新时代创新性数字孪生技术在交通运输领域的应用

1、“两新一重”为交通出行建设规划带来新格局

 今年5月22日公布的政府工作总结报告，确立了关键扶持“两新一重”的建设规划方针：即进一步加强“新基建”，加强新型城镇化建设规划，加强交通出行、水利工程等主要工程建设。主要交通工程包含高速公路、高速铁路等优选项目，不但是短时间内关键的项目投资方向，而且也是行业长期投资的目标；不仅仅要高质量建设规划，也要长期性的高质量运营管理维护，因此必须要有创新型信息化技术手段的基本保障。全新一代三维GIS（地理信息系统）技术，将支撑主要交通工程的建设管理运用。

 交通运输部在近期内诸多信息化政策文件中也都明确表示促进以BIM（建筑信息模型）技术为核心的三维技术在交通设计、建设规划、运维管理等阶段的全方位运用，实现精细化管理规划设计、动态化的工程施工管理和智慧化的运营管理养护，结合多源时空数据信息，建设规划BIM+GIS数据可视化平台，大幅度提高交通出行基础设施建设规划和管理能力。

 智慧交通是交通出行行业信息化的发展趋势，而三维GIS是智慧交通运用必不可少的基础之一。智慧交通不单单是指交通设施的建设管理会更加的智能化、智慧化，而且通过将交通实体目标信息转化为可展现、可深入分析、可管理的三维虚拟目标，可搭建现实世界与虚拟世界并行处理的“数字孪生”体系，这将是未来智慧交通运用的主要工具与核心模式。

2、全新一代三维GIS技术

1）在主要交通工程建设中的运用

 交通工程建设，尤其是主要交通工程建设，包含了规划设计、建设施工、运营养护等诸多领域。全新一代三维GIS是搭建交通设施全方位数字化的重要基础。首先，它能够提供搭建三维交通设施全要素情景的功能；次之，在全要素三维场景下，它能够基于BIM数据信息为规划设计提供方便快捷的深入分析与展现技术；再次，它还能够与BIM和IoT（InternetofThings，物联网）结合，为建设规划施工提供施工场地、施工过程的精细化管理功能，为运营管理养护提供更加智能和方便快捷的深入分析与管理能力。

2）搭建基于全新一代三维GIS的交通设施全要素基底

 智慧交通建设规划的基础是全方位的交通设施数字化，交通设施数字化的成果，一定是可展现、可计算、可管理的三维交通设施全要素空间基底。交通设施空间全要素基底，是依据交通设施业务需求，搭建精细化管理的设施模型目标数据信息，包含交通设施二维矢量与影像数据信息、交通设备设施三维模型数据信息、交通设施周边环境二维、三维数据信息等。它不但能够承载传统交通出行建设规划、管理、养护等业务，也是交通设施监控、运行大数据挖掘等新业务方向的运用基础。

 基于新的测绘技术，通过BIM建模、倾斜摄影测量、激光点云采集等新型数据信息，可以搭建出精细化管理交通设施三维基底，并且通过累加视频信息、交通动态性状态信息、IoT设施设备状态信息、气象、灾害等环境信息，搭建出一套支持交通设施管理、运行、养护的全要素基底。

3）BIM+GIS辅助交通设施规划设计

 行业内各设计单位在重要工程项目中广泛选用BIM技术进行设计。BIM设计数据信息成果，结合GIS多源数据信息展示与分析能力，可以在设计阶段为客户提供设计过程的分析计算能力和直观性的设计成果展示能力。

 GIS在设计过程中为设计师提供精细化的三维空间分析能力，支持将BIM设计模型迅速导进GIS软件平台后，通过BIM数据信息与地形数据信息的嵌入，如下图所示，可以将道路模型与高精密地形精确融合，实现道路模型在地面上正确展示；还可以提取BIM模型数据信息的建设界限范围，并且将提取结果与地形数据信息累加，可以实时精确计算设计方案中所占地域界限及其统计设计方案中建设土地、人口等信息，为设计人员提供更加方便快捷的选线分析能力，协同设计单位合理选线。

 当最终设计方案明确后，将BIM模型导入GIS平台内，与地形、影像、倾斜等环境数据信息累加，可以为建设单位、业主单体完善全面的展示设计方案。支持对多源异构数据信息进行综合性的场景优化和服务发布，设计方案可以通过在线的方式提供给相关各方在线访问 与查询，还可以通过手机端对三维场景进行访问 。

4）全新一代三维GIS技术协助交通设施实现智慧建设

 智慧建设是交通建设的主要发展趋势。基于BIM数据信息，通过累加建设环境数据信息与施工现场的实时动态数据信息，可在GIS三维基础软件平台搭建一个动静结合的施工虚拟环境。在三维环境中可以将繁杂的建设过程信息与BIM模型中精细化管理的交通目标进行关联，实现交通建设过程的精细化管理，并基于IoT实时数据、施工过程进度数据信息与三维目标结果，实现施工过程的动态性管控。

 交通重要工程项目中的BIM模型数据信息一般而言可达到部件级的精度，GIS支持海量精细化管理模型目标加载展示与分析计算等功能，可以将浩大繁杂的工程建设数据信息与建设目标进行关联管理，所有的建设图纸、方案、监理过程数据信息、物料供给数据信息等都可以与BIM数据信息中具体的设施部件关联，在三维GIS场景下实现对这些施工信息的查询、统计及可视化渲染。

5）全新一代三维GIS支持交通设施在线运维管理养护

 对于交通出行关键工程建设，高效智能的养护管理，是保障交通设施不断运作的关键工作。基于全新一代三维GIS的交通设施养护，可以监管每一个交通设施部件监理运营管理档案，实现交通设施养护工作的动态性呈现与综合分析。GIS具备海量三维数据管理、计算与呈现功能，可以将多个养护工段，甚至是整条线路部件展开集中式统一监管，为设施养护的综合分析决策与信息挖掘打下基础。

 GIS提供了优良的三维场景优化与发布功能，可以支持大范围交通设施运营管理养护三维应用的在线发布，养护人员不论是在Web端还是手机端，都可以直接充分利用网络加载三维场景，查看分析设施部件信息，并依据需要展开动态性渲染。

 借助GIS的多源数据融合功能，可以将各种检测信息与BIM模型在三维场景内展开分析呈现，充分利用三维空间位置关系精确分析交通设施的状态，预测分析各种灾难信息对交通出行的影响，实现设施运营管理养护智能化。

3、全新一代三维GIS技术

1）支持搭建道路运输“数字孪生”

 “数字孪生”是道路运输行业信息化发展的一个关键的方向和应用场景，也是“智慧交通”可视化呈现的关键手段。“数字孪生”是在搭建的要素全面完整、信息丰富的交通出行三维虚拟场景基础之上，叠加动态性交通出行的状态信息，生成一套与现实世界同步，可展示、可测量、可控制的动态性虚拟场景，不但可以在虚拟场景中同步现实世界，而且充分利用搭建交通信息模型，还可以在三维虚拟空间中实现对交通管理控制的仿真模拟，以实现在虚拟空间中对现实世界的科学研究与预测分析。

 “数字孪生”的实现，其核心是三个技术支持：大区域交通出行三维场景迅速搭建，海量动态性交通信息实时呈现，道路运输模型的呈现与模拟。

2）参数化建模技术搭建高精度三维地图

 “数字孪生”首先要可以迅速搭建一套完整的交通出行三维场景。参数化建模技术，是在道路二维矢量数据的基础上，依据道路设施分布、设计参数等信息，结合道路所在地形，充分利用GIS空间模型算法，自动生成三维道路模型，与道路实际形状基本一致。用户充分利用简易的数据输入，依靠GIS软件，就可以实现大范围交通设施迅速建模。相对于手工BIM建模的成本周期更少，相比倾斜摄影测量和激光点云数据的精度更高，非常适用搭建大范围交通出行三维场景。还可以支持大范围参数化模型与重点工程的BIM模型的融合应用，支持更完整的交通出行应用。

 另外参数化建模可以配合三维模型产生公路交通规则拓扑信息，精确的将车辆定位信息、交通事件信息等动态性信息三维模型上进行精确叠加，支持三维导航、道路运输管控等应用。

3）三维GIS场景下的实时动态交通监管

 交通设施管控与运转监管中的动态数据在5G技术与北斗技术的加持下，时效性愈来愈强，数据量越来越大，在三维场景中将海量动态性数据加载呈现，并进行管控、统计、分析，是“数字孪生”场景搭建的第二个关键技术。

 GIS支持三维场景中多源海量动态性信息的叠加呈现、统计与分析，不但可以将北斗高精度定位信息在三维场景中同步动态性呈现，并且能对接IoT流数据服务，将交通设施中传感器信息在三维场景中以可视化的方式进行动态性呈现。后台管理搭建电子围栏等分析服务，对轨迹、形变等信息进行分析监管预警，统计其运转损耗，实现交通设施管控的实时管控。

 GIS不但支持“BIM+GIS+IoT”三维服务在WebGL“零客户端”应用，并且支持手机移动端的服务调用与应用呈现。“数字孪生”服务不再拘泥于管理单位内部，利用互联网还可以实现对应用的广泛性发布。

4）高精度地图下大场景交通模拟仿真呈现

 除了与现实世界信息同步，“数字孪生”场景也需要可以支持交通模型的分析运算与结果呈现。

 交通仿真软件可以根据OD信息，分析计算一段时间内公路交通变化数值。GIS支持在三维场景中，将变化数值利用道路拓扑规则转换为每一条车道上的车辆模型运动轨迹，通过将抽象化的数值变化呈现为动态性的虚拟场景，为交通模拟仿真分析提供交通模拟呈现的功能，利用可视化的技术让专业的数据可以为更多的非专业人士所精确了解，从而为专业数据搭建更多的应用场景。