数字孪生 交通新生

发布日期:2021-11-08 10:36:07 文章来源:中国交通信息化 发布部门:科技信息处 字体:[ ] 视力保护色:

数字孪生(Digital Twin),一个充满科技感的名词,近年来得到了越来越广泛的传播。通过数字孪生技术,可以在数字世界里对各种创新实践进行试错,从而得知这种创新实践在现实世界中是否可行,避免盲人摸象。

随着“贵州先行试点数字孪生交通系统”的消息引发业界关注,数字孪生技术在智慧交通领域中的应用和发展向前迈了一大步。当前国内驾驶场景复杂,交通堵、停车难、行车乱等问题层出不穷,人们对交通出行的稳定性、安全性、便利性的要求越来越高,具有实时性、闭环型的数字孪生技术赋能智慧交通,成为未来交通发展的新方向。

了解数字孪生

数字孪生,也被称为数字映射、数字镜像,是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现。

其技术定义为:是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

通俗来讲,可以把数字孪生看做数字的双胞胎,只不过数字孪生中的双胞胎不是完全一样的两个个体,确切地说,是两个系统。一个系统存在于现实的物理世界,一个系统存在于虚拟的计算机世界,通过智能技术,使存在于虚拟世界中的系统也能以一种直观的方式让人们感知、触碰。

物理世界由千亿级各类数据构成,所以虚拟世界中的仿真就是对各类数据的仿真,即数字孪生。在不改变原有物理世界的情况下,运用数字孪生技术,克隆出与之对应的虚拟世界,在虚拟世界中可以看到物理世界的角角落落,并可以在虚拟世界中进行各种创新性尝试与改革,从而提前知道某种决策运用在现实生活中是否可行。这样可以大大减少试错成本,并且可以不断调优,使决策更有助于现实环境。其示意如下图所示。

赋能智慧交通

数字孪生技术可以从多个方面赋能智能交通,以满足未来出行的需求。

首先,同步可视、模型推演,实现数据驱动决策。数字孪生可以实时采集数据、同步交通运行可视,为交通模型推演提供试验空间,完成数据的驱动决策。

其次,场景丰富、实景重现,加速智能驾驶落地。城区级或地级市的数字孪生数据可以提供高精度地图。基于真实数据和模型的数字孪生技术,可以提升智能驾驶的安全稳定性,从而加速智能驾驶更安全地落地和推广。

第三,全城视野、全局规划,寻找治理拥堵的最优解。城市区域路面复杂,交通流量变化大,准确量化城市交通动态画像是现代交通的难点。数字孪生可通过对全要素数据汇聚,进行城市画像,实现对城市交通动态的洞察。

智慧高速

智慧高速是数字孪生建设和应用的热点之一,当前高速公路的智慧化建设主要集中在以下几个方面。

①高速公路的出入口,不停车收费、不停车治超监测等问题。

②高速公路的行车通行和道路情况的改善,解决雨雾环境、道路病害等问题。

③高速公路隧道、桥梁等场景下的常见难题。

其中,全天候通行系统是当前智慧高速基于数字孪生技术建设的重点应用之一。部分企业利用数字孪生技术,建设全天候通行系统。通过车路两端布设的传感器,将车辆、道路的数据信息进行实时收集并经过数字孪生技术处理后,结合车道级的高精底图将最终的效果实时呈现在车端OBU显示屏上,辅助驾驶人员了解车辆行驶的道路情况和周边过车情况,从而保证车辆在雨雾天气的正常通行。除此之外,车辆行驶过的道路信息还将同步上传至数字孪生可视化平台,帮助交通管理人员对道路环境做出预警判断。

车路协同

构建交通仿真的数字孪生可视化与交互系统“一张图”,再现中观和微观的交通流运行过程,支持交通仿真决策算法研发,为拥堵溯源等交通流难题提供可靠的工具,为管理者提供可靠的决策依据。平台包括数据融合对接、基础设施云平台、大数据中心、车路协同业务监督管理等功能,打造规范化、系统化、智能化的智能网联业务应用展示中心以及监督管理运营中心;主动自动化预判和识别风险,最大程度降低运营安全隐患。

自动驾驶

数字孪生可提升智能驾驶试验精度。通过搭建真实世界1:1 数字孪生场景,还原物理世界运行规律,满足智能驾驶场景下人工智能算法的训练需求,大幅提升训练效率和安全度。如通过采集激光点云数据,建立高精度地图,构建自动驾驶数字孪生模型,完成厘米级道路还原,同时对道路数据进行结构化处理,变现为机器可理解的信息,通过生成大量实际交通事故案例,训练自动驾驶算法处理突发场景的能力,最终实现高精度自动驾驶的算法测试和检测验证。

多场景试点应用

贵州先行试点数字孪生交通系统

贵阳先行试点数字孪生交通系统,主要利用当前路口现有的视频监控资源,深度融合毫米波雷达,通过对在网对象,包括机动车辆、非机动车、行人等交通要素的全息感知,进行充分的数据融合,把真实世界信息导入孪生的交通仿真系统中,再结合高精度地图,跟踪实时数据进行车辆定位及轨迹描绘、分析视频画像、判断目标个体活动意义,全面研究人、车、路、环境的关系,最终解决交通资源浪费、信号系统功能僵化、交通事件无法预测及快速响应等交通问题。

目前基于数字孪生交通系统的部分应用场景主要包括:城市路网运行状况实时分析,包括拥堵状况、交通运能、交通事件等;道路规划的数字化、量化评估,精准优化城市交通方案;通过大数据和人工智能,以预案管理、风险预判、实时跟踪等功能显著提升公安执法的精准性和有效性;现有路网的车路智行和车路协同;加强城市重点目标车辆检测管理,提升城市交通安全运营管控等。

广州机场高速收费站打造“智慧之眼”

近日,广州机场高速收费站正式完成智慧化升级改造。该收费站融合了大数据、5G、云计算等技术手段,集数字孪生系统、智能收费机器人、收费车道无岛化等智慧交通建设创新应用于一体,以全新科技理念赋能高速公路服务。

其中,搭建并应用数字孪生系统,是广州机场高速收费站的一大亮点。该系统可完成收费广场信息、车流信息、ETC收费信息的实时映射仿真展示,并实现ETC收费、精准引导、应收不漏、收费异常提醒等功能,极大地提高了收费站服务水平和司乘人员的驾驶体验,从而提升收费站的整体运行效率和智能化运营水平。

都安至巴马高速公路品质工程建设

都安至巴马高速公路是广西实施“县县通高速”的重点项目。为了提升项目设计和建设管理水平,其在施工阶段开展了基于数字孪生模型的项目建设管理。

基于数字孪生技术对项目建设过程进行精细化管理。对公路建设进行仿真模拟,对重要节点的主要施工工艺进行虚拟建造仿真模拟,对真实建造过程中潜在的问题进行提前预判和优化;对整个施工过程中的质量、进度、安全、成本等进行全过程管控,实时同步反应工程运行状态,提前预判实际工程可能出现的各种状态;在项目竣工交付阶段,基于数字孪生模型实时反应的工程建设成果开展竣工结算,提高项目竣工结算的效率和准确性。

基于数字孪生技术对智能基础设施进行运维管理。建立工程数字孪生模型和性能数字孪生模型,可以有效管理项目建设全过程数据,使资料集中分类存储并与模型互联,通过数据存储机制保留建设过程中产生的海量资料,追踪资料存储位置和资料变更过程,在三维模拟环境中通过“绩效数字孪生模型”查询各种资产组件的健康状况。

沪宁高速宁镇段资产管理试点应用

应用数字孪生技术,宁沪高速宁镇段通过交通智能仿真、MR体验教学、车路协同仿真等试验项目对资产管理进行了试点。其中通过MR体验教学,模拟了高速公路上的自动驾驶,测试了公路养护对实时交通情况的影响。

存在问题与策略建议

数字孪生在智慧高速、车路协同和自动驾驶等交通领域已投入试点和应用,但大多停留在对交通状况、问题的离线式“数字仿真”,在交通数据应用和系统平台协同打通方面没有突破性进展。

根据《数字孪生城市研究报告(2020年)》,数字孪生在发展过程中存在的问题有:推进目的和方向不清,应用场景深度不足;城市信息模型重复建设,乱上底座亟待整合;缺乏统一CIM(City Information Modeling,城市信息模型)平台规范,数据融通标准缺失;关键技术存在卡脖子风险,亟待创新突破。

为满足数字交通发展的新目标和新需求,数字孪生相关技术要不断改革、创新、突破,主要策略为:明晰方向统筹推进,构筑统一CIM平台;抓住小切口大突破,多措并举培育应用;建立相关数据标准,促进数据融合与应用开发;基础研究和创新实践并行,强化产业生态合作。

数字孪生作为智慧交通的前沿趋势,其发展方兴未艾,但距离真正的全局管理、同步可视、虚实互动的数字孪生交通系统仍存在一定差距。数字孪生依赖AI等新技术在专业领域上的突破,在车路协同、自动驾驶领域建设上,互联网科技巨头是主要的建设引领者,科技公司的相继加入也将起到推动作用。当前5G技术不断变革、升级,其超高速的网络性能将给数字孪生的发展带来新的可能。

数字孪生,打通现实世界与虚拟世界屏障,未来交通充满想象。


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