京德高速交通流时空特性数字孪生系统

目前，我国高速公路的运行监管面临以下问题：监控手段单一，从运行监控方面来说，大都是以监控摄像头为主，而监控摄像头的特点是在小区域内适合，能够精确掌握事路况、事件，而对整条路段上的路况、事件缺乏掌控手段；事件滞后，从应急方面来说，当出现事故事件后具有时间上的滞后性，往往是人员先报警后发现，事件的发现滞后可能会带来更大的损失和处理难度；事件复盘难，通过监控只能够复盘某一地点的事件，而事件的起因往往具有多种因素，通过翻看大量的监控进行事件复盘往往工作量大而且也难以整体掌握事件的全部起因与影响；决策推演难，当道路管理者进行管理决策时往往以经验加上数据分析，而缺乏有效、直观的情景呈现工具对决策进行推演。

数字孪生可通过将高速公路进行平行虚拟平行世界的建立，将高速公路物理世界的环境、车辆、事件等要素进行实时的、完全的映射，使管理人员不在高速公路现场即可掌握高速公路全域状况，解决全路段监控难、事件发现滞后、事件复盘难等问题。

1、精准映射

数字孪生系统可通过点云扫描、航拍等手段实现对高速公路路面、桥梁、隧道、机电设施、周边环境、车辆等进行全面数字化建模，以及通过高速道路中分布的传感器数据进行充分感知、动态监测，形成虚拟道路在信息维度上对实体道路的精准信息表达和映射。现在高速公路中的传感器极其丰富，已经具备感知条件。

2、虚实交互  

数字孪生系统通过操作虚拟设备与物理世界的真实设备进行交互，而物理世界的状态变化又反馈给虚拟世界。

如今，大部分机电设备都有控制接口实现设备的管理与控制，只需打通接口即可在虚拟世界对物理世界中的设备进行管控，这些技术已经成熟。

3、软件定义  

数字孪生针对物理道路建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟道路车辆、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控道路的信号控制、保养周期管理、机电设施维修等。  

4、智能干预  

通过在数字孪生道路上进行决策验证、模拟仿真等，将道路事件可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预道路原有发展轨迹和运行。

基于对京德高速公路智能化、便捷化、安全运营的要求，开发了高速公路交通流时空特性数字孪生系统（以下简称数字孪生系统），实现了实体与虚拟世界的一一映射。

通过大数据、云计算、物联网、人工智能、交通优化算法等先进技术，提供“感知、分析、决策、控制、服务”全链路支持。

（一）目标任务

1、高速公路智能化统一监管

通过各类数字化的基础设施结合实时交通量数据、交通状况、周边环境和气象等各类传感器数据，建设数字孪生系统打造平行虚拟世界的高速公路，对整条高速公路的运行状况进行可视的、智能化的统一监管。

2、同步可视实现数据驱动决策

通过数字孪生系统实时采集数据，以仿真界面同步高速公路交通运行情况，掌握整条高速线路运行态势，通过数据驱动平行世界来验证决策，评估平行世界的仿真结果，为决策提供科学支撑。

3、历史追溯和复盘研究

当交通事件发生之后，可以运用数字孪生系统复原交通事件发生的全过程，探究当时的步骤应对是否具有改善空间，提升应急管理水平。历史追溯和复盘研究是数字孪生技术的一个特殊能力。

（二）技术路线

通过将京德高速公路的物理世界进行三维建模，对高速数据进行采集、融合、分析后，使用三维技术在虚拟世界中进行物理世界的即时呈现，对平台中的设备设施通过平台进行远程控制。

京德高速公路数字孪生系统呈现以Unity 3D加载、运行三维模型实现。通过三维建模对京德高速公路主体、基础设施、运行车辆、交安设施、机电设施、各类天气状态等进行三维模型设计，为场景呈现提供基础支撑；通过三维引擎建设虚拟平行高速公路的运行场景，对京德高速公路主体及其周边环境的整体进行映射式呈现，对现实中道路上行驶的车辆颜色、车牌、型号，环境中的植被、昼、夜、水、冰、雾、雪、风向、风速、光照，事件中的火、烟雾、碰撞，季节切换等进行实时动态呈现。

京德高速公路数字孪生系统数据来源是京德高速公路数据中心，数据中心获取雷达、监控、各种传感器等感知设备的数据后进行实时分析，通过消息中间件推送给数字孪生系统的驱动内核，数字孪生系统驱动内核通过各种驱动程序驱动三维场景生成和三维模型调用。

（三）技术架构

数字孪生系统整体架构如图1所示，从下而上依次为五层。

1、感知层

感知层为京德高速公路安装的感知设备，是数字孪生系统数据来源的最初源头，数字孪生系统将京德高速公路数据中心的感知数据（含视频监控、车辆监测雷达、情报板、气象传感器、环境传感器等产生的数据）进行收集、分析、梳理后存储，为驱动平行世界的三维场景和模型进行数据准备。

2、数据支撑层

数据支撑层是京德数字孪生系统的数据核心，是数字孪生系统内平行世界所有环境的呈现、道路状态的变化、车辆外观的加载、车辆行驶路径的变化等所有动态元素所需要的数据支撑。

图1 数字孪生系统整体架构图

数据支撑层内的数据主要包括路况数据、环境数据、车辆数据、其他数据等。

其中路况数据包括高速公路的实时状况、畅通路段、拥堵路段、事故地点、事故影响范围、封道路段、封道时间、养护数据和道路路段模型等；环境数据包括环境信息、设施数据、天气信息、环境模型等；车辆数据包括车辆外观、位置数据、车牌数据、所在车道、车辆当前速度、车辆运行方向、是否是重点/特种车辆等；其他数据包括预案数据、决策推演数据、应急数据、历史数据、设备交互数据等。

3、数据处理层

数据处理层实现对数据支撑层数据的接收处理，为业务应用提供处理后的数据，包括数据接入及协议转换、数据分析、数据接口服务和数据存储等模块。 

数据接入及协议转换主要实现数据中心提供的各类监测数据接入到数字孪生系统内，如车辆位置、各类传感器数据、气象数据等，数据通过消息队列、缓存等实时有序接入，避免消息阻塞。数据接入后通过相关协议转换成数字孪生系统可用的数据。 

数据存储包含数字孪生系统自身存储的静态数据和数据中心提供的各类动态数据。自身数据包括系统基础数据和各类静态的模型数据，如用户信息、权限信息、京德高速公路全路段三维模型数据、高速公路基础设施等；动态数据由数据中心提供，包括实时的车辆基本信息、车辆位置信息、气象信息、事件信息、预案结果等。数据存储将以上数据存储到数据支撑层。

数据分析功能主要将各类数据进行分析处理，为业务应用层提供支撑，处理数据种类包括天气数据、环境数据、车辆数据等。通过数据接入及转换模块以消息数据队列的形式实时获取后，再进行数据分析和转换，为数据接口服务模块提供数据内容。

数据接口服务模块为业务应用提供各类基础的数据接口服务，包括基础信息管理、场景呈现、车辆展示、天气展示、环境展示、事件展示、预案管理、事件处置结果呈现等。

4、核心驱动层

核心驱动层是整个数字孪生系统的大脑，负责接收数据处理层提供的各类数据和模型，将数据和模型转换为平行虚拟世界场景。

基础功能层按照功能划分包含管理与配置、仿真模型装载、仿真环境生成和数据驱动四部分。

管理与配置模块主要为基础功能层通过各类信息配置和系统管理的能力，为系统的正常运行提供初始化保障。

仿真模型装载主要实现模型加载功能，模型的加载可分为静态加载和动态加载两类。静态加载的模型在系统建设时收到导入，如高速公路路面、路基、隧道、基础设施设备及其周边环境等；动态加载实现模型的动态引入，如气象环境信息、车辆信息、交通事件等，动态加载的模型需要明确具体模型、加载位置、模型朝向等内容。

仿真环境生成模块主要为系统提供整体的运行环境，保证各个模型、业务及管理类功能能够正常呈现和使用。

数据驱动模块将接收到的数据、动静态模型、环境进行整合，驱动三维模型进行运动，保持虚拟平行世界内的模型运动轨迹、状态变化和物理世界一致。

5、业务应用层

业务应用层保证数字孪生系统各个业务功能点的实现，为业务展现层提供业务功能的支撑，包括环境孪生、交通路况孪生、车辆监控、事故监测、交通数据分析、设备交互、决策验证、历史回放等功能模块。

环境孪生模块实现京德高速公路整体环境的仿真，包括整体场景展示、京德高速公路及其周边环境和设施的展示、气象效果展示等；交通路况孪生实现京德高速公路上各类交通情况的孪生式呈现，包括畅通与拥堵、车流量、机电设施状态等；车辆监控能够监控车辆的运行轨迹、所在车道、时速等，支持点选车辆后进行单独车辆跟踪；事故监测主要针对事故信息进行处理，包括事件的实时呈现、影响分析等；交通数据分析包括流量监测分析、车流平均车速分析、收费站数据分析、设备状态、风险分类分析等；设备交互模块实现通过数字孪生系统控制真实世界的设备，包括监控的控制和呈现、情报板变化等；决策验证将决策推演结果在数字孪生系统中进行呈现；历史回放功能通过时间轴方式将历史事件加以回放，可在虚拟平行世界中再现历史事件。

6、业务展现层

业务展现层由数字孪生系统的载体和数字孪生操作界面组成。

京德高速公路数字孪生系统的操作界面为免安装式，开箱即用；呈现载体包括大屏和PC。

（四）主要功能

智慧公路数字孪生系统界面如图2所示。

图2  智慧公路数字孪生系统界面图

1、整体环境仿真

实景仿真系统整体环境以京德高速公路主体作为整体背景展示，展示整体交通情况。能够对现实中的水、冰、雾、光照、灯光照明、阴影、路面、火、刹车、沙尘、植被、反射、湿滑等物理特性进行高效模拟仿真，综合展示天气、气象、环境音效等整体情况。同时，综合模拟出与实际情况相同的四季、风雨雪雾天气情况、路面结冰、路面积雪等效果。

2、整体路况和车辆实时监控呈现

路况/车辆实时监控呈现整个京德高速公路的交通情况，和实际交通情况保持一致。对高速公路上的车辆、运行状态进行完全的模拟再现，对高速公路周边环境、基础设施、交通事件等进行综合展示。

按照业务功能分类，呈现内容可分为整体交通情况监控、车辆运行监控、重点/特种车辆监控等几部分。

3、整体交通情况监控

该模块主要实现整体的交通情况展示功能，系统利用数据库内存储的各类模型，结合采集设备提供的实时数据，调取本地存储的车辆、环境、气象等模型进行综合展示，通过第三人称、宏观视角等方式对高速公路整体或主要路段的畅通、 拥堵、事故、封路、维护等情况进行平行虚拟世界的再现。

4、车辆运行监控

以三维形式为监管人员提供车辆的运行轨迹、运通状态和特征信息，实现对真实环境中车辆的全程监控，包括车辆基本信息查看、车辆运行轨迹监控和车辆实时驾驶模拟等功能，同时能够与视频监控系统对接，实时查看相应路段视频对车辆进行监控。

5、重点/特种车辆监控

系统能够对“两客一危”、12T以上重点货运车辆等重点和特种车辆进行实时跟踪定位，并在系统内进行实景再现。

6、预警展示

预警展示主要针对道路路况和车辆超速预警两类，道路路况相关预警包括天气气象类预警、事件类预警，车辆相关预警包括车辆超速、长时间占用应急车道、车辆压线等车辆违章预警。

7、历史回放

通过设立可变时间轴，可通过选择时间段、拖动时间轴的方式对京德高速公路历史进行回放，真实再现某一时间段内京德高速公路发生的事件。

参考文献

[1] 数字孪生应用白皮书[M].北京:中国电子技术标准化研究院,2020.

[2] 吴朝辉,刘振正,石可,王亮,梁晓杰.交通场景数字孪生构建与虚实融合应用研究[J].系统仿真学报,2021,33(02):295-305.

[3]    陶飞,刘蔚然,刘检华等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统,2018,24(01):1-18.

（原文刊载于2022年第5期《中国交通信息化》）