1.5.4 藏区高速公路3D GIS+BIM建设期智慧管理平台系统
本系统以雅康和汶马高速公路重大节点工程为依托，研发雅康和汶马高速公路 3D GIS+BIM建设期智慧管理平台，在雅康高速公路二郎山隧道至泸定特大桥段BIM应用开发依托工程基础上，选取汶马高速控制性工程狮子坪隧道进行建设期平台的应用示范。本平台的应用示范为藏区高速公路建设期间施工动态信息管理的智能化、网络化提供了实践基础，具有重要的现实价值和理论意义。
研发基于3D GIS技术+BIM技术的建设期智慧管理平台，并选取狮子坪隧道进行示范应用，为后续全线的建设期信息化、智能化管理提供了一定的经验，为其他类似工程提供了指导，推动了3D GIS+BIM 技术在高速公路建设期管理等方面的综合应用，进一步提升了高速公路建设管理的信息化水平，对打造交通行业品质工程、促进智慧交通建设发展、提高我国高速公路建设管理水平具有十分重要的意义。
1.5.4.1 管理规定
藏区高速公路的智慧管理云平台系统根据国家相关政策规定，研究了政策导向和行业规范。本管理参考国家、行业规范如下：
《工程测量规范》GB 50026—93
《建筑变形测量规程》JGJ/T 8—97
《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120—99
《混凝土质量控制标准》GB 50164—92
《公路工程结构可靠度设计统一标准》GB/T 50283—1999
《水泥混凝土路面施工及验收规范》GBJ 97—87
《公路隧道设计规范》JTG D70—2004
《公路工程技术标准》JTG B01—2003
《公路交通安全设施实施细则》JTG/T D81—2006
《道路工程制图标准》GB 50162—92
1.5.4.2 雅康高速公路运营管理系统框架设计
1.框架设计
通过与设计和施工阶段的信息有序协调和衔接，BIM技术的应用可以使管理部门在运营过程中对高速公路进行实时、可视、高效的检测和养护运营管理。雅康高速运营管理系统采用B/S架构与三层架构（3-tier architecture），图1-5-30所示为系统的总体架构，共分为三个层级，一个体系。
图1-5-30 雅康高速运营管理系统框架设计
2.系统特点
基于3D GIS+BIM技术的运营管理系统融合多个科研成果，是为解决高速公路监控运营过程各种问题，保障高速公路运营动态信息的全方位掌握，解决高速公路在突发事件发生时及时发现、快速响应、有效联动与处置问题，为有效服务于高速公路运营“安全、稳定、舒适、高效”而建立的一套专门针对高速公路运营管理的平台系统。该平台能够做到提高管理效率、节约能源、确保行车安全，为积极预防、处理事故提供可靠的保障。同时，合理有效利用高速公路路段及隧道内各机电设备，使营运管理更加有序可行。以人为本的人性化设计提倡智能化高效的营运管理。
（1）组态化的系统。
系统自主创新采用组态化方式，提供可扩展、可修改的通信结构和隧道控制画面，以满足不同隧道对系统扩展性的要求，提供了通信结构组态、通信设备不同协议下的驱动组态机制、监控画面的任意组态修改、预案的任意编辑与修改、策略的任意编辑与修改等。它以构筑统一的隧道监控平台为目标，适应各隧道不同通信结构、不同通信协议、不同通信设备的需要。该组态软件模型具有极高的技术难度和水平，提供了不同高速公路隧道、监控计算机、隧道通信控制装置的组态，能适应监控计算机和隧道通信控制装置网络设备的灵活扩展。监控系统采用了模块化结构，具有实时性、可靠性、安全性、高效性的特点。
（2）智能化的系统。
系统为适应多级监控（中心、本地和远程级）提供了统一的、友好的、易操作的用户界面。系统具有多路段、多条隧道、多座桥梁同时控制、监控的能力。监控系统具有与各子系统实现联动的特点，能提供智能化的分析提示和控制参考功能，提供了正常、交通管制、交通阻塞、道路养护与维修、污染物浓度超标、火灾情况下的相应多种联动处理预案，这些预案根据相应的控制原则由专家评审和编辑后提供，具有权威性、实用性。
（3）网络化的系统。
系统采用标准的、可路由的工业统一网络标准TCP/IP协议，能不间断地对隧道内所有机电设备进行可靠控制和无缝监控，且具有极高的运行可靠性和稳定性、安全性。同时，系统能综合所有机电设备、各串口设备及电力设备、各子系统监控计算机等，提供全方位综合化联动控制。
（4）综合化的系统。
系统能充分考虑到机电设备管理与维护的要求，能提供智能监控和机电设备管理与维护一体化系统的远期解决方案。系统提供了多种控制级别和控制权限，可在不同的控制级别和控制权限下进行安全的监控。系统能提供对各个子系统事件及报警的联动处理。
3.系统功能设计
在高速公路日常正常运营情况下，系统能够通过高速公路沿线的外场设施（各种监控设备、检测仪等）及时、准确、完整地监控、监视高速公路路段及隧道的交通、照明、通风、CCTV视频、紧急电话与广播、火灾、电力等工作情况。其具体包括：能够实时监视高速公路沿线路段及隧道的交通运行状况、交通车流、气象数据，及时发布交通诱导命令；能够实时监视隧道内照明设备工作情况，并提供各种照明自动控制方案；监视隧道内环境数据和通风状况，并提供各种隧道通风自动控制方案，既节约能耗，又营造一个良好的隧道行车环境；系统能够与CCTV视频监控系统、紧急电话与广播系统、火灾监控系统、电力监控系统、视频事件检测系统、DVR硬盘录像机视频系统进行有效报警联动，消除各个系统之间的“信息孤岛”，做到对各个子系统的联动响应、数据共享，并能与监控中心电视墙等设备进行联动控制，形成一套流程化的报警及事件联动机制，成功解决了高速公路各系统间信息的集成、共享、联动问题。
在高速公路重大应急事件发生（隧道火灾、重大交通事件、重大灾害等）情况下，能够通过系统建立的预案体系、各种专家级应急事件联动控制预案和处置流程，对高速公路路段及隧道的各种机电设备进行联动控制，提供交通诱导、发布、救援方案，为高速公路管理公司可靠、安全运行提供强有力的保障。系统在处置应急事件的过程中，做到了对应急事件的快速发现，应急事件发现后的及时响应、快速上报。系统能够实现应急事件的流程化导航，保障报警信息与监控系统及时有效联动，并能提供详细的应急事件处置流程，对事件的救援信息、交通诱导信息进行及时发布和共享。
（1）图形化、组态化的用户界面。
该系统提供了统一的、友好的、易操作的用户界面，监控画面上的各静态和动态元素通过图形编辑器可组态、动态配置；监控界面设备图标以不同颜色、不同的动画效果区分显示设备的正常、故障及工作状态，产生“所见即所得”的监控效果。系统图形化设计理念为：图形化显示、图形化的控制、图形化的所得、图形化效果预览。在BIM模型中点击后的设备信息显示如图1-5-31所示。
图1-5-31 BIM模型点击后设备信息显示
（2）可靠、全面的3D GIS电子地图图形化的路段监控。
路段监控系统基于精确位置的高速公路周边基础信息、精确位置专题信息资源，对整个路网重点监控设备的位置布置、整个路网区域对象的空间位置信息、属性数据及救援、调度资源位置及详细配置信息进行展示。采用3D GIS电子位图反映高速公路沿线设施的地理信息：能生成以显示详细路线图为基础的路况背景图；静态显示包括地形、地物、道路、河流、地面构造物及沿线的有关设施，如服务区、管理所、养护工区、医院等；提供所有路段的重点对象静态信息查询，包括路段断面、隧道、立交、桥梁、收费站等位置和桩号、配置信息等，以电子地图图形显示，可进行各种电子地图图形化操作；能够在电子地图上动态显示重点监控对象的交通拥堵状况、道路封闭管制状况、交通事件事故状况、灾害事件状态、道路养护维修状况，这些路段路况信息可通过手动、自动（通过系统获得火灾、通过交通量运算得到拥堵状况等）、其他系统获取；提供对路段所有机电设备的数据采集和控制，如车辆检测仪、可变情报板、限速标志、气象仪、摄像机等；提供对路段所有机电设备数据信息的查询、报表、统计、汇总、打印等数据分析功能。
BIM模型与数据管理和数据融合如图1-5-32所示。
图1-5-32 BIM模型与数据管理和数据融合
（3）基于BIM模型的路段、单体隧道、隧道群无缝监控。
依托BIM模型对数据的管理及3D可视化的特性，强调整体联动监控概念，能够在一个3D GIS+BIM的界面上实现对路段、隧道群、毗邻隧道的整体监控，能够实现对隧道内通风、照明、交通、CCTV、紧急电话、有限广播、火灾等子系统机电设备进行有效监视，能不间断对机电设备进行可靠控制和无缝监控，有极高可靠性和稳定性。在模型中对隧道的监控如图1-5-33所示。
图1-5-33 隧道人工巡检
（4）视频集成整合。
系统通过BIM模型与视频监控设备进行集成整合，实时对视频进行图形化查看、历史视频回放。集成视频监控后能够在各类事件发生时自动弹出视频窗口，并自动切换电视墙、监视器，如图1-5-34所示。
图1-5-34 BIM模型与现场机电设备交互及控制（路段监控实时查看）
（5）多种灵活的手动、自动控制模式和自动控制策略。
对照明、通风、交通进行符合控制原则的策略设计，提供多种控制模式选择，其中：照明提供按季节时间自动控制、光强检测仪自动控制、季节+光强综合自动控制、程序计划任务自动控制；通风则提供前馈式、后馈式、CO/VI检测仪、程序计划任务自动控制；交通则提供手动和程序计划任务自动控制。同时，有权限的操作员可以对各种自动控制策略的详细参数进行配置和修改，即自动控制策略的组态功能。BIM模型与现场机电设备交互及控制如图1-5-35所示。
图1-5-35 BIM模型与现场机电设备交互及控制（车道指示器操控）
（6）多控制手段：单控、预案（群控）、隧道群联动控制预案。
在系统的图形化监控界面和BIM模型上可进行单个设备控制，也可通过预先编制的控制预案进行群控。系统提供了简单易用的图形化照明、交通、通风日常整体控制向导；系统还提供了正常情况下、交通管制、交通阻塞、道路养护与维修、污染物浓度超标、交通事件、火灾发生情况下的相应多种联动处理预案，这些预案根据相应的控制原则由专家评审和编辑后提供，具权威性、实用性。系统提供的联动控制预案既可是单隧道，也可在路段、隧道群、毗邻隧道之间进行联动控制。同时，有足够权限的操作员能够对控制预案进行图形化编辑与修改，可编辑自定义预案，即预案组态功能，如图1-5-36所示。
图1-5-36 BIM模型与现场机电设备交互及控制（风机正反转）
（7）情报板的智能发布。
为了提高操作员的工作效率，系统提供有可变情报板的批量发布功能，可对不同类型的情报板，自动适应发布内容，可进行批量追加和撤销，如图1-5-37所示。根据不同类型的情报板可进行自动排版和分页，可在保留原有内容的基础上进行追加发布，可对上次发布内容批量撤销。
图1-5-37 BIM模型与数据管理和数据融合
（8）多子系统间的联动响应、数据共享。
系统能提供对各个子系统事件及报警的联动处理，包括：与图像事件检测子系统的事件报警联动、与视频监控子系统的报警切换联动、与DVR硬盘录像机报警录像联动、与火灾监控子系统的报警联动、与电力监控子系统的信息联动、与收费系统报警联动、与紧急电话和广播子系统的信息联动。系统与子系统的数据联动后，能够与监控中心电视墙设备进行联动控制，自动切换监视器、DLP大屏、LED字幕机显示、DVR录像等，形成一套流程化的报警及事件联动机制，如图1-5-38所示。
图1-5-38 BIM模型与现场机电设备交互及控制（路灯开启、关闭）
（9）应急事件处置流程。
系统提供应急事件的调度指挥流程，提供详细的应急事件处置流程、救援、交通疏导过程中的各种信息，流程化的服务保证应急事件的及时响应、快速上报。同时，系统建立了预案体系，提供各种应急事件联动控制预案，能够在应急事件发生后进行路段、隧道群的整体联动控制。
（10）完整的历史数据及日志查询、统计、分析。
系统能把实时设备数据和操作员操作的所有信息，包括设备检测值数据、操作记录数据、事件记录数据、预案执行记录数据、设备通信记录数据等数据写入数据库中，由数据分析模块对数据进行统一查询管理分析。数据分析软件具有把实时设备数据和操作员操作的所有信息形成记录，并满足查询、统计、分析、报表、打印等数据分析的功能。
（11）值班管理模块。
系统提供值班管理模块，监控人员能够通过该模块对来访人员、重大事件进行信息化登记、编辑，同时提供对值班人员各类记录信息的查询、统计。
（12）多种控制优先级、控制权限级分配、预留标准化的数据接口。
系统架构适应多级网络架构，提供多种控制优先级别和权限级，可在不同的控制级别和权限下进行安全监控。采用类似于Windows的组控制权限管理，可按功能项分配用户功能，同时长远考虑了与上级总中心的联网、二次开发的拓展、新系统接入等方面，预留了标准化的数据接口，方便进行扩展和数据提供。
（13）大屏展示功能设计。
高速公路监控涉及各类数据的获取与展示，如交通流量、设备状态、气象、能耗、污染物等。这些数据种类多，在系统上的分布散，查看不便，利用率较低。为更清晰地展示这些数据，故将同一类数据集中到一个页面形成专题图来展示，通过专题图可以直观地掌握整个路段和隧道的相关情况，也可以接入其他业务板块的数据，如收费系统、养护系统等，将各个板块的数据在保证内容清晰且简明的前提下动态并有效地展示出来。
（14）系统专题图功能。
采用专题图把复杂的数据图形化，呈现给用户的是一个图形化的展示界面，能够一目了然地得到想要的信息。通过专题图能够直观展示各类型的数据，通过智能化分析，把分析结果进行图形化显示，增强了系统的智能化程度。专题图分为8种，分别为：通风专题图、照明专题图、交通流量专题图、设备故障专题图、电力能耗专题图、气象专题图、事件黑点分析专题图、综合汇总性专题图。
（15）隧道平台通风照明节能智能监控。
系统将通风、照明节能模型植入系统中让平台软件更加智能化，节能增效。系统中主要包括了如下应用：隧道智能照明实施方案及优化配置、隧道照明节能控制技术及应用研究、隧道多竖/斜井及射流风机通风节能控制技术的应用。
（16）隧道营运安全保障及防灾监控。
平台系统植入营运安全及防灾，包括各种情况下的防灾救援预案和各类应急流程，应急事件灾害发生情况下运营安全得到保障，救援及调度指挥更加流程化。系统中主要包括了：火灾报警、灭控火等消防设施的整体状态监测技术、重大灾害事故下二郎山特长隧道及沿线道路协同监控、二郎山特长隧道应急救援预案。
（17）机电设备故障实时监测与维护管理数据交互共享、一体化。
路段及隧道机电设备管理和维护系统根据监控系统提供的数据和操作输入数据在BIM模型中进行融合，根据研究形成包含设备管理、设备维护、设备工作状态的一体式解决方案，并产生相应的管理和维护报表、管理建议、维护计划等方案，并把这些设备信息和设备情况送至监控系统作为控制参考和约束条件。在BIM模型中进行深度数据集成：与机电设备在线故障监测系统在BIM模型中进行集成、一体化，在线监测的故障设备自动进入故障列表进行派单维修，维修结束以在线监测的判别原则为准，自动考核，数据共享交互；与建路段及隧道监控系统在BIM模型中进行设备故障数据与交互，提供机电设备故障信息登录、故障列表及时展示。
（18）基于互联网技术的移动监控系统。
将现有监控管理“移动化”“可视化”“综合化”，让管理者的办公管理更加自由方便。让雅康高速公路公司管理者通过移动设备，随时随地进行移动信息化路网监控，包括：3D GIS+BIM雅康高速整体情况查看、高速公路运行路况查看、车流量情况查看、隧道内各类机电设备运行监控、外场设备监控、移动视频监控等。
运营平台2D GIS界面切换如图1-5-39所示。
图1-5-39 运营平台2D GIS界面切换
（19）大数据的数据挖掘和辅助决策。
大数据的多维度挖掘分析，使得灾害防治结合，做到事前预防得当，事后治理及时。大数据深入挖掘分析及多元化系统组件服务延续定制，包括：交通拥堵分析、交通事件事故预判分析、隧道内行车安全分析、灾害及救援方案分析、交通智能诱导等深入交通及设施状况的分析，将大数据的价值深入挖掘并造福于真实的场景应用。
通过整合挖掘系统车流量数据、车辆类型组成比例有效地反映各路网车辆负荷状况和高速公路的运力组成及演变，对管理部门服务质量的提高、指导运营管理、路网的规划、资源的有效使用、路面的科学保养都具有重要的参考意义，为领导提供决策参考。
1.5.4.3 建设期智慧管理平台功能架构
通过查阅文献、专家咨询等研究手段，结合雅康、汶马高速公路建设期的管理需求，本节分析梳理了藏区高速公路智慧云管理平台的功能架构。平台功能分为5个模块，分别是项目导航、项目概况、标准库、模型配置和BIM应用，如图1-5-40所示。
图1-5-40 藏区高速公路3D GIS+BIM建设期智慧管理平台系统功能架构
1.5.4.4 平台功能展示
狮子坪隧道 3D GIS+BIM建设期智慧管理平台系统基于高速公路智慧云管理平台系统应用改进，此处仅简要对功能进行介绍和展示。
（1）项目导航。
项目导航主要是展示项目整体位置情况，查看项目周边地图信息。此处不再赘述。
（2）项目概况。
本模块主要介绍项目名称、项目编码、开工时间、竣工时间、建筑规模、项目工期、工程地点、施工单位、设计单位以及建设单位等基本信息。对项目进行简单的介绍，浏览图片、视频和表格了解项目的基本信息，如图1-5-41所示。
图1-5-41 项目概况界面
（3）标准库。
该模块主要包括标准库资料、施工相关资料、外部来往文件、其他参考资料以及项目参数。标准库资料包括设计相关资料，其中包含了 C14 标段、C15 标段、C16 标段。施工相关资料包括施工总平面图、施工技术交底资料、施工组织设计资料、专项施工方案以及施工工艺。内容和前文所述类似，此处不再重复。
（4）模型配置。
模型配置模块既可通过添加模型对模型进行导入，也可进行模型的配置， 进而可进行各种工程量的设置以及预设任务的设置。模型文件包括汶马高速-狮子坪隧道、主洞模型（BIM）、通风横洞模型（BIM）、样板段模型以及其他模型，如图1-5-42所示。
图1-5-42 模型配置界面
（5）BIM应用。
BIM应用模块主要包括菜单、隔离、剖切查看、测量工具、标注工具、渲染模式、观察模式、碰撞检测以及模块分组。可通过三维视图对工程的进度任务、质量任务、安全任务以及其他任务有着很明晰的了解与观察，通过对三维视图的观察，不同颜色的部分代表着进度的完成程度，包含计划中、滞后未完成、滞后已完成、按期完成和未计划已完成，可通过平台进行在线添加与修改，以及对施工的模拟。以下分别对BIM应用的各个部分进行介绍。
①菜单。
菜单模块包括单独布局与集中布局部分，如图1-5-43（a）所示。
②隔离。
隔离模块包括隔离选中对象、隔离非选中对象、隐藏选中对象、隐藏非选中对象、取消隐藏和取消隔离，如图1-5-43（b）所示。
③剖切。
查看模块包括自由剖切、XY剖切、YZ剖切、ZX剖切，如图1-5-43（c）所示。
④测量。
工具模块包括坐标测量、两点距离、点线距离、点面距离、对象间距离、三点角度、三点圆半径、表面面积以及对象体积，如图1-5-43（d）所示。
图1-5-43 BIM应用部分功能展示
标注工具模块包括文本标注、矩形标注、圆形标注、椭圆标注、箭头标注以及多边形标注。
渲染模式模块包括着色、网格（隐藏线）、网格、线框以及线框（隐藏线），如图1-5-44所示。
观察模式模块包括动态观察、自由动态观察、受约束的动态观察、自由漫游观察以及真实漫游观察。
图1-5-44 渲染模式界面
1.5.4.5 主要成果
（1）专利。
本课题研究着手现实问题，开拓创新，积极进行技术攻关，通过相关研究已申请国家发明专利2项。在建立狮子坪隧道BIM模型和建立汶马高速3D GIS模型时，通过系统研究及技术攻关，研发了“一种基于Revit Dynamo参数化隧道模型快速建模方法”和“一种基于CASS和CATIA的3D GIS地形模型快速建模方法”，解决了建模过程中的难题。目前“一种基于Revit Dynamo参数化隧道模型快速建模方法”和“一种基于CASS和CATIA的3D GIS地形模型快速建模方法”均已申请国家发明专利。
（2）软件著作权。
信息化、智能化、网络化能够有效地提升高速公路建设期管理效率，本课题设计开发相关软件2项，并已申请软件著作权。课题依托汶马高速公路，通过相关研究调研，并进行技术攻关，开发了“成都能信工程咨询有限公司应用于汶马高速公路的智慧管理云平台系统软件V1.0” （简称“智慧管理云平台系统软件”）和“成都能信工程咨询有限公司应用于汶马高速公路重大节点工程3D GIS+BIM建设期智慧管理平台系统软件V1.0”（简称“3D GIS+BIM建设期智慧管理平台系统软件”），在此基础上进行建设期应用软件的集成与应用示范。
目前“智慧管理云平台系统软件”和“3D GIS+BIM建设期智慧管理平台系统软件”已申请软件著作权。
（3）示范工程效果。
本课题将汇集研究成果应用于汶马高速关键性控制节点工程狮子坪隧道项目，为藏区高速公路的建设期综合管理的信息化、智能化、网络化建设提供了实践基础。该示范工程对我国高速公路建设期管理信息化、智能化和网络化，具有重要的现实价值和理论意义。
同时，示范项目通过研发应用于雅康、汶马高速公路重大节点工程的3D GIS+BIM建设期智慧管理平台，预期还将产生显著的经济效益。与常规建设期应用软件相比，本智慧管理平台将预期节约管理成本约20%，为后续藏区高速公路项目的建设期信息化、智能化管理提供了一定的经验，为其他类似工程提供了指导，推动了3D GIS+BIM技术在高速公路建设期管理等方面的综合应用，进一步提升了高速公路建设管理的信息化水平，对打造交通行业品质工程，促进智慧交通建设发展、提高我国高速公路建设管理水平具有十分重要的意义。
高速公路方便了人们的出行，也连接了各地的物流，带来了巨大的社会效益和经济效益。高速公路的结构越来越复杂、途经地形更具挑战，因此对高速公路运营的要求也越来越高。基于BIM技术的高速公路运营管理，是利用信息化技术对高速公路进行实时、全面的运营管理，不仅提高了管理的效率和水平，节省了运营的成本，更提高了高速公路的安全性能，保证了高速公路的正常、稳定运营，也为人们的安全出行提供了有力的保障。
①BIM技术是一种理念，是贯穿建筑项目的全生命周期的一种管理方法，它提供了可视化三维模型、强大的信息数据库以及协同工作平台等，使建筑项目设计、施工和运营的效率都得到了很大的提升。
②在研究了现代计算机网络技术的基础上，构建了基于BIM技术的高速公路全生命周期管理系统框架，该框架提出了基于BIM技术的数据层、模型层和模块层，三者对于构建高速公路运营管理系统框架有很大的指导意义，为更加有序、高效的高速公路运营管理指明了道路。
③由于信息化技术的高速发展，传统的高速公路运营管理模式已经不能满足人们对高速公路管理的要求了。基于BIM技术的高速公路精细化运营管理和基于BIM技术的协同工作平台对高速公路的运营管理提供了现代化的手段和方法，同时BIM技术应用于运营方案的优化、高速公路能耗水平的实时监测、对高速公路安全性能的保障、应急预案、设备实时监控调整及对运营数据的整理和分析等，也极大地提高了高速公路的运营管理水平和效率。
④通过以雅康、汶马高速公路项目参数化运营管理平台为例，并以其为研究背景，探索、研究、初步建立了基于BIM参数化智能技术的藏区高速公路运营管理系统平台，为我国高速公路的实际运营管理提供了新的思路。