0 引言

早在2002年BIM技术就开始进入我国的建筑领域，由于单体建筑设计和建造过程是一个典型的多专业协同过程，因此随着Autodesk Revit等国外BIM软件的使用^[1]，非常高效地解决了各专业之间的冲突问题(碰撞检查)^[2]，充分体现出了BIM模型的价值^[3]，使BIM技术在建筑领域得以迅速推广。

与建筑业不同，交通基础设施领域，BIM技术推广相对滞后^[4]，其中的原因很多，比较明显的原因是交通基础设施工程多为线状工程^[5]，局部区域高复杂度没有房屋建筑结构普遍，冲突检查需求不高。但是，这并不是说BIM在交通基础设施领域价值不大^[6-7]。

实践发现：交通基础设施领域需要的不单单是BIM模型^[8]，而更需要的是BIM对数据的整合以及对工程协同管理的促进^[9-12]。因此，面向协同管理，一方面我们要着眼于交通基础设施的全生命周期(设计、建造和运维)；另一方面我们需要与交通基础设施相关的所有信息，包括设计3D模型和2D图纸，交通基础设施周边的地理信息(GIS)数据，测量测控数据，建设全过程管理数据(质量、进度、安全、投资等)，交竣工数据，资产数据，以及运营维护和养管数据等。参照智能制造领域的“数字孪生^[13] (Digital Twins，DT)”概念：交通基础设施工程管理需要的不仅仅是它的BIM模型，而更需要它的数字孪生，即交通基础设施的数字孪生。

本研究在明确交通基础设施工程数字孪生应包含的内容和多源数据来源的基础上，着重探讨、研究面向多源数据融合的交通基础设施数字孪生的实现途径和技术架构。最后提出一个基于BIM技术的满足交通基础设施协同管理需求的平台架构：交通基础设施数字化平台(Digital Infrastructure Platform，DIP)。

1 交通基础设施数字孪生应包含的内容

从时间角度看，交通基础设施数字孪生应包含设计、建造和运维等全生命周期的数据。

从业务角度看，交通基础设施数字孪生应包含设计信息的3D模型(BIM)、测量信息、地质信息、制造信息、图纸、GIS信息、施工过程信息(质量、安全、进度、投资等)、交竣工信息(档案、竣工模型等)、资产功能信息、运维扩展信息等等，如图 1所示。

一个真实交通基础设施的数据孪生应该是一个多源数据的融合体，如图 2所示，包含3D几何模型，GIS数据，设计、施工、运维过程中产生的数据(元数据)，文档数据，以及随着工程推进不断产生的变更数据等。

2 交通基础设施数字孪生基本体系

从技术角度看，交通基础设施数字孪生基本体系^[14-16]应具备如下能力：

(1) 真正兼容多厂商、多类型工程数据源。

(2) 能够整合、加载大体量模型(单体模型体积1 GB以上)。

(3) 能够突破文件，处理构件级的信息及其变更。

(4) 基于云分布式计算与存储。

(5) 具备丰富易用的跨平台数据服务接口。

针对上述需求，首先设想有个“容器”可以把多种来源的数据以某一种规则“收纳”起来，并且这个“容器”是基于云的，分布式的。其次在“容器”的外围有各种各样的服务，能够把数据自动、持续地“收纳”或“接入”到容器中。利用这种假设，本研究提出基于数据多源融合的交通基础设施数字孪生基本体系如图 3所示。

通过不断完善和增加“收纳”或“接入”服务，“容器”的数据不断丰富和充实，基于“容器+服务”的体系承载的数字交通基础设施就越来越与真实交通基础设施相匹配，也就是越来越等同于真实交通基础设施的数字孪生。

当前这种“容器+服务”体系设想可以兼容多厂商、多系统、多格式的数据源，并实现多数据源的真正融合，并且是基于云计算分布式的。但是，这种体系对于“容器”和“服务”的要求非常高，“容器”能够支持大体积的文件或数据块，并且是基于云的分布式的，需要具有足够的开放性，最好能够跨平台；“服务”需要有明确的规则支撑，即语义定义规范，把不同系统、不同格式的数据“收纳”或“接入“容器”前“翻译”成同一种“语言”，即采用相同的语义解析规则，从而实现真正的多源数据融合与存储。

3 多源数据融合“容器”+“服务”体系研究 3.1 “容器”的选择与实现

“容器”最佳的实现是数据库，目前常用的关系型数据库存在如下问题：(1)大数据量的处理效率、稳定性不佳；(2)跨平台以及对移动设备的支持不完善；(3)系统的部署、配置过程长；(4)非开源数据库系统的开放性受限等。

面向单体交通基础设施的数字孪生体系数据总量大概在十几GB到几TB之间，数据格式主要有几何类型数据、数值类型数据、文本数据和各种文档等，无论从数据规模和数据复杂度上都与“大数据”有很大差距和区别，因此“容器”的选择也没必要考虑大数据的架构。另外面向单体项目部署的“容器”，需要轻量化，部署快捷、简便。

综合上述分析，本研究的“容器”选用了SQLite^[17]，其具有如下优点：

(1) 支持大数据量存储(官方数据最大值在PB以上)。

(2) 更高的存取效率，比普通文件I/O存储速度更快。

(3) 零配置，部署快捷简便。

(4) 单文件存储，适合交通基础设施行业多样化的、可能离线的使用环境，结构简洁。

(5) 全面支持SQL语句查询，操作方便。

(6) 系统运行稳定，有丰富的应用案例。

3.2 “服务”的关键-语义定义规范研究

语义定义规范是实现多源数据服务的前提和重要支撑。语义定义的主要工作有：(1)以构件为基本语义定义单元，首先形成构件数字孪生，进而多个构件数字孪生组成一个单体交通基础设施的数字孪生。(2)明确定义构件之间的包含、引用等关系，进而形成多个构件数字孪生之间的层次和网状组织结构。(3)明确定义不同类型构件周边360度的所有信息维度及不同维度包含的具体内容。

通过诸多项目的实践，如图 4所示本研究总结出一个构件的数字孪生应该包含如下信息：

(1) 3D几何，主要用于表达实际构件的几何形状和尺寸。

(2) 功能：对构件作为资产的维度进行描述，方便运维管理。

(3) 分析：对设计阶段和建造阶段的结构、能耗、适用性、美观度等进行定性和定量的描述。

(4) 管理：对设计期BIM及图纸的设计交付，对建设期质量、进度、安全、投资、变更，对运维期的资产、结构检测维修等信息的记录。

(5) 文档：包含图纸、模型文件、档案、各类审批验收文稿等。

(6) 定义：包含构件种类、模板、参考数据库等。

在确定了构件数字孪生应包含的主要信息及归类后，需要对交通基础设施的所有构件进行分类，并细化每个分类中构件的层次关系，以及每个构件的编码。以路桥工程为例，表 1列出了高速公路交通基础设施大类的划分方法。

在确定大类划分的基础上，应该对每个类别进行细化，以便确定构件的层次关系，并同时确定构件的编码，下面以桥涵工程-C为例，说明分类的细化及层次关系。如图 5所示，桥涵工程类包括梁式桥、拱式桥、涵洞等，梁式桥作为子类派生自桥涵工程父类，同时梁式桥包含上部结构和下部结构，下部结构子类又派生自梁式桥父类。通过这种方式就可以非常明确地定义构件的层次关系以及层次编码。

通过单个构件的标准信息定义和构件的标准类型划分及层次化，就相当于定义了一个信息交互的“官方语言”，“服务”做的主要工作就是将来自不同数据源的数据翻译成相同的“官方语言”。

3.3 数字孪生“容器+服务”架构研究

通过SQLite“容器”可以高效、稳定地进行大数据量存取，通过明确的语义规范可以保证不同厂商、不同系统、不同格式的数据以统一标准存储到“容器”中。如图 6所示，首先基于SQLite搭建数据湖(Data Lake)，然后针对不同的数据源对应开发不同的服务，最终将来自不同数据源的数据以相同的语义规范和编码标准存储到Data Lake中，实现真正意义上的多源数据融合。为了更好地加载显示超大模型，将3D模型进行瓦片化^[18]，从而实现显示速度与模型大小不直接相关。通过信息扩展接口和信息检索接口实现本架构的开放性和灵活性。

这种体系有诸多优点，例如将传统的文件级存储提升到了构件级存储，由于感知粒度的提升，可以很好地控制和跟踪结构变更；此外，从SQLite底层到数据存储层架构全部开放便于后期维护和用户自定义完善。由于实现了真正意义上的多源数据融合，数据的可利用度显著提升，从而整个系统会更加智能。以图 6交通基础设施数字孪生体系为核心单元，在此基础上创建数据接口服务和工作流引擎，就可以与电脑、移动设备等客户端对接，从而形成交通基础设施数字化平台。

4 交通基础设施数字化平台基本架构及其特点

交通基础设施数字孪生体系是实现多源数据融合的基础架构体系，在此基础上可以继续扩展，以形成可以满足交通基础设施协同管理需求的数字交通基础设施平台。图 7给出了DIP平台的基本架构。在DIP架构中，一个构件的数字孪生是最基本的数据单元，许多个构件的数字孪生构成了一个单体交通基础设施的数字孪生，而随着工程的推进，不断的加入变更(变更1，变更2等)，最终这个单体交通基础设施的数字孪生就是初始数字孪生与所有变更叠加的结果。在数字孪生体系的基础上，搭建工作流引擎服务和数据接口服务，从而可以实现基于数字孪生的协同管理系统，并且所有这一些都可以在云端实现。

交通基础设施数字化平台包含了交通基础设施方方面面的数据，其具备如下优势：

(1) 相比于单一的BIM模型，它包含与交通基础设施相关的更完善、更全面的信息，从而能够更好地模拟、代表真实交通基础设施；

(2) 能够从底层框架本身支持多厂商，多工程类型数据的整合，例如BIM与GIS的融合、BIM与物联网(IoT)的融合等等。

(3) 基于云的分布式计算与存储，擅长处理大体量数据，并减少对客户端性能的要求。

(4) 对用户而言CIP架构简单明确、接口灵活，支持多任务分发以及离线工作。

(5) 基于“容器+服务”的简单模式，真正将数字交通基础设施管理转到了以用户为中心，以工作流程为中心，有助于加快实现交通基础设施的现代化管理。

在某高速的改扩建工程中，利用交通基础设施数字化平台实现了新建结构的BIM模型、GIS数据、老路以及被交路的航拍数据等多源数据的融合与展示，工程师可以在此基础上进行改扩建方案的规划与调整、改扩建过程中交通组织方案模拟、多点同时施工的可行性分析等工作。由于DIP平台包涵、融合了较全面的工程信息，因此为施工管理的高效、准确决策提供了有力的数据支撑。

5 结论

数字孪生在交通基础设施领域是一个全新的概念，这是当今社会数字化变革的必然趋势。智慧公路和智慧城市建设，以及辅助自动驾驶的精细化导航系统建设等，都离不开数字化的基础设施。本研究通过计算机信息技术，给出“容器”的选择和实现方式，定义了多源数据融合的“服务”，并基于“容器+服务”模式，开发了基础设施数字化平台，通过某改扩建工程的实际应用，该平台能够高效融合、显示BIM数据、GIS数据、航拍数据等工程数据，为工程的协同管理提供了有效的数据支撑。本研究成果对构建智慧公路提供了一种可行的解决方案。