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

伍朝輝，徐建達，符志強，藍梓軒，呂子一

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

0 引言

交通強國建設(shè)對交通運輸領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級提出了更高要求。2019 年9 月19 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《交通強國建設(shè)綱要》[1]，提出“大力發(fā)展智慧交通。推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合”。2021 年2 月24 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》[2]，提出“推進交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化，提升交通運輸智慧發(fā)展水平”，明確要求“2035 年交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化率達到90%”。為貫徹落實黨中央、國務(wù)院決策部署，交通運輸部相繼印發(fā)了《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》[3]《交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動方案（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，加快交通運輸信息化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，為交通強國建設(shè)提供支撐。

作為支撐經(jīng)濟社會數(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)真實公路交通運行場景，為公路交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)[6-7]。通過對物理世界的“人、車、路、環(huán)境”要素的數(shù)字孿生構(gòu)建，在虛擬空間再造一個與之對應(yīng)的“虛擬世界”，物理世界的動態(tài)通過傳感器被精準(zhǔn)、實時地反饋到數(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世界，通過虛實互動、持續(xù)迭代，實現(xiàn)物理世界的最佳有序運行。

發(fā)達國家普遍重視數(shù)字孿生在交通領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。美國智能交通系統(tǒng)聯(lián)合計劃辦公室于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、移動性和運輸效率。美國聯(lián)邦公路管理局依托自動公路系統(tǒng)（Automate Highway Systems,AHS）[9]，開展了廣泛的車路協(xié)同、自動駕駛、數(shù)字孿生等新技術(shù)應(yīng)用探索。美國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目采用數(shù)字孿生進行數(shù)字化交付。英國致力于打造國家級數(shù)字孿生體，出臺了《英國國家數(shù)字孿生體原則》[11]，統(tǒng)一各獨立行業(yè)開發(fā)數(shù)字孿生體的標(biāo)準(zhǔn)，促進孿生體之間數(shù)據(jù)安全高效共享，整合數(shù)據(jù)資源并充分釋放其價值。倫敦M25號高速公路的項目管理中運用了數(shù)字孿生技術(shù)，實時感知公路運營狀態(tài)，通過自適應(yīng)限速調(diào)節(jié)有效減少高速公路擁堵。德國在工業(yè)4.0平臺中大力推廣數(shù)字孿生應(yīng)用[12]。法國將數(shù)字孿生技術(shù)運用到了高速公路信息查詢系統(tǒng)中，實時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]。意大利在自動化公交車系統(tǒng)中運用了數(shù)字孿生仿真推演，分析得出公交車輛行駛、停車位置的最優(yōu)解。奧地利薩爾茨堡市基于數(shù)字孿生設(shè)計開發(fā)了智慧交通管理系統(tǒng)，準(zhǔn)確感知道路上的車輛數(shù)量、速度，進而進行針對性的優(yōu)化，避免受到德國旅游交通流的沖擊。日本DOCOMO、Comware、Infronia Holding 等企業(yè)[13]開展聯(lián)合研究并引入了“數(shù)字孿生道路管理”理念，通過人工智能檢測路面裂縫，預(yù)測道路資產(chǎn)的老化，計算得出最佳修復(fù)時機。

對比發(fā)達國家，我國公路建設(shè)與改擴建仍處于快速發(fā)展階段，受益于國內(nèi)數(shù)字經(jīng)濟、交通強國建設(shè)、交通新基建的政策紅利，國內(nèi)數(shù)字孿生應(yīng)用與發(fā)展迅速。長安大學(xué)、東南大學(xué)、同濟大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校[14-16]，圍繞數(shù)字孿生公路自動駕駛、車路協(xié)同測試、全息隧道管控、道路數(shù)字化養(yǎng)護等應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)開展了持續(xù)研究。蜀道集團、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，聚焦收費站、跨海大橋、全息路口、特長隧道、服務(wù)區(qū)等業(yè)務(wù)對象，開展了廣泛的技術(shù)驗證與試點示范，并已初具規(guī)模。受益于豐富的依托工程和應(yīng)用載體，我國在公路交通數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)、工程應(yīng)用與規(guī)模化推廣等方面已經(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)象等問題。

目前，國內(nèi)外研究人員與交通運輸企業(yè)圍繞公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用開展了廣泛的技術(shù)研究與試點應(yīng)用，已初具成效，但仍存在以下亟待解決的問題：①缺少符合公路交通數(shù)字孿生場景與業(yè)務(wù)特征的基礎(chǔ)理論研究；②針對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)用場景與價值分析不足；③支撐公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用實施的體系架構(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踐的持續(xù)迭代，尚未形成“認識—實踐—再認識—再實踐”的可持續(xù)發(fā)展路徑。

針對以上問題，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)與案例實踐展開研究。在分析交通強國建設(shè)對公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級要求的基礎(chǔ)上，對公路交通數(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景的數(shù)字孿生平臺架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)體系參考；理論聯(lián)系實踐，對國內(nèi)公路交通數(shù)字孿生典型應(yīng)用案例進行分析與評價；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 交通強國建設(shè)視域下數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求

交通強國建設(shè)和交通新基建的加速部署，對行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出了明確要求。2019 年以來，中共中央、國務(wù)院、交通運輸部等圍繞行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級發(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

在交通強國建設(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、降本增效提質(zhì)和科技自立的必然要求。數(shù)字孿生為交通運輸行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供了新的實施理念與實踐手段。數(shù)字化是在對物理對象進行數(shù)字還原的基礎(chǔ)上，對其業(yè)務(wù)邏輯、空間屬性、物理屬性等相關(guān)信息進行數(shù)字建模[20-21]。這一過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 家單位的交通強國試點任務(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 交通強國試點任務(wù)中數(shù)字孿生相關(guān)任務(wù)

在交通強國試點建設(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、車路協(xié)同、養(yǎng)護決策、公路運輸、設(shè)施設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用，開展了不同程度的探索，持續(xù)推動交通數(shù)字孿生理論完善、落地實踐與應(yīng)用創(chuàng)新。

2 公路交通數(shù)字孿生的內(nèi)涵、外延與定義

解決好認識問題是數(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)涵是指一個事物區(qū)別于其他事物的屬性的總和，是一個事物特有的特征特點屬性的總和。外延指的是這一類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。公路交通場景中物理實體與虛擬實體之間的“精準(zhǔn)映射、雙向互動、模擬擇優(yōu)、數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型支撐”是公路交通數(shù)字孿生最本質(zhì)的屬性表達。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)，是一種實現(xiàn)物理與賽博空間交互映射的通用賦能技術(shù)[22]；進一步，公路交通數(shù)字孿生是一種“模擬擇優(yōu)、持續(xù)改進”的方法論[23]，是一種利用數(shù)字化技術(shù)認識和改造世界的方法論[24]；再進一步，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

公路交通涉及的對象包括人、車、路、環(huán)境4 類要素，結(jié)合公路交通業(yè)務(wù)對象和數(shù)字孿生技術(shù)特征，對公路交通數(shù)字孿生的技術(shù)、功能和效果特征進行分析，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、模擬擇優(yōu)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、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、決策、控制。結(jié)合公路交通的“基礎(chǔ)設(shè)施、載運裝備、管理和服務(wù)”4 類重點業(yè)務(wù)，在交通強國建設(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、映射互動、先知先覺、價值賦能、持續(xù)改進。

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公路基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生，還包括交通場景中的運載工具、交通參與者、交通環(huán)境及“人-車-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)建公路交通場景中各類物理實體（包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、運載工具、交通參與者、交通環(huán)境）及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的虛擬實體及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，通過軟件定義與服務(wù)，描述、診斷、預(yù)測、決策、控制公路交通場景中各類物理實體全生命周期過程或全要素運行過程，進而實現(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，對相近概念進行辨析。

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)測的關(guān)鍵技術(shù)之一，如圖3（b）所示，但不能簡單地認為交通仿真就是交通數(shù)字孿生。交通仿真更加關(guān)注公路交通場景中載運工具的運行規(guī)律，即交通系統(tǒng)“人、車、路、環(huán)境”四要素中“車”的運行。

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現(xiàn)公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，但并不是所有的公路數(shù)字化都是通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(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)交通場景中物理對象的確定規(guī)律和完整機理來預(yù)測虛擬對象的未來，通常針對確定性問題；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理，通過大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)來預(yù)感未來，還包括一些對不確定性問題的分析。

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，還需進一步分析公路交通數(shù)字孿生的應(yīng)用需求、典型場景和價值，回答公路交通數(shù)字孿生“為什么”和“怎么做”兩個問題。

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、涉及專業(yè)廣、服役周期長、運維責(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、路、環(huán)境”要素，全要素管理需要新的技術(shù)。公路交通場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、車輛運行狀況、氣象環(huán)境信息、機電信息系統(tǒng)等多種要素，“人、車、路、環(huán)境”四要素數(shù)字化表達與關(guān)聯(lián)關(guān)系刻畫需要新的數(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)、機電、交安、景觀、通信等多個專業(yè)，“精細管理和精心服務(wù)”對管理人員的專業(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、車路協(xié)同、自動駕駛等新業(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、車路協(xié)同、自動駕駛、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、精確計算、精細管理與精心服務(wù)的需求。

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

5）復(fù)雜交通問題難以復(fù)現(xiàn)，缺少支持模擬擇優(yōu)、持續(xù)改進的數(shù)字化基礎(chǔ)。交通場景中往往存在受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象，變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗，自動駕駛系統(tǒng)安全評估、綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃評估與優(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證、橋隧結(jié)構(gòu)變形預(yù)警等復(fù)雜交通問題的分析與解決，亟需支持模擬擇優(yōu)、持續(xù)改進的數(shù)字化基礎(chǔ)。

3.2 公路交通數(shù)字孿生的應(yīng)用價值

立足公路交通“精準(zhǔn)感知、精確計算、精細管理與精心服務(wù)”的總要求，梳理公路交通數(shù)字孿生的典型應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)目標(biāo)、已有方案存在的痛點問題和數(shù)字孿生應(yīng)用價值，如表3所示。

表3 公路交通數(shù)字孿生典型應(yīng)用場景

結(jié)合公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用場景與需求分析結(jié)果，對行業(yè)管理部門、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)字孿生的價值進行分析，如表4 所示。行業(yè)管理部門應(yīng)用數(shù)字孿生的價值主要體現(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)改進能力”，行業(yè)從業(yè)人員應(yīng)用數(shù)字孿生的價值主要體現(xiàn)在“掌握提升工作效能的工具”，交通參與者應(yīng)用數(shù)字孿生的價值主要體現(xiàn)在“全過程的信息服務(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)字孿生功能實現(xiàn)需要軟件平臺作為支撐。本文在借鑒國內(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)包括公路交通場景中的物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)、系統(tǒng)服務(wù)、連接等5 類要素。其中，系統(tǒng)服務(wù)可分為面向物理實體的服務(wù)和面向虛擬實體的服務(wù)兩類。通過體系架構(gòu)實現(xiàn)，支持“狀態(tài)感知-數(shù)字體驗-輔助決策-優(yōu)化控制”的公路交通數(shù)字孿生平臺的構(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景中的物理實體及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括公路基礎(chǔ)設(shè)施、運行車輛、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）感知層是利用各類物聯(lián)感知設(shè)備對物理層的對象及其變化進行實時狀態(tài)感知，涉及的感知設(shè)備包括高清視頻監(jiān)控相機、毫米波雷達、激光雷達、北斗定位、手機信令、車載定位終端設(shè)備、路側(cè)物聯(lián)傳感設(shè)備、路側(cè)氣象監(jiān)測設(shè)備、電子不停車收費（Electronic Toll Collection,ETC）門架、智能道釘、交通誘導(dǎo)智能終端等，主要目的是對公路交通場景中的動態(tài)數(shù)據(jù)進行采集。

3）數(shù)據(jù)層主要負責(zé)對物理層對象的動靜態(tài)數(shù)據(jù)進行匯聚、融合與處理，孿生數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)層的核心，涉及數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)清洗、多源數(shù)據(jù)時空標(biāo)定、統(tǒng)計分析、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）模型層主要負責(zé)公路交通數(shù)字孿生場景中規(guī)律的建模和知識的抽象，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）推演層主要負責(zé)基于感知數(shù)據(jù)與各類模型進行快速的仿真推演與演化分析，服務(wù)于上層數(shù)字孿生的功能實現(xiàn)與用戶個性化預(yù)測分析，包括在線數(shù)據(jù)驅(qū)動的場景仿真、動態(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)測推演、動態(tài)演化、多種方案比選、預(yù)操作評價與驗證、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）功能層主要負責(zé)公路交通數(shù)字孿生描述、診斷、預(yù)測、決策、控制等5項基本功能的實現(xiàn)，進而支撐上層應(yīng)用。

7）應(yīng)用層支撐公路交通數(shù)字孿生的具體應(yīng)用，包括遠程運維、車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛測試、智慧公路、運載工具研制與優(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)計的基礎(chǔ)上，對數(shù)字孿生系統(tǒng)功能進行設(shè)計。功能層共包括描述、診斷、預(yù)測、決策、控制等5 項基本功能，其邏輯關(guān)系如圖6 所示。在每一個時間步長，描述功能實現(xiàn)對真實公路交通場景及其變化的數(shù)字化表達；通過外場監(jiān)測終端對真實場景中“人、車、路、環(huán)境”狀態(tài)進行感知、評價與診斷，及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)；針對異常狀態(tài)，結(jié)合用戶業(yè)務(wù)需求和數(shù)字孿生模型，開展實體要素運行狀態(tài)的預(yù)測與處置方案比選；基于預(yù)測結(jié)果，對公路交通業(yè)務(wù)管理與服務(wù)進行輔助決策；聯(lián)動外場控制終端，對決策結(jié)果進行控制，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的管理與服務(wù)，并更新狀態(tài)，進入下一個時間步長。

圖6 平臺基本功能間的邏輯關(guān)系示意

在實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的孿生場景和業(yè)務(wù)需求，通過模塊化組合與功能擴展，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)字空間三維表達的數(shù)字底座，業(yè)務(wù)功能會因由二維到三維的升維變化帶來應(yīng)用功能的變化，這一變化也必將進一步驅(qū)動業(yè)務(wù)模式的變化，以支持數(shù)字孿生技術(shù)“降本增效提質(zhì)”核心價值的落地實現(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)功能的實現(xiàn)需要關(guān)鍵技術(shù)支撐，從公路交通數(shù)字孿生平臺基本功能實現(xiàn)的角度，對數(shù)字孿生構(gòu)建與應(yīng)用涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行梳理，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、點云重建、新型測繪、計算機圖形學(xué)、計算機可視化、VR/AR 等，用于支持公路交通數(shù)字孿生的場景構(gòu)建與模型表達。

2）“診斷”用于感知真實交通場景中的狀態(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)、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、知識圖譜、大數(shù)據(jù)分析、計算機視覺、邊緣計算、分布式網(wǎng)絡(luò)、5G通信、無人機檢測等。

3）“預(yù)測”是在洞察的基礎(chǔ)上對各要素未來一段時間的狀態(tài)或行為進行推演，這一功能的實現(xiàn)依賴于人工智能、大數(shù)據(jù)、交通仿真、有限元分析、動力學(xué)仿真、數(shù)值分析、云計算、概率統(tǒng)計等關(guān)鍵技術(shù)。

4）“決策”是基于數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果，結(jié)合業(yè)務(wù)需要，提供輔助決策的方案支撐，這一功能的實現(xiàn)涉及人工智能、知識圖譜、專家系統(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)果反饋回真實場景中，并更新數(shù)字孿生場景，實現(xiàn)虛實雙向更新迭代。這一功能實現(xiàn)涉及人機交互、遠程控制、機電控制、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)用案例進行分析和評價，推動“認識—實踐—再認識—再實踐”的持續(xù)迭代。

4.1 典型案例

4.1.1 南京機場高速公路數(shù)字孿生收費站

江蘇交控、騰訊公司以南京機場高速公路為試點，打造面向高速公路的數(shù)字孿生一體化平臺[38-39]，實現(xiàn)物理場站、通行車輛、設(shè)施設(shè)備的實時數(shù)字孿生，依托外場設(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)，實現(xiàn)了約2 公里路段的雷視感知和數(shù)字孿生平臺概念驗證，如圖9所示。

圖9 南京機場高速數(shù)字孿生試點應(yīng)用效果[38]

收費站業(yè)務(wù)場景中，以數(shù)字化仿真、分析診斷、學(xué)習(xí)預(yù)測、決策自治等收費站運營管理可視化為目標(biāo)，通過靜態(tài)場景建模、動態(tài)數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)交互映射、態(tài)勢仿真推演，開發(fā)面向高速公路管理的實時數(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各類異常事件進行“演練”，從而判斷對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)自由流收費提供了新的路徑。

圖10 南京機場高速公路數(shù)字孿生收費站場景[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

華設(shè)集團針對公路運行調(diào)度難的痛點問題，集成實時仿真運行時間窗控制、基于路側(cè)檢測數(shù)據(jù)的交通流分配、路網(wǎng)運行態(tài)勢評估及基于動態(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[40]，如圖11所示，使交通數(shù)據(jù)實時關(guān)聯(lián)，通過多源數(shù)據(jù)融合分析推演預(yù)測短時交通態(tài)勢，智能化決策出行路徑，有效支撐路網(wǎng)運行監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警及科學(xué)決策的行業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)公路運行“管得好”。目前已在無錫S342 智慧公路、南京S126 智慧公路等重點工程應(yīng)用。S342 智慧公路采用該平臺后，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[40]

4.1.3 成宜高速“數(shù)字平行世界”

蜀道集團四川數(shù)字聯(lián)合阿里云公司，在成宜高速通過毫秒級數(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)時空系統(tǒng)、交通云控平臺等3 個部分，對真實高速公路場景中“人、車、路、環(huán)境”動靜態(tài)信息進行實時還原、歷史回放與預(yù)測推演。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)備以及各類氣象感知設(shè)備，對高速公路上人、車、環(huán)境等對象進行全天候、全過程精準(zhǔn)感知。采集全程高精地圖，布設(shè)北斗高精定位基站，實現(xiàn)全程高精定位及精準(zhǔn)同步。匯聚高速公路時空數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)計算，為交通管理和運營服務(wù)提供融合計算、仿真預(yù)測、輔助決策、車路協(xié)同的能力支撐。如圖12 所示，通過成宜高速“數(shù)字平行世界”的應(yīng)用，實現(xiàn)了車輛軌跡還原精度大于98%，位置誤差小于50 分米；快速識別20 余類交通事件，救援時間較之前縮短50%；通過主動交通管控，車輛通行效率提升了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為示范，打造了國內(nèi)首個基于純視覺的全天候高速公路數(shù)字孿生應(yīng)用，見圖13[18]。大橋在雙向間距125 米處設(shè)置一個支持AI 事件檢測的數(shù)字高清攝像機，保障大橋感知能力100%覆蓋。完成18 類事件108 種管控策略的編制部署，可實現(xiàn)管控信息“一鍵即達”。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“車道級”精準(zhǔn)交通誘導(dǎo)服務(wù)。

如圖13所示，通過數(shù)字孿生杭州灣跨海大橋的管控應(yīng)用，實現(xiàn)了實時流量、事件圖文、北斗導(dǎo)航、通阻狀況、處置進展、實時車流軌跡等要素“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)布的全過程，實現(xiàn)全橋“車道級”的精準(zhǔn)交通誘導(dǎo)服務(wù)。通過大橋交通事件檢測系統(tǒng)，實現(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%，事件檢測發(fā)現(xiàn)率達99%，施救力量抵達現(xiàn)場時間縮短至20分鐘以內(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)合開展了諸暨市東二環(huán)八個路口的全息路口試點建設(shè)[42]，如圖14 所示，以感知路徑現(xiàn)狀、釋放警力資源、滿足警民需求為目標(biāo)，實現(xiàn)更智慧、更高效、更便捷的公路交叉口聯(lián)合控制與動態(tài)配時。基于現(xiàn)場無人機采集的高精地圖數(shù)據(jù)，運用邊緣雷視擬合算法打造了智慧路口數(shù)字孿生地圖，將每個路口、車道的交通情況進行全息數(shù)字化聚檔，形成智慧路口數(shù)據(jù)底座；對路口精準(zhǔn)的車道級流量、排隊長度、車輛速度、行車軌跡等數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合AI 算法模型訓(xùn)練和推理，實現(xiàn)路口紅綠燈信號周期相位隨路口流量實時調(diào)整，避免路口綠燈空放問題。

圖14 諸暨市東二環(huán)全息路口運行監(jiān)測場景效果[42]

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

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

依托320 國道嘉善段整治工程，嘉善縣交通運輸局組織開展了公路數(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)場管控難、安全隱患多、工程檔案多，運維期建管養(yǎng)銜接移交難度大等問題。利用GIS+BIM 技術(shù)，實現(xiàn)對工程的孿生重構(gòu)，搭建統(tǒng)一的數(shù)字孿生平臺，并以傾斜攝影模型、高精度地圖、BIM 模型等為載體，承載時空信息數(shù)據(jù)，形成數(shù)字公路資產(chǎn)，為自動駕駛、車路協(xié)同、VR 應(yīng)急仿真模擬等場景提供數(shù)字基底。

圖15 國道320嘉善段數(shù)字孿生應(yīng)用[43]

320 國道嘉善段數(shù)字孿生應(yīng)用實現(xiàn)了“孿生公路”場景下對工程建設(shè)全過程的精細化管理、智慧化管控，包括：施工過程人員高精度定位軌跡管理，做到現(xiàn)場人員精細化管理、安全異常智能檢測；實時監(jiān)測溫度、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預(yù)警；通過圈定公路現(xiàn)場作業(yè)紅線范圍，自動設(shè)計最優(yōu)施工組織方案并進行三維呈現(xiàn)，實現(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、安全運營要求，采用Unity 3D 圖形引擎，開發(fā)了高速公路交通流時空特性數(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，在虛擬世界中進行物理世界的即時呈現(xiàn)，通過外場監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)感知與遠程控制，實現(xiàn)實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)動仿真與輔助決策、歷史追溯和復(fù)盤等應(yīng)用。

圖16 京德高速交通流時空特性數(shù)字孿生系統(tǒng)[44]

京德高速公路交通流時空特性數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要應(yīng)用效果包括：整體環(huán)境仿真、路況和車輛實時監(jiān)控呈現(xiàn)、整體交通情況監(jiān)控、車輛運行監(jiān)控、對“兩客一危”及12噸以上貨運車輛等重點和特種車輛的實時跟蹤定位再現(xiàn)、道路路況（氣象類預(yù)警、事件類預(yù)警）和車輛違章（車輛超速、長時間占用應(yīng)急車道、車輛壓線等）預(yù)警展示、交通事件歷史回放等。

4.1.8 濟南零碳服務(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)”可見可管。山東高速集團與金云數(shù)據(jù)公司以青銀高速濟南東服務(wù)區(qū)為試點，開展了“零碳服務(wù)區(qū)”建設(shè)[45]。通過基于數(shù)字孿生的零碳智慧管控系統(tǒng)開發(fā)（見圖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)。基于數(shù)字孿生模型，接入碳排放統(tǒng)計分析、可再生能源利用等相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對能源使用與變化狀態(tài)的數(shù)字化管理，為碳排放評估分析、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)，實現(xiàn)了碳排放數(shù)據(jù)互通和集中管理，在滿足服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶舒適度要求的同時，保證服務(wù)區(qū)可持續(xù)碳中和目標(biāo)的穩(wěn)定實現(xiàn)。經(jīng)測算，濟南東服務(wù)區(qū)零碳服務(wù)區(qū)運行后，年均碳減排約3 400 噸，已遠超建成前年均2 300余噸的二氧化碳排放量，可以實現(xiàn)零碳運營，標(biāo)志著濟南東服務(wù)區(qū)成為國內(nèi)首個實現(xiàn)自我中和的“零碳服務(wù)區(qū)”，在全國具有示范意義。

4.1.9 大連路隧道實景數(shù)字孿生智能管控應(yīng)用

本文研究團隊聯(lián)合上海城建城市運營集團，依托上海大連路隧道開展了基于三維視頻融合的隧道實景數(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安全運行監(jiān)控的現(xiàn)實需求，針對已有監(jiān)控系統(tǒng)缺乏空間連貫性、易于視覺疲勞、手工操作頻繁等問題，通過整合和優(yōu)化視頻資源，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對離散的具有不同視場角的傳統(tǒng)監(jiān)控視頻與監(jiān)控場景的三維模型進行視頻融合，形成場景內(nèi)不同視頻畫面之間的空間關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)隧道三維全景的一體化監(jiān)控，有效減輕管理者對實時視頻的認知理解壓力，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，見圖18。

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

如圖18所示，隧道實景數(shù)字孿生智能管控系統(tǒng)支持大連路44 路槍機、4 路球機視頻流的三維融合，并匯聚風(fēng)機、照明、廣播、信號燈、流量監(jiān)測等物聯(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。通過隧道實景數(shù)字孿生智能管控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)分鏡頭監(jiān)控畫面碎片化、缺乏關(guān)聯(lián)性問題，實現(xiàn)大范圍連續(xù)區(qū)域的整體變化態(tài)勢掌握；實現(xiàn)隧道自動化視頻巡查，降低了人工現(xiàn)場巡查與球機手柄巡檢的工作量；實現(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)動響應(yīng)能力。

4.1.10 大梁山隧道視覺引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生駕駛安全評價

本文研究團隊聯(lián)合浙江高運公司，依托浙南大梁山隧道，開展隧道視覺引導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字孿生行車安全管控應(yīng)用。以提升駕駛員隧道行車安全性為目標(biāo)，構(gòu)建隧道全線視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)字孿生場景，開展基于虛擬駕駛的隧道視覺引導(dǎo)系統(tǒng)安全識認性評價，形成定量與定性結(jié)合的安全識認性評價方法，給出視覺引導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化建議，提高司乘人員出行體驗，保證車輛行駛安全。圖19為大梁山隧道視覺引導(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)計圖紙構(gòu)建隧道主體結(jié)構(gòu)與視覺引導(dǎo)實體要素BIM 參數(shù)化模型，開發(fā)了隧道視覺引導(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，實現(xiàn)了視覺引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計方案對比、視覺引導(dǎo)系統(tǒng)動態(tài)演化分析、視覺引導(dǎo)系統(tǒng)異常狀態(tài)監(jiān)測、虛擬駕駛視覺引導(dǎo)系統(tǒng)評估、應(yīng)急事件柔性攔截聯(lián)動響應(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。針對公路交通不同場景的數(shù)字孿生應(yīng)用案例，采用實現(xiàn)的功能作為公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用效果評價的依據(jù)之一，包括描述、診斷、預(yù)測、決策、控制等5 個等級。這5 個等級并不是完全遞進的關(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以上典型應(yīng)用案例進行對比分析，結(jié)果如表5所示。

表5 典型案例的功能特征

如表5 所示，所有案例都能實現(xiàn)描述和診斷功能，并能根據(jù)所關(guān)注場景業(yè)務(wù)需求不同，開展一定程度的預(yù)測分析與輔助決策，但能實現(xiàn)5 個功能閉環(huán)迭代的案例只占50%，其他5 個案例在預(yù)測、決策和控制等不同方面存在缺失。進一步從技術(shù)特征的角度對以上典型案例進行分析，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，所有案例都實現(xiàn)了虛實映射、模型表達和軟件承載的效果。在虛實映射方面，區(qū)別在于是對靜態(tài)對象、慢變量還是快變量的映射。只有“諸暨市東二環(huán)全息路口”是以二維頂視圖進行模型表達，大多數(shù)案例都是以三維模型對重點場景進行可視化表達，并結(jié)合GIS 數(shù)據(jù)對宏、中觀場景進行表達，這也是數(shù)字孿生直觀可視的典型優(yōu)勢之一。數(shù)字孿生應(yīng)用實效的差異性主要體現(xiàn)在對“雙向互動”和“模擬擇優(yōu)”兩個特征的實現(xiàn)上。絕大多數(shù)案例都實現(xiàn)了對真實場景的數(shù)據(jù)獲取和態(tài)勢感知，但大多仍停留在場景和數(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)果反饋回真實交通場景中，并更新虛擬場景。對于“模擬擇優(yōu)”的實現(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)字孿生落地實施的痛點之一。

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個方面。

1）缺少虛實間有效性驗證。公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)是虛實映射準(zhǔn)確、響應(yīng)及時、仿真準(zhǔn)確、預(yù)測可靠、迭代有序，這些效果的實現(xiàn)需要通過大量歷史與運行數(shù)據(jù)對其有效性進行驗證，在準(zhǔn)確復(fù)盤的基礎(chǔ)上才能進行可靠的預(yù)測與推演。

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）實踐案例數(shù)量和深度不足。目前公路交通數(shù)字孿生的實踐均為關(guān)鍵技術(shù)類試點，單點強而全局弱、科技創(chuàng)新多而落地實效少，示范案例的數(shù)量和質(zhì)量均有待提升，亟需形成實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)字孿生的最大價值體現(xiàn)在“研發(fā)能力和持續(xù)改進能力的提升”，但這一價值體現(xiàn)是隱性的，如何平衡企業(yè)短期盈利、長期高質(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、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、計算機視覺、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)字孿生的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持，但在實際公路交通數(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)動的仿真模擬。目前公路交通場景的模擬推演往往通過仿真工具離線實現(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)真實場景的快速變化，亟需設(shè)計合理的接口，封裝常用或通用仿真模塊、過程或結(jié)果，突破在線數(shù)據(jù)驅(qū)動的場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。公路交通場景中“人、車、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)系的描述需要通過模型屬性、交互設(shè)計和幾何表達來實現(xiàn)，這部分工作沒有現(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)鍵問題之一。

3）場景定制化與功能模塊化。當(dāng)前數(shù)字孿生系統(tǒng)功能往往通過定制開發(fā)實現(xiàn)，解決方案針對性強、可推廣性弱，進而導(dǎo)致開發(fā)量大、成本高。如何分解公路交通的典型場景，解耦場景構(gòu)建與功能實現(xiàn)，實現(xiàn)場景定制化、功能模塊化集成是公路交通數(shù)字孿生實用與推廣的關(guān)鍵瓶頸之一。

4）模擬擇優(yōu)功能化實現(xiàn)。已有的公路交通數(shù)字孿生應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對場景建模、感知、識別、行為復(fù)現(xiàn)，但應(yīng)用實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)問題之一。

除此之外，還存在自動化建模、語義建模、多尺度要素集成、多變量表達等亟待突破的技術(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)模化推廣。

6 結(jié)論與建議

交通強國建設(shè)對公路交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級提出了更高要求。本文圍繞公路交通數(shù)字孿生的理論與實踐展開研究，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、路、環(huán)境”虛實要素的精準(zhǔn)映射、雙向互動、模擬擇優(yōu)、數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型支撐。

2）公路交通數(shù)字孿生的核心價值是通過數(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)的實現(xiàn)，并形成“模擬擇優(yōu)與持續(xù)改進”的數(shù)字化基礎(chǔ)。

3）公路交通數(shù)字孿生平臺可參考“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、決策、控制”基本功能的實現(xiàn)。

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

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

1）強化理論研究，構(gòu)建理論體系。立足交通運輸行業(yè)現(xiàn)狀與需求，結(jié)合數(shù)字孿生理論演化，強化公路交通數(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，推動行業(yè)形成理論與實踐層面的普遍共識。

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)合公路交通場景多要素協(xié)同共融特點，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)，推動公路交通數(shù)字孿生構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新。

3）實效目標(biāo)驅(qū)動，拓展案例實踐。理論與實踐需要相互促進、共同發(fā)展，選擇更多的交通運行場景，確定具體的實效應(yīng)用目標(biāo)，開展更多更深入的示范實踐與方案驗證，形成理論與實踐的良性互動和螺旋上升。

4）注重成本效益，優(yōu)化價值鏈條。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，不開展沒有業(yè)務(wù)實效的技術(shù)應(yīng)用，立足企業(yè)核心價值打造，優(yōu)化交通數(shù)字孿生的價值鏈條，形成有實效、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)急管控全過程示范等具體內(nèi)容展開。