数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径.pdf

西部素质教育2023 年 9 月第 9 卷第 17 期数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径卢维科1，胡国静2*，成明1（1 苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州，215031；2 苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州，215009）人工智能、大数据、数字孪生、区块链等技术发展迅速，改变了教学要求，也影响着教学理念、文化和生态。我国已发布 教育信息化 2.0 行动计划，提出主动应对新技术浪潮带来的新机遇和新挑战，强调应积极探索教学新模式，利用新技术驱动教学创新1。智能交通仿真是交通工程专业教学体系中连接理论教学与实践教学的纽带，既需要对先进的交通理论、模型、算法、技术等进行解析，又需要从解决实际交通问题角度出发推动方法与方案落地。在实际教学中，如何通过智能交通仿真教学丰富学生的实验设计，激发学生对交通工程专业的热爱和深度思考，一直是课堂教学改进的重点之一2。基于此，本文拟对数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用加以探讨。一、数字孪生技术概述（一）数字孪生技术的内涵数字孪生技术是将实际研究对象映射到虚拟系统，建立虚实交互的一种技术手段。其以数据和模型的集成融合为基础与核心，通过涵盖多学科、多物理量、多尺度、多概率的超精细仿真，在虚拟空间中构建具备实体全属性的数字孪生体与高逼真环境，为场景测试、机理描述、异常诊断、风险预测、决策辅助等提供支撑3。在 2019 年高德纳（Gartner）发布的十大战略性技术趋势中，数字孪生技术与区块链技术、量子计算、边缘计算技术等一同位列其中4。（二）数字孪生技术的优势从技术构成上来看，数字孪生技术是计算机技术、信息技术、大数据技术、人工智能、虚拟技术、通信技术、网络技术等技术的集成。数字孪生体和虚实交互是数字孪生技术的两个关键点。数字孪生体不仅需要精细反映对象实体特征，如外观、元素、组件、机构、组成等，也要反映对象的影响因素、原理、属性、方法、机理、变量等，更要反映虚拟环境中各个对象间、对象与环境间的相互作用机制与量化的逻辑关系。虚实交互主要是在数字孪生体与对象之间建立通信协议，将对象的复杂行为动态、精准地反映在数字孪生体上。一个对象或系统可以有多个数字孪生体，这些数字孪生体可以承担不同的功能，如预测、评估、影响因素分析、过程解构等。同时，基于数字技术的存储技术与复制技术，可以将一个成熟的数字孪生体复制成多个数字孪生体，为不同目的的应用提供基础。借助深度学习技术及增强学习技术，数字孪生体在映射实体对象的基础上对对象的行为进行解析、模拟与学习。分布式计算技术可以为数字孪生体的多样性，特别是“分身术”性应用提供技术支撑，在分布式框架下数字孪生体可以集中映射实体对象，也能实现不同的功能与业务。相比仿真技术，数字孪生技术在对象虚拟构建、环境虚拟构建、机制虚拟构建、交互虚拟构建中集成的技术要更加广泛与复杂，塑造的数字孪生系统不再需要传统意义上的仿真校准就可以实现多样化功能性应用，同时一个数字孪生体催生的应用场景要远多于一个仿真案例产生的应用场景。（三）数字孪生技术的应用场景数字孪生技术已被广泛应用于智能制造、互联网工业、智慧农业、物联网、供应链、智慧基建、智能维修、系统控制、视觉设计、行为分析、能源与环境等领域。张南等5围绕车间生产作业过程实时虚拟与监测问题，基于数字孪生框架提出了一种车间作业监控与可视化方法，并详细阐述了多源异构数据采集和处理DOI：10.16681/ki.wcqe.202317038作者简介：卢维科（1992），男，讲师，博士。研究方向：智能交通。注：本文系国家自然科学基金青年项目“非完全智能网联环境下路网交通流效率与安全协同研究”（编号：62103292）；教育部产学合作协同育人项目“高精度地图背景下智能网联交通工程课程体系改革与建设项目”（编号：220904757090225）。摘要：文章首先概述了数字孪生技术，然后论述了数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径，包括透视智能交通工作原理与工作全过程；构建多样化、个性化的交通仿真场景；提供沉浸式的交通仿真教学体验；等等。关键词：智能交通仿真教学；数字孪生技术；交通工程专业中图分类号：G434文献标志码：A文章编号：2095-6401(2023)17-0153-04西部素质教育2023 年 9 月第 9 卷第 17 期方法、物理车间数字孪生模型构建、基于数字孪生模型的车间作业三维可视化，实现了物理车间与虚拟车间真实场景及真实数据的同步，实现了虚拟与现实的实时动态交互，再现了真实的设备动作及生产逻辑。杨文斌等6围绕传统的盾构机故障诊断方法存在感知不全面、数据噪声大、质量低等问题，基于数字孪生技术提出了盾构机实体与虚拟实时交互感知方法，建立了数字孪生盾构机模型及运维系统架构，针对盾构机主驱动减速机提出了一种仿真数字孪生建模方法，对盾构机的使用状态与故障进行判别和反馈，这对减少重大事故发生、提高施工效率及延长盾构机的使用寿命均具有重要意义。为满足新型作战形态对装备保障的需求，方伟光等7建立了数字孪生驱动的武器装备智能保障体系架构，将武器保障、试验、训练、运维等融为一体，并总结归纳了数字孪生在装备智能保障不同应用场景中的共性关键技术，为后续数字孪生技术在不同军兵种、不同装备类型、不同保障领域的应用落地提供支撑。宋志忠等8以“引江补汉”为背景，探索了数字孪生技术在工程研发、设计、建设与运维过程中的实现路径，从基础设施、数据底板、孪生中枢、应用体系、安全防护体系和标准规范体系六个方面构建了总体架构。张侨禹等9构建了基于数字孪生技术的舰船动力系统智能运维平台，并通过示例验证了动力系统在智能控制、故障诊断方面的可行性。（四）“数字孪生技术+交通”交通系统是一个复杂的、开放的、动态的、随机的巨系统，其中道路、设施、出行者、车辆环境等之间相互作用，难以使用数学化的模型进行精准描述。仅就地铁站、航空楼、高铁站、复杂信号控制交叉口等设施或子系统而言，其数学建模难度较大，难以利用数学模型或公式精准刻画。而如果使用数字孪生技术，将交通系统映射在虚拟环境中，可以避免单一地使用数学模型对交通系统进行描述，减少系统描述误差，同时为交通系统管控提供决策支撑与依据。当前，多数城市交通管控部门已经构建了成熟的交通智慧管控平台、大数据交通分析平台、智慧城市管理平台等；电子警察系统、卡口系统、交通视频监控系统、线圈检测系统等已经广泛应用；出行者出行信息（如地铁刷卡数据、公交刷卡数据、共享单车数据、网约车数据等）、手机信令数据、出行活动/POI 数据等逐渐完善。此三个要素分别为构建交通数字孪生体系的管控端、采集端、数据端提供了基础。结合数字孪生技术，将道路、设施、车辆、行人、环境等映射到虚拟系统中，同时打通虚拟系统与既有系统的数据共享机制，可搭建集管控、采集、数据为一体的交通数字孪生平台。借助交通数字孪生平台，交通预测、评估、管控、分析等功能可以在线完成，交通规划方案与设计方案也能在此平台中被精准解析与反馈，物流、文旅、娱乐等也可以实现与交通的深度联系，协同多系统的措施可以得到更科学的检验，交通管控可以细致到以人或人群为主的小尺度层面。（五）“数字孪生技术+仿真”数字孪生技术与仿真具有天然的共通性，两者均是对研究对象的模拟与再现，因此“数字孪生技术+仿真”是对仿真和数字孪生技术的再拓展与再利用。就仿真而言，与数字孪生技术相结合，可以让仿真“仿得更真实”，而利用已经成熟的数字孪生体的数据和信息，可以减少仿真中模型校准的工作量并降低难度。就数字孪生而言，与仿真结合在一起，可以对数字孪生体的应用进行专业方面的延伸。特别是数字孪生体与专业优势明显的仿真软件的结合，不仅能拓展仿真软件的使用面，而且可以降低数字孪生系统中具体专业功能的开发难度，更能提高数字孪生系统和仿真软件的使用灵活性和便利性，即允许用户在使用过程中嵌入自定义的方法、模型与算法。（六）“数字孪生技术+教学”数字孪生技术可以为教学的数字化、智慧化与信息化过程提供支撑，加深学生和教师对知识的理解，当前已有多位学者探索了数字孪生技术在教学中的应用。郑蕾娜等10提出了一种融合数字孪生技术与虚拟会展实现的新教学理念，该理念侧重于创新创业能力培养与成果导向教育。数字孪生技术将催生一批数字孪生课堂与数字孪生校园，褚乐阳等11认为有必要利用数字孪生弥合虚拟教学与现实教学之间的界限，建立可支持学生全面发展的智慧学习空间。教学过程的流程分析与动态评估一直是教学评估活动的难点之一，陈秀寓12基于数字孪生技术研究了混合教学模式改革，进一步探讨了利用数字线索开展复杂教学过程模拟与分析的潜力。针对传统教学实验准备周期长、操作烦琐的缺陷，何谋海等13提出了虚实结合的混合式实验教学模式，目的在于提高学生自主学习能力和实验教学效率。西部素质教育2023 年 9 月第 9 卷第 17 期二、数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径智能交通仿真是交通工程领域的一项关键技术，对交通管理、控制、分析、优化、评价、预测等有重要辅助作用。当前的智能交通仿真教学主要以传统交通仿真软件为依托，结合 VISSIM-COM 和 SUMO-Traci 二次开发，以交通轨迹可视化、驾驶员行为建模、信号控制、需求分析、参数校准、方案评价等为教学任务核心，虽然总体上可满足教学需求，但是仍存在若干问题，具体如下：淤传统交通仿真软件主要是对车辆运动轨迹的再现与模拟，缺少对车辆实体与细节的展现，导致在实验教学中学生较难掌握车载设备的基本原理、属性与功能；于实际智能交通体系中存在的多种传感器难以在传统交通仿真软件体系中构建，继而导致从传感器到控制器的信息流传输过程无法在教学中得到有效讲解和展示；盂车辆与车辆、驾驶员、设施、环境的交互（V2X 交互）难以在以传统仿真为支撑的平台中实现，学生容易站在“动画制作”的角度理解智能交通仿真；榆驾驶环境（风、光、雪、雨、雾）较难在传统仿真软件中进行模拟，智能交通仿真教学只是对简单应用场景的刻画与描述，难以涉及复杂场景。另外，常用的 VISSIM-COM接口和 SUMO-Traci 接口对仿真软件依赖性较强，在实际应用时需要一定的软件配置和支撑，较难与既有的智能交通平台相衔接。因此，针对上述问题，笔者拟通过探寻应用数字孪生技术的路径，多方面支撑智能交通仿真教学，以满足教学需求。（一）透视智能交通工作原理与工作全过程数字孪生技术的本质是建立研究实体的虚拟镜像，将难以建模的复杂机理或过程映射到虚拟系统中，通过虚拟系统与实际研究体的信息交互助力决策辅助、复杂系统建模与描述、流程管控、分析预测等。在智能交通体系中，数字孪生技术通过透视智能交通系统工作原理与工作全过程，建立细致微观、精准精确的智能交通系统数字孪生体，从而实现与实际系统的同步可视、数据互动，继而辅助智能交通相关业务与功能。以自动驾驶车仿真与测试为例，传统的交通仿真实验课较难在教学中将传感器的信息交互过程描述出来，而基于数字孪生技术，教师可将自动驾驶车雷达波的发射和接收过程进行实例化与可视化，从而促进学生理解。（二）构建多样化、个性化的交通仿真场景广义的智能交通系统是车辆技术、信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术的集合。作为技术融合体，智能交通系统的有效实施与落地需要经受大量实验场景的测试，以及无数应用场景的考验。但是在仿真教学中，仿真场景单一一直是制约仿真实验灵活性的主要因素之一。而基于数字孪生技术，不仅可构建模拟实际的交通场景（如3D 建筑、车辆、道路、树木、建筑等实体，以及风、光、雪、雨等交通环境），还可以建模危险场景、复杂交通条件及假想的测试场景。以自动驾驶车测试为例，新设计的自动驾驶车需要完成百亿公里且多场景的测试才能在路上行驶，而基于数字孪生技术的自动驾驶车虚拟测试可节省测试成本与时间，提高测试效率。概言之，教师把数字孪生技术引入教学仿真课堂，不仅能对接实际需求，还能实现个性化仿真制作，发散学生的思维、丰富学生的想象力，防止出现“千篇一律”的仿真实验与作业。（三）提供沉浸式的交通仿真教学体验基于数字孪生技术支撑的交通仿真可以连接实际道路交通检测器数据，可以通过接口开发连接驾驶模拟器，可以通过 VR 装置联系建立的虚拟现实场景。在这些技术的支持下，智能交通仿真课堂可以转换为沉浸式的教学体验课堂。比如，通过驾驶模拟器，学生可以切身体会自适应巡航过程中车辆的自动加速、减速、变道等；在构建 3D 交通实景的基础上，通过实际道路电子警察/卡口/感应检测器/线圈检查器等数据复现实时交通场景，可以让学生不必到调研现场，而是坐在教室里就可以分析交通问题；通过 VR 装置，学生可以更好地理解立交桥、立体停车库、交通枢纽的规划设计理论与要点。（四）关联和辐射交通工程专业核心课程内容智能交通的出现将促使原有交通工程领域相关理论改造、升级，甚至重建，数字孪生技术与智能交通仿真在教学层面的结合可以辅助学生理解智能交通背景下交通理论、模型、算法等发生的变化。交通工程专业是研究人、车、路、环境四者相互作用机制的学科，核心专业课包括“交通工程学”“交通规划”“交通管理与控制”“交通设计”等课程，涉及交通流理论、道路通行能力模型、网络流模型、排队论、控制论等14。在智能交通背景下，随着“车”的智能化，人、车、路、环境西部素质教育2023 年 9 月第 9 卷第 17 期之间的作用机制也逐渐智能化与复杂化，继而导致以此为基础的相关理论和模型需要在数学层面进一步修改，才能准确表征交通现象，而怎样修改模型或参数，以及修改后的模型或参数代表怎样的实际含义是教学中较难解释的两个问题。立足“数字孪生技术+智能交通仿真”教学模式，教师可以从微观尺度更为深刻地解释模型发生的变化。比如，交通流量密度速度曲线在智能交通条件下相比常规交通条件出现上升趋势，通过在智能仿真系统中调节智能设备参数（如传感器性能、车辆性能、设备性能等），可分析曲线上升的原因。（五）有效实施线上教学线上教学是特殊情形下组织教学的必要形式。比如，受突发性公共卫生事件的影响，部分学生无法及时返校，因此线上教学形式可解决学生学习问题。刘燚等15通过网络调查发现，大学生的自主学习能力总体不高，线上教学存在课堂难监管、视觉易疲劳、学生注意力易分散等弊端。在“数字孪生技术+智能交通仿真”教学模式下，教师可通过实验室远程控制设备让学生参与仿真实验教学。同时，此教学模式可以为其他课程教学制作案例，将课程涉及的原理和方法进行过程化展示，以提高线上教学的趣味性与体验度，减少学生视觉疲劳，解决学生注意力分散问题。（六）促进人才培养与社会发展创新相适应智能网联、智慧城市、数字经济等是未来热门产业，可产生大量的经济价值与就业岗位。“十四五”规划明确提出，要加快交通基础设施数字化改造，加强泛在感知、终端联网、智能调度体系建设；推进新型智慧城市建设，提升社会治理的智慧化水平；加强关键数字技术创新应用16。把数字孪生技术融入智能交通仿真教学，能让学生在本科学习阶段接触和了解智能网联、智慧城市、数字经济三个方面的知识。首先，智能网联车建模实验有利于学生理解和掌握智能网联设施设备的相关体系、标准和规范。其次，交通出行与城市建设关系紧密，因此对城市智能交通的仿真需要模拟城市建筑、道路、景观、设施等的属性与特征，而此类实验内容与智慧城市系统的构建存在共通之处。最后，把数字孪生技术融入智能交通仿真的本质是对数字孪生技术的应用，学生在掌握数字孪生技术后可以举一反三，将数字孪生技术应用于其他领域。总体上，“数字孪生技术+智能交通仿真”的教学模式能让学生在课堂中接触到前沿技术与理论，让学生所学知识与社会发展创新相适应。三、结语在智能交通仿真教学中，引入数字孪生技术可透视智能交通工作原理与工作全过程，构建多样化、个性化交通仿真实验场景，为学生提供沉浸式的交通仿真学习体验。两者的结合有利于让智能交通仿真更广泛地关联和辐射交通工程专业核心课程内容，并促进人才培养与社会发展创新相适应。参考文献：1 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