編者按：西安公路研究院南京院院長姬建崗在第二十三屆中國高速公路信息化大會上作題為《數(shù)字孿生技術在高速公路信息化管養(yǎng)中的應用》的報告。姬建崗認為，數(shù)字孿生不僅僅是技術，更是行業(yè)發(fā)展的新模式、新路徑、新動力。他對數(shù)字孿生在交通行業(yè)中的“規(guī)建管”協(xié)同管控、資產(chǎn)管理、交通信息管理、設備監(jiān)測、重大構造物監(jiān)測與巡查等應用進行了探討分析。以下為姬建崗的部分報告內(nèi)容，《中國交通信息化》作了不改變原意的編輯及整理。
2019年9月中共中央、國務院印發(fā)了《交通強國建設綱要》；2021年3月，十三屆全國人大四次會議表決通過了關于“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要的決議。這兩份文件，都強調(diào)了數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)、智能交通、智慧交通。
數(shù)字孿生綜述
數(shù)字孿生的理念可追溯到1969年，而其明確的概念則普遍認為是在2003年由美國密歇根大學的邁克爾﹒格里夫斯(Michael Grieves)教授提出，當時被稱為“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”；2003-2005年間，數(shù)字孿生一直被稱為“鏡像的空間模型”，2006-2010年被稱為“信息鏡像模型”。美國空軍研究實驗室與NASA在2011年開展合作，提出了飛行器的數(shù)字孿生體概念，數(shù)字孿生才有了明確的定義；2012年，NASA發(fā)布“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖，數(shù)字孿生概念正式進入公眾視野。
隨著工業(yè)4.0，智能制造等技術和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷出臺，數(shù)字孿生技術逐步成為智能制造的一個基本要素，并得到了各方的普遍關注。洛克希德馬丁公司于2017-11將數(shù)字孿生列為2018年未來國防和航天工業(yè)頂尖技術之首；英國國家基礎設施委員會于2017-12發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報告》(Public Good Report)，提出創(chuàng)建一個與國家基礎設施相對應的數(shù)字孿生體，并于2019-01啟動相關計劃；Gartner公司連續(xù)3年(2017-2019年)將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。
如何理解“數(shù)字孿生”？
數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。
基本概念：當前，數(shù)字孿生在工業(yè)界和學術界有多種不同的定義和理解，但從根本上講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)。
技術定義：“工四100術語編寫組”對數(shù)字孿生進行了較為全面的概括，將數(shù)字孿生技術定義為：是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。
數(shù)字孿生體：
是什么：實體或邏輯對象在數(shù)字空間的全生命周期的動態(tài)復制體。
做什么：基于豐富的歷史和實時數(shù)據(jù)和先進的算法模型，實現(xiàn)對對象狀態(tài)和行為高保真度的數(shù)字化表征、模擬試驗和預測。
為什么：對物理或邏輯空間的對象實現(xiàn)深入的認知、正確的推理和精準的操作。
仿真和數(shù)字孿生的區(qū)別
數(shù)字孿生是現(xiàn)有或將有的物理實體對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關數(shù)字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策。
仿真只是實現(xiàn)數(shù)字孿生諸多關鍵技術中的一部分，不能將數(shù)字孿生與仿真混為一談。仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。
數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。
數(shù)字孿生的核心能力與特征
數(shù)字孿生的核心能力包括：擴展應用能力、自優(yōu)化能力、模擬仿真推演能力、空間計算分析能力、融合互動能力、全要素數(shù)字表達能力、可視化呈現(xiàn)能力、物聯(lián)感知操控能力。
數(shù)字孿生的特征包括：智能干預、軟件定義、虛擬交互、精準映射。
數(shù)字孿生系統(tǒng)能力等級
L1：描述。感知數(shù)據(jù)采集，對物理世界各要素進行動態(tài)監(jiān)測和描述。
L2：診斷。感知數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)加工分析，檢測、監(jiān)測系統(tǒng)性能、功能變化。
L3：預測。數(shù)據(jù)深度價值發(fā)掘，揭示各類模式關系，突發(fā)事件預測、預判。
L4：輔助決策。在分析過去、預測未來的基礎上，對物理世界行為進行指導。
交通行業(yè)應用探討
“規(guī)建管”協(xié)同管控
規(guī)劃前期：基于數(shù)字模型，分析推演，推動頂層設計落地，科學評估規(guī)劃影響。
勘察階段：進行數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達，構建工程勘察信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工程勘察信息有效傳遞和共享。
規(guī)劃階段：全面整合規(guī)劃數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間實現(xiàn)合并疊加，形成一張底圖，進行規(guī)劃評估、多方協(xié)調(diào)、動態(tài)優(yōu)化與實施監(jiān)督。
設計階段：對設計方案進行性能和功能模擬、優(yōu)化、審查和數(shù)字化成果交付，開展集成協(xié)同設計，提升質(zhì)量和效率。
建設階段：基于數(shù)字模型對工程項目從圖紙、施工到竣工交付全過程進行監(jiān)管。
運營管理階段：基于數(shù)字模型和標識體系、感知體系及各類智能設施，實現(xiàn)對運行狀況的實時監(jiān)測和統(tǒng)一呈現(xiàn)，提升綜合能力。
項目效益評價：基于數(shù)字孿生體系及可視化系統(tǒng)，建模分析各維度交通數(shù)據(jù)、實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)挖掘分析，評判項目建設效益。
資產(chǎn)管理
資產(chǎn)管理包括資產(chǎn)臺賬、資產(chǎn)維護、資產(chǎn)保養(yǎng)、資產(chǎn)統(tǒng)計。
按照地形地貌影像、高速公路主路、互通立交、收費站、服務區(qū)、橋梁、隧道、出入口匝道、監(jiān)測設備、標志標線、里程樁牌、情報板、照明設施、降噪設施、隔離帶、反光設施等分層提供三維模型展示，實現(xiàn)高速公路基礎設施的可視化巡查瀏覽，并可根據(jù)設備編號或樁號快速定位查詢設備屬性信息，為高速公路資產(chǎn)管理提供支撐。
交通信息管理
交通運行信息管理主要通過接入高速公路監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、交通流監(jiān)測數(shù)據(jù)等動態(tài)交通信息，實現(xiàn)可視化的狀況監(jiān)察，并利用采集獲取的各路段、各構筑物(橋隧)的限高、限寬等數(shù)據(jù)為特種車輛的通行提供智能指引。
設備監(jiān)測
包括設備養(yǎng)護及更換自動提醒、通信光纜在線監(jiān)測等。
設備監(jiān)測系統(tǒng)接入（機械設備、弱電設備），設備定位（BIM構件定位、二維碼定位），狀態(tài)監(jiān)測（設備信息、實時信息、維修維護信息）。
道路監(jiān)測
包括路面狀況評測、道路病害標注、養(yǎng)護作業(yè)區(qū)布置等。
重大構造物監(jiān)測、巡查
包括橋梁健康監(jiān)測、隧道健康監(jiān)測等。
應急預案演習
在數(shù)字孿生道路、隧道等環(huán)境下，模擬應急事件發(fā)生時的預案行動情況，模擬應急疏散、救援，輔助應急指揮，使應急預案更貼近實戰(zhàn)。規(guī)劃最佳逃生路線，做好防護工作。
事故復盤
數(shù)據(jù)、操作具有可追溯性，模擬交通事故情景，進行事故復盤、推演，輔助交警部門。
實際應用
交通智能仿真
交通智能仿真的作用在于對現(xiàn)有系統(tǒng)或未來系統(tǒng)的交通運行狀況進行再現(xiàn)或預先把握，從而對復雜的交通現(xiàn)象進行解釋、分析、找出問題的癥結，最終對所研究的交通系統(tǒng)進行優(yōu)化。與傳統(tǒng)的交通分析技術相比，交通仿真技術的優(yōu)點在于：
1、模型機制的靈活性和柔軟性。仿真模型對系統(tǒng)內(nèi)各基本要素的變化規(guī)律及相互作用關系的描述與系統(tǒng)的實際運行過程緊密對應，具有靈活性和柔軟性較強的模型機制。
2、模型描述的準確性和靈活性。微觀仿真模型以交通系統(tǒng)最基本的要素，如單個的車輛、車道、信號燈等為建模單元，因而能準確、靈活地反映各種道路和交通條件的影響。
3、交通分析的開放性。借助于計算機技術，通過良好的用戶輸入輸出界面，模型的運算結果可方便地與用戶交互，增強了模型應用的實用性和方便性。
4、強大的路網(wǎng)動態(tài)交通狀態(tài)描述功能。交通仿真技術可有效地體現(xiàn)交通流的隨機因素，按設想要求實現(xiàn)對動態(tài)交通狀況的重現(xiàn)，從而大大降低了現(xiàn)場試驗要求。
MR體驗教學
數(shù)字孿生提升智能駕駛試驗精度。通過搭建真實世界1:1數(shù)字孿生場景，還原物理世界運行規(guī)律，滿足智能駕駛場景下人工智能算法的訓練需求，大幅提升訓練效率和安全度。如通過采集激光點云數(shù)據(jù)，建立高精度地圖，構建自動駕駛數(shù)字孿生模型，完成厘米級道路還原，同時對道路數(shù)據(jù)進行結構化處理，變現(xiàn)為機器可理解的信息，通過生成大量實際交通事故案例，訓練自動駕駛算法處理突發(fā)場景的能力，最終實現(xiàn)高精度自動駕駛的算法測試和檢測驗證。
車路協(xié)同仿真
構建交通仿真的數(shù)字孿生可視化與交互系統(tǒng)“一張圖”，再現(xiàn)中觀和微觀的交通流運行過程，支持交通仿真決策算法研發(fā)，為擁堵溯源等交通流難題提供可靠的工具，為管理者提供可靠的決策依據(jù)。平臺包括數(shù)據(jù)融合對接、基礎設施云平臺、大數(shù)據(jù)中心、車路協(xié)同業(yè)務監(jiān)督管理等功能，打造規(guī)范化、系統(tǒng)化、智能化的智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務應用展示中心以及監(jiān)督管理運營中心；主動自動化預判與風險識別能力，最大降低運營安全隱患。
作者|姬建崗（西安公路研究院南京院院長）
來源|第23屆中國高速公路信息化大會
