鄭偉皓，周星宇，吳虹坪，李紅梅，朱新童，文林江

(1.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院,四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué) 綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室,四川 成都 610031)

0 引言

交通運輸系統(tǒng)是四個現(xiàn)代化建設(shè)的重要保障，在“一帶一路”戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，互聯(lián)網(wǎng)+、智慧交通提升到國家新戰(zhàn)略。智慧交通的基石是建立可映射物理世界的虛擬世界，因此大多數(shù)交通管理平臺項目通過抽象建模構(gòu)造二維電子地圖，并在抽象模型上集成數(shù)據(jù)及分析工具，實現(xiàn)運營期信息化管理。隨著設(shè)計、施工、運營全生命周期細(xì)化管理日益增長的需求，傳統(tǒng)的交通地理信息(Geographic Information System-Transportation, GIS-T)系統(tǒng)的壓力也隨之增加。

朱慶[1]認(rèn)為將交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化映射為三維信息世界的技術(shù)方案是突破二維GIS-T系統(tǒng)局限的有效途徑，其已成為交通信息化研究的熱點課題，目前研究主要集中于建模、數(shù)據(jù)庫協(xié)同、可視化分析。

(1)在建模方面，通過三維GIS場景中集成建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)軟件創(chuàng)建的地物模型達(dá)到宏觀和微觀的信息表達(dá)是最直觀的思路[2]。實踐發(fā)現(xiàn)，交通以線狀工程為主，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性遠(yuǎn)低于建筑工程[3]，照搬建筑業(yè)BIM不可復(fù)用的手工建模方式具有高人力投入的特點，缺乏項目各生命周期出現(xiàn)的模型、選線變更高效應(yīng)對手段。點云、傾斜攝影等基于機(jī)載激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(LIDAR Standard, LAS)雷達(dá)和圖形學(xué)的建模方法十分先進(jìn)但只適用于運營期，且模型單體化處理技術(shù)尚不成熟，難以將場景準(zhǔn)確地劃分為單體化模型對象集成的相應(yīng)孿生數(shù)據(jù)。

(2)在部署及數(shù)據(jù)協(xié)同方面，目前以WEB為中心的瀏覽器/服務(wù)器模式(Brower/Server, B/S)部署方案已較為成熟可行，開發(fā)者可將創(chuàng)造的資源和服務(wù)在云端進(jìn)行托管，前端通過表述性狀態(tài)傳遞(Representational State Transfer, REST)風(fēng)格的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface, API)進(jìn)行調(diào)用，將內(nèi)容服務(wù)于用戶?，F(xiàn)有研究集中于如何通過語義網(wǎng)組織多源數(shù)據(jù)，以及如何在滿足需求的同時盡可能統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便模型與數(shù)據(jù)庫能夠協(xié)同應(yīng)用[4]。由于剛剛起步，語義編碼采取拼音簡寫的原始方式，存在歧義的同時，編碼包含的語義單薄且語義間關(guān)系未表達(dá)。

(3)在可視化分析方面，由于只重視三維幾何模型，不重視物理、運行、規(guī)則建模，且虛擬模型配套的標(biāo)識解析編碼原始，使得三維應(yīng)用停留在外觀展示，制約了數(shù)據(jù)集成、三維災(zāi)害仿真、地理查詢等實用服務(wù)的開發(fā)。

基于公路交通系統(tǒng)特性和以上分析，筆者通過陶飛等[5]提出的五維模型，將基礎(chǔ)設(shè)施虛擬模型建設(shè)問題標(biāo)準(zhǔn)化為數(shù)據(jù)孿生問題，著重闡述了針對不同生命周期三維幾何模型對應(yīng)的GIS+BIM的建模方案,并展示了實施效果，針對孿生數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)實時交互等應(yīng)用準(zhǔn)則。結(jié)合建模方法提出一套標(biāo)識編碼方案，繼而在物理、規(guī)則模型建模及數(shù)據(jù)庫協(xié)同，體現(xiàn)其應(yīng)用價值。最后，以數(shù)據(jù)融合的視角探討了交通數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)的應(yīng)用并以實例進(jìn)行了說明。

1 交通基礎(chǔ)設(shè)施幾何模型建模流程

1.1 公路交通幾何模型建模方案分析

數(shù)字孿生(digital twin)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，在交通運輸行業(yè)，將道路平縱橫設(shè)計繪制為計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design, CAD)圖紙，將路網(wǎng)GIS矢量要素映射組織為電子地圖都屬于初級的數(shù)字孿生范疇。GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的豐富使得三維映射物理世界成為可能，即可利用點、線、面、不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network, TIN)、柵格、多面體、網(wǎng)絡(luò)公用數(shù)據(jù)格式(Network Common data Form, NCF)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將交通構(gòu)筑物映射到數(shù)字地球，這一映射方式即為建模過程。在該過程中，關(guān)鍵技術(shù)為幾何建模數(shù)據(jù)的獲取與處理、三維幾何建模技術(shù)、虛擬模型的數(shù)據(jù)組織和管理。

幾何建模數(shù)據(jù)指客觀反映現(xiàn)實的地物測量及設(shè)計數(shù)據(jù)，是建模的基礎(chǔ)。因此，需首要解決建模數(shù)據(jù)來源問題，表1匯總分析了目前可作為建模數(shù)據(jù)的文件來源。道路設(shè)計圖紙與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，屬于既有數(shù)據(jù)，因此獲取難度較小，地面遙感數(shù)據(jù)需要無人機(jī)搭載激光雷達(dá)專門采集，數(shù)據(jù)獲取的成本大。另外，需考慮其數(shù)據(jù)存在的生命周期，如需將設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)據(jù)孿生繼而進(jìn)行評審，則只能使用設(shè)計圖紙作為建模數(shù)據(jù)。綜上所述，應(yīng)選擇道路設(shè)計圖紙及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為三維幾何建模數(shù)據(jù)來源，地面遙感數(shù)據(jù)作為運營期監(jiān)控的主要數(shù)據(jù)源。

表1 建模數(shù)據(jù)來源

三維幾何模型作為連接虛擬模型與物理實體的門戶，是數(shù)字孿生實現(xiàn)的基礎(chǔ)。三維幾何建模手段主要分為手工建模和規(guī)則建模，其中：手工建模指人利用Revit等BIM軟件將CAD圖紙翻模為三維模型并轉(zhuǎn)化為GIS支持的數(shù)據(jù)格式，最后根據(jù)測量信息匹配至數(shù)字地球的某一坐標(biāo)，完成共享；規(guī)則建模又被稱為自動化批量建模，目前具有代表性的軟件為ESRI的CityEngine，旨在將地物的幾何、紋理等信息利用計算機(jī)集成規(guī)則(Computer Generated Architecture, CGA)語言進(jìn)行描述，二次開發(fā)的CGA建模代碼加載到交通地物抽象模型上即可完成批量化的三維模型建模[6]。由于交通基礎(chǔ)設(shè)施屬于線狀工程，其特點為規(guī)模大但連續(xù)重復(fù)且?guī)缀我?guī)律性強(qiáng)，同時線路方案變更可輕松利用抽象模型及代碼形參輸入實現(xiàn)虛擬模型變更，因此CGA極為適用于交通工程幾何建模。

1.2 三維幾何模型建模流程

1.2.1 建模數(shù)據(jù)處理

基于以上分析，提出如圖1所示建模流程，建模數(shù)據(jù)處理是指從設(shè)計圖紙資料和遙感影像提取以下4種信息：

(1)地面地形測量數(shù)據(jù)，通過CAD圖紙中的等高線圖層進(jìn)行提取。

(2)衛(wèi)星高程，與(1)融合用于創(chuàng)建場景數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)。

(3)道路平縱橫信息來源于CAD設(shè)計文件，用于抽象線路模型建立，及輔助修正DEM。

(4)紋理材質(zhì)，采集水泥、瀝青路面照片，用于CityEngine中的CGA建模貼圖。

1.2.2 建模地形及抽象模型生成

DEM的數(shù)據(jù)來源于地面地形測量及衛(wèi)星遙感掃描，其中地形測量數(shù)據(jù)通常集成于道路平面設(shè)計圖中的等高線圖層(等高線間的疏密程度直觀地表征地形精確程度)。在公路選線設(shè)計階段，一般需要基礎(chǔ)的地面測量高程作為基礎(chǔ)進(jìn)行前期選線評估等工作，此類測量數(shù)據(jù)需要工程測量團(tuán)隊進(jìn)行實地勘測，勘測具體按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn):工程測量規(guī)范[7]執(zhí)行。而其測量成果一般包含勘測的地形地物圖紙數(shù)據(jù)以及部分精準(zhǔn)的全球定位高程控制點數(shù)據(jù)，通過對能夠形成攜帶高程信息的等高線CAD圖紙圖紙進(jìn)行數(shù)字化處理，沿等高線進(jìn)行等距采樣即可為GIS系統(tǒng)輸出創(chuàng)建TIN所需的地形點文件。影響測量精準(zhǔn)度的因素主要為人員、環(huán)境、儀器。通過一定的控制方法，如嚴(yán)格按照規(guī)范養(yǎng)護(hù)與校準(zhǔn)儀器、嚴(yán)控放樣的精度等，可降低或避免測量誤差(一般可以將高程誤差控制在厘米級)。在實際工程中，雖然能夠?qū)⒄`差控制到足夠小，但由于條件限制，難以保證對地形進(jìn)行連續(xù)測量，繼而引發(fā)采樣點形成非凸集合，同時TIN構(gòu)造地形原理為將測量點利用不規(guī)則三角網(wǎng)連接起來從而逼近地形曲面，非凸集性質(zhì)勢必造成錯誤賦值。圖2所示為高程數(shù)據(jù)是否凸集化處理所形成的DEM效果比對，由圖2可知，在地形點非凸邊界，三角網(wǎng)也會連接，生成錯誤地形。因此，解決該問題的關(guān)鍵即為保證采樣點為凸集。

對高程精度要求不高的區(qū)域可使用遙感高程補(bǔ)齊以解決非凸現(xiàn)象，遙感高程通過等級機(jī)制來劃分其對應(yīng)的精度，目前分級從最低Level-0(精度為134.75 km)到最高Level-18(精度為8.22 m)共19個等級。其劃分的依據(jù)為每個像素元對應(yīng)正方形區(qū)域的寬度，對同一地理區(qū)域的描述中，若遙感高程等級越高，對應(yīng)像素元的邊長越小，區(qū)域內(nèi)所容納的像素點元數(shù)目越多，對地形高層的描述也更準(zhǔn)確。因此，調(diào)用18級的遙感高程即可達(dá)到對目標(biāo)區(qū)域高層信息最逼近真實的描述，將其與地面地形測量數(shù)據(jù)進(jìn)行嵌套即可解決地面地形測量數(shù)據(jù)不連續(xù)的問題。遙感高程數(shù)據(jù)提供了tif圖像格式的原生支持，此類文件通過GIS中“contour算法”可還原出與人工測量地形類似的等高線CAD圖紙。本文在設(shè)計好容差后，利用地面測量高程與衛(wèi)星遙感高程進(jìn)行曲面合并，合并前后的地形效果如圖2所示，其原理為利用精確的地面測量地形對衛(wèi)星高程進(jìn)行賦值(凸集)，既滿足精度又滿足凸集。

抽象模型是規(guī)則建模的基礎(chǔ)，如何精確地在三維空間展示線路的平縱橫信息是提高建模精度的關(guān)鍵技術(shù)。令人遺憾的是，此問題常被人忽視，只注意線路平曲線，利用平曲線表面插值到地形(DEM)以獲得線路縱斷面信息。如此必然存在兩個問題：①DEM是由TIN算法得出，TIN本身屬于一種逼近方法，其高程的誤差會傳遞至縱斷面；②在建造期，挖填方一定會對地形做出改變，如果不存在線路與地形聯(lián)動編輯，則勢必出現(xiàn)“地形突兀”現(xiàn)象。因此通過Civil3D二次設(shè)計將二維的線路設(shè)計圖紙生成三維的抽象模型，具體步驟如下：

步驟1通過繪制工具將平曲線要素還原為Civil3D路線對象。

步驟2將設(shè)計文件中的縱斷面要素，通過樁號匹配至線路對象，完成縱斷面設(shè)計。

步驟3通過橫斷面裝配，完成建模參考地形(DEM)的精確校正。

在完成二次設(shè)計后，使用放樣工具將之導(dǎo)出為點集與GIS通信(如圖3)，并在GIS中使用數(shù)據(jù)管理工具生成標(biāo)準(zhǔn)的矢量抽象模型。連續(xù)地物(橋隧路中心線)五米放樣后在GIS中生成線要素，離散地物(如橋墩)按其坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)化為點要素。特別地，擋土墻雖然屬于連續(xù)地物，但其貼合于地形，在線性抽象模型上建模不如點的貼合效果好。

1.2.3 規(guī)則建模

國家在《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》中提出最小模型單元(Level of Details, LOD)和信息穿深等級用于規(guī)范工程各生命周期的虛擬模型精細(xì)化程度[7]。在設(shè)計期要求體現(xiàn)達(dá)到如道路、橋梁等功能層面模型，體現(xiàn)其大體輪廓和孿生規(guī)劃層面的數(shù)據(jù)；在運營期要求達(dá)到如樁基等構(gòu)件層面的模型，體現(xiàn)其局部幾何尺寸，孿生更加豐富的數(shù)據(jù)。結(jié)合上文分析，模型所達(dá)到的精細(xì)程度取決于建模數(shù)據(jù)，遵從建模數(shù)據(jù)條件設(shè)計的建模方案才具有可行性。

設(shè)計期具備的道路中心線的平縱橫信息、原始地形及經(jīng)橫斷面修正的設(shè)計地形，其建模訴求為快速地將抽象矢量模型轉(zhuǎn)化為三維幾何模型。獨立CGA建模方案可比喻為一個“曲線積分”過程，用CGA語言幾何、紋理函數(shù)描述橫斷面構(gòu)造，該橫斷面構(gòu)造即為“被積函數(shù)”，沿中心線路徑積分即可完成快速建模。同時，橋、道、隧具有完全不同的橫斷面，且無法由代碼形參輸入改變，因此函數(shù)為一分段函數(shù)。

本文首先按圖4分別設(shè)計CGA對象，再通過抽象模型與參考地形的高程差判斷其應(yīng)該繼承哪個對象(需考慮誤差)，繼而使用由CGA函數(shù)描述橫斷面的“被積函數(shù)”完成建模。此代碼可自適應(yīng)地結(jié)合參考地形，對道路、梁橋、隧道進(jìn)行批量自動建模，形成展示方案。圖5所示為某山區(qū)高速公路的互通式立交建模，在地形的作用下，抽象模型會自適應(yīng)的生成道路、梁橋；同時，孿生于抽象模型的道路寬度可作為CGA的形參輸入，通過改變數(shù)據(jù)即可完成快速的動態(tài)建模，如圖5中通過對閘道寬度方案建模比對，右圖明顯需要挖方才能實施(即1.2.2節(jié)所述地形突兀現(xiàn)象)。獨立CGA建模數(shù)據(jù)依賴小，在擁有高精度地形時，可結(jié)合多光譜遙感判讀的線路矢量數(shù)據(jù)[8]，繼而完成大規(guī)模批量建模。

但獨立CGA建模方案存在以下問題：①CGA幾何創(chuàng)造函數(shù)能力有限，難免在塔柱、懸索等復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模上存在不足；②在工程運營期，模型變?yōu)橛煞猪棙?gòu)件裝配成整體工程，繼而在分項構(gòu)件上細(xì)化孿生其現(xiàn)實信息，而獨立CGA模型依賴道路中心線去繼承各種對象完成建模，無論再怎么繼承也是一個橫斷面對象，從原理上無法滿足LOD 3.0構(gòu)件級交付標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文提出裝配式CGA建模方案，其思路源于工程預(yù)制，現(xiàn)實工程都可由設(shè)施基本結(jié)構(gòu)分類，預(yù)制件構(gòu)筑工程，虛擬模型也可參照現(xiàn)實，預(yù)制模型簇構(gòu)筑虛擬模型。該思路成為規(guī)則建模方案基本思路之一[9]。首先將現(xiàn)實地物分解為以構(gòu)件為葉結(jié)點的樹狀結(jié)構(gòu)，依此結(jié)構(gòu)將現(xiàn)實物理實體按構(gòu)件的拓?fù)潢P(guān)系轉(zhuǎn)化為抽象模型，編寫CGA代碼構(gòu)筑“裝配體”，以裝配體的外框控制構(gòu)件大小，再使用達(dá)索的SolidWorks對預(yù)制構(gòu)件建模并形成通用3D文件，最后使用i函數(shù)將“裝配體”替代為模型即可，如圖6所示。構(gòu)件依分屬劃入不同GIS圖層，在保證最終模型為獨立單體對象的同時，滿足依圖層批量化操作條件。裝配型CGA代碼只需依據(jù)點線面抽象模型，實現(xiàn)xyz軸賦值、旋轉(zhuǎn)、平移及目標(biāo)模型調(diào)用路徑和染色，共計11項形參設(shè)計即可。其技術(shù)難點在于如何創(chuàng)造一種通用映射方法將構(gòu)件的裝配空間拓?fù)溆成錇槌橄竽Ｐ汀?/p>

2 標(biāo)識解析體系及孿生數(shù)據(jù)

2.1 交通基礎(chǔ)設(shè)施分類樹

依據(jù)上述分析，實現(xiàn)LOD3精度的建模方案往往著眼于某一對象，根據(jù)個人認(rèn)識對對象進(jìn)行拓?fù)浞纸獠⒔?，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，虛擬模型必須考慮其孿生數(shù)據(jù)存儲及應(yīng)用中的數(shù)據(jù)交換，如橋梁可簡單分為橋面和橋墩，將配筋情況數(shù)據(jù)孿生至橋墩時，如果墩柱和承臺的配筋間距不一致，設(shè)計數(shù)據(jù)庫就出現(xiàn)了困難。若要一并解決分解方案及數(shù)據(jù)孿生問題，自然先要解決交通基礎(chǔ)設(shè)施分類問題。

經(jīng)過多年發(fā)展，交通工程學(xué)作為一個知識領(lǐng)域，其目錄中包含成熟的知識本體，本體的概念和關(guān)系即可作為基礎(chǔ)設(shè)施分類依據(jù)。本文擬以交通工程中最復(fù)雜的斜拉橋闡述分類過程。一條公路工程由橋道隧組成，斜拉橋作為橋梁的一種，由其上下部、橋塔等具體實現(xiàn)某一功能的單元組成(如下部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)將橋梁荷載傳遞至地基)；實現(xiàn)功能依賴于各個單系統(tǒng)分工協(xié)作(如橋墩傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載至基礎(chǔ)，基礎(chǔ)最終將荷載傳遞至地基)，而單系統(tǒng)由不可再分的構(gòu)件組成。斜拉橋分解如圖7所示，樹狀結(jié)構(gòu)足以容納常見構(gòu)件，足以滿足拓?fù)浞纸?，且為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。

2.2 標(biāo)識解析編碼

隨著幾何模型的建立，初級數(shù)字虛擬世界的“骨架”被搭建起來，但來自物理實體孿生數(shù)據(jù)只需集成至其映射模型即可的思路無法解決數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)性問題。舉例來說，針對某段橋面這一物理實體，同時包含靜態(tài)混凝土抗凍等級和動態(tài)交通量信息，其數(shù)據(jù)存儲的邏輯模型顯然異構(gòu)，將每小時的交通量設(shè)計為一個字段與混凝土抗凍等級存儲在一張表內(nèi)無疑為一種黑色幽默；同時實踐表明，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計要求至少滿足三范式，即將同一物理實體的不同類信息分別進(jìn)行存儲，如果沒有行之有效的主鍵設(shè)計，一對多的存儲必然引發(fā)“信息孤島”。

目前，標(biāo)識解析被認(rèn)為是唯一有希望解決“信息孤島”的技術(shù)[10]。首先標(biāo)識解析編碼的概念應(yīng)從兩方面理解，標(biāo)識指構(gòu)造某種符號區(qū)分實體，解析指構(gòu)造的符號應(yīng)該具有規(guī)律和語義，易于被人或機(jī)器識別。落實到本系統(tǒng)即提出一種機(jī)器碼編撰方案，為所有模型單元構(gòu)造“身份證”，其主要內(nèi)涵為：①為實體ArcGIS要素固有的屬性數(shù)據(jù)表提供主鍵；②提供有效途徑，以便將異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)連接至虛擬模型；③具有一定的含義，可進(jìn)行一定的簡單篩選查詢。如圖8所示為設(shè)計4個區(qū)來編撰機(jī)器碼如圖8所示，以類型區(qū)、樁號區(qū)、公路編號區(qū)、構(gòu)件編號區(qū)編撰方式展開敘述，為論述方便，標(biāo)識解析碼簡稱機(jī)器碼。

(1)類型區(qū)

交通基礎(chǔ)設(shè)施分類樹體現(xiàn)了各項基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件的本體關(guān)系。由圖7可知，利用類似huffman樹[11-12]的結(jié)構(gòu)規(guī)律，可以將任何斜拉橋分解為具體構(gòu)件，構(gòu)件模型位于“葉結(jié)點”，從根節(jié)點到葉結(jié)點的分類路徑即可作為其類型編碼依據(jù)。對于整個公路而言，擬設(shè)計六位數(shù)字進(jìn)行編碼，如“223013”代表橋梁—拱式橋—上部結(jié)構(gòu)—主梁—箱梁，其中，0表示在此分類層面無分支。此類編碼方式可對106種構(gòu)件進(jìn)行編碼，容量可滿足需求，再加兩位起始結(jié)束(B、E)字符用于標(biāo)識第一區(qū)域。這樣做是因為純數(shù)字分類編碼會與樁號編碼區(qū)的里程位置混淆，引發(fā)查詢錯誤。如需要查詢路段上所有照明燈的集合，可使用LIKE“601”進(jìn)行模糊查詢，但若樁號區(qū)有K010601字段，則位于10 km 601 m處的構(gòu)件單位將被全部查詢出來。若加上起始和結(jié)束字符，則可將查詢范圍限定在類型區(qū)，避免查詢錯誤。

(2)樁號區(qū)

里程樁號作為特定道路段精準(zhǔn)定位手段，在前文二次設(shè)計時產(chǎn)生，基于已有道路平、縱、橫設(shè)計文件對路線對象進(jìn)行GIS圖層繪制，并將線路離散化為以中心線為基準(zhǔn)的等距采樣點集數(shù)據(jù)，進(jìn)而添加樁號字段并批量賦值，所有構(gòu)件對應(yīng)的里程樁號也隨之確定，在機(jī)器碼中添加樁號即可快速的對某路段某模型進(jìn)行追蹤。

(3)公路編號區(qū)與構(gòu)件編號區(qū)

由于里程樁號來源于線路設(shè)計，是一個局部變量，在多條線路組成的系統(tǒng)中會出現(xiàn)重復(fù)，因此添加公路編號區(qū)用于保證唯一性(如G15X)。同時，構(gòu)件的樁號繼承于對應(yīng)的線路中心線，而在一個橫斷面中存在交通設(shè)施對稱建造的情況，因此最后設(shè)計兩位構(gòu)件編號確保機(jī)器碼唯一性。

本文通過在構(gòu)件地物的抽象模型(點、線、面)上加載建模規(guī)則，完成三維幾何模型創(chuàng)建，現(xiàn)實構(gòu)件、抽象模型、實體三維模型是一一對應(yīng)的，隨著場景的精細(xì)化大型化，構(gòu)件對象數(shù)目幾何增長，必須從規(guī)律入手，編寫程序自動為虛擬模型填充機(jī)器碼。思路如下：將某一圖層(如某段線路的橋面)的模型應(yīng)有的機(jī)器碼字段拆分為4部分，如G15公路120里程段起點的瀝青混凝土橋面所對應(yīng)的機(jī)器碼為“B235121EK012001G15X01”拆分為分類碼：“B235121E”；樁號碼：“K012001”；公路編號碼：“G15X”；構(gòu)件編號碼：“01”。此圖層的模型均為G15公路內(nèi)瀝青混凝土橋面，因此分類碼、公路碼批量固定為B235121E、G15X，若路段中心線離散化點集采樣距離為5 m(由前文放樣方案確定)，其臨后的橋面的樁號碼為“K012006”，以此樁號遞增5 m直至訖點，最后將4個字符串合并，并循環(huán)賦值到對應(yīng)機(jī)器碼字段即可完成自動填充。

2.3 交通基礎(chǔ)設(shè)施孿生數(shù)據(jù)分析

孿生數(shù)據(jù)(Digital Data, DD)是數(shù)字孿生的驅(qū)動，文獻(xiàn)[13]做出了物理實體(Physical Entity, PE)數(shù)據(jù)、虛擬實體(Virtual Entity, VE)數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)(Service, Ss)數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)及融合衍生數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)分類，在公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)落實為：

(1)PE地位相同，PE數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生驅(qū)動的基礎(chǔ)，來自于公路交通基礎(chǔ)設(shè)施中的全要素物理實體，主要包括：實體屬性、實時運行狀態(tài)、運行性能及環(huán)境4方面數(shù)據(jù)。全要素物理實體首先包括反映基礎(chǔ)設(shè)施實體材料、參照國家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計性能等靜態(tài)結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)。

(2)VE數(shù)據(jù)為VE包含的數(shù)據(jù)，VE是多維度、多空間尺度對PE進(jìn)行刻畫和描述的模型，落實到本文即為通過GIS、CGA、Solidworks等軟件根據(jù)PE建立的抽象實體模型。VE數(shù)據(jù)分為幾何數(shù)據(jù)(幾何尺寸、裝配關(guān)系、位置)和通過機(jī)器碼關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫的屬性數(shù)據(jù)(材料屬性、載荷、配筋、工法)。

(3)服務(wù)數(shù)據(jù)(Ss)是對數(shù)字孿生應(yīng)用中所需各類數(shù)據(jù)、算法及仿真結(jié)果等進(jìn)行服務(wù)化封裝，Ss數(shù)據(jù)包括算法、模型、處理方法等數(shù)據(jù)[13]。以實現(xiàn)某區(qū)域積水仿真服務(wù)為例進(jìn)行闡述，此對象的PE為現(xiàn)實中某一區(qū)域，以涉及的VE數(shù)據(jù)為依據(jù)創(chuàng)建此區(qū)域的高程地形及該區(qū)域路面積水監(jiān)測設(shè)備的位置、讀數(shù)。Ss數(shù)據(jù)指V8算法處理地形后分析得出的水文仿真、仿真結(jié)果結(jié)合地面積水監(jiān)測設(shè)備讀數(shù)進(jìn)行賦值的程序及最終展示的柵格數(shù)據(jù)，其鮮明特征可在VE數(shù)據(jù)上加工得出，區(qū)別于狹義的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，是更加廣義的數(shù)據(jù)、文件。

本文從數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的角度提出4條原則，保證虛擬模型與孿生數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，具體如下：

(1)依據(jù)上文分析，機(jī)器碼已完成VE中海量物理實體的唯一標(biāo)識，繼而通過機(jī)器碼匹配至虛擬模型即可完成數(shù)據(jù)的孿生(圖8展示了橋梁下部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計)。因此，提出第一條設(shè)計原則：所有虛擬模型以機(jī)器碼作為主鍵，在開發(fā)專題數(shù)據(jù)庫時，調(diào)用此主鍵進(jìn)行連接以獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

(2)本研究的實體具有GIS特色，在第一章建模過程中，每一個三維實體模型單元都基于抽象矢量模型生成，即抽象和實體模型是物理實體不同維度的映射(圖8虛擬模型)；另外，GIS的很多空間分析工具以矢量為輸入進(jìn)行分析(3D緩沖分析、鄰近匯總分析)，生成VE數(shù)據(jù)，放棄矢量抽象模型等于閹割分析功能，因此提出第二條設(shè)計原則：針對同一物理實體所有維度映射的模型應(yīng)作為一整體，共享機(jī)器碼。

(3)PE數(shù)據(jù)還需反映現(xiàn)實的運行狀況(應(yīng)力傳感器)、實時交通量(環(huán)形線圈傳感器、閘機(jī)讀數(shù))等具有動態(tài)性的數(shù)據(jù)，因此提出第三條設(shè)計原則：對于具有動態(tài)性的PE數(shù)據(jù)，應(yīng)遵從其傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，再通過存儲過程及機(jī)器碼匹配至虛擬模型完成數(shù)字孿生。

(4)對于PE中具有地理信息特征的數(shù)據(jù)，可利用GIS的要素進(jìn)行存儲。只要擁有規(guī)劃七線、實時風(fēng)速分別等專業(yè)矢量地圖(圖8數(shù)據(jù)層中矢量地圖)，則可以利用GIS矢量相交工具輕松完成目標(biāo)模型的關(guān)聯(lián)，如在虛擬模型的屬性中添加空間參考信息，將極大地增加數(shù)據(jù)維護(hù)難度。因此，提出第四條設(shè)計原則：使用繪制專業(yè)矢量圖層的方式存儲具有空間性質(zhì)的環(huán)境、規(guī)劃信息。

通過以上手段可實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)集成和初步描述性可視化分析，在此基礎(chǔ)上借助數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將PE數(shù)據(jù)融合為VE數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)解釋性和探索性分析。

3 數(shù)據(jù)融合與系統(tǒng)驗證

3.1 數(shù)據(jù)融合

開發(fā)應(yīng)用服務(wù)于用戶是數(shù)字孿生現(xiàn)實意義，對孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層面的融合是實現(xiàn)應(yīng)用的重要手段。為應(yīng)對不同層面的數(shù)據(jù)融合，VE模型也進(jìn)一步被細(xì)分為幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型[5]。根據(jù)數(shù)據(jù)融合在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用歷史，筆者認(rèn)為本系統(tǒng)最終目的是在交通基礎(chǔ)設(shè)施幾何模型上，利用不同層面的數(shù)據(jù)融合算法(表征層、決策層)計算其孿生數(shù)據(jù)，得到反應(yīng)其物理和運行規(guī)則的仿真結(jié)果。在這個過程中，交通數(shù)字孿生系統(tǒng)中的幾何、物理、規(guī)則模型可映射為數(shù)據(jù)層、表征層、決策層如圖9所示，其中物理模型指在幾何模型的基礎(chǔ)上增加了PE的物理屬性、約束及特征等信息，規(guī)則模型可基于物理模型得出屬性及特征(如路網(wǎng)中車輛空間分布模式特征柵格)，通過規(guī)則的學(xué)習(xí)和演化(如CNN學(xué)習(xí)柵格圖像的特征)，使VE具有實時評估、優(yōu)化和預(yù)測的能力，對PE進(jìn)行控制和運行指導(dǎo)[13]，最終供用戶進(jìn)行精準(zhǔn)管理與決策。因此，本文所指的幾何模型、物理模型、規(guī)則模型具有鮮明的層次性，前者依次為后者的基礎(chǔ)。

前文所敘述的幾何建模、標(biāo)識解析過程旨在建立虛實間的橋梁及數(shù)據(jù)孿生問題，因此數(shù)據(jù)層包含虛擬幾何模型與孿生數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層的算法主要圍繞如何使數(shù)據(jù)精準(zhǔn)一致，保證映射質(zhì)量，主要解決的問題及方法為：①配準(zhǔn)問題，浮動車技術(shù)、衛(wèi)星遙感影像、設(shè)計圖紙等數(shù)據(jù)分別存在定位誤差、衛(wèi)星姿態(tài)、投影等誤差源。差分GPS可解決由于GPS的內(nèi)定向元素引發(fā)的定位誤差，如果車輛GPS軌跡可知，還可使用Kalman濾波進(jìn)行位置估計；三次卷積(cubic convolution)融合前文建立DEM對遙感影像進(jìn)行正射校正，同時還可根據(jù)控制點(Ground Control Point, GCP)對線路設(shè)計圖紙進(jìn)行校正。②估計問題，在現(xiàn)實中存在一些較難獲取的數(shù)據(jù)，可使用算法根據(jù)其規(guī)律做出可信的估計。如使用去芳香Kalman濾波估計任意無監(jiān)控節(jié)點的交通流信息[14]，亦如使用Kriging插值法對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充，以獲得更優(yōu)良地質(zhì)斷層判斷依據(jù)[15]，服務(wù)于道路選線。③測量問題，基于虛擬幾何模型的高精度快速測量是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛的突破點，若能解決定位與建模的精度及信號傳輸速度問題，系統(tǒng)可只根據(jù)車輛位置點計算出其與道路各邊界間最遠(yuǎn)距離，控制其行進(jìn)方向，在夜間貨車司機(jī)疲勞駕駛時進(jìn)行有效應(yīng)急控制，同時虛擬模型較物理實體的限界更加靈活。如無物理分隔的雙向車道，車載自動駕駛設(shè)備必須基于圖形學(xué)才能保證車輛在正確的車道行駛，若能繪制一條虛擬限界，該問題就能迎刃而解。

通過對數(shù)據(jù)層進(jìn)行統(tǒng)計、分類、插值和聚類，產(chǎn)生能夠反映各種物理量空間分布規(guī)律的特征柵格或矢量稱為表征層融合，得到一種特征圖層需要多種空間分析工具融合多種數(shù)據(jù)層的孿生數(shù)據(jù)和抽象模型，使用modelbuilder對融合的流程進(jìn)行工作流建模利于腳本開發(fā)和服務(wù)打包發(fā)布。表征層數(shù)據(jù)融合需實現(xiàn)：①基于各類傳感器數(shù)據(jù)繪制專業(yè)矢量圖層，繼而可利用專業(yè)圖層對虛擬模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，達(dá)到交通運輸系統(tǒng)狀態(tài)感知、監(jiān)測；②對數(shù)據(jù)層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行模式分析，得到如擁堵冷熱點遷移、事故核密度等時空模式特征，繼而解決交通流的區(qū)域控制的邊界問題[16]。

通過二次開發(fā)的工作流，數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)孿生數(shù)據(jù)被融合為反映空間物理特征的表征層信息，管理人員便可依表征圖像做出決策。隨著融合因素需要綜合考慮的特征圖像的維數(shù)增加，決策過程的復(fù)雜度也隨之增加。問題的本質(zhì)為“表征圖像+規(guī)則=決策方案”，若存在可信的“表征圖像”和“決策方案”，即可轉(zhuǎn)化為機(jī)器學(xué)習(xí)問題，以機(jī)器學(xué)習(xí)出專家判斷規(guī)則做出自動決策。

最后，得到其物理及運行特征的過程中所涉及的幾何模型、孿生數(shù)據(jù)和算法的集合即為物理及規(guī)則模型，這種集合最終可以用restful的API描述其業(yè)務(wù)邏輯，在數(shù)據(jù)層資源托管至服務(wù)器后，利用API接口即可以開發(fā)WEB應(yīng)用，最終為各類客戶端提供服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)生命周期內(nèi)客觀存在基于不同部署方式IT架構(gòu)確認(rèn)、方案(Standard Operation Procedure, SOP)的可行性驗證、二次開發(fā)工作。系統(tǒng)驗證報告有助于在開發(fā)、維護(hù)、擴(kuò)展上幫助使用者了解系統(tǒng)，促進(jìn)信息交流，最終提升計算機(jī)系統(tǒng)全生命周期管理水平。目前GAMP5(Good automation manufactory practice 5th)是計算機(jī)化系統(tǒng)驗證通用指南，從系統(tǒng)軟件分級開展各層次驗證方案論述，分級方案如表2所示。

表2 系統(tǒng)軟件分級方案

續(xù)表2

GAMP1類別的軟件屬于IT基礎(chǔ)架構(gòu)，是系統(tǒng)驗證的先決條件，應(yīng)主要確認(rèn)服務(wù)器(本文包括ArcGIS for Server、Portal、數(shù)據(jù)庫托管服務(wù)器)的部署方式。常見的部署方式為云端部署(SaaS)、本地部署(On-premises model)及混合部署，云端部署具有集群部署及使用組織免于維護(hù)硬件的特點，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上優(yōu)于本地部署，若對數(shù)據(jù)保密性有特殊要求，也可使用混合部署方式將ArcGIS for Server部署至本地。另外，為保證開發(fā)的應(yīng)用正確運行，需要驗證各軟件的版本類型(如基本版和先進(jìn)版可調(diào)用的API不一樣)和GIS服務(wù)器提供的API版本，如在GIS向Javascript提供的API接口3.6版本和4.11版本變更中，切片地圖服務(wù)圖層的require函數(shù)由原來的esri/layers/ArcGISDynamicMapServiceLayer變更為esri/Layers/TileLayer，若調(diào)用不當(dāng)，應(yīng)用程序無法工作。

GAMP3類別的軟件主要用于開發(fā)GIS資源專業(yè)軟件，是影響建模方案可行性、質(zhì)量的重要因素，應(yīng)從軟件可輸出文件格式和行數(shù)限制重點對其功能進(jìn)行驗證。舉例來說，CityEngine理論上支持3ds、fbx、obj等三維模型文件，創(chuàng)造三維素材的GAMP3類軟件需首先判斷其是否具有直接或間接的具備CityEngine支持文件格式的輸出能力與輸出模型完整度，在此基礎(chǔ)上對軟件展開功能測試得出驗證結(jié)論，3ds Max、Skecth Up雖具備直接輸出3ds的能力，但Solidworks具備更豐富的接口，通過與其他工程軟件的文件直讀也能達(dá)到相應(yīng)目的，同時其參數(shù)化與復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)設(shè)計能力更強(qiáng)，且前者輸出的模型材質(zhì)保留完整程度、模型三角節(jié)點丟失率等指標(biāo)不如后者，因此選用更為可靠的Solidworks作為3D模型資源開發(fā)的專業(yè)工具。與此同時，文件的行數(shù)限制也需重點驗證，圖1所示工作流中標(biāo)注了經(jīng)測試可行的數(shù)據(jù)傳輸文件格式，如生成滿足精度要求的DEM需百萬級數(shù)據(jù)，但xls、xslx無法滿足，應(yīng)選擇平面文件類型(txt、csv)進(jìn)行傳輸。

GAMP4/5類軟件為在前兩類軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的軟件，其驗證手段應(yīng)面向開發(fā)人員進(jìn)行“白盒測試”，具體包括：①對CityEngine工作環(huán)境中的CGA代碼、調(diào)用模型路徑進(jìn)行檢查；②驗證平臺源代碼API調(diào)用版本，審查代碼內(nèi)部邏輯；③面向需求，驗證是否基于控件開發(fā)可行性，若涉及復(fù)雜的地理處理任務(wù)，使用modelbulider(隸屬于ArcGIS Desktop)對應(yīng)用工作流腳本進(jìn)行搭建、發(fā)布托管等測試；④審核坐標(biāo)系，在WEB發(fā)布的資源一般使用WGS84橢球體作為參照，國內(nèi)設(shè)計院偏好使用克拉索夫斯基橢球體作為參照(北京54坐標(biāo))，若不進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，會產(chǎn)生影響服務(wù)的誤差。同時，可利用第三方底圖服務(wù)對虛擬模型進(jìn)行精度驗證，圖10所示為橋梁虛擬模型與天地圖底圖的匹配情況，模型無偏移的匹配到正確的地理位置。

4 應(yīng)用

交通數(shù)字孿生系統(tǒng)可作為實現(xiàn)智慧交通、智慧城市[13,17-18,24]的有效技術(shù)手段，交通運輸系統(tǒng)在其全生命周期內(nèi)實施數(shù)字孿生工程，可極大地提高規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營、安全方面管理水平，實現(xiàn)交通管理決策協(xié)同化和智能化，確保交通系統(tǒng)安全高效的運行，如圖10所示。

(1)物理世界 采集現(xiàn)實中車載、氣象、應(yīng)力等傳感器數(shù)據(jù)與虛擬模型孿生，利用數(shù)據(jù)層、表征層融合，達(dá)到對交通運行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測和可視化仿真。如通過反重力插值(Inverse Distance Weighted, IDW)根據(jù)監(jiān)測點風(fēng)速數(shù)據(jù)估計目標(biāo)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速情況[19-20]，又如利用河面浮標(biāo)位置實時的對水體進(jìn)行仿真建模，得出實時的橋下凈空和水體輪廓，繼而促進(jìn)通航、及防汛工作。

(2)虛實交互 在規(guī)劃期和設(shè)計期，工程并不存在于物理空間，難以做出對周邊環(huán)境(視線、光照)、工程量、災(zāi)害仿真、視覺駕駛疲勞等應(yīng)用分析，而通過虛擬空間，這一問題得到極大解決。而在運營期，通過物理世界功能實現(xiàn)的感知矢量結(jié)果，還可快速關(guān)聯(lián)出受到某種影響的交通對象，做出應(yīng)急決策；隨著虛擬空間的精度和數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，虛擬測量工具可應(yīng)用于無人駕駛技術(shù)。因此，虛實交互將定義智能交通發(fā)展新模式。

(3)災(zāi)害監(jiān)控及安全輔助決策服務(wù) 通過交通數(shù)字孿生系統(tǒng)可有效對泥石流[21-22]、城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害進(jìn)行仿真模擬，得出其影響范圍，繼而提高安全管理與應(yīng)急保障水平。如針對城市內(nèi)澇，在擁有某城市的DEM時，可根據(jù)V8算法[23]計算出區(qū)域內(nèi)的流向、繼而得出區(qū)域內(nèi)在一定降雨量下地面流量情況，結(jié)合某點地面積水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，即可得出區(qū)域的實時積水特征矢量(工作流腳本如圖10)，通過該特征矢量關(guān)聯(lián)出未受損的運輸網(wǎng)絡(luò)，繼而在道路通行能力受損情況下，使用VRP[25]方法提供可行的路徑規(guī)劃。

5 結(jié)束語

本文以數(shù)字孿生五維模型為指導(dǎo)，以GIS為具體技術(shù)實現(xiàn)了交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生系統(tǒng)。主要工作包括：

(1)針對交通基礎(chǔ)設(shè)施生命周期，分析討論了建模數(shù)據(jù)來源，并針對不同生命周期的幾何模型提出了不同的規(guī)則建模方案。

(2)基于公路基礎(chǔ)設(shè)施，提出一套標(biāo)識解析編碼方案，為構(gòu)件級建模及孿生數(shù)據(jù)存儲提供有效支撐。

(3)從數(shù)據(jù)融合的角度上分析了不同層面的應(yīng)用及主要方法。

本文也存在一定局限性，包括：①未實現(xiàn)LOD4精細(xì)度模型低成本實現(xiàn)方式，未來將結(jié)合本文提出標(biāo)識解析體系劃定手工建模的工作范圍，基于WebGL、three.json等方式輕量化實現(xiàn)；②本文的規(guī)則模型實現(xiàn)不足，未來將結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，解決自動化分類問題，并希望形成建模范式;③系統(tǒng)的形式化驗證還需進(jìn)一步加強(qiáng)。