多年來(lái)，國內外學(xué)者陸續將BIM技術(shù)及GIS技術(shù)引入到公路信息化管理，在公路建設、路政執法和資產(chǎn)管理方面取得較好的效果。美國聯(lián)邦公路局將GPS、GIS及多媒體視頻等技術(shù)應用到公路資產(chǎn)管理，可以迅速的定位查看損壞的公路資產(chǎn)視頻，保證了道路的安全性。新西蘭ＲOMDAS集成GPS和Video，用GPS中心線(xiàn)實(shí)現了可視化的公路管理。對比國外的BIM應用，我國的BIM應用則是剛起步，只有一些大型的地標型建筑采用了BIM。目前的公路養護系統應用一般采用傳統的二維地圖顯示方位信息，無(wú)法全面表示立面目標之間準確的相對關(guān)系，這樣就不能通過(guò)信息系統對立面設施進(jìn)行查詢(xún)、觀(guān)察和分析，嚴重影響了GIS技術(shù)在公路領(lǐng)域的應用。同時(shí)，在我們國內的具體應用中，由于公路系統內包括運營(yíng)、路政、養護等多個(gè)部門(mén)，各個(gè)部門(mén)有各自的信息系統，彼此之間的數據也是由各自部門(mén)維護。因為采用不同的數據格式和交換格式，導致無(wú)法整合到統一的地理數據平臺上進(jìn)行統計分析和數據挖掘，不能有效實(shí)現業(yè)務(wù)數據共享，從而使得各個(gè)部門(mén)之間難以實(shí)現高效協(xié)同，決策者難以通過(guò)統一的數據展示平臺及時(shí)全面地掌控整體的公路運營(yíng)狀態(tài)。
因此本文提出將BIM和GIS結合起來(lái)，利用移動(dòng)數據采集系統提供道路養護檢測所需要的數據，再通過(guò)利用統一的數據標準，實(shí)現地理設計和BIM相結合，在此基礎上建立基于BIM的交通設施資產(chǎn)及運營(yíng)維護管理系統。利用整合后的BIM模型信息，將公路資產(chǎn)管理與養護集成到三維可視化平臺，同時(shí)基于BIM模型，提出預防性養護決策模型，為公路資產(chǎn)管理、道路養護管理等提供管理決策平臺。其優(yōu)勢在于:基于數據庫的管理系統，調用的是邏輯關(guān)聯(lián)的信息，如公路基礎設施三維模型與設施使用手冊、運行參數、保養周期等關(guān)聯(lián)，消除查閱紙質(zhì)文件的不便;并實(shí)現管理上的聯(lián)動(dòng)，提高運營(yíng)可靠性，為公路運維及養護監測帶來(lái)新的思路和方法。
移動(dòng)數據采集系統
公路養護日常管理工作中，經(jīng)常需要對現場(chǎng)情況進(jìn)行直觀(guān)的了解。如:需要查看某標志牌所處位置，以及周邊的情況。目前管理工作中，通常采用像對測量的方式對公路及附屬設施進(jìn)行查看和量測，通過(guò)圖片進(jìn)行現場(chǎng)情況展示。手段上存在一定的局限性。例如，如果要對一座跨線(xiàn)橋進(jìn)行查看和量測，傳統像對測量的方式則需要進(jìn)行正反雙方向的數據采集、需拍攝正反雙方向的全景照片和部分細節照片。
為了能夠獲得道路現狀，確保道路通暢，管理部門(mén)希望能夠獲得現狀地形圖的同時(shí)，也能夠獲得現勢性強的三維全景影像資料，做到及時(shí)、準確地掌握道路目前狀況，快速查詢(xún)道路且制定維護養護計劃。本文采用高清數字攝影攝像+陀螺儀+GPS三種技術(shù)組合的移動(dòng)式道路實(shí)景信息采集技術(shù)，車(chē)載移動(dòng)激光掃描技術(shù)代表著(zhù)移動(dòng)測量系統(Mobile Mapping System)的最新發(fā)展趨勢。該技術(shù)可以快速獲取高密集、高精度的激光點(diǎn)云數據，并同步獲取與點(diǎn)云高精度匹配的數碼相片。能夠有效地獲取道路養護專(zhuān)題信息并重建道路三維場(chǎng)景。當我們采用了基于MMS技術(shù)的實(shí)景三維GIS系統以后，你可以將每一公里道路、每個(gè)立交、隧道、橋梁、收費站、服務(wù)區、停車(chē)區、邊坡、涵洞、上跨下穿管線(xiàn)，乃至任何你要關(guān)注和管理的構造物、設備都采集到你的路段、路網(wǎng)GIS數據庫。同時(shí)，利用公路任意樁號360度的“可視”影像信息通過(guò)和高精度激光點(diǎn)云融合又實(shí)現了“可測”，進(jìn)一步分析又可以提取公路縱橫斷面、計算平整度、車(chē)轍以及路況破損數據。
全景激光雷達公路路況采集技術(shù)集成方案
檢測設備的要求，能夠同步采集車(chē)輛所在精確位置、車(chē)輛當前姿態(tài)及速度方向等信息、當前所在點(diǎn)的三維全景影像、當前所在點(diǎn)的激光掃描數據。
路面檢測部分:集成全景影像采集設備、車(chē)載Li-DAＲ設備、GPS及慣導設備、數據存儲及處理設備，進(jìn)行現場(chǎng)數據采集。采集后的數據，通過(guò)數據加工平臺進(jìn)行后續處理。
數據處理平臺:根據檢測設備采集到的數據，依據路面破損特征識別庫的定義，基于路面正射影像和激光點(diǎn)云進(jìn)行路面破損的自動(dòng)識別;根據平整度和車(chē)轍的檢測標準，基于路面的激光點(diǎn)云數據進(jìn)行平整度和車(chē)轍的自動(dòng)提取識別;同時(shí)自動(dòng)加工出帶有精確經(jīng)緯度坐標的全景+激光點(diǎn)云數據，以提供給全景展示平臺使用。
用戶(hù)交互部分:根據全景+激光點(diǎn)云數據進(jìn)行展示，同時(shí)提供量測功能、設施標示功能等交互功能。同時(shí)，與養護軟件系統集成，實(shí)現養護相關(guān)功能點(diǎn)。
利用高精度車(chē)載LiDAＲ傳感器技術(shù)、全景攝影測量技術(shù)，車(chē)載LiDAＲ傳感器在無(wú)遮擋地區最遠測程100m，20%反射率目標，一次可采集多車(chē)道及其周邊100m范圍內的三維點(diǎn)云信息，在無(wú)中央隔離帶情況下，無(wú)需進(jìn)行多次往返重復觀(guān)測，可大大提高作業(yè)效率及檢測精度。
平整度、車(chē)轍自動(dòng)檢測解算
根據采集加工后的檢測數據，根據相關(guān)標準，自動(dòng)提取車(chē)轍(ＲD)檢測結果并計算車(chē)轍深度指數(ＲDI);自動(dòng)計算平整度(IＲI)，并根據《公路技術(shù)狀況評定標準》分別對高速公路、一級公路評定ＲQI值。
利用LiDAＲ點(diǎn)云，通過(guò)路面高程變化可自動(dòng)識別坑槽和凸起，有效彌補高速攝像機對非紋理性的擁包、推移、沉降的路面破損漏識別的問(wèn)題;通過(guò)影像對非高程變化的路面裂縫、標線(xiàn)進(jìn)行快速自動(dòng)識別;對于影像識別不到但高程上有突變的路面，由計算機進(jìn)行邏輯運算清晰地分辨出沉降與坑槽等相似度較高的破損信息，最終建立公路路面破損識別特征庫，基本實(shí)現道路破損的自動(dòng)、準確識別。
由LiDAＲ設備發(fā)出的激光束，與路面的距離通常小于10m，因此其誤差應小于2mm，2個(gè)相鄰激光點(diǎn)之間的相對誤差應小于1mm，因此滿(mǎn)足平整度及車(chē)轍的檢測結果精度要求。
根據車(chē)輛行駛軌跡的經(jīng)緯度坐標，進(jìn)行線(xiàn)性坐標系轉換，即可提取特定樁號所對應的路面點(diǎn)云數據。提取點(diǎn)云數據之后，選擇路面范圍的橫向點(diǎn)云數據的高程值，代入車(chē)轍計算公式進(jìn)行車(chē)轍評價(jià)值計算;選擇路面范圍的縱向點(diǎn)云數據的高程值，代入路面平整度IＲI值計算公式進(jìn)行計算。
公路參數化自動(dòng)BIM模型創(chuàng )建
公路參數化自動(dòng)BIM建模首先根據公路工程設計資料劃分公路結構，其次準確地提取公路平面和縱斷面參數及橋涵構造物和公路其他附屬設施設計參數，最后利用自動(dòng)化構建公路三維模型工具軟件快速自動(dòng)地生成公路BIM三維模型。
公路BIM模型建立
公路BIM模型是按照公路設計資料創(chuàng )建公路組成部分的模型，依據公路建設規范將模型組裝起來(lái)，并通過(guò)三維GIS平臺展現。直接利用公路設計參數解析，通過(guò)公路設計資料的平縱設計參數(如緯地、Card/1等設計軟件的平縱設計文件)或公路逐樁坐標對照表可以計算公路各樁號點(diǎn)的準確三維坐標。這里我們輸出的公路BIM三維模型并不是簡(jiǎn)單像3DMAX模型那樣，而是包含了設計內容的信息模型，用戶(hù)可以通過(guò)調整設計參數，實(shí)現數據和模型的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，同步刷新，可以真實(shí)的反映標志的樁號、版面、結構和基礎等各項參數信息。
道路附屬設施主要指和道路相關(guān)的排水設施、安全設施、防護設施、監控設施、通訊設施、收費設施、綠化設施、服務(wù)設施、管理設施、照明設施、消防設施、通風(fēng)設施、渡口碼頭、交叉道口、苗圃菜地、界樁、測樁、里程碑、界碑等。
通過(guò)搜集交通工程設計圖紙，或者通過(guò)現場(chǎng)實(shí)際道路調查，獲取邯大高速上所使用的交通工程道路附屬設施種類(lèi)、數量、位置等情況，批量構建所需要的單個(gè)道路附屬設施模型。然后利用系統以獨立模型或沿道路走向布置方式自動(dòng)或半自動(dòng)添加到真三維道路場(chǎng)景中。
BIM模型管理
將道路、橋梁、基礎設施的屬性信息與BIM模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現BIM模型的可視化關(guān)聯(lián)。通過(guò)點(diǎn)擊模型，可對模型的屬性信息進(jìn)行查詢(xún)。
同時(shí)，在公路勘查設計、施工及運營(yíng)養護各階段，除了關(guān)系型的屬性數據之外，還存在多種其他格式的數據，如地理空間數據(矢量數據和柵格數據)、CAD設計文件、Excel電子表格、Word文檔、PDF文檔、影像圖片等各種多媒體數據等。這些數據來(lái)源多樣，數據量大，操作復雜，難以在傳統關(guān)系數據庫中存儲管理。為了有效集成這些格式不同、來(lái)源不同的數據，系統設計了可定義的智能化數據導入接口，將各類(lèi)數據導入資源整合數據庫及文件系統并建立相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，借助3DGIS平臺將多元數據有效的集成起來(lái)，形成一個(gè)有機的、合理的、關(guān)聯(lián)的數據整體，使資源整合平臺的數據更加豐富、全面。
基于BIM模型的預防性養護決策
傳統的養護決策分析方法，如決策樹(shù)、推理機分析等，往往偏重于理論分析，與實(shí)際的公路養護業(yè)務(wù)產(chǎn)生脫離，養護決策無(wú)法達到公路養護管理的實(shí)際需求。本文基于BIM模型，提出一套切合公路管理業(yè)務(wù)的預防性養護決策分析方法，真正實(shí)現養護決策與公路養護業(yè)務(wù)的緊密貼合。
建立公路路況數據采集與技術(shù)狀況評定系統，實(shí)現公路路況數據的多種方式采集，實(shí)現公路技術(shù)狀況的計算、分析與評定。系統提供路基、路面、構造物及沿線(xiàn)設施評價(jià)單元損壞調查表的人機界面錄入功能和批量數據導入功能，系統提供檢測明細數據的導入接口，明細數據可直接更新到按公里路段統計的各類(lèi)損害調查表中，明細數據導入接口包括路況自動(dòng)化檢測設備數據接口和人工檢查數據接口等。按《公路技術(shù)狀況評定標準》JTGH20－2007規定的公路技術(shù)狀況評價(jià)標準和評價(jià)模型，系統能自動(dòng)計算各路段的公路技術(shù)相關(guān)參數和技術(shù)狀況分值，并按分值進(jìn)行技術(shù)狀況評定，并提供技術(shù)狀況修正、復核、審核、審定等功能，同時(shí)提供路況調查表、評定表等信息的查詢(xún)功能，并能夠導出相應Excel文件。
構建路面養護決策分析系統，實(shí)現較為全面和智能的養護決策分析功能，為合理計劃和科學(xué)實(shí)施公路養護提供決策支持。系統可根據路面技術(shù)狀況和使用性能，分析未來(lái)1～10年的路網(wǎng)養護需求，進(jìn)行資金約束條件下的路網(wǎng)養護優(yōu)化決策，結合最終調整后的養護對策，生成養護計劃明細數據。
本功能根據公路養護管理需要，按路線(xiàn)行政等級、路線(xiàn)技術(shù)等級、路線(xiàn)車(chē)道分類(lèi)、涵洞分類(lèi)、養護經(jīng)費來(lái)源、交通量等指標進(jìn)行查詢(xún)統計與數據匯總，分別以信息列表或是圖形的方式表現，并可生成excel表格。
用戶(hù)可自定義當前年度的養護資金額度，系統按照效益最大原則(優(yōu)化分配方法或優(yōu)先排序模型)，將給定的養護預算優(yōu)化分配到公路網(wǎng)中那些最需要養護并且最具效益的路段上，分析提出在資金約束條件下的最佳養護計劃，包括養護時(shí)機、養護方案選擇等建議。系統同時(shí)支持采用多種評價(jià)和決策模型進(jìn)行綜合分析，利用線(xiàn)性規劃法的系統分析方法，結合凈現值、費效比、收益率等經(jīng)濟分析決策模型進(jìn)行綜合分析，并可對分析結果進(jìn)行篩選、優(yōu)化。
根據需求分析或優(yōu)化決策結果，系統可自動(dòng)生成養護工程計劃;用戶(hù)可考慮項目實(shí)施和施工方面的影響因素，對基于系統分析的養護計劃進(jìn)行人工調整，改善養護計劃的可行性;通過(guò)編制路面養護計劃，提出路網(wǎng)的大修、中修和日常養護預算，為向上級財政部門(mén)申請公路養護資金，提供科學(xué)的“公路養護預算編制計劃”。編制人計劃編制完畢后提交給具有審核權限的用戶(hù)進(jìn)行審核，審核通過(guò)后計劃生效。
結語(yǔ)
隨著(zhù)我國交通基礎設施的完善，如何搞好公路的養護管理，是擺在公路管理部門(mén)及經(jīng)營(yíng)企業(yè)面前一項長(cháng)期而艱巨的任務(wù)。本文將BIM和GIS結合起來(lái)，利用移動(dòng)數據采集系統提供道路養護檢測所需要的數據，建立基于BIM的交通設施資產(chǎn)及運營(yíng)維護管理系統，提出預防性養護決策模型，為公路資產(chǎn)管理、道路養護管理等提供管理決策平臺。其優(yōu)勢在于:基于BIM的思路，利用數據庫管理，將公路基礎設施三維模型與設施使用手冊、運行參數、保養周期等關(guān)聯(lián)，提高運營(yíng)可靠性，為公路運維及養護監測帶來(lái)新的思路和方法。
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