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作者：王淼¹，王潤(rùn)民2（1.中國(guó)交通信息科技集團(tuán)有限公司；2.長(zhǎng)安大學(xué)）

摘要：智慧高速是我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施的重要著力點(diǎn)，數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智慧高速建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)，高速公路數(shù)字化程度的不斷加深為數(shù)字孿生技術(shù)在智慧高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。本文明晰了我國(guó)智慧高速公路四個(gè)發(fā)展階段，闡述了高速公路數(shù)字化的定義及我國(guó)政府部門近年來(lái)為推動(dòng)數(shù)字高速公路的建設(shè)示范發(fā)布的一系列政策、文件；分析了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧高速的應(yīng)用思路，提出了一種數(shù)字孿生高速公路分層架構(gòu)；并以三維可視化運(yùn)維、特殊路段運(yùn)行監(jiān)測(cè)、交通事故可視化重現(xiàn)、“兩客一危”監(jiān)測(cè)預(yù)警、收費(fèi)稽核及自由流收費(fèi)等五個(gè)應(yīng)用為例闡述了數(shù)字孿生高速公路典型應(yīng)用的實(shí)施思路。

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，作為新一代智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)在高速公路應(yīng)用的重要落腳點(diǎn)，智慧高速公路將是我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)在“十四五”期間乃至以后的很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的重要攻關(guān)方向之一^[^1]。一般認(rèn)為，數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、智慧化是以“全路網(wǎng)感知、全方位服務(wù)、全天候通行、全過(guò)程管控、全數(shù)字運(yùn)營(yíng)”為總目標(biāo)的智慧高速公路的四個(gè)重要特征及發(fā)展階段，其中數(shù)字化是智慧高速發(fā)展的第一個(gè)階段，也是實(shí)現(xiàn)“總目標(biāo)”的前置條件^[^2]。

一

智慧高速數(shù)字化發(fā)展

高速公路數(shù)字化指利用大量的路側(cè)/車載/路內(nèi)感知設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、光纖專網(wǎng)及北斗定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路（橋、隧）、車、人、環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、設(shè)施、交通等道路交通要素的數(shù)據(jù)化采集與狀態(tài)感知，通過(guò)對(duì)感知結(jié)果的融合、挖掘、預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施、高速公路運(yùn)行車輛及高速公路區(qū)域環(huán)境的全面數(shù)字化描述，驅(qū)動(dòng)高速公路在建、管、養(yǎng)、運(yùn)、服等全方位數(shù)字化、智慧化發(fā)展^[^3]。

我國(guó)政府高度重視以數(shù)字化為核心的智慧高速公路建設(shè)與發(fā)展，除了堅(jiān)持推動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等三大機(jī)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用外，近年來(lái)發(fā)布了一系列政策、文件推動(dòng)智慧高速公路的建設(shè)示范^[^4]。早在2017年2月，國(guó)務(wù)院在其發(fā)布的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》中提出加快開(kāi)展智慧公路建設(shè)試點(diǎn)，推動(dòng)路網(wǎng)管理、車路協(xié)同和出行信息服務(wù)的智能化，敲響了智慧高速建設(shè)的“發(fā)令鼓”；隨后，交通運(yùn)輸部在2018年2月發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)的通知》中，決定在九省市加快推進(jìn)新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)，其中浙江等四省市以“基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化”為重點(diǎn)試點(diǎn)方向；交通運(yùn)輸部于2019年7月發(fā)布的《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》（簡(jiǎn)稱《綱要》）中提出“到2035年，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施完成全要素、全周期數(shù)字化”，《綱要》的發(fā)布標(biāo)志著我國(guó)智慧高速數(shù)字化建設(shè)有了“方法論”依據(jù)。2020年以來(lái)，中央密集部署“新基建”，交通運(yùn)輸部于2020年8月印發(fā)了《推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，強(qiáng)調(diào)以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，推動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)，為高速公路的數(shù)字化建設(shè)打了“強(qiáng)心劑”。在需求和政策的雙重驅(qū)動(dòng)下，高速公路的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)勢(shì)在必行。我國(guó)智慧高速發(fā)展階段如圖1所示。

圖1 智慧高速發(fā)展階段

二

數(shù)字孿生高速公路構(gòu)建思路

BIM是高速公路數(shù)字化的一項(xiàng)重要應(yīng)用，BIM技術(shù)突破了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的局限性，以數(shù)字化為基礎(chǔ)，通過(guò)其可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等眾多優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路建設(shè)進(jìn)行建模及可視化處理，可以認(rèn)為是高速公路數(shù)字化初級(jí)應(yīng)用。隨著智慧高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，高速公路數(shù)字化及網(wǎng)聯(lián)化水平不斷提升，為高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)的形成與發(fā)展奠定了數(shù)據(jù)及通信基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最初由密歇根大學(xué)的Grieves教授首次提出，被中國(guó)科協(xié)認(rèn)為是世界智能制造十大科技進(jìn)展之一，其定義是“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”^[^5]。應(yīng)用于智慧高速公路領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以將高速公路環(huán)境下的各類交通實(shí)體目標(biāo)及其狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為可呈現(xiàn)、可分析、可管理的三維數(shù)字目標(biāo)，進(jìn)而完成智慧高速感知結(jié)果的數(shù)字刻畫(huà)與數(shù)據(jù)中臺(tái)構(gòu)建，并實(shí)現(xiàn)更高維的智慧高速應(yīng)用。其應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，應(yīng)至少包含數(shù)據(jù)感知層、邊緣處理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、孿生與應(yīng)用平臺(tái)層等四層。

圖2 數(shù)字孿生高速公路分層架構(gòu)

依賴于智慧高速高效的數(shù)字感知能力及可靠的網(wǎng)聯(lián)通信能力，可以實(shí)現(xiàn)將人/車/路/環(huán)境動(dòng)態(tài)感知信息映射到3D高精度地圖集成，形成數(shù)字孿生高速公路系統(tǒng)，在不同光照、氣象、晝夜環(huán)境下，對(duì)“人-車-路-網(wǎng)-環(huán)境-交通”等高速公路要素進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化還原，形成現(xiàn)實(shí)世界1:1的數(shù)字鏡像，并構(gòu)建可視化同步呈現(xiàn)，從而近真實(shí)地實(shí)時(shí)反映各類交通實(shí)體在全生命周期的運(yùn)行狀態(tài)?；诒Ｓ写罅繗v史運(yùn)行數(shù)據(jù)的高速公路數(shù)字孿生平臺(tái)及持續(xù)不間斷更新的感知數(shù)據(jù)，可以在交通流模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型的支持下實(shí)現(xiàn)未來(lái)交通態(tài)勢(shì)的監(jiān)測(cè)、重現(xiàn)、預(yù)判；高保真的精細(xì)化重現(xiàn)則有助于打造基于復(fù)雜抽象狀態(tài)數(shù)據(jù)的可視化運(yùn)維及沉浸式駕駛體驗(yàn)。從而可以為高速公路管理及運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)、政府部門、物流及客運(yùn)企業(yè)提供實(shí)時(shí)的車輛行駛狀態(tài)及預(yù)警等信息，為自動(dòng)駕駛、車路協(xié)同系統(tǒng)等提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的交通狀態(tài)信息，為實(shí)現(xiàn)高滲透的自動(dòng)駕駛及車路協(xié)同奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三

數(shù)字孿生高速公路典型應(yīng)用

智慧高速服務(wù)是一項(xiàng)涵蓋“建、管、養(yǎng)、運(yùn)、服”的長(zhǎng)周期業(yè)務(wù)^[^6]，隨著高速公路數(shù)字化程度不斷加深，豐富全面的道路交通感知信息和實(shí)時(shí)、高效的數(shù)字孿生系統(tǒng)為基于數(shù)據(jù)的智慧高速精準(zhǔn)、科學(xué)決策提供了可能，為面向智慧高速的創(chuàng)新交通應(yīng)用構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與平臺(tái)條件。如三維可視化運(yùn)維、特殊路段運(yùn)行監(jiān)測(cè)、交通事故可視化重現(xiàn)、“兩客一?！北O(jiān)測(cè)預(yù)警等應(yīng)用將有效提升高速公路的智慧化水平。

（一）三維可視化運(yùn)維

實(shí)時(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng)將在高速公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上提供更加精細(xì)化的全要素多維動(dòng)靜態(tài)交通信息，結(jié)合多源狀態(tài)感知信息，可以將交通實(shí)體對(duì)象信息轉(zhuǎn)化為可視覺(jué)呈現(xiàn)、可復(fù)雜計(jì)算、可動(dòng)態(tài)管理的3D虛擬現(xiàn)實(shí)目標(biāo)，從而構(gòu)建更精準(zhǔn)、可預(yù)測(cè)的高速公路智慧運(yùn)營(yíng)管理及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，顯著提高高速公路設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施及交通運(yùn)行的監(jiān)管、維護(hù)、控制能力。

（二）特殊路段運(yùn)行監(jiān)測(cè)

高速公路路網(wǎng)中，因地理特征及修建工藝的問(wèn)題，橋梁、隧道、邊坡、涵洞易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用可以充分利用分布式傳感光纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等光學(xué)分析數(shù)據(jù)，結(jié)合高靈敏路段氣象傳感器、分布式應(yīng)變分析儀等設(shè)備，對(duì)特殊路段極易發(fā)生的塌方、滑坡、斷裂、振動(dòng)等異常事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)，并為相關(guān)管理部門及道路使用者提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、決策技術(shù)服務(wù)，使高速公路特殊路段安全監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、高效。

（三）交通事故可視化重現(xiàn)

依賴于圖像/視頻二維數(shù)據(jù)、三維雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與V2X非視距信息，以及深度學(xué)習(xí)、多源信息融合等關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在不同天氣、光照等條件下對(duì)道路上的車輛、行人等動(dòng)態(tài)交通目標(biāo)時(shí)空信息的多維精準(zhǔn)檢測(cè)和識(shí)別，包括車牌、車型、顏色、尺寸、附屬物及其行為信息如速度、加速度、姿態(tài)、航向、軌跡等。上述信息可以實(shí)現(xiàn)將交通事故前、中、后的事件及相關(guān)個(gè)體行為信息在數(shù)字孿生系統(tǒng)中進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，進(jìn)而為交通事故分析、取證等精細(xì)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

（四）“兩客一?！北O(jiān)測(cè)預(yù)警

“兩客一?！避囕v一旦發(fā)生事故，更有可能造成群死群傷、重大社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失及嚴(yán)重次生災(zāi)害，因此“兩客一?！避囕v是高速公路運(yùn)行管理的重點(diǎn)管控對(duì)象。不同于交通事故是對(duì)“點(diǎn)”的監(jiān)測(cè)，“兩客一危”監(jiān)測(cè)需要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)道路“線”和“面”的監(jiān)測(cè)。基于數(shù)字孿生系統(tǒng)中的多維感知數(shù)據(jù)及高效計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“兩客一危”的運(yùn)行狀態(tài)如行駛軌跡、疲勞駕駛、行車速度、運(yùn)行姿態(tài)及超載、貨物拋灑、溫濕度等狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；疊加高精度衛(wèi)星定位信息、V2X泛在聯(lián)網(wǎng)等信息及時(shí)空邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)車輛的“線狀”視頻軌跡融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、可視化展現(xiàn)；另外，在數(shù)字孿生平臺(tái)中應(yīng)用人工智能方法，基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)個(gè)體車輛/駕駛員的行為進(jìn)行預(yù)判、預(yù)警，盡可能減少事故發(fā)生的可能性。

（五）收費(fèi)稽核及自由流收費(fèi)

全息交通感知技術(shù)、數(shù)字孿生系統(tǒng)、人工智能技術(shù)的深度應(yīng)用，將助力實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行車輛的行駛軌跡采集和實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、詳盡記錄：對(duì)于傳統(tǒng)非網(wǎng)聯(lián)車輛，可以通過(guò)路側(cè)攝像機(jī)、卡口相機(jī)及雷達(dá)實(shí)現(xiàn)車牌、車型的精細(xì)化識(shí)別，并利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的高精度地圖信息實(shí)現(xiàn)匹配與連續(xù)跟蹤；對(duì)于具備網(wǎng)聯(lián)及高精度定位的車輛，可以在此基礎(chǔ)上，融合網(wǎng)聯(lián)感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的識(shí)別及準(zhǔn)確跟蹤，最終為現(xiàn)有的ETC收費(fèi)稽查、復(fù)核及未來(lái)的“無(wú)桿”自由流收費(fèi)奠定數(shù)據(jù)及技術(shù)基礎(chǔ)。

四

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，5G通信、北斗定位及人工智能技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)著我國(guó)以數(shù)字化為核心的智慧高速公路的建設(shè)示范。隨著高速公路的數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速，使得高速公路數(shù)字孿生的構(gòu)建及應(yīng)用成為可能。本文系統(tǒng)地分析了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧高速的應(yīng)用思路，提出了一種數(shù)字孿生高速公路分層架構(gòu)，并以三維可視化運(yùn)維、特殊路段運(yùn)行監(jiān)測(cè)等五種應(yīng)用場(chǎng)景為典型示例闡述了數(shù)字孿生高速公路的實(shí)施思路。

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（原文刊載于2022年《中國(guó)交通信息化》）增刊

責(zé)任編輯 | 孫婧

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