基于BIM的智慧交通信息管理系統(tǒng)在城市道路運營中的應用

唐振羽 吳亞剛 李澤深

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.紹興市智慧城市集團有限公司，浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市人口及城市車輛保有量逐年增加，城市道路的建設規(guī)模達到了前所未有的水平.但是，由于城市里普遍存在交通資源相對短缺，監(jiān)測信息碎片化嚴重，管理機構之間存在溝通壁壘，交通信息傳遞相對滯后等諸多問題，導致當前城市道路的運營管理工作面臨巨大挑戰(zhàn).

GIS、物聯網、大數據分析、云計算等新興智能科技的蓬勃發(fā)展為城市道路的智慧化管理提供了發(fā)展方向.基于物聯網技術的道路監(jiān)測系統(tǒng)可以實時傳遞道路安全、環(huán)境、交通信息.大數據分析系統(tǒng)可以在城市交通建設與規(guī)劃過程中為決策者提供可靠的決策依據[1].借助地理信息系統(tǒng)及物聯網數據分析可就能源消耗問題對城市建筑集群進行合理規(guī)劃[2].然而，從信息的收集到信息的使用，仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)：首先，道路運營管理部門眾多，各部門獲得的信息往往自成體系，無法相互傳遞共享.其次，各部門監(jiān)測到的信息碎片化嚴重，無法在一個平臺上統(tǒng)一管理.第三，收集到的信息往往僅用于單一問題的預警，在智能分析、數據預測以及輔助決策等方面的應用仍有待提高.

BIM(Building information modeling)由其高度集成化的特點可充分彌補信息管理方面的不足.BIM的概念最早是在1975年美國喬治亞理工大學Chuck Eastman教授的一篇文章中初見雛形，隨著研究的不斷深入，BIM的概念得到了進一步的豐富與完善.張建新[3]在文章中指出BIM是在建筑工程全壽命周期中運用動態(tài)的建模軟件，集成建筑工程各種相關信息的工程三維數據，實施動態(tài)的三維實時處理，是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達.鄭華海[4]等人認為BIM是以三維數字技術為基礎，集成建設工程項目各種相關信息的工程數據模型，同時又是一種應用于設計、建造、管理的數字化技術.目前對于BIM的解釋相對較完整的是美國國家BIM標準的定義：“BIM是設施物理特性的數字表達；BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關這個設施的信息，為該設施從概念到拆除的全壽命中的所有決策提供可靠依據的過程；在項目不同階段，不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責的協(xié)同工作”[5].

BIM技術作為建筑信息集成交互的數字化工具，在土木工程領域已經取得了較為成熟發(fā)展.謝暉[6]以某大學圖書館為例，演示了BIM模型施工模擬與Project施工進度文件的相結合，實現了BIM4D協(xié)助施工管理.趙雪峰等[7]以葉盛黃河公路大橋為背景利用BIM參數化、可視化、仿真模擬性的特點，解決了施工過程中的難點.翟越[8]從安全施工的角度在虛擬施工技術的基礎上，構建了包含資料管理、模擬施工、安全監(jiān)控模塊的多維數字化安全管理體系.李靜[9]等人借用魯班造價算量軟件系統(tǒng)以某房地產開發(fā)項目為例，利用BIM模型參數化及構件可算性的特點，初步實現基于BIM的全過程造價管理.

隨著BIM優(yōu)越性的不斷彰顯，BIM也被應用于協(xié)助建筑物的運維管理.李明柱[10]等人強調了全生命周期各個階段數據收集的重要性，豐亮、陸惠民[11]提出了基于BIM的工程項目管理信息系統(tǒng)的架構及其九大功能模塊，實現了項目信息數據的全壽命周期集成管理.劉榕、陳侃[12]等人針對城市地下綜合管廊后期運維管理問題，結合“BIM+”理念提出了以BIM為核心的可視化運維管理集成平臺設計思路.王延魁[13]等人通過整合BIM與RFID技術，將BIM模型構件與含RFID標簽的設備相互關聯生成設備運維管理數據庫，便于現實組件與BIM元素之間的信息交流.王茹、黃鑫[14]則運用VB+SQL Server軟件開發(fā)技術，構建了基于BIM的運維階段建筑構件預警管理系統(tǒng)，實現了BIM模型中的構件設備信息于系統(tǒng)中的監(jiān)控與管理.

事實上，BIM技術不僅僅是一個封閉的建筑信息載體，基于BIM技術結合多種信息采集傳輸分析手段，可為道路智慧化管理提供解決方案.湯圣君[15]等針對BIM與GIS數據集成，提出IFC幾何要素過濾方法以及IFC到CityGML的語義映射規(guī)則，為IFC與CityGML建筑模型的幾何、語義信息互操作提供了一種通用手段.羅潔[16]就BIM與物聯網技術的融合應用，在工程管理過程中做出了具體使用前景的理論分析.王雅瓊[17]等從智慧交通對大數據分析的需求變化出發(fā)，提出了交通服務實時優(yōu)化、智能合理化的大數據應用新模式，為智慧交通大數據的應用提供了思路.王若霞和陳卓[18]對智慧高速公路系統(tǒng)建設發(fā)表了自己的見解，圍繞著數據采集、公眾出行、綜合管控等子系統(tǒng)介紹了整個系統(tǒng)的構造和應用，劉桐[19]將空間信息技術應用到智慧高速公路的建設中，提出了高速公路信息化、智能化、數字化、現代化的“四化”管理概念.

本文建立一個基于BIM的城市道路智慧化運營管理平臺，通過綜合應用GIS信息化技術、傳感技術、通信技術及大數據分析技術，對城市道路信息進行采集、傳輸、集成分析及應用.以實現城市交通系統(tǒng)更加自動化、交通出行更加信息化、交通決策更加智能化、交通控制更加現代化的新型城市道路發(fā)展理念.最后，通過一個具體案例，詳細說明了該系統(tǒng)在城市道路安全監(jiān)控、交通實時誘導等方面的應用優(yōu)勢.

1 BIM結合信息化技術在城市道路運營管理中的優(yōu)勢

BIM技術以計算機信息技術為載體，將建設項目的參數化信息反映到三維數字化的建筑模型上.并通過可視化、協(xié)調性、模擬性、一體性等優(yōu)勢幫助改進傳統(tǒng)的建設模式，取得了較多的應用成果.雖然BIM技術的發(fā)展旨在解決與項目建設過程相關的各項信息的集成和傳遞，但這與城市道路的數字化管理理念完全一致.利用BIM技術提供的城市道路信息，利用信息化技術獲得的城市道路的碎片化信息得以集成和跨越式延伸，BIM技術也將不僅僅只是一個“信息孤島”[20].其優(yōu)勢主要表現在：

1.1 信息集成多元化

應用BIM技術在設計階段集成大量基礎數據和復雜構件信息；在施工階段，融入時間、成本進行BIM4D、BIM5D施工管理，既能實時地對工程項目進行控制，又能對施工過程中的實際信息以及工程造價的最終數據進行集成歸檔，為后續(xù)的運維管理積累基礎.在項目建成后的運維階段，利用GIS技術對城市道路設施故障或交通事故進行準確定位，利用物聯網等傳感技術可以實時獲取物體信息.城市道路基礎數據、構件信息、位置信息及實時的設施安全信息、環(huán)境信息、交通信息等在基于BIM模型的信息處理平臺進行集成并實現交互融合.

1.2 信息管理標準化

BIM技術的使用能夠在項目自身建設中通過軟件建?；緦崿F領域內建筑、結構、水電等不同專業(yè)的交互協(xié)作.而在項目建成后的使用階段，面對傳感器物聯網、地理信息位置等多元化的跨領域復雜數據，BIM信息管理系統(tǒng)的搭建應用能夠在BIM模型信息語句與物聯網監(jiān)測數據、GIS地理數據等其他數據的語句之間找到映射關系，使不同領域的數據得到標準統(tǒng)一，實現各領域不同專業(yè)信息的相互銜接、編號分類，便于城市道路運營管理過程中的信息調用和數據分析.

1.3 信息使用協(xié)同化

傳統(tǒng)建設項目無論在設計、施工階段，還是建成后的使用、運維階段，都充斥著數據信息冗雜、數據不統(tǒng)一、數據碎片化的現象.全生命周期內的BIM技術使用，能夠在設計施工階段將項目建設的各專業(yè)信息集成并通過計算機網絡實現不同部門不同專業(yè)的協(xié)同合作，可有效減少因變更造成的工期延誤.在運維階段，結合物聯網的傳感技術可將構筑物的自身受力情況、自然環(huán)境影響以及運行狀況等實時數據傳遞到BIM信息管理平臺，各部門專業(yè)人士在平臺中可進行多種數據的深度挖掘解析，結合大數據技術對項目運行狀況做出有效診斷，實現結構力學數據、構件材料信息、自然環(huán)境信息等各類專業(yè)數據的相互交叉輔助預警.

2 基于BIM的交通信息管理平臺的構建

信息管理平臺由數據采集層，傳輸層，分析層及應用層四大模塊構成.如圖1所示.

圖1 智慧交通信息管理平臺的構建

2.1 數據采集層

負責進行數據的采集和臨時存放.將工程項目竣工模型所包含的建筑基本信息、構件尺寸及位置、管線預埋布置等數據錄入BIM運維模型.在項目使用過程中利用卡口抓拍單元、道路預埋傳感器網以及智慧監(jiān)控設備對交通運行數據進行實時采集，并及時儲存至終端服務器的臨時數據庫.

2.2 數據傳輸層

負責進行數據的傳送.運用光纖、網絡專線和無線通信系統(tǒng)等信息傳送手段，將數據傳送至平臺客戶端和移動終端.

2.3 數據集成分析層

負責進行數據的集成和分析.找到BIM模型基礎數據語句和其他專業(yè)的數據之間的映射關系，建立統(tǒng)一的標準，并通過建立信息平臺形成一個大數據庫，從而對數據進行分組標號和預處理分析.

2.4 數據應用層

負責進行數據的最終處理和應用.通過信息平臺的建立，將之前采集到的經過分析處理的有效數據進行整合，并根據道路實際運行狀況進行比對，最終利用平臺的系統(tǒng)客戶端和用戶移動終端設備進行實時信息的傳遞與發(fā)布.

3 基于BIM的信息管理系統(tǒng)的應用

本節(jié)以紹興市某智慧公路信息平臺的建立與應用為例，來詳細介紹基于BIM的信息管理系統(tǒng)的應用.對城市道路中存在的設施病害分析，風險評估，交通誘導，應急管理等方面應用的具體功能做出詳細的介紹.

3.1 技術架構

如圖2所示，基于BIM的智慧公路信息管理系統(tǒng)需要數據采集、傳輸、分析子系統(tǒng)作支撐.其中數據采集可以分為BIM基礎數據的采集和公路實時運營數據的采集.BIM基礎數據是由建成后的BIM模型為支撐，將模型中的構件信息與對應的實體部件逐個標注存檔，形成BIM運維模型數據庫；而公路實時數據可以利用由高清卡口攝像組成的智能監(jiān)控相機和路基中預埋的道路感應設備以及環(huán)境監(jiān)測儀器等智能化設施進行采集.

圖2 智慧交通信息管理系統(tǒng)的架構

數據傳輸則可以利用光纖、專用網線和無限通訊設備實現數據信息的高效、精準傳遞.最后通過BIM運維模型基礎數據和其他專業(yè)領域數據之間的語句映射關系，實現不同專業(yè)不同類型數據標準的統(tǒng)一，經過各領域專業(yè)人士對數據協(xié)同分析處理，將有效信息集成在信息管理平臺，各單位部門的相關人員均可在平臺的軟件客戶端中對道路運行狀況進行監(jiān)控，并利用大數據分析技術深入挖掘數據庫對未來運營風險進行有效評估.

3.2 應用模塊舉例

3.2.1 道路安全監(jiān)控

現代城市道路車流量巨大，而高荷載甚至超載的運輸車輛更容易給道路帶來巨大的運行壓力和損耗.通過采集道路安全信息，在基于BIM的信息管理平臺上進行定位和信息處理，可以幫助實現城市道路健康運營和管理.圖3即為道路安全監(jiān)控功能工作示意圖.沿路隔段埋設道路受力傳感器可對路基承重進行荷載數據采集，在路面板分段預埋角度傳感器可將路面的沉降變化以客觀數據展示.利用已有網絡專線及無線網絡將車輛通行時路基的承重荷載等數據傳遞到信息平臺服務器的數據庫，相關部門負責人從不同的專業(yè)角度出發(fā)在信息管理平臺的軟件客戶端上將其與BIM運維模型中已存構件的各項極限數據相比對，以多個專業(yè)數據的視角分析出整個道路的實際運營情況.一旦發(fā)現存有問題的數據，立即通過信息管理平臺數據庫的分類標號，快速查詢定位到需要細查的具體構件，并對其進行及時的診斷和維修，實現道路安全的健康運行.

圖3 道路安全監(jiān)控功能工作示意圖

圖4即為基于BIM的智慧交通信息管理平臺功能展示圖，平臺通過程序開發(fā)設計擁有多種功能模塊.BIM模型工程結構樹可對海量工程構件的數據進行分類集成管理.屬性查詢模塊可精確定位到細部構件的屬性、進度甚至是成本等基礎數據.而快速編碼能讓所有的構件得到統(tǒng)一的定義，便于查詢功能的快速實現.融合GIS模型的空間定位功能，更能將具體位置的經緯度迅速地反映在平臺上，以便于后續(xù)的路況分析診斷.

圖4 基于BIM的智慧交通信息管理平臺功能展示圖

3.2.2 交通環(huán)境預警

雨霧天氣等極端惡劣環(huán)境會增加駕駛風險，影響城市道路交通的正常運營，基于BIM的城市交通信息管理系統(tǒng)通過能見度探測儀、一體化智能監(jiān)控相機等采集環(huán)境信息，在中心平臺進行信息處理，利用智慧路燈及霧區(qū)引導預警燈等信息化設備(如圖5所示)，實現雨霧天的行車引導、防撞預警，可減少極端天氣的行車風險.

圖5 智能化道路環(huán)境監(jiān)測設備

智慧燈桿頂端附有風向標可直觀反饋出所處環(huán)境的風力大小變化，太陽能電池板照明系統(tǒng)可滿足陰暗環(huán)境下的光照強度.桿間的高清攝像監(jiān)控與LED信息屏，既能對燈桿周圍的環(huán)境做出實時監(jiān)測，也能經過控制中心的指示發(fā)布交通信息.燈桿底部的電池充電樁可為因長途行駛導致電力不足的車輛提供可靠動力.遭遇強風天氣時，管理中心相關人員可通過監(jiān)控攝像裝置傳遞的影像資料，評測風力等級并在燈桿自有電子屏中發(fā)布道路環(huán)境預警.能見度探測儀可對道路行駛環(huán)境中的能見度進行實時數據采集，當大氣環(huán)境變得渾濁不清能見度低于相應標準值時，經BIM交通信息管理中心許可后霧區(qū)引導燈即可自動開啟工作(如圖6所示).霧區(qū)引導燈可憑信息管理平臺的軟件設定照射不同的色光，默認色光為黃色配合智慧燈桿的路燈起警示照明作用.當有車輛通過霧區(qū)引導燈的磁感應圈，色光便會自動轉變變?yōu)榧t色，以警告后方車輛此處有車通過進而起到霧區(qū)引導防撞的作用，可有效減少雨霧天的駕駛風險.

圖6 霧區(qū)引導功能示意圖

圖7所示為基于BIM的信息管理平臺的環(huán)境監(jiān)測功能模塊，該模塊利用前端的傳感器、環(huán)境監(jiān)測信息化設備，將環(huán)境溫度、濕度、風速、噪聲、PM值、能見度等環(huán)境實時數據以圖表的形式形象地呈現在平臺中.既能生成實時環(huán)境數值曲線，也可經后臺專業(yè)人員編制生成環(huán)境預測曲線，對未來惡劣天氣的分析預警及發(fā)布有著重大作用.此外，結合平臺的構件編碼定位功能，可在平臺對前端設備的屬性及運行狀態(tài)進行精確查詢，便于設備的定期巡檢維護.

圖7 基于BIM的信息管理平臺的環(huán)境監(jiān)測功能

3.2.3 交通實時誘導

交通突發(fā)事故、道路擁堵通常會影響到整個交通的運行狀況，基于BIM的城市交通信息管理平臺的應用可以快速有效解決路面突發(fā)情況，并及時進行交通疏導.圖8所示即為交通實時誘導功能工作示意圖.由槍球聯動攝像機、視頻卡口電子警察、智慧監(jiān)控單元等監(jiān)控設備構成的前端信息采集子系統(tǒng)將負責完成數據、圖片、視頻的采集，可將路口標號、車輛具體信息、行車時速等信息收集至服務器終端數據庫.在各監(jiān)控路段搭建路口局域網，利用獨立光纖接入線路將所采集的數據匯聚到信息管理中心的平臺網絡中.在數據的集成分析階段，各專業(yè)領域人員將不同專業(yè)的數據統(tǒng)一語句標準、按類編號分組，形成分類別致的總數據庫以保證不同部門人員均可在平臺客戶端上協(xié)同操作、分析及預測.至于交通誘導的具體應用展示，實則是不同專業(yè)領域協(xié)同分工合作的一個過程，在GIS地理信息系統(tǒng)中根據前端攝像系統(tǒng)采集的影像等數據可快速鎖定目標路段的詳細位置，再結合BIM運維模型中對應位置的構件分組編號找到最近的道路信號燈、交通信息誘導屏等信息引導設備，最后在中心平臺利用計算機交通誘導算法實現交通信息的實時發(fā)布，從而有效疏導道路交通，促進行車安全.

圖8 交通實時誘導功能工作示意圖

圖9展示的是基于BIM的信息管理平臺的視頻實時監(jiān)控功能，利用專線網絡的高速傳輸及視頻插件的安裝優(yōu)化，可實現道路交通實時路況于管理平臺窗口化顯示.而前端監(jiān)控設備的屬性、編號、定位及運行狀態(tài)均可通過平臺的其他功能相互輔助實現.平臺使用者可根據道路運行視頻反映的實時狀況，在LED交通指示屏上發(fā)

圖9 基于BIM的信息管理平臺的視頻實時監(jiān)控功能

布交通誘導信息，及時做出交通系統(tǒng)的實時優(yōu)化.

4 結論

本文從BIM技術的優(yōu)勢及應用現狀出發(fā)，提出將BIM技術應用于城市道路運營的智慧化管理中的設計方法，建立一個包含數據采集、數據傳輸、數據集成分析和數據應用四層結構的智慧交通信息管理系統(tǒng).結合紹興市某路段對該系統(tǒng)在城市道路設施病害分析，風險評估，交通誘導，應急管理等方面的具體功能應用案例詳細闡述了基于BIM的智慧交通信息管理平臺的運行過程.為城市道路運營階段的智慧化管理提供了一種合理可行的解決方法.