基于“Digital Twin”技術(shù)的互通立交橋數(shù)字化系統(tǒng)研究

劉智，吳濤

（1.西北大學(xué)；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

交通強(qiáng)國建設(shè)背景下，交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化需求日益增多，將數(shù)字孿生為代表的新興技術(shù)與行業(yè)需求深度融合[1]，結(jié)合具體工程構(gòu)筑物特點(diǎn)研發(fā)數(shù)字化系統(tǒng)順應(yīng)時(shí)代要求。互通立交橋?yàn)榈缆方煌ɑA(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)I(yè)集成度最高，探討其數(shù)字化解決方案，可全面推廣應(yīng)用至道路交通基礎(chǔ)設(shè)施其他專業(yè)領(lǐng)域。

高速公路及城市道路組成的道路網(wǎng)中互通立交橋是重要的交通轉(zhuǎn)換樞紐和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)筑物。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增長，高速公路節(jié)假日交通擁堵、城市道路早晚高峰擁堵狀態(tài)等同停車場，對(duì)現(xiàn)有互通立交橋改擴(kuò)建甚至新建立體交通體系是緩解交通擁堵的重要措施。另外針對(duì)出行者對(duì)道路網(wǎng)安全、暢通以及交通相關(guān)氣象、車流量預(yù)報(bào)、最優(yōu)路徑導(dǎo)航等精細(xì)化服務(wù)需求也在日益增長。提出和實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的互通立交橋數(shù)字化解決方案是滿足上述需求的關(guān)鍵。

經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料及行業(yè)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，互通立交橋全生命周期內(nèi)由當(dāng)前傳統(tǒng)工作流程和各種信息化系統(tǒng)及用戶端應(yīng)用程序構(gòu)成的解決方案不夠完善，主要缺點(diǎn)在于專業(yè)協(xié)同和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合深度不夠?；凇癉igital Twin”技術(shù)，研發(fā)新型互通立交橋數(shù)字化系統(tǒng)為新建或改擴(kuò)建互通立交橋提供建筑全生命周期內(nèi)數(shù)字化服務(wù)有利于提高工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)的品質(zhì)，是推動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國的有效途徑。隨著系統(tǒng)不斷迭代完善還可以為將來的無人駕駛車輛及出行者提供各種定制化的信息服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

以一座互通立交橋構(gòu)筑物為例，規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)全生命周期范圍內(nèi)涉及人員和單位多、周期長、資料復(fù)雜，工程數(shù)字化難度大。以設(shè)計(jì)過程為例包含總體設(shè)計(jì)、互通、路基、橋涵、交通工程等。通常按專業(yè)由不同技術(shù)人員開展設(shè)計(jì)，CAD、CAE、BIM等數(shù)字化產(chǎn)品也是選擇相關(guān)專業(yè)軟件系統(tǒng)，最終對(duì)設(shè)計(jì)輸出成果匯編成冊(cè)，數(shù)字化成果交付，目前還處于探索階段。施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等階段又有各自特點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生大量工程數(shù)據(jù)，構(gòu)筑物全生命周期內(nèi)受不同軟件系統(tǒng)平臺(tái)的制約，立交橋系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)的深度共享和融合存在“數(shù)字鴻溝”，導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)與文件化成果的匹配和融合存在較嚴(yán)重短板，不利于深度協(xié)同和提供“互通立交橋”全生命周期高效管理和智能決策。

數(shù)字化浪潮下，新技術(shù)熱點(diǎn)層出不窮，傳統(tǒng)單機(jī)版設(shè)計(jì)軟件甚至C/S、B/S架構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件也已經(jīng)和新硬件、新工作流程產(chǎn)生了矛盾，產(chǎn)品面臨推廣瓶頸還有高成本維護(hù)更新等難題。定制架構(gòu)科學(xué)、模塊耦合性好、易于維護(hù)更新的新型智能數(shù)字化系統(tǒng)符合新時(shí)代用戶需求。

交通領(lǐng)域BIM技術(shù)解決方案提供商美國Bentley系統(tǒng)公司也在積極推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)[2]，利用在項(xiàng)目交付過程中創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型，在基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)運(yùn)營和維護(hù)期間，使之成為最具效能的數(shù)字孿生模型或“數(shù)字DNA”，這是邁向數(shù)字化至關(guān)重要的機(jī)會(huì)。有資料顯示目前達(dá)索公司開發(fā)的 3DEXPERIENCity 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了城市規(guī)劃布局、管網(wǎng)以及氣象的數(shù)字孿生應(yīng)用，使得城市應(yīng)急處置效率提升，城市擁堵率降低[3]。

國產(chǎn)的互通立交橋相關(guān)軟件產(chǎn)品大都集中在道路、橋梁設(shè)計(jì)CAD和CAE領(lǐng)域[4]，BIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和軟件還處于起步階段，主要研發(fā)方向在建模及輕量化展示方向，施工和運(yùn)維階段BIM項(xiàng)目應(yīng)用雖然很多，但任然欠缺和設(shè)計(jì)階段模型數(shù)據(jù)的聯(lián)通和交互。傳感器耐久性和成本等因素針對(duì)互通立交橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)研究，以及來自各種傳感器的實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)處理及分析也處于起步階段。

從政策導(dǎo)向和市場需求看，互通立交橋高裝配化率和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件工廠化智能建造是發(fā)展趨勢(shì)。無論是鋼橋還是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁滿足裝配化、智能化設(shè)計(jì)建造及運(yùn)管養(yǎng)全生命周期服務(wù)需求很明確?；凇癉igital Twin”技術(shù)，研發(fā)新型互通立交橋數(shù)字化系統(tǒng)，有望從底層數(shù)據(jù)采集、融合、處理來驅(qū)動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)軟件升級(jí)，從而更好的服務(wù)于公路與城市道路基礎(chǔ)設(shè)施中互通立交橋工程建設(shè)。

3 技術(shù)路徑

“Digital Twin”是智能建造的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，也是當(dāng)前跨行業(yè)融合研究熱點(diǎn)?；凇癉igital Twin”的五維結(jié)構(gòu)模型[5]和應(yīng)用準(zhǔn)則，以構(gòu)建“互通立交橋數(shù)字孿生體”模型為核心，融合CAD、BIM、IOT等數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，分析依托工程數(shù)據(jù)倉庫（項(xiàng)目信息庫、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)庫、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字圖庫、規(guī)則庫、造價(jià)庫、病害庫等），實(shí)現(xiàn)集成傳統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件的整體數(shù)字化解決方案。

系統(tǒng)架構(gòu)借鑒大數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建，以工程數(shù)據(jù)倉庫建設(shè)為基礎(chǔ)，融合分析互通立交橋全生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)咨詢、設(shè)計(jì)、智能建造、展示等工程應(yīng)用，如圖1所示。

4 主要研發(fā)內(nèi)容

基于“Digital Twin”研發(fā)的“互通立交橋數(shù)字化系統(tǒng)”是一套集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、分析、計(jì)算、成果發(fā)布為一體的綜合服務(wù)系統(tǒng)。研究內(nèi)容主要包括總體框架研究、傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)交互、以標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)為核心的工程數(shù)據(jù)庫、路橋?qū)I(yè)算法及客戶端研發(fā)等五部分，并可依據(jù)本項(xiàng)目研究成果編制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

技術(shù)研發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)如下：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

①互通立體交叉、橋梁工程、交通工程等專業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)；

②多專業(yè)共享和深度融合的工程數(shù)據(jù)庫構(gòu)建；

③CAD、BIM、IOT及各種文檔數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)科學(xué)采集、處理、存儲(chǔ)、分析技術(shù)；

④互通立交橋數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的耦合技術(shù)；

⑤互通立交橋數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的交互技術(shù)；

⑥互通立交橋數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的生命周期迭代管理。

此外，積極開展高速公路和市政道路專項(xiàng)定制開發(fā)，盡快研發(fā)出產(chǎn)品原型。

針對(duì)地質(zhì)及氣候條件復(fù)雜惡劣的高寒高海拔地區(qū)，專項(xiàng)研究此類地區(qū)新建高速公路項(xiàng)目涉及的互通立交橋數(shù)字化技術(shù)，如利用新一代人工智能輔助選線、基于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫輔助確定互通立交方案以及互通立交橋型比選等。

借鑒國內(nèi)數(shù)字孿生城市建設(shè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[6]，專項(xiàng)研究滿足數(shù)字孿生城市要求的硬件、軟件及數(shù)據(jù)處理方案，爭取參與試點(diǎn)城市中互通立交橋項(xiàng)目，打造互通立交橋數(shù)字孿生示范應(yīng)用。

5 目標(biāo)客戶

目標(biāo)客戶初期是企業(yè)自身各業(yè)務(wù)部門員工，中后期兼顧企業(yè)外部數(shù)據(jù)技術(shù)服務(wù)需求。

對(duì)企業(yè)內(nèi)部，主要包含滿足傳統(tǒng)互通立交橋業(yè)務(wù)需求的智能規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)、智能審查系統(tǒng)、智能咨詢系統(tǒng)、智能建造系統(tǒng)、智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

對(duì)企業(yè)外部，聚焦智慧城市、智慧交通相關(guān)政府部門和行業(yè)業(yè)主平臺(tái)的工程專業(yè)數(shù)據(jù)內(nèi)容服務(wù)，提供互通立交橋全壽命周期數(shù)字資產(chǎn)服務(wù)。

預(yù)期目標(biāo)客戶及應(yīng)用場景圖2所示。

6 結(jié)論及展望

伴隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展，道路和橋梁信息化建設(shè)管理理念不斷提升，信息化系統(tǒng)正在向資產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)展[7]?！癉igital Twin”技術(shù)在交通行業(yè)的工程應(yīng)用研究目前還在起步階段，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用指南欠缺，需要共同實(shí)踐探索。

圖2 預(yù)期目標(biāo)客戶及應(yīng)用場景圖

“互通立交橋數(shù)字孿生模型”的構(gòu)建和“數(shù)字孿生數(shù)據(jù)”分析采用自主研發(fā)方式完成，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)可控，以后持續(xù)開展相關(guān)工作可全面推廣應(yīng)用至道路交通基礎(chǔ)設(shè)施其他專業(yè)領(lǐng)域。

鑒于本系統(tǒng)龐雜，技術(shù)難度高，研發(fā)周期較長，建議在整體規(guī)劃框架下，分模塊并行開發(fā)，有成果即開展同步試用反饋，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速迭代。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，有望助力智慧企業(yè)、智慧交通、智慧城市建設(shè)，提高道路交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化及標(biāo)準(zhǔn)化水平，為無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等新交通場景應(yīng)用提供技術(shù)服務(wù)。