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專家觀點(diǎn)

編者按：西安公路研究院南京院院長(zhǎng)姬建崗在第二十三屆中國(guó)高速公路信息化大會(huì)上作題為《數(shù)字孿生技術(shù)在高速公路信息化管養(yǎng)中的應(yīng)用》的報(bào)告。姬建崗認(rèn)為，數(shù)字孿生不僅僅是技術(shù)，更是行業(yè)發(fā)展的新模式、新路徑、新動(dòng)力。他對(duì)數(shù)字孿生在交通行業(yè)中的“規(guī)建管” 協(xié)同管控、資產(chǎn)管理、交通信息管理、設(shè)備監(jiān)測(cè)、重大構(gòu)造物監(jiān)測(cè)與巡查等應(yīng)用進(jìn)行了探討分析。以下為姬建崗的部分報(bào)告內(nèi)容，《中國(guó)交通信息化》作了不改變?cè)獾木庉嫾罢怼?/p>

2019年9月中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》；2021年3月，十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議表決通過了關(guān)于“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的決議。這兩份文件，都強(qiáng)調(diào)了數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)、智能交通、智慧交通。

數(shù)字孿生綜述

數(shù)字孿生的理念可追溯到1969年，而其明確的概念則普遍認(rèn)為是在 2003 年由美國(guó)密歇根大學(xué)的邁克爾﹒格里夫斯(Michael Grieves)教授提出，當(dāng)時(shí)被稱為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”；2003-2005 年間，數(shù)字孿生一直被稱為“鏡像的空間模型”，2006-2010 年被稱為“信息鏡像模型”。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室與 NASA在 2011 年開展合作，提出了飛行器的數(shù)字孿生體概念，數(shù)字孿生才有了明確的定義；2012 年，NASA發(fā)布“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖，數(shù)字孿生概念正式進(jìn)入公眾視野。

隨著工業(yè) 4.0，智能制造等技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷出臺(tái)，數(shù)字孿生技術(shù)逐步成為智能制造的一個(gè)基本要素，并得到了各方的普遍關(guān)注。洛克希德馬丁公司于 2017-11 將數(shù)字孿生列為 2018 年未來國(guó)防和航天工業(yè)頂尖技術(shù)之首；英國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)于 2017-12 發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報(bào)告》(Public Good Report)，提出創(chuàng)建一個(gè)與國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于 2019-01 啟動(dòng)相關(guān)計(jì)劃；Gartner 公司連續(xù) 3 年(2017-2019 年)將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一。

如何理解“數(shù)字孿生”？

數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。

基本概念：當(dāng)前，數(shù)字孿生在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界有多種不同的定義和理解，但從根本上講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對(duì)某一物理實(shí)體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。

技術(shù)定義：“工四 100 術(shù)語(yǔ)編寫組” 對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了較為全面的概括，將數(shù)字孿生技術(shù)定義為：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

數(shù)字孿生體：

是什么：實(shí)體或邏輯對(duì)象在數(shù)字空間的全生命周期的動(dòng)態(tài)復(fù)制體。
做什么：基于豐富的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象狀態(tài)和行為高保真度的數(shù)字化表征、模擬試驗(yàn)和預(yù)測(cè)。
為什么：對(duì)物理或邏輯空間的對(duì)象實(shí)現(xiàn)深入的認(rèn)知、正確的推理和精準(zhǔn)的操作。

仿真和數(shù)字孿生的區(qū)別

數(shù)字孿生是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。

仿真只是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生諸多關(guān)鍵技術(shù)中的一部分，不能將數(shù)字孿生與仿真混為一談。仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。

數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實(shí)時(shí)信息，更要反過來實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)物理世界，而且進(jìn)化為物理世界的先知、先覺甚至超體。

數(shù)字孿生的核心能力與特征

數(shù)字孿生的核心能力包括：擴(kuò)展應(yīng)用能力、自優(yōu)化能力、模擬仿真推演能力、空間計(jì)算分析能力、融合互動(dòng)能力、全要素?cái)?shù)字表達(dá)能力、可視化呈現(xiàn)能力、物聯(lián)感知操控能力。

數(shù)字孿生的特征包括：智能干預(yù)、軟件定義、虛擬交互、精準(zhǔn)映射。

數(shù)字孿生系統(tǒng)能力等級(jí)

L1：描述。感知數(shù)據(jù)采集，對(duì)物理世界各要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和描述。

L2：診斷。感知數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)加工分析，檢測(cè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能、功能變化。

L3：預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)深度價(jià)值發(fā)掘，揭示各類模式關(guān)系，突發(fā)事件預(yù)測(cè)、預(yù)判。

L4：輔助決策。在分析過去、預(yù)測(cè)未來的基礎(chǔ)上，對(duì)物理世界行為進(jìn)行指導(dǎo)。

交通行業(yè)應(yīng)用探討

“規(guī)建管” 協(xié)同管控

規(guī)劃前期：基于數(shù)字模型，分析推演，推動(dòng)頂層設(shè)計(jì)落地，科學(xué)評(píng)估規(guī)劃影響。

勘察階段：進(jìn)行數(shù)值模擬、空間分析和可視化表達(dá)，構(gòu)建工程勘察信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工程勘察信息有效傳遞和共享。

規(guī)劃階段：全面整合規(guī)劃數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)合并疊加，形成一張底圖，進(jìn)行規(guī)劃評(píng)估、多方協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化與實(shí)施監(jiān)督。

設(shè)計(jì)階段：對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行性能和功能模擬、優(yōu)化、審查和數(shù)字化成果交付，開展集成協(xié)同設(shè)計(jì)，提升質(zhì)量和效率。

建設(shè)階段：基于數(shù)字模型對(duì)工程項(xiàng)目從圖紙、施工到竣工交付全過程進(jìn)行監(jiān)管。

運(yùn)營(yíng)管理階段：基于數(shù)字模型和標(biāo)識(shí)體系、感知體系及各類智能設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一呈現(xiàn)，提升綜合能力。

項(xiàng)目效益評(píng)價(jià)：基于數(shù)字孿生體系及可視化系統(tǒng)，建模分析各維度交通數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)挖掘分析，評(píng)判項(xiàng)目建設(shè)效益。

資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理包括資產(chǎn)臺(tái)賬、資產(chǎn)維護(hù)、資產(chǎn)保養(yǎng)、資產(chǎn)統(tǒng)計(jì)。

按照地形地貌影像、高速公路主路、互通立交、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、橋梁、隧道、出入口匝道、監(jiān)測(cè)設(shè)備、標(biāo)志標(biāo)線、里程樁牌、情報(bào)板、照明設(shè)施、降噪設(shè)施、隔離帶、反光設(shè)施等分層提供三維模型展示，實(shí)現(xiàn)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的可視化巡查瀏覽，并可根據(jù)設(shè)備編號(hào)或樁號(hào)快速定位查詢?cè)O(shè)備屬性信息，為高速公路資產(chǎn)管理提供支撐。

交通信息管理

交通運(yùn)行信息管理主要通過接入高速公路監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、交通流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)交通信息，實(shí)現(xiàn)可視化的狀況監(jiān)察，并利用采集獲取的各路段、各構(gòu)筑物(橋隧)的限高、限寬等數(shù)據(jù)為特種車輛的通行提供智能指引。

設(shè)備監(jiān)測(cè)

包括設(shè)備養(yǎng)護(hù)及更換自動(dòng)提醒、通信光纜在線監(jiān)測(cè)等。

設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入（機(jī)械設(shè)備、弱電設(shè)備），設(shè)備定位（BIM構(gòu)件定位、二維碼定位），狀態(tài)監(jiān)測(cè)（設(shè)備信息、實(shí)時(shí)信息、維修維護(hù)信息）。

道路監(jiān)測(cè)

包括路面狀況評(píng)測(cè)、道路病害標(biāo)注、養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)布置等。

重大構(gòu)造物監(jiān)測(cè)、巡查

包括橋梁健康監(jiān)測(cè)、隧道健康監(jiān)測(cè)等。

應(yīng)急預(yù)案演習(xí)

在數(shù)字孿生道路、隧道等環(huán)境下，模擬應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)的預(yù)案行動(dòng)情況，模擬應(yīng)急疏散、救援，輔助應(yīng)急指揮，使應(yīng)急預(yù)案更貼近實(shí)戰(zhàn)。規(guī)劃最佳逃生路線，做好防護(hù)工作。

事故復(fù)盤

數(shù)據(jù)、操作具有可追溯性，模擬交通事故情景，進(jìn)行事故復(fù)盤、推演，輔助交警部門。

實(shí)際應(yīng)用

交通智能仿真

交通智能仿真的作用在于對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)或未來系統(tǒng)的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行再現(xiàn)或預(yù)先把握，從而對(duì)復(fù)雜的交通現(xiàn)象進(jìn)行解釋、分析、找出問題的癥結(jié)，最終對(duì)所研究的交通系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。與傳統(tǒng)的交通分析技術(shù)相比，交通仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、模型機(jī)制的靈活性和柔軟性。仿真模型對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各基本要素的變化規(guī)律及相互作用關(guān)系的描述與系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程緊密對(duì)應(yīng)，具有靈活性和柔軟性較強(qiáng)的模型機(jī)制。

2、模型描述的準(zhǔn)確性和靈活性。微觀仿真模型以交通系統(tǒng)最基本的要素，如單個(gè)的車輛、車道、信號(hào)燈等為建模單元，因而能準(zhǔn)確、靈活地反映各種道路和交通條件的影響。

3、交通分析的開放性。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過良好的用戶輸入輸出界面，模型的運(yùn)算結(jié)果可方便地與用戶交互，增強(qiáng)了模型應(yīng)用的實(shí)用性和方便性。

4、強(qiáng)大的路網(wǎng)動(dòng)態(tài)交通狀態(tài)描述功能。交通仿真技術(shù)可有效地體現(xiàn)交通流的隨機(jī)因素，按設(shè)想要求實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)交通狀況的重現(xiàn)，從而大大降低了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求。

MR體驗(yàn)教學(xué)

數(shù)字孿生提升智能駕駛試驗(yàn)精度。通過搭建真實(shí)世界1:1 數(shù)字孿生場(chǎng)景，還原物理世界運(yùn)行規(guī)律，滿足智能駕駛場(chǎng)景下人工智能算法的訓(xùn)練需求，大幅提升訓(xùn)練效率和安全度。如通過采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立高精度地圖，構(gòu)建自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生模型，完成厘米級(jí)道路還原，同時(shí)對(duì)道路數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，變現(xiàn)為機(jī)器可理解的信息，通過生成大量實(shí)際交通事故案例，訓(xùn)練自動(dòng)駕駛算法處理突發(fā)場(chǎng)景的能力，最終實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)駕駛的算法測(cè)試和檢測(cè)驗(yàn)證。

車路協(xié)同仿真

構(gòu)建交通仿真的數(shù)字孿生可視化與交互系統(tǒng)“一張圖”，再現(xiàn)中觀和微觀的交通流運(yùn)行過程，支持交通仿真決策算法研發(fā)，為擁堵溯源等交通流難題提供可靠的工具，為管理者提供可靠的決策依據(jù)。平臺(tái)包括數(shù)據(jù)融合對(duì)接、基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)中心、車路協(xié)同業(yè)務(wù)監(jiān)督管理等功能，打造規(guī)范化、系統(tǒng)化、智能化的智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)應(yīng)用展示中心以及監(jiān)督管理運(yùn)營(yíng)中心；主動(dòng)自動(dòng)化預(yù)判與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別能力，最大降低運(yùn)營(yíng)安全隱患。

作者 | 姬建崗（西安公路研究院南京院院長(zhǎng)）

來源 | 第23屆中國(guó)高速公路信息化大會(huì)

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