【数字孪生】03-交通数字孪生的架构和关键技术（1）

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• 【数字孪生】02-数字孪生在各个领域的应用（1）
• 【数字孪生】02-数字孪生在各个领域的应用（2）

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一、发展背景

1.1 什么是数字孪生交通？

• 数字孪生(Digital Twin)

  数字孪生是物理对象、过程或服务的数字表示，是物理世界中对象的数字副本，也被称为数字映射、数字镜像。

• 数字孪生交通，又称平行交通或虚拟交通

  • 将实时采集的交通数据纳入到建立的交通模型体系中，实现对交通体系的 虚拟数字映射，通过大数据、人工智能和交通仿真技术生成交通优化方案和对方案进行评价。
  • 是智慧(智能)交通的一部分， 交通仿真是一种特定条件下的数字孪生交通技术。
  • 本质是数字闭环赋能体系，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现交通的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决交通规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高交通资源配置效率和安全运转状态。

1.2 数字孪生交通的特征

• 精准映射：数字孪生也被称作为 数字映射、数字镜像 。
• 虚实交互：在交通实体空间可观察各类痕迹，在交通虚拟空间可搜索各类信息，交通规划、建设以及民众出行，不仅在实体空间，而且在虚拟空间得到极大扩充，虚拟融合、虚实协同将定义交通未来发展新模式。
• 软件定义：针对物理交通建立相对应的虚拟交通模拟，并以软件的方式模拟交通人、车、路在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控城市的交通信号控制、交通运输运行调度、道路交通规划、公交线路优化等。
• 智能干预：通过在数字孪生交通上规划设计、模拟仿真等，将交通可能产生拥堵、安全等问题进行智慧预警，进而指引和优化实体交通的规划、管理、改善交通服务供给，赋予城市生活“智慧”。

1.3 数字孪生交通政策

• 交通运输部 《数字交通发展规划纲要》

  要坚持世界眼光、国际标准、中国特色，以试点为重要手段，通过典型引路，逐步形成 数字孪生交通发展的中国经验和中国方案。

• 《数字交通发展规划纲要》建设七个体系
  

1.4 数字孪生交通应用领域

数字孪生交通可以覆盖公安交警道路交通管理、交通运输局行业监管、自然资源局综合交通规划、以及交通运输等各个方面。

数字孪生交通十大应用平台：智能交通管理、交通运行监测、交通规划设计、交通信息服务、智能公交、智能停车、车路协同服务、出行即服务、物流服务、仿真评价服务

二、数字孪生交通的总体架构

2.1 数字孪生交通的总体架构

• 四横：数字化业务应用、应用支撑、公共数据资源、基础设施等四个层次；
• 四纵：建立组织保障、政策制度、标准规范、安全保障等四个体系。
• N平台：N个交通应用平台，主要包括：
  • 智能交通管理、交通运行监测、交通规划设计、交通信息服务、智能公交、智能停车、车路协同服务、出行即服务、物流服务、仿真评价服务。

2.2 数字孪生交通的总体架构——逻辑架构

2.3 数字孪生交通的总体架构——决策流程

• 现实物理交通
  • 1、通过交通感知系统采集数据
  • 2、根据分析决策确定要实施的方案
  • 3、对实施方案的结果进行“事后”评价。
• 数字孪生交通
  • 对方案进行“事前”仿真评价，达到预期目标交付现实交通实施

2.4 主要的数字孪生交通模型

• 交通数据融合模型
  • 将不同交通传感器感知的数据进行融合，形成统一的交通流数据；
  • 包括交通流量、速度等。
• 交通态势分析模型
  • 根据历史数据和实时感知交通数据，对交通进行分析和预测，对交通进行评价；
  • 包括交通流量、速度等。
• 交通规划模型
  • 以交通规划的四阶段法为基础，结合交通出行移动互联网大数据，对路网交通量进行预测；
  • 包括交通量、服务水平等。
• 公交优化模型
  • 以公交线网为基础，对公交出行进行预测，对公交系统服务水平进行评价，对公交线网进行优化；
  • 包括线路优化、服务评价等。
• 停车诱导模型
  • 根据区域停车位占用状态和停车需求预测，提供区域停车优化诱导信息；
  • 包括停车诱导信息等。
• 智能道路模型
  • 根据智能道路实时感知数据，形成道路高清动态地图，辅助网联车辆安全行驶；
  • 包括道路高清动态地图、网联安全提示。
• 交通流微观仿真模型
  • 结合车辆动力学特征、行驶跟驰模型等对实时运行的交通流进行仿真模拟，以对比不同方案优劣；
  • 包括方案对比评价。
• 事故分析模型
  • 结合事故发生的主要因素，对交通事故进行分析，对道路安全性进行评价；
  • 包括道路安全性评价、事故主要原因分析等。
• 辅助决策模型
  • 对交通改善项目进行技术经济分析和评价，推荐性价比优秀的项目；
  • 包括项目技术经济分析和评价。

三、数字孪生交通的关键技术

3.1 数字孪生交通的关键技术

3.2 物联网技术

物联网指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

交通方面应用的物联网感知设备包括：交通信号控制系统、可变诱导标志、交通视频监控系统、交通违章监测系统(电警)、卡口系统、微波雷达检测器、激光雷达检测器、车路协同RSU（ Road Side Unit ）路侧单元、智能多功能杆等。

3.3、云边端计算

云边之间的协关系

• 资源协同
  • 边缘节点提供计算、存储、网络、虚拟化等基础设施资源、具有本地资源调度管理能力，同时可与云端协同，接受并执行云端资源调度管理策略，包括边缘节点的设备管理、资源管理以及网络联接管理。
• 数据协同
  • 边缘节点主要负责现场/终端数据的采集，按照规则或数据模型对数据进行初步处理与分析，并将处理结果以及相关数据上传给云端；云端提供海量数据的存储、分析与价值挖掘。边缘与云的数据协同，支持数据在边缘与云之间可控有序流动。
• 智能协同
  • 边缘节点按照AI模型执行推理，实现分布式智能；云端开展AI的集中式模型训练，并将模型下发边缘节点 。
• 应用管理协同
  • 边缘节点提供应用部署与运行环境，并对本节点多个应用的生命周期进行管理调度；云端主要提供应用开发、测试环境，以及应用的生命周期管理能力。
• 业务管理协同
  • 边缘节点提供模块化、微服务化的应用/数字孪生/网络等应用实例；云端主要提供按照客户需求实现应用/数字孪生/网络等的业务编排能力。
• 服务协同
  • 边缘节点按照云端策略实现部分ECSaaS服务，通过ECSaaS与云端SaaS的协同实现面向客户的按需SaaS服务；云端主要提供SaaS服务在云端和边缘节点的服务分布策略，以及云端承担的SaaS服务能力。

3.4、大数据技术

利用大数据技术对交通行业生成的巨量数据进行采集、处理、存储、分析挖掘，形成数字孪生交通的数据支撑。

3.5、BIM/CIM

BIM（Building Information Modeling）是应用于工程设计、建造、管理的数据化工具。通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础。

CIM（City Information Modeling）平台以BIM作为核心技术，深度融合地球空间数据以及物联网，目标打造数字孪生城市领域最为核心的建筑物联时空大数据平台，向下兼容各类BIM模型与智能化系统数据接入，向上支持智慧城市各类应用系统，如智慧安防、智慧安监、智慧交通等。

3.6、人工智能

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

人工智能在数字孪生交通方面，一方面在交通感知数据的处理方面可以大幅度提高工作效率；另一方面，在辅助决策方面，可以帮助系统行业管理、企业运营、自动驾驶等方面做出决策。

3.7、区块链

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。从应用视角来看，区块链是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集体维护、公开透明等特点。
区块链在交通支付、交通信用、自动驾驶信息安全等方面有着广泛的应用前景。可以提高数字孪生交通的数据安全性。

3.8、5G通信

5G网络在数字孪生交通领域赋能的主要关键技术包括高性 能无线接入技术、多接入边缘计算和端到端网络切片等三 个方面。其中无线接入技术的提升作为5G网络能力的关键
基础技术，基于空口的灵活配置与大规模天线的应用，实
现ITUeMBB（Enhanced Mobile Broadband，即增强移动宽带）、ITU uRLLC（Ultra Reliable & LowLatency Communication，即低时延高可靠）场景在交通领域的实践；网络切片保障业务的通信性能；多接入边缘计算使能边缘感知与计算体系，以5G网络为桥梁搭建感知计算体系。

3.9、增强现实AR

增强现实（Augmented Reality, AR）是一种实时计算摄影机影像位置及角度，并辅以相应图像的技术。这种技术可以通过全息投影，在显示屏幕中将虚拟世界与现实世界叠加，操作者可以通过设备互动。
通过将实时跟踪到的周边环境、行人、车辆在显示设备上叠加，可以方便地对行人进行导航，对汽车驾驶员进行安全提示。

3.10、模型建模关键技术

模型建模是数字孪生技术的基础，尤其在几何建模、行为建模、物理建模、规则建模等方面。它通过精确地创建物理对象或环境的三维数字复制品，实现与现实世界的无缝对接。利用这一关键技术，设计师可以直观地理解物体的结构特性，进行实时模拟和预测。