数字孪生技术在社区交通管理中的应用研究_李明柱.pdf

27城市与建筑City&Architecture2023NO.03基金项目：吉林省科技发展计划项目“基于 BIM 的公共建筑运行能耗大数据挖掘应用研究与示范”（20190303059SF)。引文检索：李明柱，张钰宁，吕彩霞.数字孪生技术在社区交通管理中的应用研究 J.重庆建筑，2023（3）：27-30.数字孪生技术在社区交通管理中的应用研究李明柱，张钰宁，吕彩霞（吉林建筑大学经济与管理学院，吉林长春 130118）摘要：为解决社区交通非机动车行车不规律、交通设施不完善等问题，以某省会城市主城区重点街道 C 社区为例，结合数字孪生技术，综合利用现代化信息技术与智能化感知终端，将社区基础设施、车辆行人等静动态信息数字化，构建数字孪生社区交通体系框架，实现人车协同、流量监测、动态数据实时管控汇总，在社区工作端分析数据、演化模拟、预警决策，为社区交通安全高效管理提供数字化、信息化、智慧化保障。关键词：数字孪生；社区交通管理；应用框架；虚实融合中图分类号：U491；TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）03-0027-04收稿日期：2022-08-11作者简介：李明柱（1963），吉林长春人，男，教授，副院长，主要研究方向为 BIM 与工程项目管理、设施管理、绿色建筑节能技术；张钰宁（1998），河北秦皇岛人，女，硕士，主要研究方向为数字建造与管理；吕彩霞（1997），内蒙古包头人，女，硕士，主要研究方向为设施管理。ResearchontheApplicationofDigitalTwinTechnologyinCommunityTrafficManagementLiMingzhu,ZhangYuning,LvCaixiaAbstract:Inordertosolvetheproblemsincommunitytrafficlikeirregularnon-motorvehicledrivinganddefectedtrafficfacilities,thispaper,basedoncommunityConakeystreetintheurbandistrictofacapitalcity,andcombinedwithdigitaltwintechnology,digitizesthestaticanddynamicinformationsuchascommunityinfrastructure,vehiclesandpedestrianstobuildadigitaltwincommunitytrafficsystemframeworkwiththecomprehensiveuseofmoderninformationtechnologyandintelligentperceptionterminal,soastorealizethepedestrian-vehiclecollaboration,flowmonitoring,real-timecontroloverdynamicdata,etc.,providingdigital,information,intelligentmanagementforthecommunitytrafficsafetybyassistingthecommunityworkendwithdataanalysis,simulationevolutionandwarningdecision.Keywords:digitaltwin;communitytrafficmanagement;applicationframework;virtualandrealintegration0 引言目前，随着我国新型城镇化和智慧城市建设发展的不断推进，作为智慧城市基本单元的社区，其建设发展已取得了较好的成效。虽然我国社区在服务、管理、生活、设施等方面协同发展建设，但在社区交通安全管理方面尚不完善。根据实地调研发现，目前国内大部分社区交通重点是非机动车，截至 2022 年 3 月底，全国机动车保有量达 4.02 亿辆，两轮非机动车保有量达 7 亿多，相当于每 2 人拥有一辆非机动车，是机动车的 1.74 倍。非机动车主要以自行车、电动车、三轮车为主，但社区中非机动车种类繁杂，还包括平衡车、轮滑、滑板、婴儿车、电动轮椅等，且非机动车出行高峰期主要集中在上下班、工作日晚餐后、节假日、学生寒暑假等大部分居民休闲时刻。在社区内，非机动车出行方便、使用灵活、环保性强，但同时也带来了诸多问题，最突出的是社区内非机动车种类、数量杂多，出行时间不确定、路线不明确、速度不稳定、目标小而不易察觉，易导致突发性交通事故、交通不畅等问题，尤其给社区内老人儿童带来较大安全隐患，对社区交通管理也提出了更高要求，需要结合数字孪生技术协同管理，合理错开社区交通高峰期，研究控制非机动车交通发展对策，减少安全隐患，降低出行风险。刘庆荣等1将数字孪生技术应用于高速公路隧道不同场景中，全天候全方位实现对高速隧道的实时监控，解决隧道交通中的安全隐患问题；李峰、王洪琳2将数字孪生技术与轨道交通系统相结合，构建轨道交通智能运行系统，有效保障列车行驶的安全性；梁恩云等3将数字孪生应用于自动驾驶数字化交通场景中，保障测试的安全性，提升算法精度与效率。通过现有文献分析表明，数字孪生技术已在交通领域应用多种场景，不同场景不同主体的交通安全服务需求不同、管理方式不同。为加强我国社区交通管理与服务能力，完善社区治理体系，本文将数字孪生技术应用于社区交通管理中，构建物理模型与数字模型映射管理，探讨满足社区居民出行交通安全便利要求的途径，为未来社区交通发展提供借鉴。1 数字孪生概述数字孪生4也称数字镜像、数字化映射等，是指充分利用物理实体模型、智能传感器设备、高速运行历史数据等，基于全域数据仿真，doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.03.27Chongqing Architecture28第 22 卷 总第 233 期集成多物理量、多学科、多尺度的过程，在虚拟数字化空间中完成映射，进而反应相对应物理实体设备的全生命周期。数字孪生具有虚实融合、实时反馈、迭代优化以及全要素、全领域、全流程等特征，并已应用于产品全生命周期各个阶段。数字孪生的宗旨是以数字化体服务物理实体，以虚拟世界服务现实世界，使对应现实世界的物理实体运行更安全、更高效、更便捷，并最大限度节约成本。本质上，物理与数字二者相辅相成、相互促进，数字化体为服务物理实体而存在，现实世界因虚拟世界而更有序。数字孪生是数字化的必由之路，是数字化浪潮的必然结果。将数字孪生应用于社区交通是顺应历史发展趋势的体现，是未来社区智能化发展的模式代表。本文通过智能传感器、无人机等设备扫描采集数据，包括社区内建筑物、非机动车、行人等静态与动态数据，将物理模型数字化呈现，上传至云端，结合现代化信息技术完成记录、追踪与演化模拟，实现对社区内非机动车的动态监测与预警分析，安全隐患及时提醒，降低潜在风险，维护社区交通安全。2 数字孪生社区交通设计架构2.1总体流程与框架以陶飞等6提出的五维模型为基础，构建相应的数字孪生社区交通体系框架，主要涵盖以下四个层次：物理层、模型层、数据层与服务层。物理层是基础，从物理实体空间获取数据，根据数据在模型层构建相应数字模型，在数据层结合现代化信息技术，对社区交通全域全方位计算分析、仿真模拟，在服务层精准映射、监测预警，高效管理服务社区居民，为社区管理者提供科学依据。数字孪生社区交通流程图、数字孪生社区交通应用体系框架如图 1、图 2 所示。图 1 数字孪生社区交通流程图图 2 数字孪生社区交通应用框架2.2设备组成与技术要素数字孪生社区交通应用体系主要成果在服务层显示，在前三层的基础上构建成功。而前期物理层、模型层、数据层的构建需要采用智能化感知终端对动态与静态数据进行采集汇总，再结合相关信息技术要素，后期居民即可享受社区交通优化服务模式，实现全方位社区交通服务。2.2.1智能化感知终端数字孪生社区交通通过各类智能化感知终端，全域全量采集多源社区交通数据，实时记录与随时调取社区交通状况，实现社区交通实时反馈模式。数字孪生社区交通感知终端主要分为三大类：镶嵌式感知终端、集成式感知终端、一体式感知终端。其中，镶嵌式感知终端由楼宇、道路、景观等大型设施内部敷设传感器等组成，采集社区交通设施的物理数据、道路通行状态数据等；集成式感知终端由智能灯杆、智能步道、智能亭等组成，采集社区道路、园区等公共区域的视频监控数据、气象数据等；一体式感知终端由道路监控、RFID、人脸识别、各类传感器截点，无人机扫描以及居民智能手机、无人驾驶汽车等个人设备组成，采集车辆运行轨迹、居民出行方式等各类动态数据。主要智能化感知终端组成如图 3 所示。图 3 数字孪生社区交通智能化感知终端组成2.2.2技术要素数字孪生社区交通是在传统的社区交通监管系统中结合物联网技术、人工智能技术、5G 网络等前沿技术标准7，综合利用各类智能传感器设备的智能终端服务体系，最终传输显示在服务层，在社区工作端和居民端协同管理。主要结合技术如表1所示。表 1 数字孪生社区交通技术要素技术分类与数字孪生社区交通的结合方式5G 数据传输5G 传输具有高速率、低延时等特点，是实现车辆与行人数据高速高效传输的基础，是人机物网互联的网络基础设施。物联网技术通过物联网技术将感知终端采集数据传输至数据库，实现物理与数字对车辆行人的整体感知。人工智能技术人工智能为后期模拟车辆行人运行轨迹提供关键技术，通过数据进行识别、分析、计算决策，进而提供模拟仿真、监控预警等服务。建筑信息模型建筑信息模型为社区中建筑楼宇建立数字化模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。地理信息系统地理信息系统以采集社区交通全域地理空间静态数据为基础，分折地理数据，提供管理、决策等所需信息的技术系统。虚拟现实技术虚拟现实技术为物理实体对应数字虚拟化，高度可视化提供基础，为社区交通模拟演化、仿真分析提供必要条件。29城市与建筑City&Architecture2023NO.033 数字孪生在社区交通管理中应用3.1案例概况C 社区位于某省会城市主城区重点街道，占地面积200000m2，建筑面积 95780m2，其中涵盖幼儿园与卫生服务站面积，社区内交通道路面积达 38950m2。社区共 11 栋楼，容纳居民 3100 余户，累计近 7000 人，社区居民主要以国营企业家属为主，现今年龄职业各不相同，需求不同，交通出行工具种类繁多。该社区作为当地政府重点关注示范性项目，面临众多考验，受到社会多方关注。为研究解决社区内部交通管理问题，本文选取 C 社区交通情况作为核心案例进行分析。C 社区现状与交通情况如图 4、图 5 所示。图 4 C 社区鸟瞰图图 5 C 社区局部交通不便图3.2案例应用数字孪生社区交通是指建立一个与现实世界中社区交通相孪生的数字化世界5，关键因素是物理实体与数字模型的精准映射。首先，结合 C 社区鸟瞰图与交通情况，通过点云设备采用标靶拼接的方法扫描 C 社区全域静态概况，对 C 社区内各个楼宇、道路等静态信息进行扫描，将扫描后转化的 BIM 模型导入平台（图 6），进而完成数字孪生社区交通的基础阶段即物理建模。其次，在 C 社区交通各交叉口处、楼栋周围以及高频事故点位增设电子眼、智能灯杆、追踪传感器等智能化感知终端实时记录动态信息（图 7），且感知终端获取数据后将自动导入设备后台，传输至 C 社区交通管理系统，将动静信息悉数采集上传完成，即完成关键因素虚实映射。最后，再结合 5G、物联网等信息技术，在系统平台实时计算分析潜在危险变量，演化模拟，完成对 C 社区数字化虚拟世界的全域映射、仿真、预测与控制，为 C 社区物理世界交通反馈预警，实现对 C 社区交通全周期的动态反馈、实时优化、迭代更新与持续改进。图 6 C 社区部分建模情况 图 7 C 社区增设智能化设备情况3.3管理模式数字孪生社区交通通过人工智能、物联网等赋能，即在上述智能化感知设备采集的基础上，自动化分析人流、车流、道路、设备等数据，最终显示在社区人员工作端和居民用户端协同管理（图 8）。C 社区中，社区工作端设备连接至 C 社区网格员处，上传至 C 社区工作系统，显示 C 社区交通整体概况，对系统分析出的潜在危险及时干预决策，同时传输至居民用户端，告知附近居民潜在危险情况，根据预测灵活应对；居民用户端绑定私人手机或智能手表等常用电子设备，根据 GPS 重点显示居民周边非机动车交通情况，实时追踪每辆非机动车出行路线、速度变化等不定向情况，便于居民出行查看，根据后台车辆模型演化分析，对居民周围2m范围内可能出现的潜在危险提出预警；对于不常使用智能设备的老人孩童，如在行进途中遇到紧急情Chongqing Architecture30第 22 卷 总第 233 期况，附近感知终端会设置相应语音提示功能，对危险现场及时预警；居民用户端可绑定亲属信息，进行三维可视化，实时共享查看亲属周围安全情况。图 8 C 社区数字可视化平台4 应用成果C 社区的数字孪生社区交通体系通过对车辆、行人路径记录与模拟分析，确定周围环境安全；对驾驶员进行车速过高提醒，降低潜在事故发生风险；在 C 社区交通高峰期进行分流预约模式，保障居民合理规划出行及户外娱乐时间；为在外返回 C 社区车辆提供智能一体化服务，识别车牌对应户主信息，分析业主附近车位空余情况，计算最优车位行进路线，并向驾驶员语音播报导航，节约时间，高效管理；通过数字孪生技术及时掌握 C 社区交通全方位状况，智能分析、模型推演、精准预测，降低交通事故发生率。C 社区交通规划改善图如图 9 所示。图 9 C 社区交通规划改善图5 结语随着现代化信息技术不断发展，数字孪生技术日趋成熟，在各行各业的应用也不断增多。将数字孪生技术应用到社区交通安全管理中，顺应了时代发展方向，可为未来社区发展提供新思路。本文的数字孪生社区交通构建以 C 社区为例，结合智能感知终端采集信息，完成动静数据精准映射，数字构建孪生社区交通场景及实时状态，虚实融合，协同管理，解决了现阶段社区内非机动车交通管理混乱问题，以虚拟服务现实，数据驱动治理物理实体，实时反馈，迭代优化，持续改进，为未来社区管理模式的转变提供了参考。参考文献：1刘庆荣，杨翰文，郭群.数字孪生技术在高速公路隧道安全预警中的应用 J.中国交通信息化，2021（8）：133-135.2李峰，王洪琳.数字孪生技术在轨道交通自动运行系统的应用探究 J.江苏科技信息，2021（28）：31-33.3梁恩云，高琛，叶少槟，等.基于数字孪生的自动驾驶交通场景构建研究 J.现代计算机，2021（30）：1-10.4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（1）：1-18.5李赟.智慧城市数字孪生技术应用探索及标准化研究 J.信息技术与标准化，2021（10）：13-19.6陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用 J.计算机集成制造系统，2019（1）：1-18.7张朋，曾云峰，王蒙蒙，等.数字孪生技术在城轨车辆全生命周期中的应用研究 J.铁道车辆，2022（1）：28-32.责任编辑：刘艳萍，董婉妮