[01927327]基于数字孪生的高速公路全生命周期智慧化管理关键技 术研究

本研究拟用物联网技术、智能感知系统、信息建筑模型等一系列技术实现高 速公路的数字化和智能化，通过构建高速公路全路段的数字孪生模型来面向道路 基础设施运维，分别从道路结构安全预警（应急性）、早期病害精准感知（预防 性）和全生命周期大数据（矫正性）来实现智慧公路；通过构建多源大数据平台 与数据库系统来实现以下五个模块：（1）京雄高速（车道级）状态与行为信息 智能感知总体方案设计；（2）基于多源信息与大数据的京雄高速数字孪生体动 态构建方法研究；（3）面向智能养护的京雄高速数字孪生模型构建的关键技术 研究；（4）基于全生命周期资产管理的数字孪生模型构建的关键技术研究；（5） 京雄高速智慧化管理 PaaS 一体化平台构建技术方案构建。从而构建高速公路全 生命周期智慧化管理关键技术体系，并将该成套技术应用于河北省的高速公路管 理实践中。

本项目在国家自然科学基金等项目的支持下，历时 20 余年产学研用相结合， 通过自主创新，对寒冷地区隧道冻害发生机理、冻害防治原则、冻害防治设计方 法、冻害防治施工技术 4 个方面进行系统研究，攻克了一系列关键共性技术难题。

主要创新点

（1）提出基于数字孪生技术的京雄高速公路智慧运维总体方案

针对河北省京雄高速公路未来在运维阶段的智慧化管理需求，综合现阶段管 养运中存在问题，研究提出基于数字孪生技术的京雄高速公路智慧运维总体方案， 明确全寿命周期各阶段相互关系及实施要求，为智慧养护需要建设基础配套管控 运维系统。运维系统应对主要的、关键的设施、结构、设备运行状况进行实时监 测，集中显示各类运营设备工作状况，实现重大故障自动报警、道路基础设施性 能预测和科学的运维养护决策，并配套采集服务器、数据分析服务器、数据库服 务器。

（2）提出京雄高速公路数字孪生体动态构建方法。

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，其数字化方式可以保证 物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命 周期的集成视图，有助于优化整体性能。高速公路的数字孪生可以通过以下 6 个应用层面推动我国经济社会的发展：一是促进道路数字经济和实体经济的融合， 加快产业升级；二是贯通新型基础设施建设生产信息孤岛，释放数据价值；三是 统筹协调高速公路全生命周期系统内外部变化，实现资源能源优化配置；四是实 现全道路数字化，推动新型智慧道路的建设；五是优化道路设计布局，打造科学 公共服务体系；六是基于交通大数据实时反映交通现状，实现智慧养护和智慧资 产管理。

（3）解决京雄高速智慧化养护和资产管理中数字孪生模型构建的关键技术问题

京雄高速公路运维过程中的存在两个关键性问题，即智能养护和资产管理。 针对高速智能化养护全过程，全生命周期智慧化资产管理中需求导向，解决数字 孪生模型构建的系列关键技术问题。智能养护管理需要外部扫描检测数据和内置 传感数据等，检测或监测路面、路基边坡、桥梁结构、机电设施等状态，在高速 公路结构的关键部位或控制性截面预埋传感设备，帮助相关部门人员获知公路结 构等基础数据。在高速公路的使用运行期间，智能养护体系的构建可以提前预知 结构方面可能会出现的变形、裂缝问题，促使相关部门的人员在第一时间制定有 效的养护措施，避免结构问题的进一步恶化。通过对实时数据和初始数据的对比， 路面局部不均匀沉降、结构裂缝以及桥梁锁定松弛等问题将会无所遁形，为后期 的健康交通路况奠定坚实的基础。另外，大数据可以显示多发性的结构病害，为 河北省的高速公路智能化建设提供全面的道路信息。