié)果圖分析可知，在選線總里程方面，由圖3（a）可知，GIS-BIM優(yōu)化模型選線里程最短，總路線里程為102.60 km；未經(jīng)優(yōu)化的GIS-BIM模型次之，總路線里程為103.33 km；GIS模型總路線里程為105.71 km；BIM模型選線里程最長，達到106.89 km，比優(yōu)化模型長4.29 km，約占其總選線里程的4.2%。由此可以判斷，在選線里程方面，GIS-BIM模型也明顯優(yōu)于其他兩種模型，能夠使公路里程大大縮短。同時，由圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，在造價方面，GIS-BIM優(yōu)化模型也明顯優(yōu)于其他模型，GIS-BIM優(yōu)化模型選線造價成本最低約為359.1億元，未經(jīng)優(yōu)化的GIS-BIM模型次之，總路線造價為372.99億元；GIS模型總造價成本最高，約為401.7億元，比優(yōu)化模型超出42.6億元，約占其總選線造價的11.9%。

綜上研究結(jié)果表明，基于GIS-BIM集成的優(yōu)化模型能夠有效根據(jù)地形進行路線選擇，合理規(guī)避山區(qū)河流，使工程無論在造價方面，還是在選線里程方面，均優(yōu)于其他模型，表明該模型有著良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)論

公路路線規(guī)劃通常是一個復(fù)雜而耗時的過程。通過對不同模型方案的選線指標(biāo)進行評估，發(fā)現(xiàn)集成了BIM和GIS后的模型在公路隧道選線優(yōu)化效率方面較其他幾種模型具有顯著提升，其不僅能夠有效規(guī)避山區(qū)河流，還能縮短里程，節(jié)省建設(shè)投資，縮短建設(shè)工期，具有良好的經(jīng)濟效益，由此集成的公路路線選線模型能夠大大提高路線的選線效率，并可為建設(shè)者帶來廣泛的經(jīng)濟效益。通過該研究，也可為其他基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化提供可靠的參考和思路。

參考文獻

[1]胡廉， 龔杲蓀. 工藝路線設(shè)計的最優(yōu)化[J]. 機械工程， 1984（2）： 19-20.

[2]楊宏志， 韓躍杰， 李芬， 等. 基于GIS和遺傳算法的公路智能選線[J]. 長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2009（3）： 48-53.

[3]涂圣文， 蘇州. 基于GIS和遺傳-粒子群的公路智能選線方法[J]. 長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2010（4）： 39-45.

[4]謝春玲， 蒲浩， 張婷， 等. 基于AHP-TOPSIS評判模型的山區(qū)公路路線方案評價[J]. 公路， 2016（8）： 17-21.

[5]鄭強. 公路選線的灰色模糊多屬性決策研究[J]. 甘肅科技， 2014（18）： 111-112.

[6]王立， 云凌， 徐重岐， 等. 基于多層次灰色關(guān)聯(lián)度分析的公路綠色選線研究[J]. 公路工程， 2016（5）： 28-32.