交通强国建设视域下公路交通数字孪生体系架构、关键技术与实践案例.pdf
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1、交通运输研究第9卷 第4期2023收稿日期:2023-05-06基金项目:科技创新2030“新一代人工智能”重大项目(2022ZD0115602);中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(20230108);2022年度交通运输行业重点科技项目(2022-MS3-101)作者简介:伍朝辉(1981),男,河南汝南人,博士,副研究员,研究方向为交通虚拟现实与数字孪生。E-mail:交通强国建设视域下公路交通数字孪生体系架构、关键技术与实践案例伍朝辉1,徐建达2,符志强1,蓝梓轩2,吕子一1(1.交通运输部科学研究院,北京 100029;2.浙江交投高速公路运营管理有限公司,浙江 杭州 31002
2、2)摘要:交通强国建设对公路数字化转型升级提出了更高要求。数字孪生连通物理世界与数字世界,为公路交通的数字化转型落地实施提供新的路径。针对目前公路交通数字孪生应用中存在的缺少基础理论研究、应用价值分析不足、体系架构与技术体系亟待深化、理论实践有待持续迭代等问题,围绕公路交通数字孪生基础理论与实践案例展开研究。在明确公路交通数字孪生内涵、外延、特征和定义等理论的基础上,分析公路典型应用场景、需求与价值,梳理适用的数字孪生平台架构和关键技术体系,对比分析典型应用案例,探讨数字孪生规模化应用面临的挑战与瓶颈,给出公路交通数字孪生可持续发展的建议。研究结果表明:公路交通数字孪生的实践应突破“物联感知”
3、与“可视呈现”阶段,聚焦“降本增效提质”本质目标,提升“双向互动”和“模拟择优”能力,支持“人民满意、保障有力、世界前列”的交通强国建设。关键词:交通强国建设;数字化转型;数字孪生;虚实映射;模拟择优;降本增效中图分类号:U495文献标识码:A文章编号:2095-9931(2023)04-0104-21System Architecture,Key Technologies,and Practical Cases ofHighway Traffic Digital Twin from the Perspective of Building aCountry with Strong Transp
4、ortation NetworkWU Zhaohui1,XU Jianda2,FU Zhiqiang1,LAN Zixuan2,L Ziyi1(1.China Academy of Transportation Sciences,Beijing 100029,China;2.Zhejiang Communications InvestmentExpressway Operation Management Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,China)交通运输研究TRANSPORT RESEARCH第9卷 第4期Vol.9No.4伍朝辉,徐建达,符志强,等.交通强国建设视域下公路
5、交通数字孪生体系架构、关键技术与实践案例J.交通运输研究,2023,9(4):104-124.WU Z,XU J,FU Z,et al.System architecture,key technologies,and practical cases of highway traffic digital twin from theperspective of building a country with strong transportation networkJ.Transport Research,2023,9(4):104-124.DOI:10.16503/ki.2095-9931.20
6、23.04.010104TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.4Abstract:The construction of a country with strong transportation network has put forward higher re-quirements for highway digital transformation and upgrading.Digital twin provides a new path for theimplementation of the digital transformation of highway tran
7、sportation as it connects the physicalworld and the digital world.The paper focused on the basic theory and practice case of digital twin inhighway transportation,aiming at the problems of lack of basic theoretical research,insufficient analy-sis of application value,urgent deepening of system archi
8、tecture and technical system,and continuousiteration of theoretical practice in the current applications.On the basis of clarifying the connotation,extension,characteristics,and definition of digital twin in highway transportation,the paper analyzedtypical application scenarios,needs,and values of h
9、ighways,sorted out applicable digital twin plat-form architectures and key technical systems,compared and analyzed typical application cases,ex-plored the challenges and bottlenecks faced by the large-scale application of digital twin,and providedsuggestions for the sustainable development of digita
10、l twin in highway transportation.The research re-sults show that the application of digital twin technology in highway transportation should breakthrough the current stages of internet of things perception and visual presentation,focus on theessential goal of cost reduction,efficiency enhancement,an
11、d quality improvement,enhance the abilityof two-way interaction and simulation and optimization,and support the construction of a countrywith strong transportation network that satisfies the people,effectively ensures security,and is at theforefront of the world.Key words:building a country with str
12、ong transportation network;digital transformation;digitaltwin;virtual and real mapping;simulation based optimization;cost reduction and efficiency in-crease0引言交通强国建设对交通运输领域数字化转型、智能化升级提出了更高要求。2019年9月19日,中共中央、国务院印发了交通强国建设纲要1,提出“大力发展智慧交通。推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合”。2021年2月24日,中共中央、国务院印发了国家综合立
13、体交通网规划纲要2,提出“推进交通基础设施数字化、网联化,提升交通运输智慧发展水平”,明确要求“2035年交通基础设施数字化率达到 90%”。为贯彻落实党中央、国务院决策部署,交通运输部相继印发了数字交通发展规划纲要3交通运输领域新型基础设施建设行动方案(20212025 年)4数字交通“十四五”发展规划5等系列政策文件,加快交通运输信息化向数字化、网络化、智能化发展,为交通强国建设提供支撑。作为支撑经济社会数字化转型的通用赋能技术,数字孪生在虚拟空间再现真实公路交通运行场景,为公路交通数字化转型升级带来了新的机遇与挑战6-7。通过对物理世界的“人、车、路、环境”要素的数字孪生构建,在虚拟空间
14、再造一个与之对应的“虚拟世界”,物理世界的动态通过传感器被精准、实时地反馈到数字世界,虚拟世界的推演结果与决策指令再被反馈至真实世界,通过虚实互动、持续迭代,实现物理世界的最佳有序运行。发达国家普遍重视数字孪生在交通领域的应用与发展。美国智能交通系统联合计划办公室于2020 年发布了 智能交通系统战略规划 202020258,加速智能交通运输系统(IntelligentTransportation System,ITS)技术普及,应用数字孪生等技术提高交通安全性、移动性和运输效率。美国联邦公路管理局依托自动公路系统(Automate Highway Systems,AHS)9,开展了广泛的车路
15、协同、自动驾驶、数字孪生等新技术应用探索。美国得克萨斯州交通局在超大型高速公路伍朝辉,等:交通强国建设视域下公路交通数字孪生体系架构、关键技术与实践案例105交通运输研究第9卷 第4期2023系统管理中采用数字孪生技术10,要求所有新建桥梁项目采用数字孪生进行数字化交付。英国致力于打造国家级数字孪生体,出台了英国国家数字孪生体原则11,统一各独立行业开发数字孪生体的标准,促进孪生体之间数据安全高效共享,整合数据资源并充分释放其价值。伦敦M25号高速公路的项目管理中运用了数字孪生技术,实时感知公路运营状态,通过自适应限速调节有效减少高速公路拥堵。德国在工业4.0平台中大力推广数字孪生应用12。法
16、国将数字孪生技术运用到了高速公路信息查询系统中,实时掌握巴黎高速公路网的交通流量随季节发生的变化13。意大利在自动化公交车系统中运用了数字孪生仿真推演,分析得出公交车辆行驶、停车位置的最优解。奥地利萨尔茨堡市基于数字孪生设计开发了智慧交通管理系统,准确感知道路上的车辆数量、速度,进而进行针对性的优化,避免受到德国旅游交通流的冲击。日本DOCOMO、Comware、InfroniaHolding等企业13开展联合研究并引入了“数字孪生道路管理”理念,通过人工智能检测路面裂缝,预测道路资产的老化,计算得出最佳修复时机。对比发达国家,我国公路建设与改扩建仍处于快速发展阶段,受益于国内数字经济、交通强
17、国建设、交通新基建的政策红利,国内数字孪生应用与发展迅速。长安大学、东南大学、同济大学、武汉理工大学等高校14-16,围绕数字孪生公路自动驾驶、车路协同测试、全息隧道管控、道路数字化养护等应用中的关键技术开展了持续研究。蜀道集团、山东高速、浙江交投等行业龙头企业17-19在智慧高速建设中,聚焦收费站、跨海大桥、全息路口、特长隧道、服务区等业务对象,开展了广泛的技术验证与试点示范,并已初具规模。受益于丰富的依托工程和应用载体,我国在公路交通数字孪生技术研发、工程应用与规模化推广等方面已经由跟跑、并跑向部分领跑转变,但也存在缺少专业软件、芯片与高端设备受制于人、关键技术仍存在“卡脖子”现象等问题。
18、目前,国内外研究人员与交通运输企业围绕公路交通数字孪生应用开展了广泛的技术研究与试点应用,已初具成效,但仍存在以下亟待解决的问题:缺少符合公路交通数字孪生场景与业务特征的基础理论研究;针对公路交通管理与服务中的具体业务,数字孪生技术应用场景与价值分析不足;支撑公路交通数字孪生应用实施的体系架构与关键技术亟待深化梳理;缺少理论研究与案例实践的持续迭代,尚未形成“认识实践再认识再实践”的可持续发展路径。针对以上问题,论文围绕公路交通数字孪生基础理论、体系架构、关键技术与案例实践展开研究。在分析交通强国建设对公路数字化转型升级要求的基础上,对公路交通数字孪生的内涵、外延、特征和定义等基础理论进行研究
19、;结合数字孪生技术前沿,给出适用公路交通场景的数字孪生平台架构和关键技术体系参考;理论联系实践,对国内公路交通数字孪生典型应用案例进行分析与评价;分析公路交通数字孪生面临的发展挑战与技术瓶颈,对公路交通数字孪生技术可持续发展提出建议。1交通强国建设视域下数字化转型要求交通强国建设和交通新基建的加速部署,对行业数字化转型提出了明确要求。2019年以来,中共中央、国务院、交通运输部等围绕行业数字化转型升级发布了系列文件,如表1所示。在交通强国建设视域下,数字化发展的本质目的是支撑行业高质量发展,这也是行业创新驱动、降本增效提质和科技自立的必然要求。数字孪生为交通运输行业的数字化转型升级提供了新的实
20、施理念与实践手段。数字化是在对物理对象进行数字还原的基础上,对其业务逻辑、空间属性、物理属性等相关信息进行数字建模20-21。这一过程连通物理空间和数字空间,与“数字孪生”的定义有着天然的相关性。交通运输部高度重视数字孪生技术行业应用与创新,在深圳市、山西省等9家单位的交通强国试点任务中分别批复了“数字孪生”相关的任务,如表2所示。106TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.4伍朝辉,等:交通强国建设视域下公路交通数字孪生体系架构、关键技术与实践案例表1交通数字化相关政策文件发文时间2019-07-252019-09-192019-12-092020-08-062021-02-
21、242021-03-132021-08-252021-10-252022-01-122022-01-162022-01-242022-03-102022-07-042023-02-27文件名称数字交通发展规划纲要交通强国建设纲要推进综合交通大数据发展行动纲要(20202025)关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见国家综合立体交通网规划纲要中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要关于科技创新驱动加快建设交通强国的意见数字交通“十四五”发展规划“十四五”数字经济发展规划交通强国建设评价指标体系交通领域科技创新中长期发展规划纲要(20212035年)“十四五
22、”交通领域科技创新规划国家公路网规划数字中国建设整体布局规划发文机构交通运输部中共中央、国务院交通运输部交通运输部中共中央、国务院十三届全国人大四次会议表决通过交通运输部、科学技术部交通运输部国务院交通运输部交通运输部、科学技术部交通运输部、科学技术部国家发展改革委、交通运输部中共中央、国务院相关内容加快交通运输信息化向数字化、网络化、智能化发展,为交通强国建设提供支撑大力发展智慧交通。推动大数据、互联网、人工智能等新技术与交通行业深度融合推动各类交通运输基础设施、运载工具数字孪生技术研发,加快交通运输各领域建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术
23、创新,形成具有自主知识产权的应用产品到2035年,交通运输领域新型基础设施建设取得显著成效。先进信息技术深度赋能交通基础设施,精准感知、精确分析、精细管理和精心服务能力全面提升,成为加快建设交通强国的有力支撑推进交通基础设施数字化、网联化,提升交通运输智慧发展水平,并在2035年发展目标中明确要求“交通基础设施数字化率达到90%”第五篇“加快数字化发展 建设数字中国”:以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革,探索建设数字孪生城市推动基础设施数字化、网联化,实现重点领域交通感知网络全覆盖。推动交通基础设施装配化、工业化、标准化和数字化发展,促进智慧工地技术研发与应用,加快建筑信息模
24、型(BIM)技术自主创新应用到2025年,数字交通体系深入推进,“一脑、五网、两体系”的发展格局基本建成,交通新基建取得重要进展,行业数字化、网络化、智能化水平显著提升,有力支撑交通运输行业高质量发展和交通强国建设展望2035年,数字经济发展基础、产业体系发展水平位居世界前列。加快推进能源、交通运输、水利、物流、环保等领域基础设施数字化改造围绕“安全、便捷、高效、绿色、经济”,从“基本特征、评价维度、评价指标”三级设置20项评价指标。其中指标14为“综合交通智慧化水平”,用于反映交通基础设施、交通装备、运输服务和交通管理智能化水平以及系统的智慧化发展程度提升区域综合交通网络智能化协同管控水平,
25、构建形成数字化、网络化、智能化、绿色化的综合交通运输系统。开展基础设施智能化检测、数字化诊断、标准化评估、快速化处置技术与装备研发,开发基于建筑信息模型(BIM)和北斗的交通基础设施智慧管养系统专栏2“交通基础设施数字化工程”:攻克新一代基础设施精细化感知、数字孪生系统等关键技术不断提高国家公路数字化、网联化水平,持续增强“建管养运”统筹和全寿命周期管理能力。与运输服务网、信息网、能源网等融合更加紧密,数字化转型迈出坚实步伐,基本实现运行管理智能化和出行场景数字化。统筹国家公路与新型基础设施建设。推动国家公路全要素全周期数字化转型,实现数据资源一体化管理,强化数据动态采集、更新、共享,推动与建
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