基于三维gis技术的公路交通数字孪生系统

郑伟皓12,周星宇12,吴虹坪12,李红梅12,朱新童12，文林江122.西南交通大学综合交通大数据应用技术国家工程实验室，四川 成都610031）摘要：数字O生是一种集成多学科属性，通过物理世界与信息世界连接融合达到虚拟现实交互与融合的科

学，其在交通业的落地途径为建筑信息模型（BIM） +地理信息系统（GIS）技术。各类交通基础设施模型要素的交

互关联及O生数据合理建设方案成为制约其发展的瓶颈$立足交通，以数字O生的五维结构模型为指导，在三维 GIS环境下，针对其虚拟模型应包含的几何、物理、规则模型提出了具体的实现技术$分析了交通基础设施分类及

O生数据特点，细化其构件层次关系，实现模型的标识编码与存储方案$依据CAMP5对系统软件进行分类，并依

各层次阐述了验证方法，完成系统验证。最后，基于虚拟模型与数据融合，梳理了像素层、表征层和决策层的应用 开发思路，以期为交通运输领域践行数字O生提供技术参考$关键词：交通运输；数字O生；地理信息系统;建筑信息模型；标识解析体系；数据融合中图分类号：U495

文献标识码:ADigital twin system for highway traffic based on 3D GIS technologyZHENG Weihao1' , ZHOUXingyu1' , WU Hongp-g1' , LI Hongmei12 , ZHUXintong1 , WEN Linjiang12

(1.SchoolofTransportationandLogistics'SouthwestJiaotong University'Chengdu610031'China；

2.NationalEngineeringLaboratoryforIntegratedTransportationBigDataApplicationTechnology'

SouthwestJiaotong University'Chengdu610031'China)Abstract：Digital twin is the science that integrates multidisciplinary attributes and achieves the interaction and inte-

grat9on of v9rtual and real ty through the fus9on of phys9cal world and9nformat on world. D9g tal tw9n hasbeen ap­

plied in the transportation industry through BIM+GIS technology. The interaction of various transportation infra- structuremodelelementsandtherationalconstructionoftwindatahavebecomethebotleneckrestrictingitsdevel-

opment.Inthe3D GISenvironment'withtheguidanceofdigitaly-generatedfive-dimensionalstructuralmodel'a specific implementation technique for geometric, physical , and regular models that the virtual model should contain wasproposed.Theclassificationoftransportationinfrastructureandthecharacteristicsoftwindatawereanalyzed.

Then thelayerrelationshipofitscomponents wasrefinedandtheschemeofidentificationcodingandstorageof modelswasimplemented.Furthermore thesystemsoftwarewasclassifiedaccordingtoCAMP5 andtheverifica- tion method wasexplainedaccordingtoeachlayertocompletethesystem verification.Basedonthevirtualmodel

anddatafusion theideasofapplicationdevelopmentofpixellayer representationlayeranddecisionlayer were combed whichcouldprovidetechnicalreferencesforachievingdigitaltwininthetraficfield.Keywords:transportation； digital twin； geographic information system； building information modeling； identification

analytcsystem；datafus9on收稿日期：2019-06-12;修订日期：2019-09-20$ Received 12 June 2019；accepted 20 Sep. 2019.第1期郑伟皓等:基于三维GIS技术的公路交通数字O生系统290引言交通运输系统是四个现代化建设的重要保障，

在“一带一路”战略规划背景下，互联网+、智慧交通 提升到国家新战略。智慧交通的基石是建立可映射 物理世界的虚拟世界，因此大多数交通管理平台项

目通过抽象建模构造二维电子地图，并在抽象模型 上集成数据及分析工具，实现运营期信息化管理。 随着设计、施工、运营全生命周期细化管理日益增长

的需求，传统的交通地理信息(Geographic Informa­

tion System-Transportation，GIS-T)系统的压力也 随之增加。朱庆E认为将交通基础设施数字化映射为三维

信息世界的技术方案是突破二维GIS-T系统局限

的有效途径，其已成为交通信息化研究的热点课题， 目前研究主要集中于建模、数据库协同、可视化

分析$(1) 在建模方面，通过三维GIS场景中集成建

筑信息模型(Building Information Modeling，BIM) 软件创建的地物模型达到宏观和微观的信息表达是 最直观的思路实践发现，交通以线状工程为主，

其结构复杂性远低于建筑工程［3］，照搬建筑业BIM

不可复用的手工建模方式具有高人力投入的特点， 缺乏项目各生命周期出现的模型、选线变更高效应

对手段。点云、倾斜摄影等基于机载激光雷达的标

准数据(LIDAR Standard，LAS)雷达和图形学的建 模方法十分先进但只适用于运营期，且模型单体化

处理技术尚不成熟，难以将场景准确地划分为单体 化模型对象集成的相应O生数据$(2) 在部署及数据协同方面，目前以WEB为中心的浏览器/服务器模式(Brower/Server，B/S) 部署方案已较为成熟可行，开发者可将创造的资

源和服务在云端进行托管，前端通过表述性状态 传递(Representational State Transfer， REST)风格

face的应用程序接口'AP1) (Application'将 Programming$ Inter-研

究集中于如何通过语义网组织多源数据，以及如 何在满足需求的同时尽可能统一模型数据结构， 以便模型与数据库能够协同应用⑷。由于刚刚起

步，语义编码采取拼音简写的原始方式，存在歧义 的同时，编码包含的语义单薄且语义间关系未$(3) 在可视化分析方面，由于只重视三维几何模型' 重视 、 、 模' 虚拟模型标识解析编码原始，使得三维应用停留在外观展示， 制约了数据集成、三维灾害仿真、地理查询等实用服

开发$

基于公路交通系统特性和以上分析，笔者通 过陶飞等旧提出的五维模型，将基础设施虚拟模

型建设问题标准化为数据O生问题，着重阐述了 针对不同生命周期三维几何模型对应的GIS +

BIM的建模方案，并展示了实施效果，针对O生数 出 与数 识编码方实 互 '应

$ 结、 模方模型 提模及数据库协同，体现其应用价值。最后，以数据融

合的视角探讨了交通数据O生系统的应用并以实 例进行了说明$1交通基础设施几何模型建模流程1.1公路交通几何模型建模方案分析数字O生(digital twin)是以数字化方式创建物

理实体的虚拟模型，在交通运输行业,将道路平纵横 设计绘制为计算机辅助设计(Computer Aided De­sign， CAD)图纸,将路网GIS矢量要素映射组织为

电子地图都属于初级的数字使得 映射 O世界成生范畴 。可GIS '数据结 可

用点、线、面、不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)、栅格、多面体、网络公用数据格式

(NetworkCommondataForm'NCF) 数 结

将交通构筑物映射到数字地球模过程$ 过程 ' 技术，这一映射方式即为 模数 的获取与处理、三维几何建模技术、虚拟模型的数据 组织

$几何建模数据指客观反映现实的地物测量及 设计数据，是建模的基础$因此，需首要解决建模

数据来源问题，表1汇总分析了目前可作为建模 数 件 $ 路设

与 数应用广泛，属于既有数据，因此获取难度较小，地

面遥感数据需要无人机搭载激光雷达专门采集， 数据获取的成本大$另外，需考虑其数据存在的

生命周期，如需将设计方案进行数据O生继而进 行评审，则只能使用设计图纸作为建模数据$综 上所述，应选择道路设计图纸及卫星遥感数据作模数 '地 面 数 作

营期监控的主要数据源$30表1建模数据来源名称 道路设计图纸计算机集成制造系统第26卷CGA建模代码加载到交通地物抽象模型上即可完

信息存在牛命周期主要包含仿息线路平、纵、横，周边地形高程来源 设计院成批量化的三维模型建模「6-。由于交通基础设施属

于线状工程，其特点为规模大但连续重复且几何规

全生命周期律性强，同时线路方案变更可轻松利用抽象模型及 代码形参输入实现虚拟模型变更，因此CGA极为 适用于交通工程几何建模。卫星遥感数据数字高程，地物反射光谱地、卫星建造期、运营期=2三维几何模型建模流程无人机地面遥感数据倾斜摄影期1.2.1 建模数据处理基于以上分析，提出如图1所示建模流程，建模 数据处理是指从设计图纸资料和遥感影像提取以下

三维几何模型作为连接虚拟模型与物理实

体的门户，是数字O生实现的基础。三维几何建模

4种信息：(1) 地面地形测量数据，通过CAD图纸中的等 高线图层进行提取。手段主要分为手工建模和规则建模，其中：手工建模

指人利用Revit等BIM软件将CAD图纸翻模为三 维模型并转化为GIS支持的数据格式，最后根据测

(2) 卫星高程，与(1)融合用于创建场景数字高 程模型(Digial Elevation Model，DEM) o()道路平纵横信息来源于CAD设计文件，用 于抽象线路模型建立，及辅助修正DEMo量信息匹配至数字地球的某一坐标，完成共享;规则

建模又被称为自动化批量建模，目前具有代表性的

软件为ESRI的CityEngine,旨在将地物的几何、纹 理等信息利用计算机集成规则(Computer Genera­

(4)纹理材质，采集水泥、沥青路面照片，用于

ted Architecture，CGA)语言进行描述，二次开发的

CityEngine中的CGA建模贴图$图1几何模型建模流程1. 2. 2 建模地形及抽象模型生成过一定的控制方法，如严格按照规范养护与校准仪 器、严控放样的精度等，可降低或避免测量误差(一

DEM 数 地 面 地 形 量 及扫描，其中地形测量数据通常集成于道路平面设计 般可以将高程误差控制在厘米级)$在实际工程中， 虽然能够将误差控制到足够小，但由于条件限制，难

图中的等高线图层(等高线间的疏密程度直观地表 征地形精确程度)$在公路选线设计阶段，一般需要 基础的地面测量高程作为基础进行前期选线评估等 工作，此类测量数据需要工程测量团队进行实地勘

以保证对地形进行连续测量，继而引发采样点形成

非凸集合，同时TIN构造地形原理为将测量点利用 不规则三角网连接起来从而逼近地形曲面，非凸集 性质势必造成错误赋值。图2所示为高程数据是否

测，勘测具体按照中华人民共和国国家标准:工程测 量规范⑺执行。而其测量成果一般包含勘测的地形

凸集化处理所形成的DEM效果比对，由图2可知，

地物图纸数据以及部分精准的全球定位高程控制点 在地形点非凸边界，三角网也会连接，生成错误地

数据，通过对能够形成携带高程信息的等高线CAD 形$因此，解决该问题的关键即为保证采样点为 凸集。对高程精度要求不高的区域可使用遥感高程补 齐以解决非凸现象，遥感高程通过等级机制来划分图纸图纸进行数字化处理，沿等高线进行等距采样 可 GIS

出创 TIN

地形 件 o影响测量精准度的因素主要为人员、环境、仪器$通

第1期原始点集数据郑伟皓等：基于三维GIS技术的公路交通数字O生系统等高线模型31GIS中的DEM3D曲面模型—图2 DEM处理其对应的精度，目前分级从最低Level-0 %精度为 134. 75 km）到最高 Level-18 %精度为 8. 22 m）共 19

在完成二次设计后，使用放样工具将之导出 为点集与GIS 管理工具生成

（如图3），并在GIS中使用数据个等级。其划分的依据为每 应正方形区，区域量抽象模型$连续地物GIS中生成线要域 , 地理区域的描述中，若遥感高程等边

描述也

（桥隧路中心线）五米

高，对应 ，调用18

，离散地物（如桥墩）扌

。因直接转化为点要模

数目越多，对地形高 $特别地，挡土墙虽然属于连续地物，但其贴合 地 形 ， 线 抽 模 型

高程即可达到对目标区域高层效最逼近真实的描述，将其与地面地形测量数据 好$嵌 可 地面地形测量数 连续的问 题。遥感高程数据提供了 tif图像格式的原生支持，

此类文件通过GIS中“contour算法”可 工测量地形

出与人设计隧道与立交二次设计结果

高线CAD $ 地形效 足凸集$好容差后，利用地面测量高程与 高程 ：线路地理参考放样点曲面 ，合并前 2 ， S图3二次设计结果与放样点地面测量地形

（凸集），既满足

高程 赋值1.2.3 规则建模国家在0

提高建模最 模 型 程度,7-$ 的数据；

模型设计交付标准》中提出抽象模型 维空间展示线路 技术$令人遗憾

模的基础，如何精确地在三纵横

（LevelofDetails， LOD）工程各生命周期的虚拟模型精细化

，此问 忽视，兼然

设计期

期

体 到 路、桥梁等O生规划层面线路平曲线， 得线路纵断面

曲线表面插值到地形（DEM）以$

功 面模型，体 大体

问题：①造期，到如桩基 尺寸，O生 模数据条件设

件层面的DEM是由TIN算法得出，TIN本身属于一种逼近 方法,其高程的误差

模型，体

$结

数递至纵断面；②

分析，模型 到 细程度取决模方案填方一定会对地形做出改变， 线路与模数据，

地形联动编辑， 出现“地形突兀”现象。因此可$设计期具备 路 线 纵横 、原始 地形及经横断面修正的设计地形，其建模诉求为快

通过Civil3D二次设计将二 线路设 生成抽象模型，具体步骤如下：1 通过绘制工具将平曲线要素还原为

Civil3D路线对象$速地将抽 量模型转化 模型$独立CGA建模方案可比喻

，完成纵断面设计。CGA 成 模$

“曲线积分”过程，用2将设计文件中的纵断面要素，通过桩

号 线路

、纹理函数描述横断面构造，该横断面构造 “被积函数*沿 线路径积分即可完

步骤3通过横断面装配，完成建模参考地形 （DEM）的精确校正$，桥、道、隧 全 横断32计算机集成制造系统第26卷面，且无法由代码形参输入改变，因此函数为一分段

函数。4分别设计CGA对象，再通

过抽象模型与参考地形的高程差 应 总承哪个对象（需考虑误差），继而使用由CGA函

数描述横断面的“被积函数”完成建模。此代码 可自适应地结合参考地形，对道路、梁桥、隧

但独立CGA建模方案存在以下问题:①CGA几 何创造函数能力有限，难 模

塔柱、悬索等复杂结构E量自动建模，形成展示方案。图5山区高速公路的互 立 模，在地形的作用

足;②在工程 期，模型 由分项构件装配成整体工程，纟 分项构件上细化O生其下，抽象模型会自适应的生成道路、梁桥#

O生于抽象模型 路

，可作为CGA的形参动态建模，模比对，右图明高精方

实 种 ，纟

，而独立CGA模型依赖道路 线去继承横断面成建模，纟 怎 承也

，通过改变数 可完成

足LOD 3.0构件 付5 过对闸

因此，本文提出装 CGA建模方案,其思路 工方才能实施（即1. 2. 2 述地形突兀

程预制，现实工程都可由设施基本结构分类，预制件

工程，虚拟模型也可参照现实，预制模型簇构筑 虚拟模型。该思路成

&独立CGA建模数据依赖小， 度地形时，可结合多光谱

线路矢量数模方案基本思路之以构件为叶结

树「8-,纟 成大规模批量建模$一将现实地物分

状结构，依此结构将现实物理实体按构件的拓扑关系 转化为抽象模型，编写CGA代码 体

“装配体*，以装索的SolidWorks框控制构件大小，再使 制构件建模并形成

3D文件，最后使用i函数将“装配体”替 模型即可，如图6 。构件依分属划 GIS ，在保证最终模型为独立单体量化操作条件$装配型线面抽象模型，实现工w轴赋，满足依

CGA代码 依 项形参设

值、旋转、平移及目标模型

路径和染色，共计11可。其技术难 创造一种通扑映射为抽象模型$映射方法将构件的装配空

李生数据静态结构属性数据

.二.

实时结构监控数据

应用平台三维几何模型工程演示与信息查询通过机器码与模型相连接所有构件实体与矢量------------►共享唯一机器码主键实际监控 运营数据相交、矢量框选 完成空间查询分析结果可视化图6李生数据、虚拟模型、应用间关系第1期郑伟皓等：基于三维GIS技术的公路交通数字O生系统332标识解析体系及＞生数据2. 1交通基础设施分类树依据上述分析，实现L0D3精度的建模方案往 往着眼于某一对象，根据个人认识对对象进行拓扑 分解并建模，缺乏统一标准。与此同时，虚拟模型必

经过多年发展，交通工程学作为一个知识领域， 目 含成 知 识 体， 体 概念可作为基础设施分类依据。本文拟以交通工程中最

复杂的斜拉桥阐述分类过程。一条公路工程由桥道

隧组成，斜拉桥作为桥梁的一种，由其上下部、桥塔等 具体实现某一功能的单元组成（如下部结构实现将桥 梁荷载传递至地基）；实现功能依赖于各个单系统分

须考虑其O生数据存储及应用中的数据交换，如桥

梁可简单分为桥面和桥墩，将配筋情况数据O生至 桥墩时，如果墩柱和承台的配筋间距不一致,设计数 据库就出现了困难。若要一并解决分解方案及数据

O生问题，自然先要解决交通基础设施分类问题。工协作（如桥墩传递上部结构荷载至基础，基础最终 将荷载传递至地基），而单系统由不可再分的构件组

成。斜拉桥分解如图7所示，树状结构足以容纳常见 构件，足以满足拓扑分解，且为后续工作打下基础。概念级

功能级

图7基础设施分类树（斜拉桥局部）2.2标识解析编码随着几何模型的建立，初级数字虚拟世界的“骨

别。落实到本系统即提出一种机器码编撰方案，为 所有模型单元构造“身份证*，其主要内涵为：①为实

架”被搭建起来，但来自物理实体O生数据只需集成 体ArcGIS要素固有的属性数据表提供主键；②提 供有效途径，以便将异构数据源的数据连接至虚拟 模型；③具有一定的含义，可进行一定的简单筛选查

至其映射模型即可的思路无法解决数据的多源异构 性问题。举例来说,针对某段桥面这一物理实体，同

时包含静态混凝土抗冻等级和动态交通量信息，其 询。如图8所示为设计4个区来编撰机器码如图8 所示，以类型区、桩号区、公路编号区、构件编号区编

数据存储的逻辑模型显然异构，将每小时的交通量

设计为一个字段与混凝土抗冻等级存储在一张表内

无疑为一种黑色幽默；同时实践表明，关系型数据库 设计要求至少满足三范式，即将同一物理实体的不

撰方式展开叙述，为论述方便，标识解析码简称机 器码$同类信息分别进行存储，如果没有行之有效的主键 设计,一对多的存储必然引发“信息孤岛目前,标识解析被认为是唯一有希望解决“信息 孤岛”的技术,10-。首先标识解析编码的概念应从两

（1）类型区方面理解，标识指构造某种符号区分实体，解析指构 造的符号应该具有规律和语义，易于被人或机器识

交通基础设施分类树体现了各项基础设施构件 的本体关系。由图7可知，利用类似huffman

>4计算机集成制造系统第26卷树［1112］的结构规律，可以将任何斜拉桥分解为具体 构件，构件模型位于“叶结点”，从根节点到叶结点的 分类路径即可作为其类型编码依据。对于整个公路

而言，拟设计六位数字进行编码，如“223013”代表桥 梁一拱式桥一上部结构一主梁一箱梁，其中，0表示

在此分类层面无分支。此类编码方式可对106种构

件进行编码，容量可满足需求，再加两位起始结束

(B、E)字符用于标识第一区域。这样做是因为纯数 字分类编码会与桩号编码区的里程位置混淆，引发

查询错误。如需要查询路段上所有照明灯的集合， 可使用LIKE“601”进行模糊查询，但若桩号区有

K010601字段，则位于10 km 601 m处的构件单位 将被全部查询出来。若加上起始和结束字符，则可 将查询范围限定在类型区，避免查询错误$(2) 桩号区里程桩号作为特定道路段精准定位手段，在前

文二次设计时产生，基于已有道路平、纵、横设计文 件对路线对象进行GIS图层绘制，并将线路离散化 为以中心线为基准的等距采样点集数据，进而添加

桩号字段并批量赋值，所有构件对应的里程桩号也 随之确定，在机器码中添加桩号即可快速的对某路 段某模型进行追踪$(3) 公路编号区与构件编号区由于里程桩号来源于线路设计，是一个局部变

量，在多条线路组成的系统中会出现重复，因此添加 公路编号区用于保证唯一性(如G15X)。同时，构 件的桩号继承于对应的线路中心线，而在一个横断 面中存在交通设施对称建造的情况，因此最后设计

两位构件编号确保机器码唯一性。本文通过在构件地物的抽象模型(点、线、面)上 加载建模规则，完成三维几何模型创建，现实构件、 抽象模型、实体三维模型是一一对应的，随着场景的

精细化大型化，构件对象数目几何增长，必须从规律 入手，编写程序自动为虚拟模型填充机器码。思路

如下:将某一图层(如某段线路的桥面)的模型应有 的机器码字段拆分为4部分，如G15公路120里程

段起点的沥青混凝土桥面所对应的机器码为 “B235121EK012001G15X01 ” 拆分为分类码： “B235121E”；桩号码：“K012001”；公路编号码： “G15X”；构件编号码：“01”。此图层的模型均为

015公路内沥青混凝土桥面，因此分类码、公路码批

量固定为B235121E、G15X,若路段中心线离散化点 集采样距离为5 m(由前文放样方案确定)，其临后 的桥面的桩号码为“K012006”，以此桩号递增5 m

直至讫点，最后将4个字符串合并，并循环赋值到对 应机器码字段 可 成自动填 $2.3交通基础设施挛生数据分析O生数据(Digital Data，DD)是数字O生的驱

动' ,1>- 出 实 体 (Physical Entity'PE)数据、虚拟实体(Virtual Entity，VE)数据、服

务数据(Service，Ss)数据、知识数据及融合衍生数 据的基础分类，在公路交通数字O生系统落实为：基础(1) PE地位相同 ，基础PE数据是数字 设 全 O生驱动的' 自 公路实体，主要包括:实体属性、实时运行状态、运行性能及

环境4方面数据$全要素物理实体首先包括反映基 础设施实体材料、参照国家标准、设计性能等静态结属数$(2) VE数据为VE包含的数据，VE是多维度、 多空间尺度对PE进行刻画和描述的模型，落实到 本文即为通过GIS、CGA、Solidworks等软件根据

PE建立的抽象实体模型$ VE数据分为几何数据 (几何尺寸、装配关系、位置)和通过机器码关联数据 库的属性数据(材料属性、载荷、配筋、工法)$(3) 服务数据(Ss)是对数字O生应用中所需各

类数据、算法及仿真结果等进行服务化封装，Ss数 据包括算法、模型、处理方法等数据,3$以实现某

区域积水仿真服务为例进行阐述，此对象的PE为 现实中某一区域，以涉及的VE数据为依据创建此

区域的高程地形及该区域路面积水监测设备的位

置、读数$ Ss数据指V8算法处理地形后分析得出真、 真结 结 地面积

设备 数进行赋值的程序及最终展示的栅格数据，其鲜明特

征可在VE数据上加工得出，区别于狭义的结构化 数据，是更加广义的数据、文件$本文从数据关联的角度提出4条原则，保证虚

拟模型与O生数据之间的联系，具体如下：(1) 依据上文分析，机器码已完成VE中海量物实体 唯 识，

过机器码

虚拟模型即可完成数据的O生(图8展示了桥梁下部结构 的数据库设计)。因此，提出第一条设计原则：所有 虚拟模型以机器码作为主键，在开发专题数据库时，

调用此主键进行连接以获得相应数据$(2) 本研究的实体具有GIS特色，在第一章建模过程中，每一个三维实体模型单元都基于抽象矢 量模型生成， 抽 实体模型

实体

第1期郑伟皓等：基于三维GIS技术的公路交通数字O生系统35度的映射（图8虚拟模型）；另外，GIS的很多空间分 析工具以矢量为输入进行分析％D缓冲分析、邻近

汇总分析），生成VE数据，放弃矢量抽象模型等于 阉割分析功能，因此提出第二条设计原则：针对同一

物理实体所有维度映射的模型应作为一整体，共享

机器码。（3） PE数据还需反映现实的运行状况（应力传 感器）、实时交通量（环形线圈传感器、闸机读数）等

具有动态性的数据，因此提出第三条设计原则：对于

具有动态性的PE数据，应遵从其传感器进行数据 库设计，再通过存储过程及机器码匹配至虚拟模型

完成数字挛生$（4） 对于PE中具有地理信息特征的数据，可利

用GIS的要素进行存储。只要拥有规划七线、实时 风速分别等专业矢量地图（图8数据层中矢量地 图），则可以利用GIS矢量相交工具轻松完成目标

模型的关联，如在虚拟模型的属性中添加空间参考 信息，将极大地增加数据维护难度$因此，提出第四

条设计原则：使用绘制专业矢量图层的方式存储具 有空间性质的环境、规划信息。通过以上手段可实现交通基础设施的数据集成

和初步描述性可视化分析，在此基础上借助数据融 合技术，将PE数据融合为VE数据、知识数据，最 终实现解释性和探索性分析$3数据融合与系统验证3.1数据融合开发应用服务于用户是数字O生现实意义，对

O生数据进行不同层面的融合是实现应用的重要手

段。为应对不同层面的数据融合，VE模型也进一

步被细分为几何模型、物理模型、行为模型和规则模 型页。根据数据融合在交通运输领域的应用历史，

最 目 基础 设 模型上，利用不同层面的数据融合算法（表征层、决策 层）计算其O生数据，得到反应其物理和运行规则的

仿真结果。在这个过程中，交通数字O生系统中的 几何、物理、规则模型可映射为数据层、表征层、决策

层如图9所示，其中物理模型指在几何模型的基础 上增加了 PE的物理属性、约束及特征等信息，规则 模型可基于物理模型得出属性及特征（如路网中车

辆空间分布模式特征栅格），通过规则的学习和演化 （如CNN学习栅格图像的特征），使VE具有实时评 估、优化和预测的能力，对PE进行控制和运行指

导「⑷，最终供用户进行精准管理与决策。因此，本 文所指的几何模型、物理模型、规则模型具有鲜明的

层次性，前者依次为后者的基础$前文所叙述的几何建模、标识解析过程旨在建 立虚实间的桥梁及数据O生问题，因此数据层包含

虚拟几何模型与O生数据$数据层的算法主要围绕 如何使数据精准一致，保证映射质量，主要解决的问

题及方法为：①配准问题，浮动车技术、卫星遥感影

像、设计图纸等数据分别存在定位误差、卫星姿态、

投影等误差源$差分GPS可解决由于GPS的内定 向元素引发的定位误差，如果车辆GPS轨迹可知， 还可使用Kalman滤波进行位置估计；三次卷积 （cubic convolution）融合前文建立DEM对遥感影 像进行正射校正，同时还可根据控制点（Ground

Control② 估 问 Point ' ，GCP实 ）对线路设计图纸进行校正难 数 '可$ 使用算法根据其规律做出可信的估计。如使用去芳 香Kalman滤波估计任意无监控节点的交通流信

息，亦如使用Kriging插值法对钻孔数据进行扩

充，以获得更优良地质断层判断依据,15-，服务于道

路选线$③测量问题，基于虚拟几何模型的高精度 快速测量是实现车联网自动驾驶的突破点，若能解 决定位与建模的精度及信号传输速度问题，系统可

只根据车辆位置点计算出其与道路各边界间最远距

离，控制其行进方向，在夜间货车司机疲劳驾驶时进 行有效应急控制，同时虚拟模型较物理实体的限界 更加灵活。如无物理分隔的双向车道，车载自动驾

驶设备必须基于图形学才能保证车辆在正确的车道 行驶，若能绘制一条虚拟限界，该问题就能迎刃$通过对数据层进行统计、分类、插值和聚类，产

生能够反映各种物理量空间分布规律的特征栅格或

矢量称为表征层融合，得到一种特征图层需要多种

>6计算机集成制造系统第26卷空间分析工具融合多种数据层的O生数据和抽象模 型，使用modelbuilder对融合的流程进行工作流建 模利于脚本开发和服务打包发布。表征层数据融合

需实现:①基于各类传感器数据绘制专业矢量图层， 继而可利用专业图层对虚拟模型进行关联分析，达 到交通运输系统状态感知、监测；②对数据层空间数

据进行模式分析，得到如拥堵冷热点迁移、事故核密

度等时空模式特征，继而解决交通流的区域控制的 边界问题[16] $通过二次开发的工作流，数据层的基础O生数 据被融合为反映空间物理特征的表征层信息，管理 人员便可依表征图像做出决策$随着融合因素需要

综合考虑的特征图像的维数增加，决策过程的复杂

度也随之增加。问题的本质为“表征图像+规则= 决策方案”，若存在可信的“表征图像”和“决策方 案”，即可转化为机器学习问题，以机器学习出专家 判断规则做出自动决策$最后，得到其物理及运行特征的过程中所涉及 的几何模型、O生数据和算法的集合即为物理及规 则模型，这种集合最终可以用restful的API描述其

业务逻辑，在数据层资源托管至服务器后，利用API

接口即可以开发WEB应用，最终为各类客户端提 供服务$3.2 系统验证系统生命周期内客观存在基于不同部署方式

IT 架构确认、方案（Standard Operation Procedure，

SOP）的可行性验证、二次开发工作$系统验证报告

有助于在开发、维护、扩展上帮助使用者了解系统， 促进信息交流，最终提升计算机系统全生命周期管

理水平。目前 GAMP5 （Good automation manufac­tory practice 5th）是计算机化系统验证通用指南， 从系统软件分级开展各层次验证方案论述，分级方

2$表2系统软件分级方案类别描述主要项目操作系统GAMP1:分层式软件服务器基础设施软件基础运行环境数

、.NET Fram/workPython、javascript 程 设涉及开发Autodesk旗下的CAD软件ArcGISD/sktop不可配置软件GIS资源的专业软件Solidworks续表2GAMP4:需二次开发或CityEngin/环境可 软件ENVI 到需求的软件网页前端平台GAMP5:

业通过编程实现地理处理服务脚本

定制应用的软件测量统计工具栏GAMP1类别的软件属于IT基础架构，是系统 验证的先决条件，应主要确认服务器（本文包括 ArcGIS for Server Portal、数据库托管服务器）的部

署方式。常见的部署方式为云端部署（SaaS）、本地

部署（On-premises model）及混合部署，云端部署具 有集群部署及使用组织免于维护硬件的特点，在经

济性和可靠性上优于本地部署，若对数据保密性有 特殊要求，也可使用混合部署方式将ArcGIS for

Server部署至本地$另外，为保证开发的应用正确， 软件 型（ 基可 API & GIS 器提供 API版本，如在GIS向Javascript提供的API接口 3. 6 版本和4. 11版本变更中，切片地图服务图层的re­

quire 函数由原来的 esri/layers/ArcGISDynamic- MapServiceLayer 变更为 esri/Layers/TileLayer,若

调用不当，应用程序无法工作$GAMP3类别的软件主要用于开发GIS资源专 业软件，是影响建模方案可行性、质量的重要因素，

应从软件可输出文件格式和行数限制重点对其功能 进行验证。举例来说，CityEngine理论上支持3ds、 fbx、obj等三维模型文件，创造三维素材的GAMP3

类软件需首先判断其是否具有直接或间接的具备 CityEngine支持文件格式的输出能力与输出模型完

整度，在此基础上对软件展开功能测试得出验证结

论，3ds Max、Skecth Up虽具备直接输出3ds的能 力 ， Solidworks 备

接 ， 过与工程软件的文件直读也能达到相应目的，同时其参

数化与复杂工程结构设计能力更强，且前者输出的

模型材质保留完整程度、模型三角节点丢失率等指

标不如后者，因此选用更为可靠的Solidworks作为

3D 模型资 开发 专业工 $ 与 ， 件数限制也 重

， 1 工作测试可行的数据传输文件格式，如生成满足精度要

求的DEM需百万级数据，但xls、xslx无法满足，应 选择平面文件类型（txt、csv）进行传输。GAMP4/5 软件 前 软件基础第1期郑伟皓等：基于三维GIS技术的公路交通数字O生系统37二次开发的软件，其验证手段应面向开发人员进行 “白盒测试”，具体 ：①对CityEngine工作环境管等测试;④审核坐标系，在WEB发布的资源一般

使用WGS84椭球体作为参照，国内设计院偏好使CGA代码、调用模型路径 ；\" ［平；③面克拉索 第三方

基椭球体作为参照(北京54 )，若，可，图码API

向 ,

，审 码 影 ，会产生影响服务的误差。

虚拟模型

基于控件开发可 ，若涉及复杂的地理处理任务，使用modelbulider %隶属于Arc­10 桥梁虚拟模型与天地图底GIS Desktop)对应用工作流脚本进行搭建、发布托 模型无偏移 到 地理位置。数据库服务器网络服务器图10交通数字李生4应用交通数字O生系统可作为实现智慧交通、智慧 城市口3,7”24- 效技术手段，全生命周期内实施数字O生工程，可极大地提高规

工程量、灾害仿真、视觉驾驶疲劳等应用分析，而通 过虚拟空间，这一问题得到极大

。 期，；随过 世界功能实

数

知矢量结果，还可 L，做出应急

提 高 ， 虚 拟关联出受到某种影 虚拟 空

划、设计、施工、运营、安全方面 ，实 1通量工具可应 定义

驾驶技术。因此，虚实交互将化 化，确保 安全高效发展新模式。「心2-、城市

自的运行，如图10所示。(1) 物理世界采集现实中车载、气象、应力(3)灾害监控及安全辅助决策服务 通过交通

数字O生 可有效

等传感器数据与虚拟模型O生，利用数 、表征然 真模拟，得出其影 ，继而提高安融合，达到 态 分感知、动态监全 与应急保 。如针 市内涝，在拥有V8算法［板 算出区域测和可视化仿真。如通过反重力插值(Inverse Dis­tance Weighted，IDW)根据监测点风速数据估计目

市的DEM时，可 量

内的流向、继而得出区域内在一定降雨量下地面流

标区域 口9如，

体

河面浮标位置，结 地面积水实 数据，即可得出实 空 体

真建模，得出实 桥下净区域的实时积水特征矢量(工作流脚本如图10),通 过该特征矢量关联出未受损 路

网络，继而在道，纟I 航、及防汛工作。划期和设计期，工程并不存边环境(视线、光照)、(2) 虚实交互 力受损 路径规划。下，使用VRP「25-方 提供可空间，难以做出

38计算机集成制造系统第26卷5结束语本文以数字O生五维模型为指导，以GIS为具

体技术实现了交通基础设施的数字O生系统$主要

工作包括：(1) 针对交通基础设施生命周期，分析讨论了建

模数据来源，并针对不同生命周期的几何模型提出 了不同的规则建模方案$(2) 基于公路基础设施，提出一套标识解析编码

方案，为构件级建模及O生数据存储提供有效支撑$(3) 从数据融合的角度上分析了不同层面的应

用及主要方法$本文也存在一定局限性，包括：①未实现LOD4 精细度模型低成本实现方式，未来将结合本文提出 标识解析体系划定手工建模的工作范围，基于

WebGL、three. json等方式轻量化实现；②本文的 规则模型实现不足，未来将结合深度学习算法，解决 自动化分类问题，并希望形成建模范式；③系统的形 式化验证还需进一步加强。参考文献：[1] ZHU Qing. 3D GIS and ts application in smart cities,-. Jour-

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