數字孿生技術在智慧高速領域的應用展望

李沛祺

（廣東利通科技投資有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引言

數字孿生技術最初應用于航空航天領域。近年來，隨著大數據、物聯網、云計算、人工智能等新一代信息技術的加速突破，數字孿生已成為數字化浪潮的重要趨勢，逐漸向智能建筑、智慧城市、智慧交通等土木工程建設領域普及，并為高速公路設計、建設、管理和發展提供智慧服務，成為智慧城市的重要組成部分[1]。其中，利用數字孿生技術實現既有高速公路改擴建工程中重點公路基礎設施的三維模型構建和運行狀態感知，有助于管理單位掌握占道施工路段的實時通行能力，從而實施有效的交通組織和交通分流疏導決策，保障智慧化改造期間高速公路收費不中斷、道路安全暢通。

本文基于高速公路現實交通管控需求，提出如何在公路智慧化改造項目的基礎設施可視化管理、交通流監測仿真推演、交通組織方案設計等改擴建占道施工典型場景中，利用增強現實、人工智能、大數據分析等數字孿生技術提高管理效率，旨在推動高速公路智能化應用水平的提升和相關理論研究的深化。

1 數字孿生技術在公路工程行業應用的研究現狀

數字孿生是利用數字化技術將高速公路物理實體在虛擬空間中建立模型映射，實現高效科學的診斷、預測和決策。目前，國內學者對數字孿生在交通場景的應用研究大多集中在城市交通領域。張競濤認為數字孿生技術可以應用在城市道路擁堵預警、應急救援路線定制和信號聯網優化等場景[2]。伍朝輝等圍繞“人-車-路-環境”四要素對混合交通場景下數字孿生技術在路面病害檢測、車輛駕駛行為分析、無人駕駛車路協同等方面的應用進行可行性分析[3]。小部分對數字孿生在高速公路場景應用的研究，也集中在利用BIM 模型和三維GIS 技術對公路基礎設施建立模型、進行數據整合等方面進行業務協同，在應用場景上存在局限性[4]。目前，制約數字孿生技術在智慧高速領域發展的挑戰有數據質量低、仿真能力水平不足、專業化定制軟件匱乏、關鍵技術缺少應用場景等。因此，研究數字孿生在公路改擴建工程中占道施工場景下的應用問題在理論上具有一定的創新性。

隨著我國大規模新建高速公路階段進入尾聲，面對現有高速公路利用狀況不均衡、部分高速公路設計流量與實際需求不匹配的現狀，從交通需求與我國未來經濟發展目標相匹配的角度分析，提升高速公路服務能力仍是長期任務，充分利用存量高速公路進行智慧化改造將成為重要的發展方向，而新技術的綜合集成應用可顯著提升存量高速公路的服務水平，由此可見，數字孿生技術在高速公路行業的應用研究具有重大的現實意義。

2 公路智慧化改造管理需求

與新建項目相比，高速公路改擴建工程在工程建設方案、路線地理位置、路網功能定位等方面存在較大差異，尤其在改擴建路段“邊通車、邊施工”的施工模式成為主流后，占道施工作業區的精細化管控要求更高，對孿生模型的構建、交通流量監測的密度和精度、交通組織優化方案的效果均會提出相應的限制，導致高速公路改擴建占道施工場景下的數字化技術應用成為難題。

實踐表明，對既有高速公路進行智慧化改造，無論采用何種施工組織方式，必然對原有的高速公路交通流產生干擾。面對改擴建路段“交通不中斷”的實際需求，如何科學、安全、快速、有效地制定交通擁堵事件管控策略并科學實施，是當下高速公路管理單位的技術難題與業務痛點。提取目前高速公路改擴建占道施工場景的交通管控共性需求進行分析，可總結出以下幾個較突出的問題。

第一，公路建管養運服全周期全業務數據無法實現有效的匯聚、傳遞、共享和應用，缺乏數字化的采集體系和網絡化的傳輸體系，智能化應用缺乏數據基礎。

第二，面對施工作業區發生的不可預測的突發交通事件，缺乏合理的應急資源配置、完善的突發事件處理程序和科學的處置制度設計，對交通管控策略的實施效果也無法評估。

第三，對占道施工區域啟動交通管控策略的條件判別缺少量化的判斷標準，難以評估最優的啟動與關閉窗口，使得目前采取的管控策略通常存在滯后性，而且準確度和及時性較低。

3 關鍵技術及場景應用設計

3.1 設計思路

基于高速公路改擴建占道施工實際管控需求，結合互聯網、大數據、物聯網、人工智能等技術手段，以高速公路基礎設施全生命周期數據鏈構建為核心突破，提取多源數據進行分析與挖掘，并建立交通態勢特征分析模型，對交通組織方案進行仿真推演，為擁堵疏導、方案優化提供輔助決策支持。同時，利用多樣化的公眾信息發布渠道及車流誘導措施，有效解決改擴建占道施工場景可能出現的車流量大、擁堵、事故等交通事件，達到“保暢通的同時保安全”的目的，從而在保證智慧化改造工程項目如期完工的前提下，改善占道施工期間路段上下游的通行環境。

3.2 公路基礎設施可視化管理

數字孿生是利用數字化的手段構建一個數字世界中一模一樣的實體，借此實現對物理實體的了解、分析和優化。利用GIS、BIM 技術的三維展示能力，按照地形地貌影像對路面、橋梁、收費站、服務區、隧道、互通立交、出入口匝道、標志標線、隔離帶、綠化帶、機電設備等重點構造物分層進行數據集成，對單體設施提供三維模型展示，實現“數字高速公路”孿生仿真效果，為高速公路資產管理、巡檢管理可視化提供支撐。

3.3 占道施工交通流監測及管控

利用數字孿生技術再現中觀和微觀的交通流運行過程，進行仿真方案的數據庫存儲、調用，以及實時交通狀態的仿真判斷與分析，實現前端設備、數據中心、交通仿真、交通控制、后端設備、策略管理等各種應用一體化，為緩解擁堵等交通流難題提供可靠工具，為交通管理輔助決策提供可靠依據。交通流仿真推演技術可以分為宏觀、中觀、微觀三個層次，在高速公路改擴建占道施工場景中，最常見的應用是路網交通分流，通過建立施工區路網、路段仿真模型，對既定和備選交通組織方案進行仿真推演，分析交通運行演變規律，預測施工事件、突發事件、管制措施對路網路況的影響，利用輸出的交通流參數對方案進行修正，為優化交通組織決策提供理論支撐和數據支持，輔助確定智慧化改造工程項目的交通流組織方案。

高速公路交通管控包括交通管理和交通控制，交通管理是指對高速公路交通流依法依規進行合理引導、限制和組織；交通控制是根據高速公路交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度等動態交通流參數，以及交通狀況、路面狀況和氣象參數進行實時觀察和測量。根據作業區的交通參數、交通條件的歷史數據，按照某種預設的流量預測模型調節高速公路上的交通參數，從而滿足改擴建占道施工場景保持最佳通行狀態的需求。常用的高速公路交通管控有主線控制、匝道控制、優先通行權控制和通道系統控制等技術手段（見表1），在實際場景中可根據不同需求選用。

表1 常見高速公路交通管控技術手段

4 案例研究

收費站是高速公路網的重要節點，也是重要的公路基礎設施。南丫收費站位于廣州市荔灣區，是廣珠西線高速公路主線站點，改擴建前設3 個收費廣場共31 條收費車道，包括10 條入口車道、21 條出口車道，其中13 條ETC 專用車道、18 條混合車道。收費站現場管理難點在于：一是站場多、路線復雜，連接荔灣區花地大道、廣州東南西環高速，交通組織困難；二是出、入口車道資源不匹配，入口車道無法滿足車流通行需要，呈常態化通行緩慢；三是收費廣場設施外觀陳舊、沒有特點，公眾辨識度差。

研究表明，收費站常見擁堵原因包括：一是收費站廣場規模和設計車道通行能力不滿足實際車流量需求；二是混合車道與ETC 專用車道設置比例與車流量分布不匹配；三是出口提示距離設置不合理導致車輛在進入收費站廣場前異常減速或變道，存在事故隱患。通過收費站智慧化改造提升工程，拓寬收費廣場，增加收費車道數量，從而提高收費站通行能力，是破解高速公路收費站擁堵治理難題的有效對策。本文借鑒浙江滬杭甬高速、廣州機場高速等經驗，設計利用數字孿生技術進行智慧化改造的方案[5]。

4.1 公路設施孿生場景復刻

利用三維GIS 技術和實時渲染技術，將高速公路的數據融合分析后實時投射到三維數字世界里，構建收費廣場的仿真模型，展現給管理者一個全時空的“數字世界”，可為交通仿真引擎提供實時車流數據、三維可視化渲染等數據和技術支持。南丫收費站三維建模效果如圖1 所示。

圖1 南丫收費站三維建模效果

通過車流數據的實體化還原，結合虛擬的仿真技術和參數配置，利用三維數字孿生引擎基于仿真引擎推算出的車流量微觀數據，以動態車流模型形式疊加到當前三維道路場景中模擬車流還原的效果，增強系統用戶的臨場感以及仿真數據結果的易讀性及理解性。

4.2 收費站全息管控系統搭建

結合視頻監控設備的人工智能感知能力和智慧通信站的單點數據擬合能力，構建收費站孿生管控新形態，實現對南丫站出入口通行車輛的智能誘導，滿足出口內廣場的收費車輛精準管控和出口外廣場的擁堵研判需求。利用仿真引擎基于道路環境場景以及歷史基礎數據的仿真計算，分析場景車輛數據在當前道路環境下的通行狀態，并從微觀層面推算出各車輛的通行方向、位置、車速等通行參數。

利用全息管控系統進行多次模擬試驗，結果顯示實施交通管控措施后，收費站排隊長度下降30%，通行速度提高28%。接入實時車流量后，還可預測復雜路網環境下交通事件發生后未來短時的交通擁堵發展態勢和交通運行異常狀態，進而可以對未來可能出現的交通擁堵等問題進行提前識別，為公路應急處置提供快速、科學的決策支持，便于及時采取適當的交通管理措施，為公路運營管理提供高效服務。

4.3 高峰車流預警與交通組織設計

一方面，為使交通誘導信息實時、有效、個性化地服務于出行者，可通過融合互聯網、交通參數數據、視頻數據，基于交通OD 和地理特征為不同場景及不同位置的出行者提供誘導方案，誘導方案統一通過智慧發布平臺，對接多渠道，經由不同終端系統觸達公眾。

另一方面，利用雷達、視頻等車流檢測設備對通行流量及車輛排隊長度進行實時監測，結合地圖廠商提供的地方實時路況數據，采用大數據技術構建態勢感知與車流量預測模型，按照應急預案要求，分等級發出擁堵及事故預警。

5 結語

智慧高速是智慧交通發展的重點方向，在加快建設交通強國與數字化轉型的背景下，“數實融合”逐漸成為推進智慧高速建設亟待突破的重點技術。隨著國內高速公路網日趨完善，行業已迎來從重建設輕管養到建管養運服并重的全新拐點。本文依托南丫收費站智慧化改造工程項目，提出搭建收費站三維孿生模型，接入通行流量、收費車道啟閉狀態、車輛軌跡、情報板發布信息等動態數據，可以有效降低收費廣場發生事故的概率，緩解收費站擁堵。通過探索數字孿生技術在高速公路改擴建占道施工場景中的應用，為后續進行智慧高速智能化應用研究工作拓寬了思路。