基于數字孿生的智慧高速公路虛擬仿真實訓中心建設研究

廖志遠 羅宜春

文章以智慧交通建設大背景下廣西智慧高速公路建設試點工作為切入點，分析了新一代智慧高速公路的系統架構與虛擬仿真實訓中心的功能結構，并結合職業教育實際，根據校企共建、資源共享、協同共管的建設思路與數字孿生的技術路線與科普體驗、教學實訓、社會服務的功能劃分，從科學管理、激勵創新的長效運行機制等方面提出了智慧高速公路虛擬仿真實訓中心的具體實施路徑，為構建交通類虛擬仿真實訓中心提供建設思路與理論支撐。

智慧高速;數字孿生;虛擬仿真;實訓中心

U491.1+23A511863

0 引言

交通是興國之要、強國之基。2020年5月，廣西壯族自治區交通運輸廳在公布的《2020年廣西交通運輸數字交通、智慧交通工作要點》中提到要結合數字廣西和交通強國試點建設項目，抓住國家西部陸海新通道建設核心區域的發展契機，大力發展數字交通、智慧交通，并以南寧沙井至吳圩高速公路（以下簡稱沙吳高速）建設作為目標，運用新一代信息技術建成國內首個支持車輛自動駕駛的高速公路路段，同時建立相應技術標準、規范與實驗高地[1]。

要實現交通強國，搶占智慧交通產業發展的高地，就離不開一大批分別從事規劃設計、技術研發、項目實施、管理維護等工作領域的交通專業人才。智慧高速是一個融合了5G、物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術的“新基建”，涉及的學科從廣度、深度來看是一個高度交叉融合的綜合系統，且其應用環境的復雜性與信號傳遞的隱蔽性給高校在智慧交通相關專業的人才培養上帶來了極大挑戰，而虛擬仿真技術則可以有效地解決教學實訓活動中這些難開展、難具現、難體驗的問題。

1 智慧高速公路系統架構分析

如圖1所示，智慧高速公路系統大體可分為基礎物理、智能感知、網絡通信、分析決策四個子系統，其核心在于依托全息感知網絡和分析決策平臺實現智慧高速公路物理系統和信息系統的閉環、一體化系統管控。該系統通過視頻監控、圖形圖像處理技術與激光、探地等雷達探測技術獲取人車狀態數據，通過車載、路側的氣壓、溫濕度、風力等傳感檢測裝置獲取交通環境數據，通過車輛、基礎設施運行狀態與系統能耗狀態的數據，通過物聯網的底層架構采集基礎物理系統的各項數據，利用光纖專網、5G網絡、北斗衛星通信網絡、DSRC與LET-V技術實現音視頻、數據參數回傳至智慧高速公路管理控制中心并存儲至基礎數據庫[2]?；谠朴嬎闫脚_的龐大算力，針對感知系統采集而來的數據進行數據建模，利用大數據技術開展數據挖掘與數據清洗，結合物理實體與虛擬模型數字孿生管理平臺開展分析推演，支撐業務管理平臺開展車路協同與自動駕駛、自由流收費、智能基礎設施管養、沉浸式信息服務、精細化交通管控調度等分析決策功能。

2 智慧高速公路虛擬仿真實訓中心設計

2.1 功能設計

綜上所述，智慧高速公路系統是一個多元化、高度交叉融合的一體化閉環系統，且其本身自帶虛擬仿真平臺以滿足管理中心快速分析決策的需求，但移植到教育教學環境中還是需要有所取舍和重新規劃設計的[3]。教育部以及交通行業指導委員會非常重視虛擬仿真實訓中心在職業教育人才培養中的作用，提出要充分發揮虛擬仿真技術在教學實訓中的開發應用、教學培訓、示范推廣工作，進一步促進信息技術為職教信息化、現代化服務，提高專業技術技能人才培養質量。如表1所示，要使智慧高速公路虛擬仿真實訓中心成為典型示范窗口，就必須深入挖掘其內涵作用并擴大其服務范圍與影響力，所以本文將智慧高速公路虛擬仿真實訓中心根據功能的區別劃分為科普體驗區、教學應用區、社會服務示范區，利用虛擬現實場景高交互性、多感知性和可操作性等系統優勢提供沉浸式的體驗場景，面向學校、企事業單位、社會提供智慧高速公路細分應用場景的科學普及、產教學研、分析決策等服務功能，為實現壯美廣西、交通強國而培養、輸出交通類專業綜合素質技能型人才。

2.2 平臺設計

虛擬仿真實訓中心建設的指導思想是“以實帶虛、以虛助實、虛實結合”，一切建立在虛擬、虛構之上的仿真平臺都是脫離實際的，所以本文以廣西“沙吳智慧高速”為實際背景，通過數字接口平臺接入其數據中心基礎數據庫以獲取真實的基礎設施監測、車輛運行狀態、交通環境監測等原始運行數據后，利用數字孿生技術構建物理信息系統（CPS）與物理虛擬模型，進而借助云計算龐大算力與大數據技術開展數據場景的解析重構，實現真實場景在模擬場景中的復刻呈現，以達到平行仿真交互推演的目的。并利用VR虛擬現實、AR增強現實、MR混合現實等虛擬仿真技術與AI人工智能技術，輔以可穿戴式與模擬座艙等物理感知設備為用戶提供沉浸式場景體驗、交互式項目模擬、鏡像式的分析決策服務[4]。如下頁圖2所示。

3 智慧高速公路虛擬仿真實訓中心建設

3.1 校企共建、資源共享、協同共管的建設思路

智慧高速公路虛擬仿真實訓中心的建設需要較大的資金投入與政策支持，而且高度交叉融合性的技術體系較難實現，決策者應積極向政府相關部門爭取資金上、政策上的支持，以項目立項申報、項目引進、自主研發與校企合作開發等多種模式開展建設。同時應建立起政府、行業、企業、學校多方高度協作的專項建設指導委員會推動中心的各項建設任務落地實施。在多方合作中還應立足于各方需求以構建利益共同體，同時厘清各方權責，充分發揮各方優勢開展智慧高速公路虛擬仿真實訓中心的共建、共享、共管，最終形成校企共建、責任共擔、利益共享的“政、行、校、企”四方協調聯動的產教融合、協同育人的良性循環機制。

3.2 服務于智慧交通人才培養的功能任務

廣西“交通強國”試點和國家西部陸海新通道建設亟須大量復合型、高素質、專業化的交通運輸技術技能人才，而虛擬仿真實訓中心最終是以服務智慧交通人才培養為核心目的的，能夠實現人才培養手段信息化、現代化與高效化的核心角色是一線專業教師。高校應依托虛擬仿真實訓中心項目的建設，提高專業教師的信息化教學素養，提升專業教師設計虛擬仿真教學項目與虛擬仿真技術的應用能力，同時促進教師優化人才培養方案、創新虛實結合的人才培養模式、反轉課堂教學方法、拓展多元化教學考核評價體系，從而提升學生實訓的效果，進而提升技術技能人才培養質量。只有這樣，才能真正發揮智慧高速公路虛擬仿真實訓中心的功能作用。

3.3 科學管理、激勵創新的長效運行機制

新一代信息技術的迭代周期與產品周期是非?？焖俚?，同時也會快速促進智慧高速公路的系統架構以及技術路線的更新換代，要保障智慧高速公路虛擬仿真實訓中心的先進性就需要建立能夠保證其平臺資源適時性的常態化“保鮮”機制。高校應配套成立虛擬仿真實訓中心專門管理機構并建立健全相關管理制度，定期組織召開專項工作會議，實時跟進新項目、新技術的應用。同時應配足年度虛擬仿真實訓中心的專項建設經費預算，建立激勵創新保障制度，在專業建設相關委員會的指導下鼓勵教師積極開展虛實交替的課程資源開發與教科研項目的研發等，在不斷填充、更新虛擬仿真教學實訓資源的同時保障中心的良性長效運行。另一方面，應積極開展虛擬仿真實訓中心的應用宣傳工作，面向社會定期開放并組織參觀交流等成果展示、分享活動，起到典型示范與引領作用。

4 結語

新一代信息技術的發展與下沉促進了交通行業的變革性發展，智慧高速公路作為智慧交通的一個重要組成部分將有力帶動物聯網、智能制造等相關產業的蓬勃發展，同時也將是我國在社會經濟結構轉型發展與實現產業經濟增長的基點。本文以交通信息技術類職業教育為出發點，以廣西“沙吳智慧高速公路”為切入點，論述了基于數字孿生的智慧高速公路虛擬仿真實訓中心的平臺建設與系統設計，服務于科普、教學實訓、科研、輔助決策等功能。未來，將從標準和技術研發等方面對智慧高速公路開展深入研究，形成更加完備、實用的技術和保障體系，為智慧高速公路的全面推廣實施與人才培養提供有力保障。

[1]廣西壯族自治區交通運輸廳.2020年廣西交通運輸數字交通、智慧交通工作要點[EB/OL].http：//jtt.gxzf.gov.cn/xwdt/tzgg/t5314286.shtml，2020-05-07.

[2]張紀升，李 斌，王笑京，等.智慧高速公路架構與發展路徑設計[J].公路交通科技，2018，35（1）：88-94.

[3]陳 波，蘇熾斌.智慧高速公路物聯網技術應用與發展探討[J].中國交通信息化，2018（11）：39-40.

[4]董 瑩，董 鵬，唐 猛.我國智慧交通的現狀和發展對策研究[J].公路交通科技（應用技術版），2019，15（8）：264-266.