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    助力“交通上云“,數字孿生在交通領域中的當下和未來!

    2022-09-14 15:33:49

    數字孿生的具體定義源于美國NASA,初始主要應用于飛行器真實運動的鏡像仿真模擬,后在工業、游戲、交通等不同的領域中逐漸得到應用。

    “十四五”之后,數字一詞更是頻繁出現在各行各業的建設當中。今邁科技

    據了解,在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中,通篇有88處提到了“數字”或“數字化”,62處提到“數據”或“大數據”。

    2019年交通運輸部印發《數字交通發展規劃綱要》,提出建設數字化的采集體系,網絡化的傳輸體系和智能化的應用體系,囊括了數據采集、數據治理、數據傳輸以及數據應用;《交通強國建設綱要》中,也提及到了數字化、網絡化、智能化的內容。

    在政策支持和多方的引導下,數字化的升級改造深入整個交通行業,數字孿生相關技術的應用愈發繁多,交通發展邁入數字交通新階段。

    車路協同、自動駕駛、智慧高速等智能交通領域掀起了數字孿生應用熱潮,衍生出行業發展新趨勢。

    1數字孿生與交通

    在探討數字孿生之前,首先要明確數字化、數字孿生的含義。

    數字化,是指將任何連續變化的輸入如圖畫的線條或聲音信號轉化為一串分離的單元,在計算機中用0和1表示。簡單的說就是將現實世界的事物信息,轉化為計算機計算所用的數據符號。

    數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

    提及數字孿生,就必須介紹與數字孿生關系緊密的仿真技術,因為許多人總是在不經意間將兩者混淆。

    仿真技術是應用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗,借助某些數值計算和問題求解,反映系統行為或過程的模型技術,是將包含了確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界的方法,目的是依靠正確的模型和完整的信息、環境數據,反映物理世界的特性和參數。

    仿真技術僅僅能以離線的方式模擬物理世界,不具備分析優化功能。

    數字孿生則可以在模擬物理世界的同時具備分析優化功能,也可以實時與物理世界進行交互。

    數字孿生可以簡單劃分為三個空間,現實物理空間、智能鏡像空間和虛擬數字空間。數字孿生利用傳感器收集到的現實物理空間信息數據,在智能鏡像空間中建設數字模型,搭建起映射現實物理空間的虛擬數字空間,通過在虛擬數字空間的仿真模擬,對規劃情況進行模擬并得到結果,實時反映到現實物理空間,再通過實際的運行情況進行更加深入的優化處理,形成數字孿生閉環。

    由此看出,仿真技術不具備數字孿生的實時性、閉環性等特征。

    為什么交通需要數字孿生?

    交通擁堵、行車難、停車難、公共出行不準時等問題,不僅讓普通的交通參與者頭疼,更是一直困擾交通管理部門的重點民生問題。

    交通參與者也大都經歷過這樣的事情,比如道路擁擠的路段上,剛在交警的指揮下走過擁堵的路口,沒行駛出幾分鐘,就又跑到了另一段平時并不擁堵,卻因其他道路疏通影響下變得嚴重擁堵的道路上去。

    這就體現出當前交通管理中存在的主要問題,應用離散化,信息孤島化,對交通問題處理的相對單一且割裂,難以顧及及交通運輸的整體性。

    智能交通興起于此,在項目建設和運營過程中,更加注重交通數據和系統的互聯互通,強調整體解決方案的質量和效果。

    具備實時性、閉環性的數字孿生進入交通領域,正好彌補了交通管理和控制的不足之處。

    2數字孿生在交通中的應用

    隨著數字孿生的發展,互聯網科技企業的不斷深入,數字孿生逐漸深入到交通行業的各個細分領域,項目建設規劃、城市交通、高速公路、車路協同、自動駕駛等等。

    先看城市交通的建設升級。

    在數字孿生的數字空間中,可以利用收集得來的數據進行模型建設,按照相應的需求進行仿真模擬,自動計算城市道路路網密度、干線網密度、人均道路面積等內容,對路網的情況做出分析評價的同時自動優化解決方案,得到最優效果,從而提高道路通行效能。

    交通路口是城市交通事故發生的集中地,匯集了多樣的交通參與者和城市交通問題。因此,交通路口是交通感知設備布置最多的場景之一。

    也正因如此,交通路口作為當下交通行業玩家的主要戰略進攻地,百度、華為等互聯網科技巨頭,先后發布智慧路口、全息路口、全息路網等相關解決方案和系統架構,試圖將數字孿生的部分應用率先實現,為更加依賴數字孿生技術的車路協同、自動駕駛等應用場景的進一步發展奠定基礎。

    感知硬件廠商也先后推出新型產品和解決方案,試圖搶占數字孿生帶動擴張下的市場份額和市場話語權。

    相關部門則通過建設數字空間方面的交通數據中心、交通大腦等等,統籌規劃,力爭實現對城市交通的全域管控。

    智慧高速,也是數字孿生建設和應用的熱點之一。

    當前高速公路的智慧化建設主要集中在幾個方面。

    一是高速公路的出入口,不停車收費、不停車治超檢測等等;

    二是高速公路的行車通行和道路情況的改善,解決雨霧環境、道路病害等問題;

    三是高速公路隧道、橋梁等場景下的常見難題。

    其中,全天候通行系統就是當前智慧高速基于數字孿生技術建設的重點應用之一。

    部分企業利用數字孿生技術,建設全天候通行系統。通過車路兩端布設的傳感器,將車輛、道路的數據信息進行實時收集并經過數字孿生技術處理后,結合車道級的高精地圖將最終的效果實時呈現在車端OBU顯示屏上,輔助駕駛人員了解車輛行駛的道路情況和周邊過車情況,從而保證車輛在雨霧天氣的正常通行。除此之外,車輛行駛過的道路信息還將同步上傳至數字孿生可視化平臺,幫助交通管理人員對道路通行環境做出預警判斷。

    車路協同、自動駕駛,是數字孿生技術發展和應用的形象體現。

    通過數字孿生技術將感知設備采集得來的交通數據結合高精度地圖,并構建自動駕駛數字孿生模型,將真實世界1:1還原到數字孿生中的數字場景,并還原物理世界的運行規律,滿足智能駕駛場景下人工智能算法的訓練需求,從而提升訓練的效率和安全度。

    數字孿生依賴AI等科技技術在專業領域上的突破,因此在車路協同、自動駕駛領域建設上,互聯網科技巨頭是主要的建設推動者,百度、騰訊等科技公司相繼進入該領域的建設當中,并且還在持續地加大投入。

    3數字孿生在交通中當下和未來

    縱看當前基于數字孿生的項目規劃和建設,車路協同、自動駕駛、智慧高速、交通路口等領域均已有試點項目或實際項目落地。

    但細看落地運行的“數字孿生”項目,依舊停留在對交通狀況、問題的離線式“數字仿真”,交通數據應用和系統平臺協同打通方面沒有突破性進展,落地的“數字孿生”沒有真正實現數字孿生所要求的數字世界和現實世界的實時交互,形成現實物理空間與虛擬數字空間的閉環。

    導致相關問題出現的主要問題,總結有以下幾點:

    一是建設和發展不明確,應用場景較為單一且不夠深入,缺乏建設推進的目的性。

    各交通細分領域都有展開基于數字孿生的項目規劃和建設,但在初期的規劃和設計方面,依舊停留在解決單個場景下的交通問題,對具體應用場景下的交通問題解決也不夠深入,缺乏對道路交通的整體性規劃,并且對建設最終的呈現效果沒有目的性。

    有部分的地區也為了蹭熱度,對數字孿生的概念和建設方向都不清楚,從而脫離了項目實際業務需求,盲目跟風數字孿生項目建設,數字孿生有名無實。

    二是缺乏明確的建設標準和規范。

    數字孿生的建設是涵蓋整個行業領域的綜合性項目,但歸結于現實世界,領域不同,項目背后的需求責任方也不盡相同,常出現對同一區域的重復建設,而應用數據和系統構架的項目建設標準和規范也并不統一,在后續的項目協同處理和整合應用上出現以誰為準進行統一的問題。

    比如在數字孿生在城市建設中的應用,住房與城鄉建設系統推進的城市信息模型平臺,自然資源與國土規劃主導的時空大數據平臺,公安政法條線依托進行城鄉安全和綜合治理的城市底圖,一座城市存在三張底圖,并且每張底圖自成體系,一般僅支撐本系統內應用,不能隨時按需支持其他部分的工作,系統中的數據積淀時間較久,很難放棄也很難整合。

    三是關鍵技術存在卡脖子風險,亟待創新突破。

    數字孿生誕生于多先進學科技術的爆發式發展,依賴于多種感知手段的快速發展。

    但當前數字孿生所涉及的新型測繪、標識感知、協同計算、全要素表達、模擬仿真等多項關鍵技術自身發展和融合還有待加強,海量數據加載技術、云邊計算協同技術、模擬仿真技術等成熟度也有待提高,人工智能、邊緣計算對動態數據快速分析處理能力也有所不足。

    其中的設計軟件大部分有國外企業主導,核心技術自主水平不足,基礎研究有待加強,或可以通過構建軟件開源生態,帶動基礎軟件創新突破。

    GPU芯片、操作系統、驅動中間件與國外存在一定差距,傳感器從技術到成本都不能滿足全域感知部署需求,需要靠市場來進行培育。

    特別是近年來,高尖端技術產業包括交通感知產業,在“缺芯風暴”的影響下,更加感受到了國外掌握的關鍵技術和產品對行業發展的限制和封鎖,也對關鍵技術的研發和突破的需求日漸增多。

    四是孿生場景與動態交通實景互動模型成熟度不高。

    數字孿生在交通領域的應用還處于初級水平,各專業領域的算法、模型還有待進一步研發,成熟度不高,因此孿生場景與實際動態交通之間的互動還不夠,數字空間的模擬仿真、態勢預測價值遠未釋放,不少應用最終變成傳統信息化建設項目。

    4結語

    數字孿生因感知控制技術而起,因綜合技術集成創新而興。

    結合當下的切實需求,找到合適的應用場景,是數字孿生在交通行業發展的關鍵所在,也是擺脫“數字仿真”標簽的重要一步。

    數字孿生相關技術也要再進行新一輪的技術研發,實現自我突破,滿足數字交通時代下,交通行業發展的新目標和新需求。

    隨著數字孿生的發展,數字孿生不再僅是一種技術,更是發展的新模式、新動力。

    在新模式、新動力的推動下,虛擬數字世界將不斷與現實世界融合,在不久的未來,數字孿生也將為我們架起通往探索數字世界橋梁,也將讓我們的生活更加的高效便捷。


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