基于道路信息模型的湛徐高速公路数字化信息平台开发与应用研究

1、公路2011年1月第1期H I G HWA YJ a n.2011N o.1文章编号:0451-0712(201101-0123-05中图分类号:U495文献标识码:B基于道路信息模型的湛徐高速公路数字化信息平台开发与应用研究李军1,刘向阳2,黄皓1,郭腾峰2(1.广东省高速公路有限公司广州市510100;2.中交第一公路勘察设计研究院西安市710075摘要:以建筑信息模型为基础,引入道路信息模型概念,依托广东省湛(江徐(闻高速公路项目,研究建立了道路、桥梁以及相关构造物的三维模型;并基于G I S环境和虚拟仿真技术,研究开发公路数字化信息平台系统,实现公路三维模型与空间地理位置、测量数据、图

2、纸文档资料等关联信息的实时映射关系,开发应用了可视化的浏览、查询、计划进度、质量检核等诸多专业建设管理功能。系统可有效提高公路建设管理效率和水平,有助于形成公路全寿命的基础信息数据库,能为后期的管养维护提供最为宝贵的信息数据,是对我国公路建设管理信息化、数字化发展的有益尝试和探索。关键词:公路;建筑信息模型;道路信息模型;建设管理建筑信息模型(B I M是21世纪初提出的一项新理念。在B I M中,所有的构件都是智能物体,不仅包含常规的几何信息,还结合了设计、建设过程中的非几何信息(如材料的规格、质量、采购信息、时间属性等。以可视化的B I M模型作为技术方案、工艺、进度等信息展示的载体,能够

3、有效提高参建企业和技术人员间的沟通效率,便于形成更为优化的建设方案。在某种程度上讲,B I M技术正在引发工程建设和信息技术行业一次史无前例的变革。国内外信息模型的研究,主要集中在大型的工业与民用建筑方面,针对公路行业的研究比较鲜见。公路一般为长大带状构造物,建设历时长,参建单位众多,时有局部方案或工艺的调整,常常需要各部门以会议的形式进行沟通和交流,难以实现方案(数据的实时共享和及时高效的沟通。随着我国公路建设事业的蓬勃发展,公路建设管理的效率和信息化水平的需求更加迫切。针对这一需求,本文在B I M概念的基础上,提出道路信息模型(R I M,R o a d I n f o r m a t

4、i o nM o d e l i n g,依托湛江徐闻高速公路,研究建立高速公路建设数字化信息平台的关键技术,实现公路海量数据的高效共享和可视化管理,并将有效的过程信息存储,为日后运营提供公路最为核心的信息数据。1湛徐高速公路数字化信息平台的建立同三国道主干线粤境高速公路湛(江徐(闻段位于雷州半岛,呈南北走向,地势较为平坦,全长114.5k m,采用四车道高速公路标准,设计速度为120k m/h,路基宽度为28.0m。全线有桥梁100多座、涵洞200余道、互通立交10处,另外设置有多处服务区和停车区,建设工期为18个月。湛徐高速公路信息模型的基础是几何模型,因此建立R I M首先需要建立道路三

5、维几何模型,以此为基础通过计算机仿真技术实现公路虚拟环境,并与数字公路平台中信息数据实现关联和互动,从而建立湛徐高速公路数字化信息平台。1.1公路三维实体模型建立基于道路信息模型技术,从满足高速公路数字化建设管理的需求出发,考虑到在公路建设过程中的变更要求,为了信息模型修改维护的方便,三维模型的建立采用分段分类型(路基、桥梁、服务设施等的方法。考虑到国内的设计习惯和设计软件应用的情况,结合设计成果的文件形式(多以DWG形式,路基建模以纬地三维道路C A D系统的道路建模模块为核心,利用A R X开发方式,增加路面结构、安全收稿日期:2010-12-08设施、房建等建模模块,通过提取图纸信息和路

6、线设计数据,建立了全线的路基三维模型(图1。但是需要强调的是,这里建立的路基三维模型不仅仅是路基的几何模型,而且还增加了相关的设计信息,如模型的路基名称、所采用的建筑材料等信息 。图1初始路基信息模型(雷城互通湛徐高速公路桥涵构造物较多,且型式多样,尤其是天桥和分离式立交,型式更为多样化。为了精确地建立桥涵模型,采用A R X开发技术针对不同类型开发了专门的建模工具(软件模块,以控制参数输入和提取图纸几何信息与属性的方式,实现构造物的精确建模(图2。该桥涵构造物不但具有与设计完全一致的几何尺寸信息,而且具有结构部件的总体信息 。湛徐高速公路路线总长114.5k m,构造物较多,仅建立完成的三维

7、几何模型(初始信息化模型总容量即高达1.6G B,再加上对应的数字地面模型(D TM和正射影像图(D OM,A u t o C A D根本无法支持如此大的数据量。湛徐高速公路数字化信息平台采用O P E N G L方式,通过对图像压缩、场景分页和模型L O D等多项关键技术进行研究,开发能够突破w i n d o w s数据处理极限的公路三维仿真平台,实现了海量影像数据(5G B的准确叠加,为营造逼真的公路沿线场景环境奠定了基础(图3 。图3仿真平台界面1.2数字公路平台的建立初始建立的信息模型虽然已经具备了大部分的三维设计信息(部件、桩号等,但还不够全面完整,缺少公路周边环境、路网、水系等宏

8、观信息,且没有与空间地理位置进行必要的关联。为此,以地理信息系统(G I S为基础搭建数字公路平台的主框架,结合文件管理和进度控制的要求,开发文件管理和进度管理模块,通过导入G I S数据(含路线、桥涵、路基路面等设计信息、进度数据(含G P S数据和文件资料数据,从而构建湛徐数字公路平台(图4 。图4数字公路平台界面421公路2011年第1期1.3系统数据的共享和关联三维仿真平台和数字公路平台共同构成了湛徐高速公路数字化信息平台系统。三维仿真平台中存储了公路的三维模型,而数字公路平台则记录着公路沿线的周边环境、与模型对应的设计图以及模型对应的空间地理位置等。建设过程的综合管理和应用对两个平台

9、的数据交换和共享提出了要求。我们采用了C/S架构,通过建立数据服务器管理所有数据,使得数据共享和维护更加方便,通过空间坐标位置、模型对应属性以及路线桩号等方式实现了湛徐高速公路数字仿真平台与数字公路平台之间的实时关联,为管理系统整体化应用,如检索、查询、浏览以及数据检核等诸多具体功能的开发提供了支撑。2关键技术高速公路是长大带状构造物,具有建设历时长、涉及的单位众多等特点,因此,高速公路数字化信息平台无论在空间还是时间上所涉及的数据都是海量的。要实现如此海量数据的高效管理和实时可视化,需要在以下几个关键技术予以突破。2.1基于海量多元空间数据库技术的数据存取技术海量多元空间数据库是指将各种类型

10、的数据,以空间存储的方式将各种数据存放在同一个数据库中进行高效统一的组织管理。湛徐数字公路平台中存取了多种类型的数据、资料,包括公路构造物基础信息、设计图纸、电子地图、数字地面模型、航测遥感影像、G P S实测数据、施工进度信息、施工视频等,将这些数据在同一个数据库中进行科学统一的管理,大大提高了数据的使用效率和共享率,将为建设期及后期运营的管理提供有益的服务。2.2场景分页调度技术由于道路信息模型数据量巨大,受计算机物理内存容量的限制,无法一次性将全部三维场景数据调入内存之中,需分块建立三维模型并按需进行装载和卸载,即场景分页调度管理。湛徐高速公路信息模型数据高达11G B,将其同时装载到内

11、存中是不现实的,只有将整个虚拟视景分块并进行调度拼接。视景的分块与调度过程中的参数,主要由视点的移动速度和机器处理能力决定。以10k m×10k m的地形调度为例,设视景按照200m×200m 进行分块,视点周围只保存1k m×1k m的视景。如图5所示,视点向正上方行进,一旦走入一块新的虚拟视景范围内,即调出最下边的一行视景,调入最上边的一行视景,从而使视点始终位于视景中央 。图5场景分页调度原理示意2.3D OM和D TM数据的快速显示技术D OM和D TM数据的快速显示技术主要是根据视点距离、对象位置的变化调用不同复杂度的模型,即在较远时调用低复杂度模型,在

12、较近时调用高复杂度模型。由于高速公路数据范围大、航空遥感影像和数字地面模型要求的精确度高,因此数据量急剧增加。为了取得精细的描述,巨大的数据量已经成为实现动态三维仿真的瓶颈。因此,对D OM 数据创建金字塔模型(P y r a m i d,图6是组织海量航空遥感影像数据的有效方式,不同层的数据具有不同的分辨率、数据量和细节描述程度,分别用于不同细节层次的表示 。图6D O M的P y r a m i d公路虚拟现实的核心是虚拟现实系统中的虚拟环境建模与实时性仿真,仿真环境的几何建模和物理建模得到的是一个非常复杂的模型。多边形数量越大,以交互速率进行渲染就越困难,甚至不可能。此外,现有的R AM

13、不能满足绘制对大量内存的需求,就会导致大量的内存交换,从而降低系统的交互速度。因此,对R AM的大容量需求也使得普通用户无法承受。所以,为了更好地解决模型复杂性的问题,L O D分割技术是三维公路仿真系统能实时运行的保证(图7。5212011年第1期李军等:基于道路信息模型的湛徐高速公路数字化信息平台开发与应用研究 图7D T M的L O D技术2.4仿真平台和数字公路平台关联技术仿真平台和数字公路平台关联技术,旨在建立公路数字化信息平台系统中的三维模型和数字公路平台中对象的其他信息的关联,为三维场景中模型提供详细的解释说明信息。同时也为三维场景中模型的造型提供更新数据,使三维场景中模型的表现

14、更加准确真实、信息更加丰富全面,将二者有机地关联起来,实现真实意义上的动态交互作用。同时需要创建三维场景模型和对应的索引信息,达到快速检索的目的。3系统主要功能与应用应用型功能的开发与应用是体现数字化信息平台系统实用性的主要表现。结合湛徐高速公路项目特点和建设、监理、施工等各方面的需求,系统开发实现了查询、文档管理、进度计划管理、质量校核、工程量校核等诸多应用型功能,其中主要包括以下4个方面。3.1查询功能及应用除了实体对象查询外,结合公路本身的特点,针对桥梁、涵洞等构造物开发了专项查询功能,可以通过构造物的特征参数查询各类实体对象的信息。专项查询包括总体查询、桥梁查询、通道查询、涵洞查询等,

15、如通道查询可以通过墩台类型、跨径、结构等进行查询统计(图9 文档查询提供了与资源管理器类似的界面,利用关键字或者桩号区间可以方便地管理和查询各类型的图纸文档信息(图10。所有设计文档均以长二进制方式存在数据库中,在便于快速检索查询的同时,也增强了设计文档的版权安全性 。图10文件列表窗口3.2统计计算及应用对于管理者而言,单单通过查询获得图纸、结构型式等信息是不够的,还难以准确地对工程的质量、工程量进行量化。因此除了查询的功能外还需获得相应量化指标,方便总体把握和考核工程进度和工程质量。量化指标可归结为数据校核、数量计算两个方面。621公路2011年第1期对于工程质量方面而言,很重要一点就是界

16、桩、中桩位置的正确与否,路面结构层高程是否与设计相符,等等。这类问题属于点的校核问题,即几何数据校核功能。将现场实测的G P S数据输入湛徐高速公路数字化信息管理系统,即可完成对中桩、边桩、路面任意点等的数据校核,检查实际施工数据与设计数据的误差,为建设质量控制提供可靠的数据支撑(图11 。图11数据校核成果除了点的问题以外,在建设过程也需要对面积、体积的分析与计算,如征地面积、防护面积、备料场、路基填挖方等。通过对这些数量的控制,就可以掌握总体进度、造价等问题。据此,本系统开发了快速计算任意曲面体积(面积的功能。根据G P S等测量数据,系统可以快速进行路基填挖方、备料场、征地面积、防护工程

17、量等空间计算。3.3施工进度数据管理与显示施工进度除了可以从工程量的方面反映出来以外,本系统还采用C/S架构,使用S Q LS E R V E R数据库系统,便于施工进度数据的集中管理与更新。将实测G P S数据导入系统后按时间、标段等存入数据库,通过调取存在于服务器中的数据,客户端可实现施工进度的动态显示,方便管理者对历史进度、计划等全面掌握(图12 。图12构造物施工进度沿时间动态显示3.4实现模拟驾驶和飞行浏览作为可视化的管理系统,湛徐高速公路数字化信息系统支持两种体验浏览方式:一是通过指定路线设计数据,设置行车路径,可方便进行模拟驾驶,即以驾驶方式在整个项目进行快速浏览(图13;二是通

18、过定义关键点快速实现模拟飞行,从高空俯视公路项目,方便公路管理者从宏观上对公路进行线形、环境、安全等方面的感受和评价 。图13行车状态和飞行状态浏览4结论(1高速公路数字化信息平台系统实现了道路信息模型、G I S和海量空间数据的实时关联,以可视化的方式实现检索、查询、实时浏览等多项公路专业管理功能,为公路信息化建设管理提供了新的手段和技术,为数字化施工技术的发展和普及提供了数据环境,有效提高了公路建设的效率和管理水平。(2通过道路信息模型技术的应用,高速公路数字化信息平台系统能够建立并传递完整、可靠的公路设计、建设信息数据(库,为公路运营、养护期的管理提供关键性的基础信息数据。因此,高速公路

19、7212011年第1期李军等:基于道路信息模型的湛徐高速公路数字化信息平台开发与应用研究公路 年 月 第 期 文献标识码： 文章编号： （ ） 中图分类号： 连霍高速公路兰考西枢纽互通改造方案研究 周艳丽 （ 河南省交通规划勘察设计院有限责任公司 郑州市 ） 摘 要：依托连霍高速公路商丘 兰考段改扩建项目， 结合项目 特 点、 形 地 质、 通 现 状、 营 保 通 等， 兰 考 地 互 运 对 科学选定改扩建方案。 西枢纽互通的改造方案进行了综合研究， 关键词：高速公路；改扩建；枢纽互通；改造方案 是国家“ 五纵五横” 连霍高速公路横贯我国东西， 综合运输大通道之一。该高速公路自东向西贯穿河

20、 开封、 郑州、 洛阳、 三门峡等 个城市， 商丘 南省商丘、 兰考高速公路是连霍高速公路河南境中东段。 现有 连 霍 高 速 公 路 商 开 段 位 于 平 原 微 丘 区， 按 （ 公 交通运输部 路 工 程 技 术 标 准 ） 双 向四车道高速公 路 标 准 建 设， 基 宽 度 为 ， 路 计 算行车速度为 。桥涵荷载标准： 汽车超 挂 级， 。 自 年建成通车以来， 商开段交通流量增长 迅速， 年交通量 约 为 万 辆 小 客 车 ， 务 服 水平逐渐下降。而 且 部 分 路 段 需 要 维 修， 常 出 现 经 现有双向 四 车 道 已 不 能 满 足 交 通 量 发 展 拥堵现象， 的需要， 需改建扩容成八车道高速公路。 经核查， 老路全线平、 纵面技术指标满足现行规 标准的要求， 不存在运营事故黑点。综合研究后 范、 高速公路主线采用双侧整体式加宽为主的改扩建方 收稿日期： 商 案。改扩建完成后， 开 段 将 成 为 设 计 行 车 速 度 为 路 的 双 向 八 车 道 高 速 公 路， 基 宽 度 为 互 。由于连霍高速 公 路 主 线 的 改 扩 建， 通 立 交 也需进行改造。 兰考西枢纽互通现状 兰