公交基礎設施數字孿生管理應用深度剖析

陳曉霞

摘 要：城市公共交通基礎設施是支撐城市交通出行的主動脈，是城市發展水平的重要體現，新基建與傳統基建融合發展最重要的落地領域就是城市交通，而數字孿生技術能夠驅動城市智慧交通快速發展。本文重點介紹了公交基礎設施管理現狀及趨勢，數字孿生公交基礎設施管理總體路徑，公交設施數據對象模型設計與功能設計，最后以原型與案例的形式論述了數字孿生公交基礎設施管理實踐。

關鍵詞：公共交通基礎設施;數字孿生;智能管理與運維

1 研究背景

城市公共交通基礎設施是支撐城市交通出行的主動脈，是一座城市發展水平的重要體現，它包含公交線路、車輛、站點、停車場、保養場、樞紐站和信息系統。新基建與傳統基建的融合發展最重要的落地領域就是城市交通，而數字孿生技術能夠驅動城市智慧交通快速發展。數字孿生充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度的實體映射，反映相對應實體設計、開發、制造、服務、維護全生命周期過程。通過數字孿生技術能夠將公交基礎設施數字場景與物理場景進行融合，建立全面的本體與孿生體實時聯系，還原交通設施“數字鏡像世界”，實現數據治理、數據監測和時序跟蹤。

2 公交基礎設施管理現狀及趨勢

當前公交基礎設施作為交通基礎設施的一部分，為人們的日常出行提供舒適、便捷、可靠、安全乘車服務。隨著新型基礎設施在國內推進，傳統基礎設施融入更多信息手段和智能手段，保證基礎設施管理的同時，為乘客出行提供更可靠的服務。以浦東新區為例，在跨區域交通聯合發展過程中，由于存在區域公交互通、區域一體化運營、政府資金投入等原因，智能公交站點基礎設施在規劃建設過程中常常分批建設，即使在一個站點，存在僅部分線路接入預報服務，致使公交站點改造已建與未建信息掌握不全。另一方面，城鎮化發展和軌交配套服務，公交線路每年存在10%左右線路調整，在站點端常常存在印刷錯誤、預報錯誤、信息準確性偏差、運維力度大、成本高等問題。

現行運維方式主要依靠人力巡檢及平臺端對信息化數據設備的狀態采集，由于公交站點預報設備信息準確性包括靜態基礎數據、智能化設備配置、設備故障、供電狀況、信息傳輸、預報算法等多方面，對設施信息化建設涉及分期規劃、分期建設、及時運維等階段，無法實現對全站點所有位置進行數據監測并實現監測數據的時序跟蹤，很難給站點的及時可靠運行提供有效的安全保障。為了加大實現公交站點基礎設備全方位數據狀態、全生命周期數字化管理，降低運維成本，數字孿生公交基礎設施管理應運而生。

3 數字孿生公交基礎設施管理總體路徑

數字孿生公交基礎設施管理融合需要同時取得多項數據資源（如圖1所示），為了保證數據一致性問題，以公交線路調度系統為基礎，獲取車輛進出站狀態、車輛實時位置等信息;浦東公交信息發布系統通過時間預報算法等解算出公交到站位置、預計到站時間發送至電子站牌后臺管理系統;電子站牌后臺管理系統對車輛進出站和實時位置系統進行解算，并存入線路上行或者下行隊列中，系統同時提取線路設備信息，生成帶有設備編號的數據協議發送至線路上行或下行外場公交基礎設施設備;外區域公交到站時間和站級預報通過上海公交APP轉發至電子站牌后臺管理系統，電子站牌后臺管理系統按上述方式進行解算。外場基礎設施內的電子站牌終端控制系統解算后，分別將信息發送給時間顯示控制單元和站級顯示控制單元，由硬件驅動控制程序完成終端數據顯示。至此，外場公交基礎設施動態信息預報工作完成。

為了保障公交基礎設施的準確性、可靠性需要建立數字孿生公交基礎設施管理運營系統進行海量基礎設施線上運營數據監測和監管，構建一個實時在線、廣域覆蓋、24小時監測和運營的公交基礎設施大腦，將片區公交基礎設施智能化改造工程項目所涉及的站點信息分類管理和集中運維。

4 公交設施數據對象模型設計

數據模型對公交設施主要業務對象進行清晰的描述，并定義統一的數據視圖，形成元素的統一名稱和標準規約，模型清晰展現數據對象之間的關聯關系，進而規范數據之間的交互流轉。包括站點對象Station、公交基礎設施智能設備對象Device、線路對象Line。

Station（pdb編號、站點名稱、Device{}）

Device{Device_1（設備編號、所屬站點類型、項目歸屬、設備版本、最近心跳時間，背光亮度、背光時間、溫度、電壓、電池類型，Line{}），…， Device_n（設備編號、所屬站點類型、項目歸屬、設備版本、最近心跳時間，背光亮度、背光時間、溫度、電壓、電池類型，Line{}）}

Line{line_1（端口號，線路名，開往方向，站序，運營時間，標準間距，運營公司，第1輛車站距，第1輛車牌號，第1輛預計到達時間，第2輛車站距，第2輛車牌號，第2輛預計到達時間，第3輛車站距，第3輛車牌號，第3輛預計到達時間），…，line_n（端口號，線路名，開往方向，站序，運營時間，標準間距，運營公司，第1輛車站距，第1輛車牌號，第1輛預計到達時間，第2輛車站距，第2輛車牌號，第2輛預計到達時間，第3輛車站距，第3輛車牌號，第3輛預計到達時間）}

統一的數據服務規范，在遵循一體化城市級公交設備信息模型的基礎上，為實現不同系統、不同結構數據的統一訪問途徑，設計形成的統一數據接口服務規范，以滿足各類系統數據的共享交換及分析應用。

規范各類數據決策分析應用，形成用于規范數據倉庫建設的數據倉庫模型，并完成支撐運營監測、專業輔助決策等各類數據分析應用，實現各類分析應用的統一設計、統一建設。

5 公交基礎設施管理功能設計

（1）數據治理。以對象化為基礎進行管理，充分挖掘系統數據，對接入數據進行清洗、融合、形成帶有業務信息的結構化時序數據。構建“原始數據-站點畫像-分析挖掘-策略制定-資源優化”的公交基礎設施數據資產和運行應用體系，推動建設過程場景化、設備狀態全景化、數據分析智能化、運檢管理精細化，為后續開展業務應用、數據融合以及信息展示提供全新方式。

（2）多模式監管。根據基礎設施全生命周期建設將監管分為改造模式、踩點模式、維護模式、收藏模式等，推動建設過程的場景化。其意義在于：1）待改造模式能夠地圖集中展示區域范圍未完全改造站點及未改造站點，方便制定階段改造任務和計劃;2）踩點模式根據踩點計劃，快速制定多人協同踩點作業模式，地圖展示已踩點位及未踩點位，便于分工實施踩點任務和踩點計劃;3）巡檢模式制定巡檢周期、巡檢任務批次清單，監督任務完成情況;4）維護模式能夠實時監測設備狀態，并用不同標志標識，加速定位設備故障診斷能力，提高維修作業效率;5）收藏模式使實際運維人員能夠根據點位重要性，加入收藏模式，重點關注;

（3）精細化運維。通過對公交數據進行梳理和規范編制，從站點概況、設備詳情、自定義故障類型、維修日志、照片實時記錄，追溯公交站點設施狀態，進而進行工單派發。對運維作業進行任務制定和運維人員巡檢路徑規劃、巡檢過程全方位記錄、設備巡檢時序數據分析，精細化管理公交基礎設施，保障可靠地為居民出行提供服務。

6 原型與案例

本文展示了一個公交基礎設施數字孿生系統原型。如圖2所示實現了可重構近物理仿真，構建了復雜的基礎設施對象模式。圖3多模式監管，實現公交基礎設施從規劃設計、智能改造、運行維護全過程管理。圖4演示現場故障運維場景。

參考文獻：

[1]林述濤.面向多源數據融合的交通基礎設施數字化架構研究[J].公路交通科技，2018，35（9）：122-127+145.

[2]王建偉，高超，董是，等.道路基礎設施數字化研究進展與展望[J].中國公路學報，2020，33（11）：101-124.

[3]盛雪鋒.浦東公交：智慧化讓公交更惠民[J].軟件產業與工程，2016（2）：31-32.

[4]戴彥擎.浦東公交智能化集群調度實現全覆蓋[J].城市公共交通，2015（4）：22.

[5]俞京.上海交通設施發展預測與分析[J].城鄉建設，2017

（9）：6-9.