數(shù)字孿生的具體定義源于美國(guó)NASA，初始主要應(yīng)用于飛行器真實(shí)運(yùn)動(dòng)的鏡像仿真模擬，后在工業(yè)、游戲、交通等不同的領(lǐng)域中逐漸得到應(yīng)用。
“十四五”之后，數(shù)字一詞更是頻繁出現(xiàn)在各行各業(yè)的建設(shè)當(dāng)中。
據(jù)賽文了解，在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，通篇有88處提到了“數(shù)字”或“數(shù)字化”，62處提到“數(shù)據(jù)”或“大數(shù)據(jù)”。
2019年交通運(yùn)輸部印發(fā)《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，提出建設(shè)數(shù)字化的采集體系，網(wǎng)絡(luò)化的傳輸體系和智能化的應(yīng)用體系，囊括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)應(yīng)用；《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中，也提及到了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的內(nèi)容。
在政策支持和多方的引導(dǎo)下，數(shù)字化的升級(jí)改造深入整個(gè)交通行業(yè)，數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)繁多，交通發(fā)展邁入數(shù)字交通新階段。
車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛、智慧高速等智能交通領(lǐng)域掀起了數(shù)字孿生應(yīng)用熱潮，衍生出行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)。
01
數(shù)字孿生與交通
在探討數(shù)字孿生之前，首先要明確數(shù)字化、數(shù)字孿生的含義。
數(shù)字化，是指將任何連續(xù)變化的輸入如圖畫(huà)的線條或聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為一串分離的單元，在計(jì)算機(jī)中用0和1表示。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將現(xiàn)實(shí)世界的事物信息，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)計(jì)算所用的數(shù)據(jù)符號(hào)。
數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。
提及數(shù)字孿生，就必須介紹與數(shù)字孿生關(guān)系緊密的仿真技術(shù)，因?yàn)樵S多人總是在不經(jīng)意間將兩者混淆。
仿真技術(shù)是應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，借助某些數(shù)值計(jì)算和問(wèn)題求解，反映系統(tǒng)行為或過(guò)程的模型技術(shù)，是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來(lái)模擬物理世界的方法，目的是依靠正確的模型和完整的信息、環(huán)境數(shù)據(jù)，反映物理世界的特性和參數(shù)。
仿真技術(shù)僅僅能以離線的方式模擬物理世界，不具備分析優(yōu)化功能。
數(shù)字孿生則可以在模擬物理世界的同時(shí)具備分析優(yōu)化功能，也可以實(shí)時(shí)與物理世界進(jìn)行交互。
數(shù)字孿生可以簡(jiǎn)單劃分為三個(gè)空間，現(xiàn)實(shí)物理空間、智能鏡像空間和虛擬數(shù)字空間。數(shù)字孿生利用傳感器收集到的現(xiàn)實(shí)物理空間信息數(shù)據(jù)，在智能鏡像空間中建設(shè)數(shù)字模型，搭建起映射現(xiàn)實(shí)物理空間的虛擬數(shù)字空間，通過(guò)在虛擬數(shù)字空間的仿真模擬，對(duì)規(guī)劃情況進(jìn)行模擬并得到結(jié)果，實(shí)時(shí)反映到現(xiàn)實(shí)物理空間，再通過(guò)實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行更加深入的優(yōu)化處理，形成數(shù)字孿生閉環(huán)。
由此看出，仿真技術(shù)不具備數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性、閉環(huán)性等特征。
為什么交通需要數(shù)字孿生？
交通擁堵、行車(chē)難、停車(chē)難、公共出行不準(zhǔn)時(shí)等問(wèn)題，不僅讓普通的交通參與者頭疼，更是一直困擾交通管理部門(mén)的重點(diǎn)民生問(wèn)題。
交通參與者也大都經(jīng)歷過(guò)這樣的事情，比如道路擁擠的路段上，剛在交警的指揮下走過(guò)擁堵的路口，沒(méi)行駛出幾分鐘，就又跑到了另一段平時(shí)并不擁堵，卻因其他道路疏通影響下變得嚴(yán)重?fù)矶碌牡缆飞先ァ?/p>
這就體現(xiàn)出當(dāng)前交通管理中存在的主要問(wèn)題，應(yīng)用離散化，信息孤島化，對(duì)交通問(wèn)題處理的相對(duì)單一且割裂，難以顧及及交通運(yùn)輸?shù)恼w性。
智能交通興起于此，在項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，更加注重交通數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，強(qiáng)調(diào)整體解決方案的質(zhì)量和效果。
具備實(shí)時(shí)性、閉環(huán)性的數(shù)字孿生進(jìn)入交通領(lǐng)域，正好彌補(bǔ)了交通管理和控制的不足之處。
02
數(shù)字孿生在交通中的應(yīng)用
隨著數(shù)字孿生的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)的不斷深入，數(shù)字孿生逐漸深入到交通行業(yè)的各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃、城市交通、高速公路、車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛等等。
先看城市交通的建設(shè)升級(jí)。
在數(shù)字孿生的數(shù)字空間中，可以利用收集得來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建設(shè)，按照相應(yīng)的需求進(jìn)行仿真模擬，自動(dòng)計(jì)算城市道路路網(wǎng)密度、干線網(wǎng)密度、人均道路面積等內(nèi)容，對(duì)路網(wǎng)的情況做出分析評(píng)價(jià)的同時(shí)自動(dòng)優(yōu)化解決方案，得到最優(yōu)效果，從而提高道路通行效能。
交通路口是城市交通事故發(fā)生的集中地，匯集了多樣的交通參與者和城市交通問(wèn)題。因此，交通路口是交通感知設(shè)備布置最多的場(chǎng)景之一。
也正因如此，交通路口作為當(dāng)下交通行業(yè)玩家的主要戰(zhàn)略進(jìn)攻地，百度、華為等互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭，先后發(fā)布智慧路口、全息路口、全息路網(wǎng)等相關(guān)解決方案和系統(tǒng)架構(gòu)，試圖將數(shù)字孿生的部分應(yīng)用率先實(shí)現(xiàn)，為更加依賴數(shù)字孿生技術(shù)的車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用場(chǎng)景的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
感知硬件廠商也先后推出新型產(chǎn)品和解決方案，試圖搶占數(shù)字孿生帶動(dòng)擴(kuò)張下的市場(chǎng)份額和市場(chǎng)話語(yǔ)權(quán)。
相關(guān)部門(mén)則通過(guò)建設(shè)數(shù)字空間方面的交通數(shù)據(jù)中心、交通大腦等等，統(tǒng)籌規(guī)劃，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通的全域管控。
智慧高速，也是數(shù)字孿生建設(shè)和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。
當(dāng)前高速公路的智慧化建設(shè)主要集中在幾個(gè)方面。
一是高速公路的出入口，不停車(chē)收費(fèi)、不停車(chē)治超檢測(cè)等等；
二是高速公路的行車(chē)通行和道路情況的改善，解決雨霧環(huán)境、道路病害等問(wèn)題；
三是高速公路隧道、橋梁等場(chǎng)景下的常見(jiàn)難題。
其中，全天候通行系統(tǒng)就是當(dāng)前智慧高速基于數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)的重點(diǎn)應(yīng)用之一。
部分企業(yè)利用數(shù)字孿生技術(shù)，建設(shè)全天候通行系統(tǒng)。通過(guò)車(chē)路兩端布設(shè)的傳感器，將車(chē)輛、道路的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集并經(jīng)過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)處理后，結(jié)合車(chē)道級(jí)的高精地圖將最終的效果實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在車(chē)端OBU顯示屏上，輔助駕駛?cè)藛T了解車(chē)輛行駛的道路情況和周邊過(guò)車(chē)情況，從而保證車(chē)輛在雨霧天氣的正常通行。除此之外，車(chē)輛行駛過(guò)的道路信息還將同步上傳至數(shù)字孿生可視化平臺(tái)，幫助交通管理人員對(duì)道路通行環(huán)境做出預(yù)警判斷。
車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛，是數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的形象體現(xiàn)。
通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)將感知設(shè)備采集得來(lái)的交通數(shù)據(jù)結(jié)合高精度地圖，并構(gòu)建自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生模型，將真實(shí)世界1：1還原到數(shù)字孿生中的數(shù)字場(chǎng)景，并還原物理世界的運(yùn)行規(guī)律，滿足智能駕駛場(chǎng)景下人工智能算法的訓(xùn)練需求，從而提升訓(xùn)練的效率和安全度。
數(shù)字孿生依賴AI等科技技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域上的突破，因此在車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域建設(shè)上，互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭是主要的建設(shè)推動(dòng)者，百度、騰訊等科技公司相繼進(jìn)入該領(lǐng)域的建設(shè)當(dāng)中，并且還在持續(xù)地加大投入。
03
數(shù)字孿生在交通中當(dāng)下和未來(lái)
縱看當(dāng)前基于數(shù)字孿生的項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)，車(chē)路協(xié)同、自動(dòng)駕駛、智慧高速、交通路口等領(lǐng)域均已有試點(diǎn)項(xiàng)目或?qū)嶋H項(xiàng)目落地。
但細(xì)看落地運(yùn)行的“數(shù)字孿生”項(xiàng)目，依舊停留在對(duì)交通狀況、問(wèn)題的離線式“數(shù)字仿真”，交通數(shù)據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)平臺(tái)協(xié)同打通方面沒(méi)有突破性進(jìn)展，落地的“數(shù)字孿生”沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生所要求的數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)交互，形成現(xiàn)實(shí)物理空間與虛擬數(shù)字空間的閉環(huán)。
導(dǎo)致相關(guān)問(wèn)題出現(xiàn)的主要問(wèn)題，總結(jié)有以下幾點(diǎn)：
一是建設(shè)和發(fā)展不明確，應(yīng)用場(chǎng)景較為單一且不夠深入，缺乏建設(shè)推進(jìn)的目的性。
各交通細(xì)分領(lǐng)域都有展開(kāi)基于數(shù)字孿生的項(xiàng)目規(guī)劃和建設(shè)，但在初期的規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面，依舊停留在解決單個(gè)場(chǎng)景下的交通問(wèn)題，對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景下的交通問(wèn)題解決也不夠深入，缺乏對(duì)道路交通的整體性規(guī)劃，并且對(duì)建設(shè)最終的呈現(xiàn)效果沒(méi)有目的性。
有部分的地區(qū)也為了蹭熱度，對(duì)數(shù)字孿生的概念和建設(shè)方向都不清楚，從而脫離了項(xiàng)目實(shí)際業(yè)務(wù)需求，盲目跟風(fēng)數(shù)字孿生項(xiàng)目建設(shè)，數(shù)字孿生有名無(wú)實(shí)。
二是缺乏明確的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
數(shù)字孿生的建設(shè)是涵蓋整個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的綜合性項(xiàng)目，但歸結(jié)于現(xiàn)實(shí)世界，領(lǐng)域不同，項(xiàng)目背后的需求責(zé)任方也不盡相同，常出現(xiàn)對(duì)同一區(qū)域的重復(fù)建設(shè)，而應(yīng)用數(shù)據(jù)和系統(tǒng)構(gòu)架的項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也并不統(tǒng)一，在后續(xù)的項(xiàng)目協(xié)同處理和整合應(yīng)用上出現(xiàn)以誰(shuí)為準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的問(wèn)題。
比如在數(shù)字孿生在城市建設(shè)中的應(yīng)用，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)系統(tǒng)推進(jìn)的城市信息模型平臺(tái)，自然資源與國(guó)土規(guī)劃主導(dǎo)的時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)，公安政法條線依托進(jìn)行城鄉(xiāng)安全和綜合治理的城市底圖，一座城市存在三張底圖，并且每張底圖自成體系，一般僅支撐本系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用，不能隨時(shí)按需支持其他部分的工作，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)積淀時(shí)間較久，很難放棄也很難整合。
三是關(guān)鍵技術(shù)存在卡脖子風(fēng)險(xiǎn)，亟待創(chuàng)新突破②。
數(shù)字孿生誕生于多先進(jìn)學(xué)科技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，依賴于多種感知手段的快速發(fā)展。
但當(dāng)前數(shù)字孿生所涉及的新型測(cè)繪、標(biāo)識(shí)感知、協(xié)同計(jì)算、全要素表達(dá)、模擬仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)自身發(fā)展和融合還有待加強(qiáng)，海量數(shù)據(jù)加載技術(shù)、云邊計(jì)算協(xié)同技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等成熟度也有待提高，人工智能、邊緣計(jì)算對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)快速分析處理能力也有所不足。
其中的設(shè)計(jì)軟件大部分有國(guó)外企業(yè)主導(dǎo)，核心技術(shù)自主水平不足，基礎(chǔ)研究有待加強(qiáng)，或可以通過(guò)構(gòu)建軟件開(kāi)源生態(tài)，帶動(dòng)基礎(chǔ)軟件創(chuàng)新突破。
GPU芯片、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)中間件與國(guó)外存在一定差距，傳感器從技術(shù)到成本都不能滿足全域感知部署需求，需要靠市場(chǎng)來(lái)進(jìn)行培育。
特別是近年來(lái)，高尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)包括交通感知產(chǎn)業(yè)，在“缺芯風(fēng)暴”的影響下，更加感受到了國(guó)外掌握的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)行業(yè)發(fā)展的限制和封鎖，也對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和突破的需求日漸增多。
四是孿生場(chǎng)景與動(dòng)態(tài)交通實(shí)景互動(dòng)模型成熟度不高。
數(shù)字孿生在交通領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)水平，各專業(yè)領(lǐng)域的算法、模型還有待進(jìn)一步研發(fā)，成熟度不高，因此孿生場(chǎng)景與實(shí)際動(dòng)態(tài)交通之間的互動(dòng)還不夠，數(shù)字空間的模擬仿真、態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)價(jià)值遠(yuǎn)未釋放，不少應(yīng)用最終變成傳統(tǒng)信息化建設(shè)項(xiàng)目。
04
結(jié)語(yǔ)
數(shù)字孿生因感知控制技術(shù)而起，因綜合技術(shù)集成創(chuàng)新而興①。
結(jié)合當(dāng)下的切實(shí)需求，找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，是數(shù)字孿生在交通行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在，也是擺脫“數(shù)字仿真”標(biāo)簽的重要一步。
數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)也要再進(jìn)行新一輪的技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)自我突破，滿足數(shù)字交通時(shí)代下，交通行業(yè)發(fā)展的新目標(biāo)和新需求。
隨著數(shù)字孿生的發(fā)展，數(shù)字孿生不再僅是一種技術(shù)，更是發(fā)展的新模式、新動(dòng)力。
在新模式、新動(dòng)力的推動(dòng)下，虛擬數(shù)字世界將不斷與現(xiàn)實(shí)世界融合，在不久的未來(lái)，數(shù)字孿生也將為我們架起通往探索數(shù)字世界橋梁，也將讓我們的生活更加的高效便捷。
