數(shù)字孿生（Digital Twin），一個(gè)充滿科技感的名詞，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的傳播。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以在數(shù)字世界里對(duì)各種創(chuàng)新實(shí)踐進(jìn)行試錯(cuò)，從而得知這種創(chuàng)新實(shí)踐在現(xiàn)實(shí)世界中是否可行，避免盲人摸象。
隨著“貴州先行試點(diǎn)數(shù)字孿生交通系統(tǒng)”的消息引發(fā)業(yè)界關(guān)注，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧交通領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展向前邁了一大步。當(dāng)前國(guó)內(nèi)駕駛場(chǎng)景復(fù)雜，交通堵、停車(chē)難、行車(chē)亂等問(wèn)題層出不窮，人們對(duì)交通出行的穩(wěn)定性、安全性、便利性的要求越來(lái)越高，具有實(shí)時(shí)性、閉環(huán)型的數(shù)字孿生技術(shù)賦能智慧交通，成為未來(lái)交通發(fā)展的新方向。
了解數(shù)字孿生
數(shù)字孿生，也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，是以數(shù)字化的形式對(duì)某一物理實(shí)體過(guò)去和目前的行為或流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。
其技術(shù)定義為：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。
通俗來(lái)講，可以把數(shù)字孿生看做數(shù)字的雙胞胎，只不過(guò)數(shù)字孿生中的雙胞胎不是完全一樣的兩個(gè)個(gè)體，確切地說(shuō)，是兩個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)存在于現(xiàn)實(shí)的物理世界，一個(gè)系統(tǒng)存在于虛擬的計(jì)算機(jī)世界，通過(guò)智能技術(shù)，使存在于虛擬世界中的系統(tǒng)也能以一種直觀的方式讓人們感知、觸碰。
物理世界由千億級(jí)各類數(shù)據(jù)構(gòu)成，所以虛擬世界中的仿真就是對(duì)各類數(shù)據(jù)的仿真，即數(shù)字孿生。在不改變?cè)形锢硎澜绲那闆r下，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，克隆出與之對(duì)應(yīng)的虛擬世界，在虛擬世界中可以看到物理世界的角角落落，并可以在虛擬世界中進(jìn)行各種創(chuàng)新性嘗試與改革，從而提前知道某種決策運(yùn)用在現(xiàn)實(shí)生活中是否可行。這樣可以大大減少試錯(cuò)成本，并且可以不斷調(diào)優(yōu)，使決策更有助于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。其示意如下圖所示。
數(shù)字孿生示意圖
賦能智慧交通
數(shù)字孿生技術(shù)可以從多個(gè)方面賦能智能交通，以滿足未來(lái)出行的需求。
首先，同步可視、模型推演，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策。數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、同步交通運(yùn)行可視，為交通模型推演提供試驗(yàn)空間，完成數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)決策。
其次，場(chǎng)景豐富、實(shí)景重現(xiàn)，加速智能駕駛落地。城區(qū)級(jí)或地級(jí)市的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)可以提供高精度地圖。基于真實(shí)數(shù)據(jù)和模型的數(shù)字孿生技術(shù)，可以提升智能駕駛的安全穩(wěn)定性，從而加速智能駕駛更安全地落地和推廣。
第三，全城視野、全局規(guī)劃，尋找治理?yè)矶碌淖顑?yōu)解。城市區(qū)域路面復(fù)雜，交通流量變化大，準(zhǔn)確量化城市交通動(dòng)態(tài)畫(huà)像是現(xiàn)代交通的難點(diǎn)。數(shù)字孿生可通過(guò)對(duì)全要素?cái)?shù)據(jù)匯聚，進(jìn)行城市畫(huà)像，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通動(dòng)態(tài)的洞察。
智慧高速
智慧高速是數(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)主要集中在以下幾個(gè)方面。
①高速公路的出入口，不停車(chē)收費(fèi)、不停車(chē)治超監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。
②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。
③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)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)的高精底圖將最終的效果實(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)道路環(huán)境做出預(yù)警判斷。
車(chē)路協(xié)同
構(gòu)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(yùn)行過(guò)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(tái)包括數(shù)據(jù)融合對(duì)接、基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)中心、車(chē)路協(xié)同業(yè)務(wù)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(wù)應(yīng)用展示中心以及監(jiān)督管理運(yùn)營(yíng)中心；主動(dòng)自動(dòng)化預(yù)判和識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，最大程度降低運(yùn)營(yíng)安全隱患。
自動(dòng)駕駛
數(shù)字孿生可提升智能駕駛試驗(yàn)精度。通過(guò)搭建真實(shí)世界1:1數(shù)字孿生場(chǎng)景，還原物理世界運(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，大幅提升訓(xùn)練效率和安全度。如通過(guò)采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立高精度地圖，構(gòu)建自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生模型，完成厘米級(jí)道路還原，同時(shí)對(duì)道路數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，變現(xiàn)為機(jī)器可理解的信息，通過(guò)生成大量實(shí)際交通事故案例，訓(xùn)練自動(dòng)駕駛算法處理突發(fā)場(chǎng)景的能力，最終實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)駕駛的算法測(cè)試和檢測(cè)驗(yàn)證。
多場(chǎng)景試點(diǎn)應(yīng)用
貴州先行試點(diǎn)數(shù)字孿生交通系統(tǒng)
貴陽(yáng)先行試點(diǎn)數(shù)字孿生交通系統(tǒng)，主要利用當(dāng)前路口現(xiàn)有的視頻監(jiān)控資源，深度融合毫米波雷達(dá)，通過(guò)對(duì)在網(wǎng)對(duì)象，包括機(jī)動(dòng)車(chē)輛、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人等交通要素的全息感知，進(jìn)行充分的數(shù)據(jù)融合，把真實(shí)世界信息導(dǎo)入孿生的交通仿真系統(tǒng)中，再結(jié)合高精度地圖，跟蹤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行車(chē)輛定位及軌跡描繪、分析視頻畫(huà)像、判斷目標(biāo)個(gè)體活動(dòng)意義，全面研究人、車(chē)、路、環(huán)境的關(guān)系，最終解決交通資源浪費(fèi)、信號(hào)系統(tǒng)功能僵化、交通事件無(wú)法預(yù)測(cè)及快速響應(yīng)等交通問(wèn)題。
目前基于數(shù)字孿生交通系統(tǒng)的部分應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：城市路網(wǎng)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)分析，包括擁堵?tīng)顩r、交通運(yùn)能、交通事件等；道路規(guī)劃的數(shù)字化、量化評(píng)估，精準(zhǔn)優(yōu)化城市交通方案；通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能，以預(yù)案管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、實(shí)時(shí)跟蹤等功能顯著提升公安執(zhí)法的精準(zhǔn)性和有效性；現(xiàn)有路網(wǎng)的車(chē)路智行和車(chē)路協(xié)同；加強(qiáng)城市重點(diǎn)目標(biāo)車(chē)輛檢測(cè)管理，提升城市交通安全運(yùn)營(yíng)管控等。
廣州機(jī)場(chǎng)高速收費(fèi)站打造“智慧之眼”
近日，廣州機(jī)場(chǎng)高速收費(fèi)站正式完成智慧化升級(jí)改造。該收費(fèi)站融合了大數(shù)據(jù)、5G、云計(jì)算等技術(shù)手段，集數(shù)字孿生系統(tǒng)、智能收費(fèi)機(jī)器人、收費(fèi)車(chē)道無(wú)島化等智慧交通建設(shè)創(chuàng)新應(yīng)用于一體，以全新科技理念賦能高速公路服務(wù)。
其中，搭建并應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)，是廣州機(jī)場(chǎng)高速收費(fèi)站的一大亮點(diǎn)。該系統(tǒng)可完成收費(fèi)廣場(chǎng)信息、車(chē)流信息、ETC收費(fèi)信息的實(shí)時(shí)映射仿真展示，并實(shí)現(xiàn)ETC收費(fèi)、精準(zhǔn)引導(dǎo)、應(yīng)收不漏、收費(fèi)異常提醒等功能，極大地提高了收費(fèi)站服務(wù)水平和司乘人員的駕駛體驗(yàn)，從而提升收費(fèi)站的整體運(yùn)行效率和智能化運(yùn)營(yíng)水平。
都安至巴馬高速公路品質(zhì)工程建設(shè)
都安至巴馬高速公路是廣西實(shí)施“縣縣通高速”的重點(diǎn)項(xiàng)目。為了提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)管理水平，其在施工階段開(kāi)展了基于數(shù)字孿生模型的項(xiàng)目建設(shè)管理。
基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化管理。對(duì)公路建設(shè)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)重要節(jié)點(diǎn)的主要施工工藝進(jìn)行虛擬建造仿真模擬，對(duì)真實(shí)建造過(guò)程中潛在的問(wèn)題進(jìn)行提前預(yù)判和優(yōu)化；對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中的質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本等進(jìn)行全過(guò)程管控，實(shí)時(shí)同步反應(yīng)工程運(yùn)行狀態(tài)，提前預(yù)判實(shí)際工程可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)；在項(xiàng)目竣工交付階段，基于數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)反應(yīng)的工程建設(shè)成果開(kāi)展竣工結(jié)算，提高項(xiàng)目竣工結(jié)算的效率和準(zhǔn)確性。
基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)智能基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)維管理。建立工程數(shù)字孿生模型和性能數(shù)字孿生模型，可以有效管理項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程數(shù)據(jù)，使資料集中分類存儲(chǔ)并與模型互聯(lián)，通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制保留建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的海量資料，追蹤資料存儲(chǔ)位置和資料變更過(guò)程，在三維模擬環(huán)境中通過(guò)“績(jī)效數(shù)字孿生模型”查詢各種資產(chǎn)組件的健康狀況。
滬寧高速寧鎮(zhèn)段資產(chǎn)管理試點(diǎn)應(yīng)用
應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，寧滬高速寧鎮(zhèn)段通過(guò)交通智能仿真、MR體驗(yàn)教學(xué)、車(chē)路協(xié)同仿真等試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)資產(chǎn)管理進(jìn)行了試點(diǎn)。其中通過(guò)MR體驗(yàn)教學(xué)，模擬了高速公路上的自動(dòng)駕駛，測(cè)試了公路養(yǎng)護(hù)對(duì)實(shí)時(shí)交通情況的影響。
存在問(wèn)題與策略建議
數(shù)字孿生在智慧高速、車(chē)路協(xié)同和自動(dòng)駕駛等交通領(lǐng)域已投入試點(diǎn)和應(yīng)用，但大多停留在對(duì)交通狀況、問(wèn)題的離線式“數(shù)字仿真”，在交通數(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。
根據(jù)《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告（2020年）》，數(shù)字孿生在發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題有：推進(jìn)目的和方向不清，應(yīng)用場(chǎng)景深度不足；城市信息模型重復(fù)建設(shè)，亂上底座亟待整合；缺乏統(tǒng)一CIM（City Information Modeling，城市信息模型）平臺(tái)規(guī)范，數(shù)據(jù)融通標(biāo)準(zhǔn)缺失；關(guān)鍵技術(shù)存在卡脖子風(fēng)險(xiǎn)，亟待創(chuàng)新突破。
為滿足數(shù)字交通發(fā)展的新目標(biāo)和新需求，數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)要不斷改革、創(chuàng)新、突破，主要策略為：明晰方向統(tǒng)籌推進(jìn)，構(gòu)筑統(tǒng)一CIM平臺(tái)；抓住小切口大突破，多措并舉培育應(yīng)用；建立相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用開(kāi)發(fā)；基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新實(shí)踐并行，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作。
數(shù)字孿生作為智慧交通的前沿趨勢(shì)，其發(fā)展方興未艾，但距離真正的全局管理、同步可視、虛實(shí)互動(dòng)的數(shù)字孿生交通系統(tǒng)仍存在一定差距。數(shù)字孿生依賴AI等新技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域上的突破，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)引領(lǐng)者，科技公司的相繼加入也將起到推動(dòng)作用。當(dāng)前5G技術(shù)不斷變革、升級(jí)，其超高速的網(wǎng)絡(luò)性能將給數(shù)字孿生的發(fā)展帶來(lái)新的可能。
數(shù)字孿生，打通現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界屏障，未來(lái)交通充滿想象。
參考鏈接
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[2]https://baijiahao.baidu.com/s?id=17130
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