数字孪生技术在智慧高速领域的应用展望

李沛祺

（广东利通科技投资有限公司，广东 广州 510700）

0 引言

数字孪生技术最初应用于航空航天领域。近年来，随着大数据、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术的加速突破，数字孪生已成为数字化浪潮的重要趋势，逐渐向智能建筑、智慧城市、智慧交通等土木工程建设领域普及，并为高速公路设计、建设、管理和发展提供智慧服务，成为智慧城市的重要组成部分[1]。其中，利用数字孪生技术实现既有高速公路改扩建工程中重点公路基础设施的三维模型构建和运行状态感知，有助于管理单位掌握占道施工路段的实时通行能力，从而实施有效的交通组织和交通分流疏导决策，保障智慧化改造期间高速公路收费不中断、道路安全畅通。

本文基于高速公路现实交通管控需求，提出如何在公路智慧化改造项目的基础设施可视化管理、交通流监测仿真推演、交通组织方案设计等改扩建占道施工典型场景中，利用增强现实、人工智能、大数据分析等数字孪生技术提高管理效率，旨在推动高速公路智能化应用水平的提升和相关理论研究的深化。

1 数字孪生技术在公路工程行业应用的研究现状

数字孪生是利用数字化技术将高速公路物理实体在虚拟空间中建立模型映射，实现高效科学的诊断、预测和决策。目前，国内学者对数字孪生在交通场景的应用研究大多集中在城市交通领域。张竞涛认为数字孪生技术可以应用在城市道路拥堵预警、应急救援路线定制和信号联网优化等场景[2]。伍朝辉等围绕“人-车-路-环境”四要素对混合交通场景下数字孪生技术在路面病害检测、车辆驾驶行为分析、无人驾驶车路协同等方面的应用进行可行性分析[3]。小部分对数字孪生在高速公路场景应用的研究，也集中在利用BIM 模型和三维GIS 技术对公路基础设施建立模型、进行数据整合等方面进行业务协同，在应用场景上存在局限性[4]。目前，制约数字孪生技术在智慧高速领域发展的挑战有数据质量低、仿真能力水平不足、专业化定制软件匮乏、关键技术缺少应用场景等。因此，研究数字孪生在公路改扩建工程中占道施工场景下的应用问题在理论上具有一定的创新性。

随着我国大规模新建高速公路阶段进入尾声，面对现有高速公路利用状况不均衡、部分高速公路设计流量与实际需求不匹配的现状，从交通需求与我国未来经济发展目标相匹配的角度分析，提升高速公路服务能力仍是长期任务，充分利用存量高速公路进行智慧化改造将成为重要的发展方向，而新技术的综合集成应用可显著提升存量高速公路的服务水平，由此可见，数字孪生技术在高速公路行业的应用研究具有重大的现实意义。

2 公路智慧化改造管理需求

与新建项目相比，高速公路改扩建工程在工程建设方案、路线地理位置、路网功能定位等方面存在较大差异，尤其在改扩建路段“边通车、边施工”的施工模式成为主流后，占道施工作业区的精细化管控要求更高，对孪生模型的构建、交通流量监测的密度和精度、交通组织优化方案的效果均会提出相应的限制，导致高速公路改扩建占道施工场景下的数字化技术应用成为难题。

实践表明，对既有高速公路进行智慧化改造，无论采用何种施工组织方式，必然对原有的高速公路交通流产生干扰。面对改扩建路段“交通不中断”的实际需求，如何科学、安全、快速、有效地制定交通拥堵事件管控策略并科学实施，是当下高速公路管理单位的技术难题与业务痛点。提取目前高速公路改扩建占道施工场景的交通管控共性需求进行分析，可总结出以下几个较突出的问题。

第一，公路建管养运服全周期全业务数据无法实现有效的汇聚、传递、共享和应用，缺乏数字化的采集体系和网络化的传输体系，智能化应用缺乏数据基础。

第二，面对施工作业区发生的不可预测的突发交通事件，缺乏合理的应急资源配置、完善的突发事件处理程序和科学的处置制度设计，对交通管控策略的实施效果也无法评估。

第三，对占道施工区域启动交通管控策略的条件判别缺少量化的判断标准，难以评估最优的启动与关闭窗口，使得目前采取的管控策略通常存在滞后性，而且准确度和及时性较低。

3 关键技术及场景应用设计

3.1 设计思路

基于高速公路改扩建占道施工实际管控需求，结合互联网、大数据、物联网、人工智能等技术手段，以高速公路基础设施全生命周期数据链构建为核心突破，提取多源数据进行分析与挖掘，并建立交通态势特征分析模型，对交通组织方案进行仿真推演，为拥堵疏导、方案优化提供辅助决策支持。同时，利用多样化的公众信息发布渠道及车流诱导措施，有效解决改扩建占道施工场景可能出现的车流量大、拥堵、事故等交通事件，达到“保畅通的同时保安全”的目的，从而在保证智慧化改造工程项目如期完工的前提下，改善占道施工期间路段上下游的通行环境。

3.2 公路基础设施可视化管理

数字孪生是利用数字化的手段构建一个数字世界中一模一样的实体，借此实现对物理实体的了解、分析和优化。利用GIS、BIM 技术的三维展示能力，按照地形地貌影像对路面、桥梁、收费站、服务区、隧道、互通立交、出入口匝道、标志标线、隔离带、绿化带、机电设备等重点构造物分层进行数据集成，对单体设施提供三维模型展示，实现“数字高速公路”孪生仿真效果，为高速公路资产管理、巡检管理可视化提供支撑。

3.3 占道施工交通流监测及管控

利用数字孪生技术再现中观和微观的交通流运行过程，进行仿真方案的数据库存储、调用，以及实时交通状态的仿真判断与分析，实现前端设备、数据中心、交通仿真、交通控制、后端设备、策略管理等各种应用一体化，为缓解拥堵等交通流难题提供可靠工具，为交通管理辅助决策提供可靠依据。交通流仿真推演技术可以分为宏观、中观、微观三个层次，在高速公路改扩建占道施工场景中，最常见的应用是路网交通分流，通过建立施工区路网、路段仿真模型，对既定和备选交通组织方案进行仿真推演，分析交通运行演变规律，预测施工事件、突发事件、管制措施对路网路况的影响，利用输出的交通流参数对方案进行修正，为优化交通组织决策提供理论支撑和数据支持，辅助确定智慧化改造工程项目的交通流组织方案。

高速公路交通管控包括交通管理和交通控制，交通管理是指对高速公路交通流依法依规进行合理引导、限制和组织；交通控制是根据高速公路交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度等动态交通流参数，以及交通状况、路面状况和气象参数进行实时观察和测量。根据作业区的交通参数、交通条件的历史数据，按照某种预设的流量预测模型调节高速公路上的交通参数，从而满足改扩建占道施工场景保持最佳通行状态的需求。常用的高速公路交通管控有主线控制、匝道控制、优先通行权控制和通道系统控制等技术手段（见表1），在实际场景中可根据不同需求选用。

表1 常见高速公路交通管控技术手段

4 案例研究

收费站是高速公路网的重要节点，也是重要的公路基础设施。南丫收费站位于广州市荔湾区，是广珠西线高速公路主线站点，改扩建前设3 个收费广场共31 条收费车道，包括10 条入口车道、21 条出口车道，其中13 条ETC 专用车道、18 条混合车道。收费站现场管理难点在于：一是站场多、路线复杂，连接荔湾区花地大道、广州东南西环高速，交通组织困难；二是出、入口车道资源不匹配，入口车道无法满足车流通行需要，呈常态化通行缓慢；三是收费广场设施外观陈旧、没有特点，公众辨识度差。

研究表明，收费站常见拥堵原因包括：一是收费站广场规模和设计车道通行能力不满足实际车流量需求；二是混合车道与ETC 专用车道设置比例与车流量分布不匹配；三是出口提示距离设置不合理导致车辆在进入收费站广场前异常减速或变道，存在事故隐患。通过收费站智慧化改造提升工程，拓宽收费广场，增加收费车道数量，从而提高收费站通行能力，是破解高速公路收费站拥堵治理难题的有效对策。本文借鉴浙江沪杭甬高速、广州机场高速等经验，设计利用数字孪生技术进行智慧化改造的方案[5]。

4.1 公路设施孪生场景复刻

利用三维GIS 技术和实时渲染技术，将高速公路的数据融合分析后实时投射到三维数字世界里，构建收费广场的仿真模型，展现给管理者一个全时空的“数字世界”，可为交通仿真引擎提供实时车流数据、三维可视化渲染等数据和技术支持。南丫收费站三维建模效果如图1 所示。

图1 南丫收费站三维建模效果

通过车流数据的实体化还原，结合虚拟的仿真技术和参数配置，利用三维数字孪生引擎基于仿真引擎推算出的车流量微观数据，以动态车流模型形式叠加到当前三维道路场景中模拟车流还原的效果，增强系统用户的临场感以及仿真数据结果的易读性及理解性。

4.2 收费站全息管控系统搭建

结合视频监控设备的人工智能感知能力和智慧通信站的单点数据拟合能力，构建收费站孪生管控新形态，实现对南丫站出入口通行车辆的智能诱导，满足出口内广场的收费车辆精准管控和出口外广场的拥堵研判需求。利用仿真引擎基于道路环境场景以及历史基础数据的仿真计算，分析场景车辆数据在当前道路环境下的通行状态，并从微观层面推算出各车辆的通行方向、位置、车速等通行参数。

利用全息管控系统进行多次模拟试验，结果显示实施交通管控措施后，收费站排队长度下降30%，通行速度提高28%。接入实时车流量后，还可预测复杂路网环境下交通事件发生后未来短时的交通拥堵发展态势和交通运行异常状态，进而可以对未来可能出现的交通拥堵等问题进行提前识别，为公路应急处置提供快速、科学的决策支持，便于及时采取适当的交通管理措施，为公路运营管理提供高效服务。

4.3 高峰车流预警与交通组织设计

一方面，为使交通诱导信息实时、有效、个性化地服务于出行者，可通过融合互联网、交通参数数据、视频数据，基于交通OD 和地理特征为不同场景及不同位置的出行者提供诱导方案，诱导方案统一通过智慧发布平台，对接多渠道，经由不同终端系统触达公众。

另一方面，利用雷达、视频等车流检测设备对通行流量及车辆排队长度进行实时监测，结合地图厂商提供的地方实时路况数据，采用大数据技术构建态势感知与车流量预测模型，按照应急预案要求，分等级发出拥堵及事故预警。

5 结语

智慧高速是智慧交通发展的重点方向，在加快建设交通强国与数字化转型的背景下，“数实融合”逐渐成为推进智慧高速建设亟待突破的重点技术。随着国内高速公路网日趋完善，行业已迎来从重建设轻管养到建管养运服并重的全新拐点。本文依托南丫收费站智慧化改造工程项目，提出搭建收费站三维孪生模型，接入通行流量、收费车道启闭状态、车辆轨迹、情报板发布信息等动态数据，可以有效降低收费广场发生事故的概率，缓解收费站拥堵。通过探索数字孪生技术在高速公路改扩建占道施工场景中的应用，为后续进行智慧高速智能化应用研究工作拓宽了思路。