基于车城融合的交通数字孪生体的建设思路与探索

2022-12-29徐文扬

智能建筑与智慧城市 2022年8期

徐文扬

（上海电科智能系统股份有限公司）

1 引言

2021年4月28日，中华人民共和国住房和城乡建设部和工业和信息化部联合通知，正式将上海市列为“智慧城市基础设施和智能网联汽车协同发展”的第一批试点城市之一。通知精神要求，确保此次试点工作取得成效，并形成可复制可推广的经验。5月8日，两部委联合会议对通知进一步解读，强调在行业发展方向上，坚持无人驾驶通过全时空动态交通信息采集与融合赋能单车智能；强调建设综合城市治理与智慧出行相结合的车城网平台。该通知出台于“十四五”开局之年，表明国家对智能网联汽车测试示范走向重点突破、示范导向的集约路径，力图从内功修炼入手，打牢智能网联的发展根基，同时进一步明确了国家依托智能网联汽车和车城网平台的未来城市交通发展战略。

2 未来交通治理需要数字孪生

首先，什么是数字孪生，其意义何在。数字孪生本身的概念非常朴素，即通过数字模型来表征物理原型[1]。随着技术的发展，现在的表征方式非常的全面、精彩，往往以全息的、4D渲染的效果呈现。

“数字孪生”虽然采用“孪生”二字，体现了双生双伴，一明一暗、一实一虚的特征，但其并非彻底的双生。根据技术发展特征的不同，这种映射可以是一对多或者多对一的。

如多个场景模型里都出现的同一辆车，但是因为采集断面不完整，其路径未必连续，无论是否使用填充算法，仍然能够广泛应用于交通调查和稽查执法。又如某两个断面之间的所有拥堵的车辆（复数物理实体），在展示模型中通过一股流（一个虚体）呈现，即多对一映射。在虚体中放入模拟车流观察演化的过程，甚至是“零对一”的映射。

其实，早在20 世纪80年代的军工研发中，类似数字孪生概念的计算机仿真已经开始应用，90年代开展模拟军演。显而易见的是，数字孪生其本身是中性且缺乏目的的，如同字符串一样，需要人赋予其意义，并通过启发人，最终运用成果反哺数据源头。这就是如今全国基础信息数字化的根本意义，即通过处理0、1，反向改变原子世界。该路线对应到交通行业，数字孪生的主体通常是人和车，即便在搭建包括设施（路、图）和定义（法）在内的底层数据的过程中，需要投入巨大资源，最终服务对象却仍然回归到人和车。

不过，数字孪生的必要性和服务形式仍然值得探讨。对于传统的智能交通而言，数字孪生并非不可或缺。我国传统的交通工程学科从20 世纪70年代走来，其中交通信息工程的实践目的包含但不限于交通实时感知、交通预测、交通预警等。由此可见，传统智能交通使用经典的定量分析模型即可满足以上需求，即便是高架道路、道路立交甚至综合立体交通，都可以简化为更宽的路、更好的通达性和更大的运量。

可当如今的社会发展需求逐渐开始面向现代化的城市综合治理和便利化的公众多元服务时，传统模型显然无法满足当下需求[2]。原因显而易见，城市治理一定是交叉行业、交叉学科的综合治理，需要打通行业壁垒，整合资源和技术手段，充分应用人工智能和数字孪生，进而打造车城融合的数字交通体系。

以车联网为例，车联网技术是未来无人驾驶智能网联汽车的重要技术支撑，其英文缩写V2x，即Vehicle to everything。“everything”包含了车之间、路、人、城市以及法规等复杂要素，车联网需要完整且融合的“everything”，这正是未来的数字交通体系和数字孪生城市体所要实现的，形成全息而有机的“车—路—网—云—城”体系。

3 “全市一张图”——交通数字孪生基座的建设探索

先决条件首先是交通要素的全面数字化，包括交通设施数字化、载运工具数字化、出行需求数字化。

大型城市交通设施数字化进程中，快速路和高速公路作为出行主动脉，通常是首要的数字化目标，感知层基础设施建设通常也最完备的，数字孪生和车路协同的条件最充分。数字化主要体现在设施的全过程生命周期、病害以及对车流、事件的感知和自动化的控制诱导；城市道路数字化通过路口以点带面，比较特殊的是交通组织、路口配置的数字化。静态交通集中体现在停车资源设施的数字化、停车诱导设施的数字化、临时停车资源的数字化，作用于停车资源的综合管理、智能诱导和空间分配，这也是今后自主泊车系统的基础。

载运工具数字化根据载具的类别呈现一定的多样性，根本上作用于基于精密坐标的车辆智控，当前数字化需求比较迫切的是公交载具和“两客一危”。公交载具的数字主要针对车辆运行的数字化和基于乘客的空间数字化，同时公交载具也是今后智能网联汽车的重要载体；“两客一危”的数字化针对人脸识别、驾驶时间区分、时速控制、路径拟合。

出行需求数字化通过捕捉出行的起点、终点、路径、时间、方式、工具、费用、支付等要素的全过程追踪来实现。

通过上述交通要素的全面数字化，根据经验可以基本形成道路交通、公共交通、对外交通、枢纽交通、静态交通等领域各自的数字孪生子基座。

数字孪生基座的难点之一是对各子基座的有机融合，而非简单集合。数字孪生基座其本身是数据的集合，但无论是学科领域还是城市交通综合治理，交通数字孪生基座的建设不仅是单纯数据采集、数据分析、数据输出的结果，同时还是一个打通多元壁垒的复杂过程。

基于公众需求，需要形成生产链上下游的贯通，如城市、社区、道路、车、人、法规的融合；形成跨行业的贯通，涉及如城市交通管理、高速公路、公共交通、停车资源、高精地图以及航运、水运、管廊等。

技术层面的互通以智能网联汽车“四跨（芯片模组—终端—整车—CA平台）”、“新四跨（芯片模组—终端—整车—CA 平台—高精地图及定位）”规模化示范为例，涉及通信接口、协议的互通和数据格式的统一，初步形成“字同文、车同轨”，逐步为今后需求的协调和业务流程的应用打下基础。

行政层面的互通以上海为例。在既有框架下，交通委管路，经信委管能源、通信管道和智能车，公安局管法规、安全，建委管市政、基础设施。目前上海市立足局部，通过打造试点特区、新片区、测试区、示范区，各委办局之间逐步摸索和磨合出了一套横向统筹模式，形成良性的产业推力，优化综合治理，打造公众出行服务，逐步提升人民生活幸福感。这也是国家2035长远规划的一个重要目标。

4 交通数字孪生体的实践探索

以交通数字孪生基座为基础，通过数字流动和有机融合，可以呈现出三大应用方向：业务流程的联动再造、政府决策的智慧化以及公众出行的智慧化。

业务流程的联动再造是形成数字流动后比较直观的成果。以某市主干快速路监控系统改造项目为例，该项目在开通路段施工，只能半夜通过临时封闭措施布置施工界面，但比起施工难度，手续更复杂，牵扯了更多单位。该项目虽然由该市交通局委下属道路运输发展中心委托承建，但须通过市交警高架支队递交计划方案，市交警总队审批通过后，方才发放占路作业许可证，于是上路作业的法理条件就具备了。随后，向道运发展中心委托的高架道路养护养护公司报请备案，由于工程施工位于该高架养护公司的管养段，因此夜间临时封道由该高架养护公司实施。之后，通过该高架养护公司每周向市交通局委下属的应急指挥中心申报夜间高架全封闭计划，应急指挥中心整合逐日夜间各单位施工作业，最后在官方网站和公众号上向公众发布全封闭段信息及时间。这些步骤对于行业各级主管部门来说是必要、严谨和严肃的，但因为各自系统目前的相对封闭性，业务流程具备了相当程度的优化空间，在今后全市一张图的前提下，通过各部门之间的业务联动和流程再造，明确了今后一网通办、一网通管的前进方向，逐步形成以城市为基础的复杂巨系统，打造以综合治理为目的的城市管理中枢。

政府决策的智慧化则需要创新驱动、逐步迭代，首先通过平行仿真，以结果为导向，驱动事后治理。随着应用的深入，分析研判功能才是城市数字孪生体的本质用途，通过研究、预测、演练、试错等手段，达成虚拟测试带动交通实体创新，目的仍然是为了提升交通安全、规范交通行车、缓解城市拥堵。

以交通疏解为例。信号调优方案的下发通过虚体进行模拟，分析结果的呈现能比传统智能系统更为直观，便于辅助政府决策；以今后自动驾驶区域性试点开放为例，划定试点区域，搭建基于L4或L5自动驾驶等级的仿真模型进行模拟，预测整个区域内占有率、平均车速、平均拥堵时间、时段事故数等要素，与开放之前进行多维度对比，评估智联网联车和非网联车各自是否受到积极影响，评估突发事件可能性，从而衡量区域总体效率和安全是否改善，以及对无人驾驶车辆在城市个别特殊地段的表现和事故率已经进一步测试。

公众出行的智慧化主要通过Maas 服务模式体现，出行即服务。目前出行数字化通过个人终端与公共发布相结合，已初步成型，今后逐步通过各平台之间的整合和共享，达成“一单式”与“一站式”相结合的智慧化公众出行。

某人在上海的办公室内接到来自苏州的会议通知，定制化“一单式”服务得到行程单。出发后根据行程单步行至共享单车点，终端取车，骑行至地铁站；刷取终端进入地铁，终端提示路途及目的地虹桥火车站站；终端刷取电子车票乘坐高铁，到达苏州后根据指引，找到自动驾驶车辆预订泊位，终端解锁，自动驾驶至会场，最后终端完成行程支付，行程“一单式”闭环。