數(shù)字孿生收費站關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：由于高速公路收費站路面情況復(fù)雜，通行車輛作為數(shù)字孿生收費站中的核心動態(tài)實體，具有數(shù)量類型多、軌跡變化率高、交互需求多等特點，而當(dāng)前以視頻識別為核心的數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)并不適用于收費站場景。因此，文章針對收費站的特殊場景需求，對數(shù)字孿生收費站的核心技術(shù)及其融合架構(gòu)進行研究，通過對模型渲染、時空融合、感知融合、虛實聯(lián)動等方面的技術(shù)優(yōu)化方向進行研究，為建立精準(zhǔn)的數(shù)字孿生收費站系統(tǒng)提供方向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；雷視融合；軌跡拼接；收費站管理

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)志碼： A

0 引言

數(shù)字孿生是一種基于數(shù)字化技術(shù)［1］，將物理世界與虛擬世界相結(jié)合的新型技術(shù)，本質(zhì)是利用計算機和3D建模技術(shù)，將現(xiàn)實世界中的任何物體、過程或系統(tǒng)進行數(shù)字化建模，并在虛擬環(huán)境中進行仿真和分析，以實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化。數(shù)字孿生收費站作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的實踐價值。

隨著智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，高速公路收費站作為交通瓶頸的重要節(jié)點，面臨著日益增長的交通流量和復(fù)雜多變的交通環(huán)境。因此，如何有效地管理和優(yōu)化收費站的運營，提高收費效率和服務(wù)質(zhì)量，成了當(dāng)前交通領(lǐng)域亟待解決的問題。數(shù)字孿生收費站技術(shù)的出現(xiàn)，為這一問題的解決提供了新的思路和手段。數(shù)字孿生收費站技術(shù)通過構(gòu)建高精度的收費站數(shù)字模型，實現(xiàn)對收費站運營狀態(tài)的實時監(jiān)控和預(yù)測分析。此外，數(shù)字孿生收費站技術(shù)還可以實現(xiàn)收費站與車輛之間的信息交互和智能控制，提高收費效率和服務(wù)質(zhì)量，為交通出行提供更加便捷和舒適的體驗。

1 數(shù)字孿生技術(shù)體系

1.1 數(shù)字孿生及其技術(shù)演化

數(shù)字孿生的概念最早由美國國防部提出，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。其原理是在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)的完全同步，以便在每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修以及能否承受下次的任務(wù)載荷等。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和5G技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了多個領(lǐng)域，如產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等。其中，最為典型的應(yīng)用就是在工業(yè)領(lǐng)域，例如對制造業(yè)的生產(chǎn)過程進行建模和分析，從而降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展不僅提高了人們對物理世界的理解和模擬能力［2］，而且為產(chǎn)品設(shè)計、制造、運行和維護提供了新的方法和工具。在未來，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，數(shù)字孿生將在推動人類社會的發(fā)展進程中發(fā)揮越來越重要的作用。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)體系

數(shù)字孿生技術(shù)體系主要由數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生平臺和數(shù)字孿生工具組成，能夠支持從數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建到模擬預(yù)測的全過程，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

數(shù)字孿生技術(shù)體系的技術(shù)框架主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)字模型、模擬與分析、可視化以及反饋與優(yōu)化這幾個步驟。數(shù)據(jù)采集是通過傳感器和監(jiān)控設(shè)備收集物理實體的實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)集成則是將這些數(shù)據(jù)與其他相關(guān)信息結(jié)合，形成一個全面的數(shù)據(jù)中心；數(shù)字模型則是利用CAD、CAE等工具創(chuàng)建物理實體的精確數(shù)字模型；模擬與分析則利用數(shù)值模擬、機器學(xué)習(xí)和人工智能算法對模型進行分析，預(yù)測系統(tǒng)的行為和性能；可視化則是通過圖形和用戶界面將模擬結(jié)果和分析數(shù)據(jù)展示給用戶；反饋與優(yōu)化則是將模擬和分析的結(jié)果反饋給物理實體以進行操作和管理，用于優(yōu)化設(shè)計、改進維護策略和提高運營效率。

1.3 數(shù)字孿生核心技術(shù)

數(shù)字孿生的核心技術(shù)包括以下幾個方面：

（1）物理世界數(shù)字化技術(shù)。該技術(shù)是數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)，將物理世界中的實體數(shù)字化，包括物體的形狀、結(jié)構(gòu)、材料、運動等特征轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)據(jù)形式。該過程主要通過傳感器采集、圖像處理和CAD建模等方式實現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括傳感器數(shù)據(jù)采集、圖像采集、視頻采集等方式；數(shù)據(jù)處理技術(shù)則包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等。

（3）機器學(xué)習(xí)技術(shù)。作為數(shù)字孿生模型中的重要組成部分，機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并自適應(yīng)地調(diào)整模型參數(shù)，從而提高模型的預(yù)測能力和精度。

（4）大數(shù)據(jù)技術(shù)。數(shù)字孿生模型須要處理海量的數(shù)據(jù)，因此大數(shù)據(jù)技術(shù)必不可少。

（5）云計算技術(shù)。數(shù)字孿生模型通常須要進行高性能計算和存儲，因此云計算技術(shù)也是其核心技術(shù)之一。

2 數(shù)字孿生收費站

數(shù)字孿生收費站是智能交通領(lǐng)域中的一項創(chuàng)新應(yīng)用，旨在通過數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)對收費站運行狀態(tài)的全面監(jiān)控和優(yōu)化。借助數(shù)字孿生技術(shù)，收費站能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的車輛通行、更準(zhǔn)確的流量監(jiān)控以及更智能的管理決策。

2.1 數(shù)字孿生收費站應(yīng)用架構(gòu)

數(shù)字孿生收費站的核心在于構(gòu)建與實際收費站相對應(yīng)的虛擬模型。通過高精度傳感器、監(jiān)控攝像頭等設(shè)備，實時采集收費站的實際運行數(shù)據(jù)，包括車輛通行情況、車流量、擁堵狀況等。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，被輸入數(shù)字孿生模型，形成與實際收費站高度一致的虛擬收費站。

在數(shù)字孿生收費站中，管理人員可以通過虛擬模型對收費站的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和模擬分析。管理人員可以在虛擬模型中觀察到車輛通行的實時情況，分析擁堵的原因和瓶頸所在，從而制定出更加合理的交通管理策略。同時，數(shù)字孿生收費站還可以預(yù)測未來的車流量和擁堵趨勢，為管理人員提供決策支持，幫助管理人員提前做好準(zhǔn)備，應(yīng)對可能出現(xiàn)的交通問題。

數(shù)字孿生收費站的另一個優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)智能化管理。通過機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，數(shù)字孿生模型可以自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化，自動調(diào)整交通信號燈的配時、優(yōu)化車道設(shè)置等，提高收費站的通行效率。同時，數(shù)字孿生收費站還可以與智能車輛進行通信，實現(xiàn)車路協(xié)同，進一步提高交通的安全性和效率。

2.2 數(shù)字孿生收費站技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生收費站的技術(shù)架構(gòu)涵蓋了多個關(guān)鍵技術(shù)組件，以確保數(shù)字孿生模型能夠準(zhǔn)確反映并優(yōu)化實際收費站的運行。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸層

本層主要負(fù)責(zé)實時采集收費站現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，包括車輛通行信息、車流量數(shù)據(jù)、交通信號燈狀態(tài)等。傳感器、攝像頭、雷達(dá)等設(shè)備是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，再通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。同時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的確定也是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和一致性的重要環(huán)節(jié)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析層

本層將收集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗、整合和格式化，以轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生模型可以理解和利用的格式。此外，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法，對數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，提取出有價值的信息和模式，為優(yōu)化收費站運行提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.3 數(shù)字孿生模型層

本層是數(shù)字孿生收費站的核心層，基于實際收費站的結(jié)構(gòu)和運行規(guī)則，構(gòu)建出一個高度逼真的虛擬模型［3］。該模型能夠?qū)崟r反映收費站的實際運行狀態(tài)，并通過仿真分析，預(yù)測未來的運行趨勢和可能出現(xiàn)的問題。同時，該模型還可以與實際收費站進行雙向交互，實現(xiàn)實時調(diào)整和優(yōu)化。

2.2.4 可視化與交互層

可視化與交互層負(fù)責(zé)將數(shù)字孿生模型的運行結(jié)果以直觀、易懂的方式展示給管理人員。通過圖形用戶界面和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以實現(xiàn)對收費站運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和沉浸式體驗。此外，交互功能還允許管理人員在虛擬環(huán)境中對收費站進行模擬操作和調(diào)整，以測試不同策略的效果。

2.2.5 決策支持系統(tǒng)

基于數(shù)字孿生模型的仿真分析結(jié)果和實時數(shù)據(jù)，決策支持系統(tǒng)能夠為管理人員提供智能的決策建議。這些建議可能包括調(diào)整交通信號燈配時、優(yōu)化車道設(shè)置、預(yù)測車流量變化等，旨在提高收費站的通行效率和安全性。

整個技術(shù)架構(gòu)的各個層次之間相互協(xié)作，形成一個完整的數(shù)字孿生收費站系統(tǒng)。通過不斷的數(shù)據(jù)采集、處理、分析和優(yōu)化，數(shù)字孿生收費站能夠?qū)崿F(xiàn)對實際收費站運行狀態(tài)的精準(zhǔn)把握和智能管理，為智能交通領(lǐng)域的發(fā)展提供有力支持。

3 數(shù)字孿生收費站關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雷視融合

雷視融合技術(shù)是數(shù)字孿生收費站中的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。它結(jié)合了雷達(dá)和視覺傳感器的優(yōu)勢，實現(xiàn)了對收費站交通場景的全面、精準(zhǔn)感知。通過雷視融合，管理人員可以實時獲取車輛的位置、速度、類型等信息以及道路的擁堵狀況、交通信號燈狀態(tài)等環(huán)境信息。

在數(shù)字孿生收費站中，雷視融合技術(shù)主要用于以下幾個方面：

首先，雷視融合可以實現(xiàn)高精度的車輛檢測與跟蹤。雷達(dá)傳感器能夠探測到遠(yuǎn)距離的車輛，而視覺傳感器則能夠提供豐富的車輛外觀和類型信息。通過將兩者的數(shù)據(jù)進行融合處理，可以實現(xiàn)對車輛的精準(zhǔn)識別和跟蹤，為后續(xù)的車流量統(tǒng)計、交通擁堵分析提供數(shù)據(jù)支持。

其次，雷視融合技術(shù)可以應(yīng)用于交通事件檢測。通過監(jiān)測車輛的運行軌跡和速度變化，結(jié)合視覺傳感器的圖像分析，可以及時發(fā)現(xiàn)交通事故、車輛違規(guī)行駛等異常情況，并及時報警和處理，保障收費站的安全運行。

最后，雷視融合技術(shù)還可以為數(shù)字孿生模型提供實時的交通數(shù)據(jù)輸入。通過將實際交通場景的數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型進行同步更新，可以使模型更加準(zhǔn)確地反映收費站的實際運行狀態(tài)，從而提高模型的預(yù)測能力和優(yōu)化效果。

3.2 軌跡拼接

軌跡拼接技術(shù)是數(shù)字孿生收費站中的另一項關(guān)鍵技術(shù)，在處理和分析車輛通行數(shù)據(jù)時發(fā)揮著重要作用［5］。由于收費站現(xiàn)場可能存在多個傳感器和攝像頭，它們各自捕獲到的車輛軌跡數(shù)據(jù)往往是片段化的、不連續(xù)的。軌跡拼接技術(shù)就是將這些片段化的軌跡數(shù)據(jù)進行整合和拼接，形成完整的車輛通行軌跡，以便于后續(xù)的交通分析和優(yōu)化。

軌跡拼接技術(shù)基于多種數(shù)據(jù)源和算法實現(xiàn)。首先，它須要對來自不同傳感器和攝像頭的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)在時間、空間和屬性上的一致性。然后，通過特征匹配和關(guān)聯(lián)分析，將屬于同一車輛的軌跡片段進行識別和拼接。這個過程可能涉及復(fù)雜的計算和優(yōu)化算法，以確保拼接結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

在數(shù)字孿生收費站中，軌跡拼接技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。首先，它可以幫助管理人員更全面地了解車輛的通行情況，包括車輛的行駛路徑、速度變化、停留時間等。這些信息對于分析交通擁堵原因、優(yōu)化車道設(shè)置等至關(guān)重要。其次，軌跡拼接技術(shù)還可以為數(shù)字孿生模型提供更為豐富的數(shù)據(jù)輸入，提高模型的仿真精度和預(yù)測能力。最后，軌跡拼接技術(shù)還可以與雷視融合技術(shù)相結(jié)合，共同實現(xiàn)對收費站交通場景的全面感知和智能管理。

3.3 實時渲染

實時渲染技術(shù)是數(shù)字孿生收費站中實現(xiàn)高效、流暢可視化呈現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在數(shù)字孿生模型中，收費站的車輛、信號燈等要素需要實時更新和渲染，以反映實際交通場景的變化。實時渲染技術(shù)可以確保這些變化能夠迅速、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在用戶界面上，為管理人員提供實時的交通監(jiān)控和決策支持。

為了實現(xiàn)高質(zhì)量的實時渲染，須采用高效的圖形處理算法和硬件加速技術(shù)。首先，通過對收費站場景的幾何模型和紋理數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，減少渲染時的計算量。其次，利用現(xiàn)代圖形處理單元的強大計算能力，進行并行化的渲染操作，提高渲染速度和效率。最后，還可以采用層次細(xì)節(jié)技術(shù)、視錐體裁剪等優(yōu)化手段，進一步減少不必要的渲染開銷，提升渲染性能。

在數(shù)字孿生收費站中，實時渲染技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了用戶體驗，還為管理人員提供了更加便捷和高效的監(jiān)控手段。通過實時渲染的收費站場景，管理人員可以直觀地了解交通狀況，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。同時，實時渲染技術(shù)還可以與交互功能相結(jié)合，允許管理人員在虛擬環(huán)境中進行模擬操作和調(diào)整，以測試不同策略的效果，為決策提供支持。

3.4 虛實聯(lián)動

虛實聯(lián)動是數(shù)字孿生收費站中至關(guān)重要的一環(huán)，是將虛擬的數(shù)字孿生模型與實際的收費站運行狀況進行緊密結(jié)合，實現(xiàn)信息的實時交互和協(xié)同操作［6］。通過虛實聯(lián)動，管理人員可以將數(shù)字孿生模型中的分析結(jié)果和優(yōu)化策略直接應(yīng)用于實際收費站，從而實現(xiàn)對收費站運行狀態(tài)的智能管理和優(yōu)化。

在數(shù)字孿生收費站中，虛實聯(lián)動主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，虛實聯(lián)動能夠?qū)崿F(xiàn)交通數(shù)據(jù)的實時共享與交互。通過構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)傳輸和通信機制，系統(tǒng)可以將實際收費站采集到的交通數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)字孿生模型中，同時，將模型的分析結(jié)果和優(yōu)化建議反饋到實際收費站中。這種數(shù)據(jù)的雙向流動為管理人員提供了更加全面、準(zhǔn)確的信息支持，有助于他們做出更加明智的決策。

其次，虛實聯(lián)動可以實現(xiàn)控制指令的實時下發(fā)與執(zhí)行。基于數(shù)字孿生模型的分析結(jié)果，管理人員可以制定針對性的控制策略，并通過虛實聯(lián)動機制將這些策略轉(zhuǎn)化為實際的控制指令下發(fā)到實際收費站中。例如，當(dāng)模型預(yù)測到某個車道將出現(xiàn)擁堵時，管理人員可以提前調(diào)整車道配置或引導(dǎo)車輛分流，從而避免擁堵的發(fā)生。

最后，虛實聯(lián)動還可以促進數(shù)字孿生模型的持續(xù)優(yōu)化和更新。通過與實際收費站運行狀況的對比和驗證，管理人員可以不斷評估和優(yōu)化數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，隨著實際收費站環(huán)境的變化和新技術(shù)的應(yīng)用，管理人員還須要不斷更新和完善數(shù)字孿生模型，以適應(yīng)新的交通需求和挑戰(zhàn)。

4 結(jié)語

高速公路收費站路面情況復(fù)雜，通行車輛作為數(shù)字孿生收費站中的核心動態(tài)實體，具有數(shù)量類型多、軌跡變化率高、交互需求多等特點，因此，相較于其他應(yīng)用場景，應(yīng)用于收費站的數(shù)字孿生技術(shù)要求感知數(shù)據(jù)要與實際的系統(tǒng)數(shù)據(jù)保持高度一致，須要通過對模型渲染、時空融合、感知融合、虛實聯(lián)動等方面的技術(shù)優(yōu)化，建立精準(zhǔn)的數(shù)字孿生收費站系統(tǒng)。數(shù)字孿生收費站技術(shù)為解決交通瓶頸問題提供了新的思路和手段，可提高收費效率和服務(wù)質(zhì)量，為交通出行提供更加便捷和舒適的體驗。

參考文獻

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Research on key technologies for digital twin toll stations

Abstract： Due to the complex road surface conditions of highway toll booths， vehicles， as the core dynamic entities in digital twin toll booths， have characteristics such as a large number of types， high trajectory change rate， and high interaction demand. However， the current digital twin system technology architecture based on video recognition is not suitable for toll booth scenarios. Therefore， this article focuses on the special scene requirements of toll stations， and studies the core technology and fusion architecture of digital twin toll stations. By studying the technical optimization directions in model rendering， spatiotemporal fusion， perception fusion， virtual real linkage， etc.， it provides direction for establishing an accurate digital twin toll station system.

Key words： digital twin; radar and video fusion; trajectory stitching; toll station management