交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)視域下公路交通數(shù)字孿生體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐案例

伍朝輝，徐建達(dá)，符志強(qiáng)，藍(lán)梓軒，呂子一

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.浙江交投高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)對(duì)交通運(yùn)輸領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)提出了更高要求。2019 年9 月19 日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》[1]，提出“大力發(fā)展智慧交通。推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合”。2021 年2 月24 日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》[2]，提出“推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化，提升交通運(yùn)輸智慧發(fā)展水平”，明確要求“2035 年交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化率達(dá)到90%”。為貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，交通運(yùn)輸部相繼印發(fā)了《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》[3]《交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案（2021—2025 年）》[4]《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》[5]等系列政策文件，加快交通運(yùn)輸信息化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)提供支撐。

作為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的通用賦能技術(shù)，數(shù)字孿生在虛擬空間再現(xiàn)真實(shí)公路交通運(yùn)行場(chǎng)景，為公路交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[6-7]。通過(guò)對(duì)物理世界的“人、車(chē)、路、環(huán)境”要素的數(shù)字孿生構(gòu)建，在虛擬空間再造一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的“虛擬世界”，物理世界的動(dòng)態(tài)通過(guò)傳感器被精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地反饋到數(shù)字世界，虛擬世界的推演結(jié)果與決策指令再被反饋至真實(shí)世界，通過(guò)虛實(shí)互動(dòng)、持續(xù)迭代，實(shí)現(xiàn)物理世界的最佳有序運(yùn)行。

發(fā)達(dá)國(guó)家普遍重視數(shù)字孿生在交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。美國(guó)智能交通系統(tǒng)聯(lián)合計(jì)劃辦公室于2020 年發(fā)布了《智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃2020—2025》[8]，加速智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)（Intelligent Transportation System,ITS）技術(shù)普及，應(yīng)用數(shù)字孿生等技術(shù)提高交通安全性、移動(dòng)性和運(yùn)輸效率。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局依托自動(dòng)公路系統(tǒng)（Automate Highway Systems,AHS）[9]，開(kāi)展了廣泛的車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛、數(shù)字孿生等新技術(shù)應(yīng)用探索。美國(guó)得克薩斯州交通局在超大型高速公路系統(tǒng)管理中采用數(shù)字孿生技術(shù)[10]，要求所有新建橋梁項(xiàng)目采用數(shù)字孿生進(jìn)行數(shù)字化交付。英國(guó)致力于打造國(guó)家級(jí)數(shù)字孿生體，出臺(tái)了《英國(guó)國(guó)家數(shù)字孿生體原則》[11]，統(tǒng)一各獨(dú)立行業(yè)開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生體的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)孿生體之間數(shù)據(jù)安全高效共享，整合數(shù)據(jù)資源并充分釋放其價(jià)值。倫敦M25號(hào)高速公路的項(xiàng)目管理中運(yùn)用了數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)時(shí)感知公路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，通過(guò)自適應(yīng)限速調(diào)節(jié)有效減少高速公路擁堵。德國(guó)在工業(yè)4.0平臺(tái)中大力推廣數(shù)字孿生應(yīng)用[12]。法國(guó)將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用到了高速公路信息查詢(xún)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)掌握巴黎高速公路網(wǎng)的交通流量隨季節(jié)發(fā)生的變化[13]。意大利在自動(dòng)化公交車(chē)系統(tǒng)中運(yùn)用了數(shù)字孿生仿真推演，分析得出公交車(chē)輛行駛、停車(chē)位置的最優(yōu)解。奧地利薩爾茨堡市基于數(shù)字孿生設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智慧交通管理系統(tǒng)，準(zhǔn)確感知道路上的車(chē)輛數(shù)量、速度，進(jìn)而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，避免受到德國(guó)旅游交通流的沖擊。日本DOCOMO、Comware、Infronia Holding 等企業(yè)[13]開(kāi)展聯(lián)合研究并引入了“數(shù)字孿生道路管理”理念，通過(guò)人工智能檢測(cè)路面裂縫，預(yù)測(cè)道路資產(chǎn)的老化，計(jì)算得出最佳修復(fù)時(shí)機(jī)。

對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)公路建設(shè)與改擴(kuò)建仍處于快速發(fā)展階段，受益于國(guó)內(nèi)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)、交通新基建的政策紅利，國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生應(yīng)用與發(fā)展迅速。長(zhǎng)安大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校[14-16]，圍繞數(shù)字孿生公路自動(dòng)駕駛、車(chē)路協(xié)同測(cè)試、全息隧道管控、道路數(shù)字化養(yǎng)護(hù)等應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了持續(xù)研究。蜀道集團(tuán)、山東高速、浙江交投等行業(yè)龍頭企業(yè)[17-19]在智慧高速建設(shè)中，聚焦收費(fèi)站、跨海大橋、全息路口、特長(zhǎng)隧道、服務(wù)區(qū)等業(yè)務(wù)對(duì)象，開(kāi)展了廣泛的技術(shù)驗(yàn)證與試點(diǎn)示范，并已初具規(guī)模。受益于豐富的依托工程和應(yīng)用載體，我國(guó)在公路交通數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)、工程應(yīng)用與規(guī)?；茝V等方面已經(jīng)由跟跑、并跑向部分領(lǐng)跑轉(zhuǎn)變，但也存在缺少專(zhuān)業(yè)軟件、芯片與高端設(shè)備受制于人、關(guān)鍵技術(shù)仍存在“卡脖子”現(xiàn)象等問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員與交通運(yùn)輸企業(yè)圍繞公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用開(kāi)展了廣泛的技術(shù)研究與試點(diǎn)應(yīng)用，已初具成效，但仍存在以下亟待解決的問(wèn)題：①缺少符合公路交通數(shù)字孿生場(chǎng)景與業(yè)務(wù)特征的基礎(chǔ)理論研究；②針對(duì)公路交通管理與服務(wù)中的具體業(yè)務(wù)，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景與價(jià)值分析不足；③支撐公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)施的體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)亟待深化梳理；④缺少理論研究與案例實(shí)踐的持續(xù)迭代，尚未形成“認(rèn)識(shí)—實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐”的可持續(xù)發(fā)展路徑。

針對(duì)以上問(wèn)題，論文圍繞公路交通數(shù)字孿生基礎(chǔ)理論、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與案例實(shí)踐展開(kāi)研究。在分析交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)對(duì)公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)公路交通數(shù)字孿生的內(nèi)涵、外延、特征和定義等基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究；結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)前沿，給出適用公路交通場(chǎng)景的數(shù)字孿生平臺(tái)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)體系參考；理論聯(lián)系實(shí)踐，對(duì)國(guó)內(nèi)公路交通數(shù)字孿生典型應(yīng)用案例進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)；分析公路交通數(shù)字孿生面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)與技術(shù)瓶頸，對(duì)公路交通數(shù)字孿生技術(shù)可持續(xù)發(fā)展提出建議。

1 交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)視域下數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求

交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)和交通新基建的加速部署，對(duì)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出了明確要求。2019 年以來(lái)，中共中央、國(guó)務(wù)院、交通運(yùn)輸部等圍繞行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)布了系列文件，如表1所示。

表1 交通數(shù)字化相關(guān)政策文件

在交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)視域下，數(shù)字化發(fā)展的本質(zhì)目的是支撐行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，這也是行業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、降本增效提質(zhì)和科技自立的必然要求。數(shù)字孿生為交通運(yùn)輸行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新的實(shí)施理念與實(shí)踐手段。數(shù)字化是在對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行數(shù)字還原的基礎(chǔ)上，對(duì)其業(yè)務(wù)邏輯、空間屬性、物理屬性等相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)字建模[20-21]。這一過(guò)程連通物理空間和數(shù)字空間，與“數(shù)字孿生”的定義有著天然的相關(guān)性。交通運(yùn)輸部高度重視數(shù)字孿生技術(shù)行業(yè)應(yīng)用與創(chuàng)新，在深圳市、山西省等9 家單位的交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)任務(wù)中分別批復(fù)了“數(shù)字孿生”相關(guān)的任務(wù)，如表2所示。

表2 交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)任務(wù)中數(shù)字孿生相關(guān)任務(wù)

在交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)建設(shè)的統(tǒng)一部署下，不同單位分別圍繞數(shù)字孿生技術(shù)在高速公路、車(chē)路協(xié)同、養(yǎng)護(hù)決策、公路運(yùn)輸、設(shè)施設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)展了不同程度的探索，持續(xù)推動(dòng)交通數(shù)字孿生理論完善、落地實(shí)踐與應(yīng)用創(chuàng)新。

2 公路交通數(shù)字孿生的內(nèi)涵、外延與定義

解決好認(rèn)識(shí)問(wèn)題是數(shù)字孿生技術(shù)公路交通應(yīng)用與創(chuàng)新的基礎(chǔ)，在對(duì)公路交通數(shù)字孿生內(nèi)涵、外延分析的基礎(chǔ)上，梳理公路交通數(shù)字孿生的技術(shù)、功能與效果特征，給出公路交通數(shù)字孿生的定義，并對(duì)公路交通BIM、公路交通信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems,CPS）、公路交通數(shù)字化等相近概念進(jìn)行辨析。

2.1 公路交通數(shù)字孿生的內(nèi)涵與外延

內(nèi)涵是指一個(gè)事物區(qū)別于其他事物的屬性的總和，是一個(gè)事物特有的特征特點(diǎn)屬性的總和。外延指的是這一類(lèi)事物共有的屬性的數(shù)量或范圍。公路交通數(shù)字孿生是數(shù)字孿生技術(shù)在公路交通場(chǎng)景中的具體應(yīng)用，其內(nèi)涵與外延如圖1所示。公路交通場(chǎng)景中物理實(shí)體與虛擬實(shí)體之間的“精準(zhǔn)映射、雙向互動(dòng)、模擬擇優(yōu)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型支撐”是公路交通數(shù)字孿生最本質(zhì)的屬性表達(dá)。分析“公路交通數(shù)字孿生”的外延：首先，公路交通數(shù)字孿生是一種數(shù)字化技術(shù)，是一種實(shí)現(xiàn)物理與賽博空間交互映射的通用賦能技術(shù)[22]；進(jìn)一步，公路交通數(shù)字孿生是一種“模擬擇優(yōu)、持續(xù)改進(jìn)”的方法論[23]，是一種利用數(shù)字化技術(shù)認(rèn)識(shí)和改造世界的方法論[24]；再進(jìn)一步，公路交通數(shù)字孿生還是一種發(fā)展模式，是一種支持公路行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展模式[25-26]，是交通新基建的一部分。

圖1 公路交通數(shù)字孿生的內(nèi)涵與外延

2.2 公路交通數(shù)字孿生的特征分析

公路交通涉及的對(duì)象包括人、車(chē)、路、環(huán)境4 類(lèi)要素，結(jié)合公路交通業(yè)務(wù)對(duì)象和數(shù)字孿生技術(shù)特征，對(duì)公路交通數(shù)字孿生的技術(shù)、功能和效果特征進(jìn)行分析，如圖2 所示。技術(shù)特征是公路交通數(shù)字孿生區(qū)別于其他技術(shù)的本質(zhì)體現(xiàn)。公路交通數(shù)字孿生的技術(shù)特征主要包括[27-29]：精準(zhǔn)映射、雙向互動(dòng)、模擬擇優(yōu)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模型支撐、軟件定義。技術(shù)特征決定了要有相應(yīng)的系統(tǒng)功能作為服務(wù)實(shí)現(xiàn)的支撐，公路交通數(shù)字孿生的功能特征主要包括[22]：描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制。結(jié)合公路交通的“基礎(chǔ)設(shè)施、載運(yùn)裝備、管理和服務(wù)”4 類(lèi)重點(diǎn)業(yè)務(wù)，在交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)視域下，公路交通數(shù)字孿生的效果特征主要體現(xiàn)為：數(shù)字表達(dá)、映射互動(dòng)、先知先覺(jué)、價(jià)值賦能、持續(xù)改進(jìn)。

圖2 公路交通數(shù)字孿生的特征

2.3 公路交通數(shù)字孿生的定義

公路交通數(shù)字孿生并不僅僅是對(duì)公路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生，還包括交通場(chǎng)景中的運(yùn)載工具、交通參與者、交通環(huán)境及“人-車(chē)-路-環(huán)境”之間的交互關(guān)系。結(jié)合數(shù)字孿生的通用定義[22,27-29]，本文也給出一種定義：公路交通數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建公路交通場(chǎng)景中各類(lèi)物理實(shí)體（包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)載工具、交通參與者、交通環(huán)境）及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的虛擬實(shí)體及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，通過(guò)軟件定義與服務(wù)，描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制公路交通場(chǎng)景中各類(lèi)物理實(shí)體全生命周期過(guò)程或全要素運(yùn)行過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與賽博空間交互映射的技術(shù)手段。

2.4 公路交通數(shù)字孿生相近概念辨析

公路交通數(shù)字孿生與公路BIM、公路數(shù)字化、交通仿真、CPS 技術(shù)有著很多相關(guān)性。下面結(jié)合公路交通數(shù)字孿生定義、內(nèi)涵、外延與特征分析，對(duì)相近概念進(jìn)行辨析。

1）公路交通數(shù)字孿生與公路BIM。如圖3（a）所示，基礎(chǔ)設(shè)施是公路交通場(chǎng)景的要素之一，公路BIM 是公路交通數(shù)字孿生的子集，是退化到只有“描述”功能的公路交通數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)。BIM 是公路交通數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)之一，公路BIM 同時(shí)也是公路交通數(shù)字孿生的重要組成部分之一。

圖3 相近概念辨析示意

2）公路交通數(shù)字孿生與交通仿真。交通仿真是支撐公路交通數(shù)字孿生規(guī)律推演、仿真預(yù)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，如圖3（b）所示，但不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為交通仿真就是交通數(shù)字孿生。交通仿真更加關(guān)注公路交通場(chǎng)景中載運(yùn)工具的運(yùn)行規(guī)律，即交通系統(tǒng)“人、車(chē)、路、環(huán)境”四要素中“車(chē)”的運(yùn)行。

3）公路交通數(shù)字孿生與公路數(shù)字化。公路交通數(shù)字孿生是公路數(shù)字化的關(guān)鍵賦能技術(shù)之一，是公路數(shù)字化的技術(shù)子集，如圖3（c）所示。公路交通數(shù)字孿生有助于更好地實(shí)現(xiàn)公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，但并不是所有的公路數(shù)字化都是通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

4）公路交通數(shù)字孿生與交通CPS。公路交通數(shù)字孿生與交通CPS 有著較大的共同屬性，如圖3（d）所示，交通CPS 是依據(jù)交通場(chǎng)景中物理對(duì)象的確定規(guī)律和完整機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)虛擬對(duì)象的未來(lái)，通常針對(duì)確定性問(wèn)題；公路交通數(shù)字孿生則可以依據(jù)不完整的信息和不明確的機(jī)理，通過(guò)大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)預(yù)感未來(lái)，還包括一些對(duì)不確定性問(wèn)題的分析。

3 公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用需求、體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

在理解公路交通數(shù)字孿生“是什么”的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步分析公路交通數(shù)字孿生的應(yīng)用需求、典型場(chǎng)景和價(jià)值，回答公路交通數(shù)字孿生“為什么”和“怎么做”兩個(gè)問(wèn)題。

3.1 公路交通數(shù)字孿生的應(yīng)用需求

公路通常為線狀工程，投資額度大、建設(shè)要求高、涉及專(zhuān)業(yè)廣、服役周期長(zhǎng)、運(yùn)維責(zé)任重，信息化手段在公路交通管理與服務(wù)中的應(yīng)用不斷深化，并在交通新基建加速部署背景下呈現(xiàn)新的特征。

1）公路交通涉及“人、車(chē)、路、環(huán)境”要素，全要素管理需要新的技術(shù)。公路交通場(chǎng)景中包括了道路幾何線形、橋梁/隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施、交通管控信息、車(chē)輛運(yùn)行狀況、氣象環(huán)境信息、機(jī)電信息系統(tǒng)等多種要素，“人、車(chē)、路、環(huán)境”四要素?cái)?shù)字化表達(dá)與關(guān)聯(lián)關(guān)系刻畫(huà)需要新的數(shù)字化技術(shù)手段。

2）線狀工程數(shù)據(jù)體量大、專(zhuān)業(yè)復(fù)雜度高，人本化管理需要直觀的管理方式。公路為典型的線狀工程，里程通常達(dá)到十幾、幾十甚至上百公里，這就導(dǎo)致公路交通數(shù)字化涉及的數(shù)據(jù)體量通常較大，數(shù)據(jù)組織、場(chǎng)景理解與數(shù)字建模難度較大。道路、橋梁、隧道等典型公路基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)差異性較大，涉及路線、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、機(jī)電、交安、景觀、通信等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，“精細(xì)管理和精心服務(wù)”對(duì)管理人員的專(zhuān)業(yè)能力要求較高，亟需符合線狀工程特征和易于理解的可視化管理方式。

3）傳統(tǒng)信息化難以適應(yīng)智慧高速、車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛等新業(yè)務(wù)的需求。在交通新基建背景下，信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施加速布局，智慧高速、車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛、能源自洽服務(wù)區(qū)等新基建成果不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)數(shù)字化手段難以適應(yīng)交通新基建的精準(zhǔn)感知、精確計(jì)算、精細(xì)管理與精心服務(wù)的需求。

4）ETC 門(mén)架、智能道釘?shù)刃滦透兄K端數(shù)據(jù)需要新的數(shù)字空間表達(dá)方式。公路交通場(chǎng)景中毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、智能道釘、ETC 門(mén)架、紅外攝像機(jī)、高清攝像頭、物聯(lián)傳感器等新型感知設(shè)備帶來(lái)了海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，BIM、GIS等數(shù)字表達(dá)方式難以直接承載時(shí)變數(shù)據(jù)的集成，需要分析數(shù)據(jù)類(lèi)型及數(shù)據(jù)特征，研究適配新型感知終端數(shù)據(jù)特征的數(shù)字化表達(dá)方法。

5）復(fù)雜交通問(wèn)題難以復(fù)現(xiàn)，缺少支持模擬擇優(yōu)、持續(xù)改進(jìn)的數(shù)字化基礎(chǔ)。交通場(chǎng)景中往往存在受時(shí)空限制而在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法觀察和控制的事物和現(xiàn)象，變化太快或太慢的過(guò)程，以及有危險(xiǎn)性、破壞性和對(duì)環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全評(píng)估、綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃評(píng)估與優(yōu)化、應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案優(yōu)化、安全生產(chǎn)事故溯源、交通碳排放碳中和驗(yàn)證、橋隧結(jié)構(gòu)變形預(yù)警等復(fù)雜交通問(wèn)題的分析與解決，亟需支持模擬擇優(yōu)、持續(xù)改進(jìn)的數(shù)字化基礎(chǔ)。

3.2 公路交通數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)值

立足公路交通“精準(zhǔn)感知、精確計(jì)算、精細(xì)管理與精心服務(wù)”的總要求，梳理公路交通數(shù)字孿生的典型應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)目標(biāo)、已有方案存在的痛點(diǎn)問(wèn)題和數(shù)字孿生應(yīng)用價(jià)值，如表3所示。

表3 公路交通數(shù)字孿生典型應(yīng)用場(chǎng)景

結(jié)合公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景與需求分析結(jié)果，對(duì)行業(yè)管理部門(mén)、行業(yè)相關(guān)企業(yè)、交通從業(yè)人員、交通參與者等不同主體應(yīng)用數(shù)字孿生的價(jià)值進(jìn)行分析，如表4 所示。行業(yè)管理部門(mén)應(yīng)用數(shù)字孿生的價(jià)值主要體現(xiàn)在支持“行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”，行業(yè)相關(guān)企業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生的價(jià)值主要體現(xiàn)在“降本增效提質(zhì)”和“提升研發(fā)與持續(xù)改進(jìn)能力”，行業(yè)從業(yè)人員應(yīng)用數(shù)字孿生的價(jià)值主要體現(xiàn)在“掌握提升工作效能的工具”，交通參與者應(yīng)用數(shù)字孿生的價(jià)值主要體現(xiàn)在“全過(guò)程的信息服務(wù)”。

3.3 公路交通數(shù)字孿生體系架構(gòu)

“軟件定義”[30-31]是公路交通數(shù)字孿生的技術(shù)特征之一，數(shù)字孿生功能實(shí)現(xiàn)需要軟件平臺(tái)作為支撐。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生經(jīng)典體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京航空航天大學(xué)陶飛教授提出的數(shù)字孿生車(chē)間經(jīng)典五維框架[32-33]，提出公路交通數(shù)字孿生體系架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 公路交通數(shù)字孿生體系架構(gòu)

圖4 中的數(shù)字孿生體系架構(gòu)包括公路交通場(chǎng)景中的物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、系統(tǒng)服務(wù)、連接等5 類(lèi)要素。其中，系統(tǒng)服務(wù)可分為面向物理實(shí)體的服務(wù)和面向虛擬實(shí)體的服務(wù)兩類(lèi)。通過(guò)體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，支持“狀態(tài)感知-數(shù)字體驗(yàn)-輔助決策-優(yōu)化控制”的公路交通數(shù)字孿生平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用。結(jié)合前文給出的公路交通數(shù)字孿生體系架構(gòu)，借鑒國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生系統(tǒng)的經(jīng)典架構(gòu)[34-37]，給出公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，如圖5所示。

圖5 公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

由圖5 可以看出，系統(tǒng)自下而上共有7 層，分別為物理層、感知層、數(shù)據(jù)層、模型層、推演層、功能層、應(yīng)用層。

1）物理層主要包括公路交通場(chǎng)景中的物理實(shí)體及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括公路基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行車(chē)輛、交通參與者、交通環(huán)境及其關(guān)聯(lián)關(guān)系等要素，這些對(duì)象既是數(shù)字孿生需要精準(zhǔn)映射的關(guān)鍵要素，又是數(shù)字孿生管理與服務(wù)的主體。

2）感知層是利用各類(lèi)物聯(lián)感知設(shè)備對(duì)物理層的對(duì)象及其變化進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)感知，涉及的感知設(shè)備包括高清視頻監(jiān)控相機(jī)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、北斗定位、手機(jī)信令、車(chē)載定位終端設(shè)備、路側(cè)物聯(lián)傳感設(shè)備、路側(cè)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備、電子不停車(chē)收費(fèi)（Electronic Toll Collection,ETC）門(mén)架、智能道釘、交通誘導(dǎo)智能終端等，主要目的是對(duì)公路交通場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3）數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)對(duì)物理層對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、融合與處理，孿生數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)層的核心，涉及數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)清洗、多源數(shù)據(jù)時(shí)空標(biāo)定、統(tǒng)計(jì)分析、大數(shù)據(jù)分析、正則分析、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化等。

4）模型層主要負(fù)責(zé)公路交通數(shù)字孿生場(chǎng)景中規(guī)律的建模和知識(shí)的抽象，支撐公路數(shù)字孿生構(gòu)建與應(yīng)用的幾何、物理和行為模型。

5）推演層主要負(fù)責(zé)基于感知數(shù)據(jù)與各類(lèi)模型進(jìn)行快速的仿真推演與演化分析，服務(wù)于上層數(shù)字孿生的功能實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)個(gè)性化預(yù)測(cè)分析，包括在線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景仿真、動(dòng)態(tài)演化分析、要素關(guān)聯(lián)分析、交通仿真分析、概率分析、大數(shù)據(jù)異常感知、預(yù)測(cè)推演、動(dòng)態(tài)演化、多種方案比選、預(yù)操作評(píng)價(jià)與驗(yàn)證、管控方案優(yōu)化反饋等，也可基于模型及規(guī)律生成模塊化推演結(jié)果與數(shù)據(jù)，封裝后供功能層調(diào)用。

6）功能層主要負(fù)責(zé)公路交通數(shù)字孿生描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制等5項(xiàng)基本功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而支撐上層應(yīng)用。

7）應(yīng)用層支撐公路交通數(shù)字孿生的具體應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程運(yùn)維、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛測(cè)試、智慧公路、運(yùn)載工具研制與優(yōu)化、綜合交通規(guī)劃與優(yōu)化等。

3.4 公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)功能

在完成公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。功能層共包括描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制等5 項(xiàng)基本功能，其邏輯關(guān)系如圖6 所示。在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，描述功能實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)公路交通場(chǎng)景及其變化的數(shù)字化表達(dá)；通過(guò)外場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端對(duì)真實(shí)場(chǎng)景中“人、車(chē)、路、環(huán)境”狀態(tài)進(jìn)行感知、評(píng)價(jià)與診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)；針對(duì)異常狀態(tài)，結(jié)合用戶(hù)業(yè)務(wù)需求和數(shù)字孿生模型，開(kāi)展實(shí)體要素運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)與處置方案比選；基于預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)公路交通業(yè)務(wù)管理與服務(wù)進(jìn)行輔助決策；聯(lián)動(dòng)外場(chǎng)控制終端，對(duì)決策結(jié)果進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的管理與服務(wù)，并更新?tīng)顟B(tài)，進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。

圖6 平臺(tái)基本功能間的邏輯關(guān)系示意

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的孿生場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求，通過(guò)模塊化組合與功能擴(kuò)展，形成支持業(yè)務(wù)層的應(yīng)用功能。部分應(yīng)用功能如圖7所示。

圖7 公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用層的功能

公路交通數(shù)字孿生構(gòu)建起在數(shù)字空間三維表達(dá)的數(shù)字底座，業(yè)務(wù)功能會(huì)因由二維到三維的升維變化帶來(lái)應(yīng)用功能的變化，這一變化也必將進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)模式的變化，以支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)“降本增效提質(zhì)”核心價(jià)值的落地實(shí)現(xiàn)。

3.5 公路交通數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)體系

數(shù)字孿生系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要關(guān)鍵技術(shù)支撐，從公路交通數(shù)字孿生平臺(tái)基本功能實(shí)現(xiàn)的角度，對(duì)數(shù)字孿生構(gòu)建與應(yīng)用涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，如圖8所示。

圖8 公路交通數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)體系

1）與“描述”功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括：BIM、GIS、傾斜攝影、激光掃描、點(diǎn)云重建、新型測(cè)繪、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)可視化、VR/AR 等，用于支持公路交通數(shù)字孿生的場(chǎng)景構(gòu)建與模型表達(dá)。

2）“診斷”用于感知真實(shí)交通場(chǎng)景中的狀態(tài)及變化，并基于規(guī)則快速研判其狀態(tài)是否異常，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜、大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、邊緣計(jì)算、分布式網(wǎng)絡(luò)、5G通信、無(wú)人機(jī)檢測(cè)等。

3）“預(yù)測(cè)”是在洞察的基礎(chǔ)上對(duì)各要素未來(lái)一段時(shí)間的狀態(tài)或行為進(jìn)行推演，這一功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于人工智能、大數(shù)據(jù)、交通仿真、有限元分析、動(dòng)力學(xué)仿真、數(shù)值分析、云計(jì)算、概率統(tǒng)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

4）“決策”是基于數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合業(yè)務(wù)需要，提供輔助決策的方案支撐，這一功能的實(shí)現(xiàn)涉及人工智能、知識(shí)圖譜、專(zhuān)家系統(tǒng)、最優(yōu)化、人性化服務(wù)、博弈論、人因工程等關(guān)鍵技術(shù)。

5）“控制”是將決策的結(jié)果反饋回真實(shí)場(chǎng)景中，并更新數(shù)字孿生場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向更新迭代。這一功能實(shí)現(xiàn)涉及人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制、機(jī)電控制、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IoT）、區(qū)塊鏈、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)。每個(gè)功能涉及的關(guān)鍵技術(shù)之間往往存在交叉，以上關(guān)鍵技術(shù)共同構(gòu)建起公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)體系。

4 公路交通數(shù)字孿生典型案例分析

下面結(jié)合公路交通數(shù)字孿生的理論研究與架構(gòu)分析，對(duì)智慧公路、全息路口、全息隧道等數(shù)字孿生在公路交通中的典型應(yīng)用案例進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，推動(dòng)“認(rèn)識(shí)—實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐”的持續(xù)迭代。

4.1 典型案例

4.1.1 南京機(jī)場(chǎng)高速公路數(shù)字孿生收費(fèi)站

江蘇交控、騰訊公司以南京機(jī)場(chǎng)高速公路為試點(diǎn)，打造面向高速公路的數(shù)字孿生一體化平臺(tái)[38-39]，實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)站、通行車(chē)輛、設(shè)施設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生，依托外場(chǎng)設(shè)施、路面感知硬件，結(jié)合多元融合算法、數(shù)字孿生構(gòu)建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了約2 公里路段的雷視感知和數(shù)字孿生平臺(tái)概念驗(yàn)證，如圖9所示。

圖9 南京機(jī)場(chǎng)高速數(shù)字孿生試點(diǎn)應(yīng)用效果[38]

收費(fèi)站業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，以數(shù)字化仿真、分析診斷、學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)、決策自治等收費(fèi)站運(yùn)營(yíng)管理可視化為目標(biāo)，通過(guò)靜態(tài)場(chǎng)景建模、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)交互映射、態(tài)勢(shì)仿真推演，開(kāi)發(fā)面向高速公路管理的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如圖10 所示，支持直接在虛擬世界中對(duì)各類(lèi)異常事件進(jìn)行“演練”，從而判斷對(duì)高速路口通行效率的影響，輔助管理者作出更優(yōu)的決策，并為準(zhǔn)自由流收費(fèi)提供了新的路徑。

圖10 南京機(jī)場(chǎng)高速公路數(shù)字孿生收費(fèi)站場(chǎng)景[39]

4.1.2 基于數(shù)字孿生的智慧公路一體化決策與分析平臺(tái)

華設(shè)集團(tuán)針對(duì)公路運(yùn)行調(diào)度難的痛點(diǎn)問(wèn)題，集成實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行時(shí)間窗控制、基于路側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的交通流分配、路網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)評(píng)估及基于動(dòng)態(tài)交通分配的路徑規(guī)劃決策等算法，研發(fā)了基于數(shù)字孿生的智慧公路一體化決策與分析平臺(tái)[40]，如圖11所示，使交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合分析推演預(yù)測(cè)短時(shí)交通態(tài)勢(shì)，智能化決策出行路徑，有效支撐路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)警及科學(xué)決策的行業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)行“管得好”。目前已在無(wú)錫S342 智慧公路、南京S126 智慧公路等重點(diǎn)工程應(yīng)用。S342 智慧公路采用該平臺(tái)后，公路管理效能提升了18%，公路管理成本降低了25%，公路通行能力提升了10%。

圖11 基于數(shù)字孿生的智慧公路一體化決策與分析平臺(tái)[40]

4.1.3 成宜高速“數(shù)字平行世界”

蜀道集團(tuán)四川數(shù)字聯(lián)合阿里云公司，在成宜高速通過(guò)毫秒級(jí)數(shù)字孿生技術(shù)打造了“數(shù)字平行世界”[17-41]，如圖12 所示，包括全面感知系統(tǒng)、精準(zhǔn)時(shí)空系統(tǒng)、交通云控平臺(tái)等3 個(gè)部分，對(duì)真實(shí)高速公路場(chǎng)景中“人、車(chē)、路、環(huán)境”動(dòng)靜態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)還原、歷史回放與預(yù)測(cè)推演。鑒于多云霧的特殊通行環(huán)境，全線布設(shè)273 套雷視融合感知設(shè)備以及各類(lèi)氣象感知設(shè)備，對(duì)高速公路上人、車(chē)、環(huán)境等對(duì)象進(jìn)行全天候、全過(guò)程精準(zhǔn)感知。采集全程高精地圖，布設(shè)北斗高精定位基站，實(shí)現(xiàn)全程高精定位及精準(zhǔn)同步。匯聚高速公路時(shí)空數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)計(jì)算，為交通管理和運(yùn)營(yíng)服務(wù)提供融合計(jì)算、仿真預(yù)測(cè)、輔助決策、車(chē)路協(xié)同的能力支撐。如圖12 所示，通過(guò)成宜高速“數(shù)字平行世界”的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛軌跡還原精度大于98%，位置誤差小于50 分米；快速識(shí)別20 余類(lèi)交通事件，救援時(shí)間較之前縮短50%；通過(guò)主動(dòng)交通管控，車(chē)輛通行效率提升了10%，交通事故發(fā)生概率降低了30%。

圖12 成宜高速“數(shù)字平行世界”[41]

4.1.4 數(shù)字孿生杭州灣跨海大橋

寧波交投聯(lián)合阿里云公司，以浙江杭州灣跨海大橋?yàn)槭痉?，打造了?guó)內(nèi)首個(gè)基于純視覺(jué)的全天候高速公路數(shù)字孿生應(yīng)用，見(jiàn)圖13[18]。大橋在雙向間距125 米處設(shè)置一個(gè)支持AI 事件檢測(cè)的數(shù)字高清攝像機(jī)，保障大橋感知能力100%覆蓋。完成18 類(lèi)事件108 種管控策略的編制部署，可實(shí)現(xiàn)管控信息“一鍵即達(dá)”。全橋配備1 828 套智能霧燈、40 處全彩誘導(dǎo)屏、346 套定向數(shù)字預(yù)警廣播，提供“車(chē)道級(jí)”精準(zhǔn)交通誘導(dǎo)服務(wù)。

如圖13所示，通過(guò)數(shù)字孿生杭州灣跨海大橋的管控應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)流量、事件圖文、北斗導(dǎo)航、通阻狀況、處置進(jìn)展、實(shí)時(shí)車(chē)流軌跡等要素“一張圖”展示，能夠在10秒內(nèi)完成從智能發(fā)現(xiàn)、策略匹配到發(fā)布的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全橋“車(chē)道級(jí)”的精準(zhǔn)交通誘導(dǎo)服務(wù)。通過(guò)大橋交通事件檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急調(diào)度處置的全流程信息化管理。以2022年上半年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為例，杭州灣跨海大橋事故發(fā)生率同比下降16.4%，二次事故率同比下降66%，事件檢測(cè)發(fā)現(xiàn)率達(dá)99%，施救力量抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間縮短至20分鐘以?xún)?nèi)。

4.1.5 諸暨市東二環(huán)全息路口

諸暨交警與華為公司聯(lián)合開(kāi)展了諸暨市東二環(huán)八個(gè)路口的全息路口試點(diǎn)建設(shè)[42]，如圖14 所示，以感知路徑現(xiàn)狀、釋放警力資源、滿(mǎn)足警民需求為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)更智慧、更高效、更便捷的公路交叉口聯(lián)合控制與動(dòng)態(tài)配時(shí)?；诂F(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)采集的高精地圖數(shù)據(jù)，運(yùn)用邊緣雷視擬合算法打造了智慧路口數(shù)字孿生地圖，將每個(gè)路口、車(chē)道的交通情況進(jìn)行全息數(shù)字化聚檔，形成智慧路口數(shù)據(jù)底座；對(duì)路口精準(zhǔn)的車(chē)道級(jí)流量、排隊(duì)長(zhǎng)度、車(chē)輛速度、行車(chē)軌跡等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合AI 算法模型訓(xùn)練和推理，實(shí)現(xiàn)路口紅綠燈信號(hào)周期相位隨路口流量實(shí)時(shí)調(diào)整，避免路口綠燈空放問(wèn)題。

圖14 諸暨市東二環(huán)全息路口運(yùn)行監(jiān)測(cè)場(chǎng)景效果[42]

東二環(huán)全息路口投入使用后，南北向車(chē)流量較大時(shí)綠燈配時(shí)逐步增加，綠信比從33%提升到60%；東西向車(chē)流較少，則以相位周期運(yùn)行，減少綠燈空放時(shí)間。針對(duì)平峰期和高峰期的通行效率，引入了路段線性綠波優(yōu)化，車(chē)輛平峰期行程時(shí)間平均壓縮了30%，因信號(hào)燈所導(dǎo)致的停車(chē)次數(shù)減少了2 次以上；而在高峰期內(nèi)，車(chē)輛的行程時(shí)間則壓縮了20%左右。

4.1.6 嘉善縣國(guó)省道公路數(shù)字孿生建養(yǎng)應(yīng)用

依托320 國(guó)道嘉善段整治工程，嘉善縣交通運(yùn)輸局組織開(kāi)展了公路數(shù)字孿生建養(yǎng)應(yīng)用[43]，如圖15所示，以解決工程建設(shè)期現(xiàn)場(chǎng)管控難、安全隱患多、工程檔案多，運(yùn)維期建管養(yǎng)銜接移交難度大等問(wèn)題。利用GIS+BIM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的孿生重構(gòu)，搭建統(tǒng)一的數(shù)字孿生平臺(tái)，并以?xún)A斜攝影模型、高精度地圖、BIM 模型等為載體，承載時(shí)空信息數(shù)據(jù)，形成數(shù)字公路資產(chǎn)，為自動(dòng)駕駛、車(chē)路協(xié)同、VR 應(yīng)急仿真模擬等場(chǎng)景提供數(shù)字基底。

圖15 國(guó)道320嘉善段數(shù)字孿生應(yīng)用[43]

320 國(guó)道嘉善段數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了“孿生公路”場(chǎng)景下對(duì)工程建設(shè)全過(guò)程的精細(xì)化管理、智慧化管控，包括：施工過(guò)程人員高精度定位軌跡管理，做到現(xiàn)場(chǎng)人員精細(xì)化管理、安全異常智能檢測(cè)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、噪聲、PM2.5、PM10、氣壓、總懸浮微粒（Total Suspended Particulate,TSP）、風(fēng)速、風(fēng)向等公路環(huán)境數(shù)據(jù)，支持基于閾值判定的異常自動(dòng)預(yù)警；通過(guò)圈定公路現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)紅線范圍，自動(dòng)設(shè)計(jì)最優(yōu)施工組織方案并進(jìn)行三維呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)“高效、直觀、立體”的施工組織等。

4.1.7 京德高速交通流時(shí)空特性數(shù)字孿生系統(tǒng)

河北雄安京德高速公路有限公司立足京德高速公路智能化、便捷化、安全運(yùn)營(yíng)要求，采用Unity 3D 圖形引擎，開(kāi)發(fā)了高速公路交通流時(shí)空特性數(shù)字孿生系統(tǒng)[44]，如圖16 所示，構(gòu)建京德高速公路三維模型，在虛擬世界中進(jìn)行物理世界的即時(shí)呈現(xiàn)，通過(guò)外場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)感知與遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)體與虛擬世界的一一映射，支持高速公路智能化統(tǒng)一監(jiān)管、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真與輔助決策、歷史追溯和復(fù)盤(pán)等應(yīng)用。

圖16 京德高速交通流時(shí)空特性數(shù)字孿生系統(tǒng)[44]

京德高速公路交通流時(shí)空特性數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要應(yīng)用效果包括：整體環(huán)境仿真、路況和車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控呈現(xiàn)、整體交通情況監(jiān)控、車(chē)輛運(yùn)行監(jiān)控、對(duì)“兩客一?！奔?2噸以上貨運(yùn)車(chē)輛等重點(diǎn)和特種車(chē)輛的實(shí)時(shí)跟蹤定位再現(xiàn)、道路路況（氣象類(lèi)預(yù)警、事件類(lèi)預(yù)警）和車(chē)輛違章（車(chē)輛超速、長(zhǎng)時(shí)間占用應(yīng)急車(chē)道、車(chē)輛壓線等）預(yù)警展示、交通事件歷史回放等。

4.1.8 濟(jì)南零碳服務(wù)區(qū)數(shù)字孿生智慧管控系統(tǒng)

數(shù)字孿生讓“碳數(shù)據(jù)”可見(jiàn)可管。山東高速集團(tuán)與金云數(shù)據(jù)公司以青銀高速濟(jì)南東服務(wù)區(qū)為試點(diǎn)，開(kāi)展了“零碳服務(wù)區(qū)”建設(shè)[45]。通過(guò)基于數(shù)字孿生的零碳智慧管控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)（見(jiàn)圖17），打造綜合數(shù)據(jù)駕駛艙、碳足跡追蹤、直流微網(wǎng)監(jiān)管等6 大場(chǎng)景模擬，形成全方位多要素的零碳服務(wù)區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)?；跀?shù)字孿生模型，接入碳排放統(tǒng)計(jì)分析、可再生能源利用等相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源使用與變化狀態(tài)的數(shù)字化管理，為碳排放評(píng)估分析、能源決策管理提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)支撐，助力零碳中和模式的構(gòu)建。

如圖17 所示，零碳智慧管控系統(tǒng)包含了光伏、儲(chǔ)能、微網(wǎng)、照明、暖通空調(diào)和污水處理等所有間接碳排放源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了碳排放數(shù)據(jù)互通和集中管理，在滿(mǎn)足服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶(hù)舒適度要求的同時(shí)，保證服務(wù)區(qū)可持續(xù)碳中和目標(biāo)的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)算，濟(jì)南東服務(wù)區(qū)零碳服務(wù)區(qū)運(yùn)行后，年均碳減排約3 400 噸，已遠(yuǎn)超建成前年均2 300余噸的二氧化碳排放量，可以實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著濟(jì)南東服務(wù)區(qū)成為國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)自我中和的“零碳服務(wù)區(qū)”，在全國(guó)具有示范意義。

4.1.9 大連路隧道實(shí)景數(shù)字孿生智能管控應(yīng)用

本文研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海城建城市運(yùn)營(yíng)集團(tuán)，依托上海大連路隧道開(kāi)展了基于三維視頻融合的隧道實(shí)景數(shù)字孿生智能管控應(yīng)用研究[19]。立足大連路隧道日常管理中對(duì)安全運(yùn)行監(jiān)控的現(xiàn)實(shí)需求，針對(duì)已有監(jiān)控系統(tǒng)缺乏空間連貫性、易于視覺(jué)疲勞、手工操作頻繁等問(wèn)題，通過(guò)整合和優(yōu)化視頻資源，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)離散的具有不同視場(chǎng)角的傳統(tǒng)監(jiān)控視頻與監(jiān)控場(chǎng)景的三維模型進(jìn)行視頻融合，形成場(chǎng)景內(nèi)不同視頻畫(huà)面之間的空間關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)隧道三維全景的一體化監(jiān)控，有效減輕管理者對(duì)實(shí)時(shí)視頻的認(rèn)知理解壓力，提高隧道日常監(jiān)控、違章取證和應(yīng)急事件響應(yīng)的效率，見(jiàn)圖18。

圖18 大連路隧道實(shí)景數(shù)字孿生智能管控應(yīng)用效果[19]

如圖18所示，隧道實(shí)景數(shù)字孿生智能管控系統(tǒng)支持大連路44 路槍機(jī)、4 路球機(jī)視頻流的三維融合，并匯聚風(fēng)機(jī)、照明、廣播、信號(hào)燈、流量監(jiān)測(cè)等物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，支持隧道保暢、事故救援、設(shè)施管理、應(yīng)急響應(yīng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用。通過(guò)隧道實(shí)景數(shù)字孿生智能管控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)分鏡頭監(jiān)控畫(huà)面碎片化、缺乏關(guān)聯(lián)性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大范圍連續(xù)區(qū)域的整體變化態(tài)勢(shì)掌握；實(shí)現(xiàn)隧道自動(dòng)化視頻巡查，降低了人工現(xiàn)場(chǎng)巡查與球機(jī)手柄巡檢的工作量；實(shí)現(xiàn)隧道物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)的三維集成，提升了應(yīng)急事件的快速發(fā)現(xiàn)和二三維聯(lián)動(dòng)響應(yīng)能力。

4.1.10 大梁山隧道視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生駕駛安全評(píng)價(jià)

本文研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江高運(yùn)公司，依托浙南大梁山隧道，開(kāi)展隧道視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生行車(chē)安全管控應(yīng)用。以提升駕駛員隧道行車(chē)安全性為目標(biāo)，構(gòu)建隧道全線視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)字孿生場(chǎng)景，開(kāi)展基于虛擬駕駛的隧道視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)安全識(shí)認(rèn)性評(píng)價(jià)，形成定量與定性結(jié)合的安全識(shí)認(rèn)性評(píng)價(jià)方法，給出視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化建議，提高司乘人員出行體驗(yàn)，保證車(chē)輛行駛安全。圖19為大梁山隧道視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生水幕柔性攔截效果示例。

圖19 大梁山隧道視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生水幕柔性攔截效果示例

如圖19所示，在采集大梁山隧道全景數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)建隧道主體結(jié)構(gòu)與視覺(jué)引導(dǎo)實(shí)體要素BIM 參數(shù)化模型，開(kāi)發(fā)了隧道視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生管控系統(tǒng)，包括水幕預(yù)警、隧道內(nèi)燈光引導(dǎo)、隧道口燈光提示、隧道燈光管理、駕駛漫游、設(shè)備信息可視化、設(shè)備管理巡檢等功能，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)比、視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化分析、視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)、虛擬駕駛視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)評(píng)估、應(yīng)急事件柔性攔截聯(lián)動(dòng)響應(yīng)等具體應(yīng)用。

4.2 典型案例應(yīng)用效果分析

數(shù)字孿生場(chǎng)景中數(shù)據(jù)連接是雙向的、在線的，這是區(qū)分是否為數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)之一。針對(duì)公路交通不同場(chǎng)景的數(shù)字孿生應(yīng)用案例，采用實(shí)現(xiàn)的功能作為公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用效果評(píng)價(jià)的依據(jù)之一，包括描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制等5 個(gè)等級(jí)。這5 個(gè)等級(jí)并不是完全遞進(jìn)的關(guān)系，具體應(yīng)用中可以包括其中的一種或幾種功能。從功能特征的角度對(duì)以上典型應(yīng)用案例進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表5所示。

表5 典型案例的功能特征

如表5 所示，所有案例都能實(shí)現(xiàn)描述和診斷功能，并能根據(jù)所關(guān)注場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求不同，開(kāi)展一定程度的預(yù)測(cè)分析與輔助決策，但能實(shí)現(xiàn)5 個(gè)功能閉環(huán)迭代的案例只占50%，其他5 個(gè)案例在預(yù)測(cè)、決策和控制等不同方面存在缺失。進(jìn)一步從技術(shù)特征的角度對(duì)以上典型案例進(jìn)行分析，結(jié)果如表6所示。

表6 典型案例的技術(shù)特征

由表6 可知，所有案例都實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)映射、模型表達(dá)和軟件承載的效果。在虛實(shí)映射方面，區(qū)別在于是對(duì)靜態(tài)對(duì)象、慢變量還是快變量的映射。只有“諸暨市東二環(huán)全息路口”是以二維頂視圖進(jìn)行模型表達(dá)，大多數(shù)案例都是以三維模型對(duì)重點(diǎn)場(chǎng)景進(jìn)行可視化表達(dá)，并結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)對(duì)宏、中觀場(chǎng)景進(jìn)行表達(dá)，這也是數(shù)字孿生直觀可視的典型優(yōu)勢(shì)之一。數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)效的差異性主要體現(xiàn)在對(duì)“雙向互動(dòng)”和“模擬擇優(yōu)”兩個(gè)特征的實(shí)現(xiàn)上。絕大多數(shù)案例都實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)獲取和態(tài)勢(shì)感知，但大多仍停留在場(chǎng)景和數(shù)據(jù)的可視化上，未能做到基于感知數(shù)據(jù)將管控策略和決策結(jié)果反饋回真實(shí)交通場(chǎng)景中，并更新虛擬場(chǎng)景。對(duì)于“模擬擇優(yōu)”的實(shí)現(xiàn)程度也體現(xiàn)了數(shù)字孿生應(yīng)用的差異性，少數(shù)案例實(shí)現(xiàn)了一定程度的仿真推演和模擬擇優(yōu)，而在線數(shù)據(jù)與仿真模擬脫節(jié)是目前數(shù)字孿生落地實(shí)施的痛點(diǎn)之一。

5 公路交通數(shù)字孿生發(fā)展挑戰(zhàn)與技術(shù)瓶頸

5.1 公路交通數(shù)字孿生發(fā)展挑戰(zhàn)

目前，公路交通數(shù)字孿生的理論研究、技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

1）缺少虛實(shí)間有效性驗(yàn)證。公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)是虛實(shí)映射準(zhǔn)確、響應(yīng)及時(shí)、仿真準(zhǔn)確、預(yù)測(cè)可靠、迭代有序，這些效果的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)大量歷史與運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證，在準(zhǔn)確復(fù)盤(pán)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)與推演。

2）系統(tǒng)融合與兼容性挑戰(zhàn)。一方面，公路交通數(shù)字孿生通常包括多個(gè)子系統(tǒng)，多系統(tǒng)之間需要融合共生；另一方面，公路交通數(shù)字孿生還需要與已有的信息化系統(tǒng)兼容，在數(shù)據(jù)格式、接口方式、使用模式等方面都存在諸多挑戰(zhàn)。

3）實(shí)踐案例數(shù)量和深度不足。目前公路交通數(shù)字孿生的實(shí)踐均為關(guān)鍵技術(shù)類(lèi)試點(diǎn)，單點(diǎn)強(qiáng)而全局弱、科技創(chuàng)新多而落地實(shí)效少，示范案例的數(shù)量和質(zhì)量均有待提升，亟需形成實(shí)踐與理論研究的良性交互迭代與螺旋上升。

4）企業(yè)主體盈利模式不明。作為公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用的重要主體，企業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生的最大價(jià)值體現(xiàn)在“研發(fā)能力和持續(xù)改進(jìn)能力的提升”，但這一價(jià)值體現(xiàn)是隱性的，如何平衡企業(yè)短期盈利、長(zhǎng)期高質(zhì)量發(fā)展的需求，形成盈利清晰的應(yīng)用模式，也是目前數(shù)字孿生行業(yè)應(yīng)用面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

除此之外，公路交通數(shù)字孿生研究與應(yīng)用中還存在安全漏洞、隱私保護(hù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、組織文化、數(shù)據(jù)困難、建模標(biāo)準(zhǔn)、人才不足等諸多挑戰(zhàn)。

5.2 公路交通數(shù)字孿生技術(shù)瓶頸

人工智能、5G、區(qū)塊鏈、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、大數(shù)據(jù)等信息與通信技術(shù)的快速迭代為公路交通數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持，但在實(shí)際公路交通數(shù)字孿生構(gòu)建與應(yīng)用中仍存在一些亟待突破的技術(shù)瓶頸[46-47]，具體如下。

1）在線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真模擬。目前公路交通場(chǎng)景的模擬推演往往通過(guò)仿真工具離線實(shí)現(xiàn)，在線感知數(shù)據(jù)與模擬仿真相互脫節(jié)，仿真結(jié)果難以反映并響應(yīng)真實(shí)場(chǎng)景的快速變化，亟需設(shè)計(jì)合理的接口，封裝常用或通用仿真模塊、過(guò)程或結(jié)果，突破在線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景仿真與快速反饋等關(guān)鍵技術(shù)。

2）交通要素關(guān)聯(lián)關(guān)系描述。公路交通場(chǎng)景中“人、車(chē)、路、環(huán)境”四要素并不是孤立的，不同要素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的描述需要通過(guò)模型屬性、交互設(shè)計(jì)和幾何表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這部分工作沒(méi)有現(xiàn)成的方法可以借鑒，是公路交通數(shù)字孿生構(gòu)建中亟待突破的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

3）場(chǎng)景定制化與功能模塊化。當(dāng)前數(shù)字孿生系統(tǒng)功能往往通過(guò)定制開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，解決方案針對(duì)性強(qiáng)、可推廣性弱，進(jìn)而導(dǎo)致開(kāi)發(fā)量大、成本高。如何分解公路交通的典型場(chǎng)景，解耦場(chǎng)景構(gòu)建與功能實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景定制化、功能模塊化集成是公路交通數(shù)字孿生實(shí)用與推廣的關(guān)鍵瓶頸之一。

4）模擬擇優(yōu)功能化實(shí)現(xiàn)。已有的公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)場(chǎng)景建模、感知、識(shí)別、行為復(fù)現(xiàn)，但應(yīng)用實(shí)效往往停留在可視化展示或與業(yè)務(wù)邏輯的淺結(jié)合，未能較好地體現(xiàn)數(shù)字孿生“模擬擇優(yōu)”的技術(shù)特征。如何功能化實(shí)現(xiàn)“模擬擇優(yōu)”特征是公路交通數(shù)字孿生可持續(xù)發(fā)展必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

除此之外，還存在自動(dòng)化建模、語(yǔ)義建模、多尺度要素集成、多變量表達(dá)等亟待突破的技術(shù)。突破以上技術(shù)瓶頸將有助于公路交通數(shù)字孿生的落地應(yīng)用與規(guī)?；茝V。

6 結(jié)論與建議

交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)對(duì)公路交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)提出了更高要求。本文圍繞公路交通數(shù)字孿生的理論與實(shí)踐展開(kāi)研究，得出以下主要結(jié)論。

1）公路交通數(shù)字孿生的核心內(nèi)涵是“人、車(chē)、路、環(huán)境”虛實(shí)要素的精準(zhǔn)映射、雙向互動(dòng)、模擬擇優(yōu)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型支撐。

2）公路交通數(shù)字孿生的核心價(jià)值是通過(guò)數(shù)字還原和數(shù)字建模支持公路交通管理與服務(wù)中的“降本增效提質(zhì)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并形成“模擬擇優(yōu)與持續(xù)改進(jìn)”的數(shù)字化基礎(chǔ)。

3）公路交通數(shù)字孿生平臺(tái)可參考“物理層、感知層、數(shù)據(jù)層、模型層、推演層、功能層、應(yīng)用層”的體系架構(gòu)，可以更好地支撐數(shù)字孿生“描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制”基本功能的實(shí)現(xiàn)。

4）目前公路交通數(shù)字孿生的多數(shù)案例都實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)獲取和態(tài)勢(shì)感知，但大多仍停留在場(chǎng)景和數(shù)據(jù)的可視化程度，在“雙向互動(dòng)”和“模擬擇優(yōu)”方面與行業(yè)期待仍有明顯差距。

綜合以上，對(duì)公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用與發(fā)展提出以下建議。

1）強(qiáng)化理論研究，構(gòu)建理論體系。立足交通運(yùn)輸行業(yè)現(xiàn)狀與需求，結(jié)合數(shù)字孿生理論演化，強(qiáng)化公路交通數(shù)字孿生理論基礎(chǔ)研究，構(gòu)建公路交通數(shù)字孿生理論體系，推動(dòng)行業(yè)形成理論與實(shí)踐層面的普遍共識(shí)。

2）優(yōu)化技術(shù)架構(gòu)，突破關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合目前主流數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)與架構(gòu)，結(jié)合公路交通場(chǎng)景多要素協(xié)同共融特點(diǎn)，形成公路交通數(shù)字孿生的經(jīng)典架構(gòu)與體系，突破體系架構(gòu)上的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)公路交通數(shù)字孿生構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新。

3）實(shí)效目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，拓展案例實(shí)踐。理論與實(shí)踐需要相互促進(jìn)、共同發(fā)展，選擇更多的交通運(yùn)行場(chǎng)景，確定具體的實(shí)效應(yīng)用目標(biāo)，開(kāi)展更多更深入的示范實(shí)踐與方案驗(yàn)證，形成理論與實(shí)踐的良性互動(dòng)和螺旋上升。

4）注重成本效益，優(yōu)化價(jià)值鏈條。注重公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用的成本效益比，明確企業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生的盈利模式，不開(kāi)展沒(méi)有業(yè)務(wù)實(shí)效的技術(shù)應(yīng)用，立足企業(yè)核心價(jià)值打造，優(yōu)化交通數(shù)字孿生的價(jià)值鏈條，形成有實(shí)效、能盈利、可推廣的公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用解決方案。

下一步的研究工作將圍繞公路交通數(shù)字空間表達(dá)要素目錄體系梳理、公路數(shù)字孿生建模規(guī)范構(gòu)建、隧道數(shù)字孿生應(yīng)急管控全過(guò)程示范等具體內(nèi)容展開(kāi)。