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

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 310022）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”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 Transportation 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.2095-9931.2023.04.010104TRANSPORT 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 transportation 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 architecture 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 highways,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 digital 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,and 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 strong 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。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；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2019-07-252019-09-192019-12-092020-08-062021-02-242021-03-132021-08-252021-10-252022-01-122022-01-162022-01-242022-03-102022-07-042023-02-27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”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，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，推动与建筑信息模型、路网感知网络同步规划建设，将采集信息基础设施纳入公路工程统一规划建设建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎，是构筑国家竞争新优势的有力支撑。到2025年，数字中国建设取得重要进展，到2035年，数字化发展水平进入世界前列。推动数字技术和实体经济深度融合，在农业、工业、金融、教育、医疗、交通、能源等重点领域，加快数字技术创新应用107交通运输研究第9卷 第4期2023在交通强国试点建设的统一部署下，不同单位分别围绕数字孪生技术在高速公路、车路协同、养护决策、公路运输、设施设备等领域的应用，开展了不同程度的探索，持续推动交通数字孪生理论完善、落地实践与应用创新。2公路交通数字孪生的内涵、外延与定义解决好认识问题是数字孪生技术公路交通应用与创新的基础，在对公路交通数字孪生内涵、外延分析的基础上，梳理公路交通数字孪生的技术、功能与效果特征，给出公路交通数字孪生的定义，并对公路交通BIM、公路交通信息物理系统（Cyber-Physical Systems,CPS）、公路交通数字化等相近概念进行辨析。2.1公路交通数字孪生的内涵与外延内涵是指一个事物区别于其他事物的属性的总和，是一个事物特有的特征特点属性的总和。外延指的是这一类事物共有的属性的数量或范围。公路交通数字孪生是数字孪生技术在公路交通场景中的具体应用，其内涵与外延如图1所示。公路交通场景中物理实体与虚拟实体之间的“精准映射、双向互动、模拟择优、数据驱动和模型支撑”是公路交通数字孪生最本质的属性表达。分析“公路交通数字孪生”的外延：首先，公路交通数字孪生是一种数字化技术，是一种实现物理与赛博空间交互映射的通用赋能技术22；进一步，公路交通数字孪生是一种“模拟择优、持续改进”的方法论23，是一种利用数字化技术认识和改造世界的方法论24；再进一步，公路交通数字孪生还是一种发展模式，是一种支持公路行业数字化转型升级的发展模式25-26，是交通新基建的一部分。图1公路交通数字孪生的内涵与外延表2交通强国试点任务中数字孪生相关任务批准日期2020-08-242020-09-072020-10-312021-06-042021-06-212020-10-162021-08-162021-10-062021-10-03试点单位或行政区深圳市大连海事大学中国邮政集团有限公司国家能源投资集团有限责任公司交通运输部天津水运工程科学研究院山西省东南大学长安大学交通运输部公路科学研究院试点任务中相关内容以全要素、全周期数字化为基础，以BIM模型为核心载体，打造机荷高速公路数字孪生体，建立智慧化建设运营管理平台，实时诊断物理实体状态，实现对建管养运全过程的“可知、可测、可控”，提升高快速路建设管理的数字化智慧化水平通过12年时间，形成港口复杂多源异构数据转换与集成、智能多模感知与大数据分析、数字孪生系统构建技术、智能调度与决策方法等系列研究成果推进数字化基础设施建设。探索构建与邮政实物网实时映射的数字孪生网络煤炭码头全流程设备远程集控技术研发与应用：开展远程遥控、智能生产、数字孪生等科研攻关通过35年时间，悬浮隧道流固耦合模拟、数字孪生平台等研发取得显著进展建设车路协同测试路段。在测试区域建设5G通信网、多源数据融合的边云协同平台、基础设施数字孪生系统等构建基于数字孪生和人工智能的养护决策多目标优化方法。通过35年时间，建成交通基础设施数字孪生运维系统力争在智能感知路面材料研发、公路运输数字孪生技术研究等方面取得突破性进展。在公路交通能源自洽效率提升、绿色智慧公路科研平台培育、公路运输数字孪生体系核心关键技术等重点领域取得系统研究成果通过35年时间，公路基础设施建设与养护一体化管理平台、高速公路设施设备数字孪生平台、智慧出行大数据应用平台研究基本完成108TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.42.2公路交通数字孪生的特征分析公路交通涉及的对象包括人、车、路、环境4类要素，结合公路交通业务对象和数字孪生技术特征，对公路交通数字孪生的技术、功能和效果特征进行分析，如图2所示。技术特征是公路交通数字孪生区别于其他技术的本质体现。公路交通数字孪生的技术特征主要包括27-29：精准映射、双向互动、模拟择优、数据驱动、模型支撑、软件定义。技术特征决定了要有相应的系统功能作为服务实现的支撑，公路交通数字孪生的功能特征主要包括22：描述、诊断、预测、决策、控制。结合公路交通的“基础设施、载运装备、管理和服务”4类重点业务，在交通强国建设视域下，公路交通数字孪生的效果特征主要体现为：数字表达、映射互动、先知先觉、价值赋能、持续改进。2.3公路交通数字孪生的定义公路交通数字孪生并不仅仅是对公路基础设施的数字孪生，还包括交通场景中的运载工具、交通参与者、交通环境及“人-车-路-环境”之间的交互关系。结合数字孪生的通用定义22,27-29，本文也给出一种定义：公路交通数字孪生是以数字化方式创建公路交通场景中各类物理实体（包括交通基础设施、运载工具、交通参与者、交通环境）及其关联关系的虚拟实体及其关联关系，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，通过软件定义与服务，描述、诊断、预测、决策、控制公路交通场景中各类物理实体全生命周期过程或全要素运行过程，进而实现物理空间与赛博空间交互映射的技术手段。2.4公路交通数字孪生相近概念辨析公路交通数字孪生与公路BIM、公路数字化、交通仿真、CPS技术有着很多相关性。下面结合公路交通数字孪生定义、内涵、外延与特征分析，对相近概念进行辨析。1）公路交通数字孪生与公路 BIM。如图 3（a）所示，基础设施是公路交通场景的要素之一，公路BIM是公路交通数字孪生的子集，是退化到只有“描述”功能的公路交通数字孪生的实现。BIM 是公路交通数字孪生的关键技术之一，公路BIM同时也是公路交通数字孪生的重要组成部分之一。2）公路交通数字孪生与交通仿真。交通仿真是支撑公路交通数字孪生规律推演、仿真预测的关键技术之一，如图3（b）所示，但不能简单地认为交通仿真就是交通数字孪生。交通仿真更加关注公路交通场景中载运工具的运行规律，即交通系统“人、车、路、环境”四要素中“车”的运行。3）公路交通数字孪生与公路数字化。公路交通数字孪生是公路数字化的关键赋能技术之一，是公路数字化的技术子集，如图 3（c）所示。公路交通数字孪生有助于更好地实现公路数字化转型升级，但并不是所有的公路数字化都是图2公路交通数字孪生的特征（a）（b）（c）（d）图3相近概念辨析示意伍朝辉，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109交通运输研究第9卷 第4期2023通过数字孪生技术实现。4）公路交通数字孪生与交通CPS。公路交通数字孪生与交通CPS有着较大的共同属性，如图3（d）所示，交通CPS是依据交通场景中物理对象的确定规律和完整机理来预测虚拟对象的未来，通常针对确定性问题；公路交通数字孪生则可以依据不完整的信息和不明确的机理，通过大数据和机器学习等技术来预感未来，还包括一些对不确定性问题的分析。3公路交通数字孪生应用需求、体系架构与关键技术在理解公路交通数字孪生“是什么”的基础上，还需进一步分析公路交通数字孪生的应用需求、典型场景和价值，回答公路交通数字孪生“为什么”和“怎么做”两个问题。3.1公路交通数字孪生的应用需求公路通常为线状工程，投资额度大、建设要求高、涉及专业广、服役周期长、运维责任重，信息化手段在公路交通管理与服务中的应用不断深化，并在交通新基建加速部署背景下呈现新的特征。1）公路交通涉及“人、车、路、环境”要素，全要素管理需要新的技术。公路交通场景中包括了道路几何线形、桥梁/隧道结构设施、交通管控信息、车辆运行状况、气象环境信息、机电信息系统等多种要素，“人、车、路、环境”四要素数字化表达与关联关系刻画需要新的数字化技术手段。2）线状工程数据体量大、专业复杂度高，人本化管理需要直观的管理方式。公路为典型的线状工程，里程通常达到十几、几十甚至上百公里，这就导致公路交通数字化涉及的数据体量通常较大，数据组织、场景理解与数字建模难度较大。道路、桥梁、隧道等典型公路基础设施结构差异性较大，涉及路线、结构、地质、机电、交安、景观、通信等多个专业，“精细管理和精心服务”对管理人员的专业能力要求较高，亟需符合线状工程特征和易于理解的可视化管理方式。3）传统信息化难以适应智慧高速、车路协同、自动驾驶等新业务的需求。在交通新基建背景下，信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施加速布局，智慧高速、车路协同、自动驾驶、能源自洽服务区等新基建成果不断涌现，传统数字化手段难以适应交通新基建的精准感知、精确计算、精细管理与精心服务的需求。4）ETC 门架、智能道钉等新型感知终端数据需要新的数字空间表达方式。公路交通场景中毫米波雷达、激光雷达、智能道钉、ETC门架、红外摄像机、高清摄像头、物联传感器等新型感知设备带来了海量多源异构数据，BIM、GIS等数字表达方式难以直接承载时变数据的集成，需要分析数据类型及数据特征，研究适配新型感知终端数据特征的数字化表达方法。5）复杂交通问题难以复现，缺少支持模拟择优、持续改进的数字化基础。交通场景中往往存在受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象，变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，自动驾驶系统安全评估、综合立体交通网规划评估与优化、应急响应预案优化、安全生产事故溯源、交通碳排放碳中和验证、桥隧结构变形预警等复杂交通问题的分析与解决，亟需支持模拟择优、持续改进的数字化基础。3.2公路交通数字孪生的应用价值立足公路交通“精准感知、精确计算、精细管理与精心服务”的总要求，梳理公路交通数字孪生的典型应用场景、业务目标、已有方案存在的痛点问题和数字孪生应用价值，如表3所示。结合公路交通数字孪生应用场景与需求分析结果，对行业管理部门、行业相关企业、交通从业人员、交通参与者等不同主体应用数字孪生的价值进行分析，如表4所示。行业管理部门应用数字孪生的价值主要体现在支持“行业高质量发展”，行业相关企业应用数字孪生的价值主要体现在“降本增效提质”和“提升研发与持续改进能力”，行业从业人员应用数字孪生的价值主要110TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.4体现在“掌握提升工作效能的工具”，交通参与者应用数字孪生的价值主要体现在“全过程的信息服务”。3.3公路交通数字孪生体系架构“软件定义”30-31是公路交通数字孪生的技术特征之一，数字孪生功能实现需要软件平台作为支撑。本文在借鉴国内外数字孪生经典体系架构的基础上，结合北京航空航天大学陶飞教授提出的数字孪生车间经典五维框架32-33，提出公路交通数字孪生体系架构，如图4所示。图4中的数字孪生体系架构包括公路交通场景中的物理实体、虚拟实体、孪生数据、系统服务、连接等5类要素。其中，系统服务可分为面向物理实体的服务和面向虚拟实体的服务两类。通过体系架构实现，支持“状态感知-数字体验-辅助决策-优化控制”的公路交通数字孪生平台系统服务连接驱动驱动驱动驱动优化控制数字体验辅助决策状态感知系统服务物理实体虚拟实体孪生数据图4公路交通数字孪生体系架构表4不同主体应用公路交通数字孪生的价值主体核心价值具体应用价值行业管理部门保障有力、行业高质量发展区域综合交通规划与优化、重要公路交通基础设施全生命周期管理、区域综合交通运输网运行监测与应急协同处置、行业安全生产全过程风险评估与隐患排查、行业节能减排监测与核算、线状基础设施远程巡查与交通非现场执法等行业相关企业盈利、降本增效提质、具备持续改进能力公路交通基础设施建设与全生命周期管理、重要公路基础设施智慧运维、公路机电设施智慧运维、自动驾驶车辆虚拟测试、车路协同系统虚拟测试、新型载运工具研发与生产、重点载运工具监管等交通从业人员提升工作效能的工具复杂交通问题的分析与解决、交通科普/文化/职业教育、公路交通基础设施远程巡检工具、非现场执法系统交通参与者人 民 满 意：出行服务、运输服务全过程出行信息服务、全过程运输信息服务、交通科普教育应用场景智慧高速智慧停车场全息路口隧道运营安全管控隧道视觉诱导系统桥梁健康检测自动驾驶测试机电设施远程管控车路协同监控全息治超站能源自冶服务区饱和交通量公路改扩建两客一危全时监管业务目标安全、通畅提高停车效率按需授时安全、通畅提升驾驶安全性桥梁结构安全提升安全性减少人力成本提升通行效率缩短治超过程支持能耗监测边施工边运营远程监管难痛点问题难以实现全要素实时管理车位状态感知难、人工引导成本高绿信比与车流量不匹配事故发现不及时、应急处置效率不高设置效果难以动态满足司机安全驾驶要求隐式结构隐患发现困难复杂驾驶场景难以再现与测试边远地区巡查与维修成本高车辆与设施通讯要求高、交互复杂人工管理成本高碳排放与碳中和要素实时感知与计算复杂交通拥堵、交通事件频发及应急处置困难存在感知盲区，异常预警难数字孪生价值全要素管理，精准化管控、可视化呈现空余车位实时感知，停车引导智能高效路段级通行效率提升，特种车辆优先保畅提升异常事件检测、应急处置联动效率提升驾驶员视角驾驶安全性及时发现问题，提升服役性能，延长桥梁寿命提供可复现、可重复的海量测试用例提升远程管控能力，减少人力成本提升车路协同的效率缩短治超检测与处置时间，减少人力成本提升“双碳”核算的科学性减少拥堵，提升应急处置效率行车全过程监管表3公路交通数字孪生典型应用场景伍朝辉，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111交通运输研究第9卷 第4期2023的构建与应用。结合前文给出的公路交通数字孪生体系架构，借鉴国内外数字孪生系统的经典架构34-37，给出公路交通数字孪生系统架构，如图5所示。图5公路交通数字孪生系统架构由图 5 可以看出，系统自下而上共有 7 层，分别为物理层、感知层、数据层、模型层、推演层、功能层、应用层。1）物理层主要包括公路交通场景中的物理实体及其关联关系，包括公路基础设施、运行车辆、交通参与者、交通环境及其关联关系等要素，这些对象既是数字孪生需要精准映射的关键要素，又是数字孪生管理与服务的主体。2）感知层是利用各类物联感知设备对物理层的对象及其变化进行实时状态感知，涉及的感知设备包括高清视频监控相机、毫米波雷达、激光雷达、北斗定位、手机信令、车载定位终端设备、路侧物联传感设备、路侧气象监测设备、电子不停车收费（Electronic Toll Collection,ETC）门架、智能道钉、交通诱导智能终端等，主要目的是对公路交通场景中的动态数据进行采集。3）数据层主要负责对物理层对象的动静态数据进行汇聚、融合与处理，孪生数据库是数据层的核心，涉及数据分类、数据组织、数据存储、数据清洗、多源数据时空标定、统计分析、大数据分析、正则分析、非结构化数据结构化等。4）模型层主要负责公路交通数字孪生场景中规律的建模和知识的抽象，支撑公路数字孪生构建与应用的几何、物理和行为模型。5）推演层主要负责基于感知数据与各类模型进行快速的仿真推演与演化分析，服务于上层数字孪生的功能实现与用户个性化预测分析，包括在线数据驱动的场景仿真、动态演化分析、要素关联分析、交通仿真分析、概率分析、大数据异常感知、预测推演、动态演化、多种方案比选、预操作评价与验证、管控方案优化反馈等，也可基于模型及规律生成模块化推演结果与数据，封装后供功能层调用。6）功能层主要负责公路交通数字孪生描述、诊断、预测、决策、控制等5项基本功能的实现，进而支撑上层应用。7）应用层支撑公路交通数字孪生的具体应112TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.4用，包括远程运维、车联网、自动驾驶测试、智慧公路、运载工具研制与优化、综合交通规划与优化等。3.4公路交通数字孪生系统功能在完成公路交通数字孪生系统架构设计的基础上，对数字孪生系统功能进行设计。功能层共包括描述、诊断、预测、决策、控制等5项基本功能，其逻辑关系如图6所示。在每一个时间步长，描述功能实现对真实公路交通场景及其变化的数字化表达；通过外场监测终端对真实场景中“人、车、路、环境”状态进行感知、评价与诊断，及时发现异常状态；针对异常状态，结合用户业务需求和数字孪生模型，开展实体要素运行状态的预测与处置方案比选；基于预测结果，对公路交通业务管理与服务进行辅助决策；联动外场控制终端，对决策结果进行控制，实现业务的管理与服务，并更新状态，进入下一个时间步长。在实现系统基本功能的基础上，结合具体的孪生场景和业务需求，通过模块化组合与功能扩展，形成支持业务层的应用功能。部分应用功能如图7所示。公路交通数字孪生平台隧道安全管控控制决策预测诊断描述信号系统优化控制机电设施远程运维交通诱导拥堵处置决策不断流施工组织方案决策养护、预养护决策应急响应与快速处置决策极端天气预警公共出行信息个性化服务救护车最快线路规划拥堵预警驾驶能见度监测预警隧道、桥梁结构检测事故、拥堵等异常事件报警危货车辆识别与轨迹还原三维虚拟巡检虚实映射三维实时查看数字资产管理管控对象“一张图”显示图7公路交通数字孪生应用层的功能公路交通数字孪生构建起在数字空间三维表达的数字底座，业务功能会因由二维到三维的升维变化带来应用功能的变化，这一变化也必将进一步驱动业务模式的变化，以支持数字孪生技术“降本增效提质”核心价值的落地实现。3.5公路交通数字孪生关键技术体系数字孪生系统功能的实现需要关键技术支撑，从公路交通数字孪生平台基本功能实现的角度，对数字孪生构建与应用涉及的关键技术进行梳理，如图8所示。1）与“描述”功能实现相关的关键技术包括：BIM、GIS、倾斜摄影、激光扫描、点云重建、新型测绘、计算机图形学、计算机可视化、VR/AR等，用于支持公路交通数字孪生的场景构建与模型表达。2）“诊断”用于感知真实交通场景中的状态及变化，并基于规则快速研判其状态是否异常，涉及的关键技术包括物联网、机器学习、深度学习、知识图谱、大数据分析、计算机视觉、边缘计算、分布式网络、5G通信、无人机检测等。3）“预测”是在洞察的基础上对各要素未来一段时间的状态或行为进行推演，这