长江大桥全域空间应急管控平台展望

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一、背景及现状

随着人民生活水平不断提高，交通出行者对于高速公路时效性的追求越来越高，通行车辆对高速公路的要求也越来越高。然而，高速公路上普遍存在节假日拥堵、危运车违规，路损和事故频发等现象，因此，如何统筹协调“人、车、路、环境”各要素，加快推进新基建时代智慧高速建设，提升管理服务能力，成为当前高速公路管理者所需面临的重要问题。

（一）现状问题

长江大桥作为高速公路的重要一环，其运行监管主要面临以下问题:

1、车辆缺少管控手段，高频事故难定源

车辆交通事故极易造成现场交通中断、大量车辆滞留。其中大型货车、危化品运输车、工程作业车等重点车型，对长江大桥造成的事故危害性最大，传统的监测手段难以跟踪及消除潜在危机，因此，缺乏统一的桥梁监测指挥交互平台，实现对重点车辆违法上路、偏离、超速等情况进行应急处置、动态监管。

2、事后处置时效低，路段拥堵难消除

路段异常事件的干预措施处置效率，很大程度取决于事件发生后，能否在有效时间内完成事件捕获、上报下达、现场执行等过程。传统的人工监管方式受限海量繁杂的监控画面，视频信息单一、巡检容易错漏百出，无法满足日渐增涨的事件联动处理、路段管控措施执行等需要。

3、传统监控手段局限，安全隐患难定位

长江大桥监控系统存在局限性，一是目前视频监控系统存在监控区域小、范围小的缺陷；二是现有的桥梁视频监控缺乏智能化监控处理手段；三是传统的视频监控画面本身附带GIS等定位溯源信息（路段、方向、车道数等）没有得到合理利用，造成极大的资源浪费。

4、分析技术手段单一，有效数据难打通

长江大桥现有的视频数据、健康监测数据、防撞预警数据分散地存储在相互独立系统中，跨系统间的数据还未得到综合运用，不能实现对多维数据的关联分析，缺乏高效的整合机制将所有完整详细信息关联为一体，充分挖掘关联数据，从而进一步实现对长江大桥整体安全态势分析。

（二）数字孪生特征

数字孪生技术的交通特征主要体现为以下几个方面：

1、精准映射

数字孪生系统通过对长江大桥的桥体、路面、沿线交通设施、机电设施、水域环境等各层面布设传感设备，实现对长江大桥全域空间的数字化建模，以及对桥梁运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟桥梁在信息维度上对实体桥梁的精准信息表达和映射。

2、虚实交互

数字孪生系统既可以接受物理世界的实时信息，又能够反过来实时驱动物理世界。比如，交通拥堵的车流信息能够及时传递到桥梁应急指挥系统、机电设备的运行维护能够智能化调度、天气预警信息能够实时控制和发布等。

3、软件定义

数字孪生系统针对长江大桥建立相应的虚拟孪生模型，并以软件方式模拟长江大桥全域空间范围内的人、事、物等在真实世界中的运行状态，通过端、边、云的分析计算，实现对桥梁整体安全态势的指导及管控。

4、智能干预

数字孪生系统通过在数字世界中的模拟仿真与分析预测，实现对可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险等的智能预警，并提供合理可行的对策建议。

二、建设目标

通过搭建基于数字孪生技术的长江大桥全域空间应急管控平台，实现长江大桥的智能化、立体化、精准化管理。其建设目标如下：

（一）建设长江大桥应急管控综合平台

统一接入长江大桥高清视频监控、桥梁健康检测、桥梁防撞检测、电力环境监测等系统，融合全国“两客一危”重点运营车辆数据、全国12t以上货运车辆数据、全国船舶AIS数据，实现对长江大桥上的车、路、环境、事件的智能、全时、全天候识别和监测；同时利用AI智能分析技术，通过采用视频目标检测、特征提取、对象识别、深度学习等分析手段，实现对路面交通事件的智能检测识别及预警。

（二）构建“三维+AR实景”的数字孪生模型

为长江大桥构建“三维模型+视频AR实景”相互融合的全域空间数字孪生模型。利用三维GIS建模技术，对大桥桥体、水域环境和路侧的交通附属设施等交通要素（包括道路、护栏、路灯、门架、标识标牌、车道线、卡口相机等）进行三维建模还原；结合AR增强现实技术，在视频监控画面中的直观标注各类基础数据信息，实现所有交通要素和环境要素的全数字化表达，为长江大桥数字孪生可视化展现、智能分析和智能决策等提供可视化基础服务应用。

（三）交通事件AI+AR智能预警

通过接入长江大桥前端路侧视频监控，结合后端AI智能视频分析算法，自动识别检测路面交通事件信息（包括停车、逆行、拥堵、行人、非法车辆、火灾烟雾、抛落物等），并支持将告警信息实时推送给平台，平台通过AR标签以画中画的方式直观呈现各类智能预警信息数据，极大提升监控员工作效率，实现交通安全管理由被动监控到主动预警方式的改变。

（四）安全态势分析应用

通过长江大桥全时空安全态势系统建设、跨视频视觉监测体系建设，构建完整、有效、可信的长江大桥视频安全态势保障体系，有效确保整体道路监控网络符合长江大桥安全态势保障要求，确保车辆行驶道路安全，实现“保安全、保畅通、保服务”的工作目标，为预警信息发布、应急预案推演、巡查处置、风险研判提供有效安全保障依据。

三、架构设计

基于数字孪生技术的长江大桥全域空间应急管控平台整体架构可分为感知层、网络层、数据层、服务层、应用层五个层级，系统整体架构图如图1所示。

（一）感知层

感知层主要是通过整合长江大桥建设的前端设备设施，包括摄像机、监测传感器、预警雷达、环境监控等感知设备，实现对桥梁、车辆、设备、环境等要素的数据采集和信息感知，为构建三维数字孪生模型、AR实景指挥系统提供数据支持。

（二）网络层

网络层主要是依托已建设的内部数据专网、监控工业以太环网、互联网等传输网络资源，为平台的部署及搭建提供网络支撑。

（三）数据层

数据层主要是通过汇聚融合GIS基础空间数据、智能感知数据、IOT物联感知数据、高速公路业务数据等多种数据资源，对数据资源形成统一管理和调度，实现对数据资源有效利用，并通过强大的容错能力，确保系统的稳定可靠运行，为所有业务系统提供数据支撑及资源共享。

（四）服务层

服务层主要包括实景数据融合服务、场景智能解析服务、应用管理服务、数据管理服务、三维建模服务、模拟仿真服务、视频AR服务等，通过深度学习、AI、云计算等先进技术，实现平台数据统一的管理及分析、三维可视化的建模及渲染、视频AR实景的解析及应用等，为上层应用提供服务能力支撑。

（五）应用层

应用层为数字孪生平台各类业务功能的实现提供了保障，主要包括路网运行监测、交通智能管控、应急指挥、设备运维控制四个应用功能模块。

其中，路网运行监测模块实现了长江大桥各类交通情况的孪生式呈现，包括三维可视化、态势监测、路况监测、区间车流等；

交通智能管控模块实现了对各类交通事件信息的自动监测，包括智能监控、危险品车辆管控、车道级智慧管控等；

应急指挥模块为长江大桥构建了安全可靠的应急指挥保障体系，包括预案管理、应急演练、智能预警、移动指挥等；

设备运维控制模块通过数字孪生世界实现了对真实世界机电设备的统一控制和调度，包括智能运维巡检、设备状态预警、集中控制等。

图1 系统整体架构图

四、功能设计

根据长江大桥的各类管理需求，通过构建长江大桥现实物理世界及数字信息世界一一对应、相互映射、协同交互的数字孪生应用，实现对长江大桥运营管理的全景洞察、数据展示、智能监测和智能预警，及时高效的掌握长江大桥通行和整体安全监测状态，从而进一步提升长江大桥运营管理和交通运行监测能力。

基于数字孪生技术的长江大桥全域空间应急管控平台主要功能设计如下：

（一）交通运行监测

基于道路监控视频，结合视频AI安全监测与智能分析，实现对桥梁车流量的实时监测，并基于数字孪生模型，对车流量、平均车速、车辆分类（小轿车/大客车/大货车）等多项核心数据进行多维度可视化分析，实现桥梁交通参数的科学监测评估，为高速公路管理提供科学的决策支持。

（二）设备运维管理

基于数字孪生中的三维模型，通过接入运维养护平台的设备状态数据与养护数据，实现对设备、设施的故障、维修、养护和使用情况的详细查询。此外，根据大桥设备（摄像机、情报板、配电柜等）实时监测数据对设备运行状态做分析评估，并对设备缺陷及隐患发出故障预警，帮助维护人员快速了解设备的运行情况及当前设备运行的主要风险点。

（三）安全态势分析

通过汇聚融合跨相机轨迹跟踪技术、交通事件识别技术和交通参数感知技术，实现对桥梁实时行车的安全态势分析，并以AR的形式展示大桥范围的历史行车轨迹分析数据与交通安全态势数据，主要包括区间内行车轨迹分析、区间内实时安全态势指标监测与报警、区间内安全态势分析等。

（四）应急指挥响应

通过预先设定好的各类应急管控预案，对预案中相关的设施设备进行联动控制，并与相关系统形成信息交互、信息共享。此外，通过数字孪生技术，建立应急处置推演、研究、学习的整体模型，实现学习与应用一体化、演练与处置一体化。

（五）重点车辆及风险事件监测预警

通过接入全国“两客一危”重点运营车辆数据、全国12t以上货运车辆数据、全国船舶AIS数据等，结合视频AI智能分析技术，对视频画面中出现的“两客一危”车辆、12t以上货运车、逆行车辆、停驶车辆、行人闯入、火灾烟雾、抛落物等异常交通事件进行检测与告警，提高交通风险事件的全天候精准感知能力。

（六）视频智能巡更

根据巡更路径、时间节点，把各个重点区域需要关注的摄像机加入到视频巡更任务中来，形成视频巡更方案。执行时按照的摄像机顺序、时间间隔自动打开需要关注的每一路视频，同时，系统自动的记录值班人员对该路视频的巡检情况，巡更记录可查询、可导出，并可作为值班人员视频巡更的考核依据。

（七）气象监测管理

通过道路上的气象监测设备获取实时的典型气象特征数据，在数字孪生场景中模拟真实天气环境，展示气象环境的实时变化；或通过手动切换的方式模拟展示气象环境的变化，辅助高速公路管理者更好地实施天气预警管控。

（八）历史录像查询

通过指定设备、通道、时间、报警信息等要素，检索联网设备历史图像资料，同时可回放、可下载，实现监控录像的调取查询、员工考勤工作和事件稽查的回看查询。

五、结束语

随着5G、物联网、大数据等技术的逐步成熟，建设“智慧高速”成为解决高速公路管理难题、维持可持续发展的解决方案。本文结合公司桥路占比高、跨江大桥多、桥梁管养难的实际管理需求，提出了建设基于数字孪生技术的长江大桥全域空间应急管控平台的展望和思考。

该系统以数字孪生三维模型为基础，通过AR、AI、全域感知等技术手段，实现长江大桥全要素数字化和虚拟化、交通状态实时化和可视化、管理决策协同化和智能化，为桥梁“管、养、运、服”的全生命周期运行提供有力保障。

此外，未来可在数字孪生平台基础上，接入智慧稽查系统，打通各类网联感知数据，为实现“无人值守”收费稽查及“无杆”自由流收费奠定数据及技术基础。

作者简介：费腾、黄宇、李东宇、王艳梅，湖北交投江汉高速公路运营管理有限公司