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基于数字孪生技术的高速公路综合管控系统

作者:刘利文,于婕(中咨泰克交通工程集团有限公司)

摘要:为进一步响应国家交通强国发展战略和数字交通“十四五”发展规划等纲要文件要求,推进新一代信息技术与交通行业深度融合,解决高速公路运维管理工作复杂、智能化水平低等问题,通过开发基于数字孪生的高速公路管控系统,构建高速公路的数字孪生场景,达到对高速公路重点路段、重点场景精准管控的目的,赋能高速公路智慧化、数字化升级,实现高速公路的安全稳定运行。

交通运输部印发的《数字交通发展规划纲要》中,明确提出推进新一代信息技术与交通行业深度融合,积极引导行业新业态、新模式发展,深化交通领域改革,深入实施创新驱动发展。数字交通是数字经济发展的重要领域,是以数据为关键要素和核心驱动,促进物理和虚拟空间的交通运输活动不断融合、交互作用的现代交通运输体系。在大数据、区块链、人工智能、5G等技术变革和需求升级的共同驱动下,数字孪生技术为交通智能化升级提供了新思路与新途径。基于数字孪生技术的高速公路综合管控系统,凭借先进的人机交互方式,可有效赋能高速公路智慧化、数字化升级。

概述

基于数字孪生和万物互联的理念,遵循成熟、先进、实用的原则,融合物联网设备、监测数据、业务信息及多元数据,本系统以GIS地理信息图像为基础,通过高分辨率大屏显示环境的应用,将公路管理的各种外场设备、数据等资源进行综合可视化联动显示,做到路网资源的一图式展示,实现交通运输一图呈现、一目了然。
通过这张“图”为道路运行、应急联动、交通基础设施管理、危险货物运输管理等提供可视化操作手段,实现交通信息的逐层叠加、按需调用、全局可视,促进交通数据呈现由“单一静态纸质图表”向“综合动态信息地图”转变。

建设目标

通过搭建基于数字孪生的高速公路管控系统,对高速公路重点路段、重点场景进行精准管控,实现安全保障、效率提升、服务提升、应急处置以及特殊勤务等。其建设目标如下。
(一)搭建高速公路数字孪生基础平台
充分结合路段实际情况,结合数字孪生技术应用于交通视频监控,在数字世界里构建三维道路,在数字世界里实现道路1:1的实时还原,为道路“可测,可服务”提供数据基础。
(二)实现交通信息的实时采集
对道路交通目标及重要设施的地理位置信息实时采集。可通过路侧摄像头,基于目标检测与识别的深度学习技术,实现人、车、路的精准检测和识别,并采用计算摄影测量等方式,对目标的位置、速度、运动方向进行精准识别,准确获得道路上每一个参与主体,精确到米级经纬度信息,为道路上每个行驶目标或静止设施等赋予一个真实的定位信息。
(三)构建高速公路数字孪生体系
基于3D 数字建模、数据建模、数字模型的数据靶向驱动等技术,结合 GIS 管理系统、实景建模等技术,对虚拟数字交通场景实现分层、分类管理,实现对数字交通系统中不同目标(人、车、物、路)、不同资源(信号设备、数据采集设备、事件报警设备、电力电气设备、火灾报警设备、给排水设备、通风照明设备等)的分层管理、数字化状态监控和智能化运维。
(四)构建基于高速公路数字孪生平台业务需求模块
构建基于高速公路数字孪生平台业务需求模块。研究高速公路车辆及交通运行多源数据高精度时空聚合方法,利用大数据分析模型对车辆画像数据、车辆轨迹识别刻画数据以及其他检测设备采集到的多源数据进行处理,构建高速公路运行态势分析模型,实现公路交通态势分析以及交通运行情况的实时预测,具备信息提取、数据结构化、模型匹配和数据分析能力,达到对高速公路的精准管控。
(五)构建高速公路数字孪生应用平台
基于GIS的大数据云平台,开发高速公路数字孪生应用平台,拓展其在高速公路安全管控方面的应用,实现对恶劣道路环境、复杂气象、特殊交通事件等高速公路安全风险的监测与精准管控,以及对高速公路安全预案的实时推演和完善设施设备的运维工作等。

架构设计

基于数字孪生的高速公路管控系统主要由交通视觉传感器及其他可选的交通传感器(感知层)、数字孪生系统服务器集群(数据层)、平台应用服务集群及显示系统(应用层)三方面构成。
其中,交通视觉传感器及其他可选的交通传感器主要是指一种智慧高速车路感知交互网设置的感知设备。数字孪生系统服务器集群主要利用CPU、GPU并行运算架构,采用深度学习等技术,通过智慧高速车路感知交互网设置的感知设备采集到的数据,实现对道路前端交通参数、交通事件、交通违法的实时分析、处理、预警、记录等功能;采用人工智能算法融合其他传感器数据创建并输出数字镜像。平台应用服务集群主要利用云平台建设的智能计算平台实现对各种传感器数据的采集、记录、数据调度服务和对各传感器数据的入库和分析等功能。显示系统主要利用云中心设置的真彩LED拼接屏输出和展示数字镜像的最终界面成果。系统详细架构如图所示,包括物联网终端、基础支撑、数据中台和应用系统四部分。

(一)物联网终端层
接入层是平台运行的数据基础,接入层提供的交通视频监控数据、基础交通数据、交通事件检测数据、定位数据、业务管理数据、设备管理接口等为平台业务层提供多类型、多维度数据输入。
系统可通过开发接口接收或者提取脱敏收费数据、交通参数数据、交通事件数据、视频资源数据、路政执法、交通执法、救援信息、事故损失评定数据、位置信息、轨迹信息、车辆卡口、社会交通事故报警、气象信息、互联网信息等基础信息资源。
(二)基础支撑层
利用云平台建设的智能计算平台、基础应用支撑平台实现对各种传感器数据的采集、记录、数据调度服务、对各传感器数据的入库和分析等功能。
(三)数据中台层
数据中台层通过数字镜像、虚拟化、数据仿真、语义分析、数据仓库等技术对基础数据进行加工清洗,并按照上层业务应用需求进行数据结果计算和抽取。系统通过数据库分析技术和多种数据分析模型,对已有智能交通系统数据、交通业务数据进行按照数字镜像业务需求进行深度挖掘和融合,提高已有系统和数据的使用效益。
(四)应用系统层
应用系统层可根据不同的业务流程需求,对基础支撑层的基础数据和数据中台层的数据资源进行抽取利用,并与相关业务部门的基础数据和信息资源进行融合、匹配,并运用数字仿真、预测模型、仿真分析为展示层提供贴近实战,满足行业应用需求的管理策略和信息流。

功能设计

基于数字孪生的高速公路管控系统可利用人工智能、大数据、交通工程学等多学科技术,通过对目标感知、交通参数、交通事件、交通违法等多类型传感器技术的融合、建模,构建实时数字孪生系统,在虚拟数字空间中对现实交通系统进行仿真重建。通过将车辆OBU数据、视频监控、视频事件报警、视频抓拍等信息进行融合,并根据车辆速度、位置、时空、关联关系等通过实景建模融合展示,将高速公路交通运行状况在数字世界中进行虚拟化镜像展示,为交通指挥决策管理领域的数字化交通趋势分析、仿真推演等提供可靠的技术支撑,实现高速公路的精准管控。基于数字孪生的高速公路管控系统主要功能如下。
(一)基于GIS的道路数字孪生
系统可通过数据驱动,实现道路整体的自动建模并加载;多层级场景细节展示查看,支持场景中路段、互通立交、管理中心、收费站等节点以信息牌的方式展示,方便用户快速确认管理节点在地图中的位置;可根据实际公路、互通立交、管理中心、收费站等建筑完成3D建模;支持以点击方式从三维地图视角进入各节点相应的管理界面或3D管理场景。支持根据高速路段上设备设施的类型及部署情况完成对设备三维建模,包括交通标志、护栏、摄像机、电警设备、车辆检测器、气象环境检测器等。
(二)公路基础信息数字孪生
在系统中可展示公路、桥梁、涵洞等公路基础属性信息,并允许自定义添加和调整规格信息。对资产台账进行批量维护管理,提供类Excel维护功能,可以方便地批量维护资产台账信息,并且可以在不用调整程序的情况下,任意增加多个规格属性。
(三)实时交通流数字孪生
基于交通量检测数据、车路协同系统采集的车、路的运行监测数据以及摄像机的视频事件检测器采集的交通流数据,实现交通流基本指标(流量、速度、密度)的采集与分析,对公路的拥挤程度进行识别和数字孪生,依托智慧高速数字孪生系统进行直观展示。
(四)基于GIS的外场设备数字孪生
提供在三维环境中直观展示高速公路内基础设备的空间分布情况,包括气象环境检测器、能见度检测器、道路安全设施、交通信号灯等;可以任意模型点击可查看该设备的基础信息及监控信息,包括信息发布内容、当前气象数据、路况数据、车辆收费情况、出入口抓拍画面等;支持以图表方式展示高速路内设备的数量统计信息、事件告警信息、设备运行状态信息等数据,以整体视角反映路段综合运行态势;支持以不同效果展示高速公路内监控设备的运行状态,当时设备出现告警,系统中设备通过红色闪烁的方式提醒,并快速定位。
(五)综合环境信息数字孪生
主要包括公路环境实时气象监测、气象精细化预报预警功能模块。针对路面的气象要素以及极端天气的短临、短期和中期的高空间和高时间的预报和预警信息展示。提供对全线气象状态信息不同时间维度(年度、季度、月度、周、日、小时等)的综合统计和对比分析的展示。
(六)数字化视频监控
通过公路上建设的视频监控设施,对重点路段、事故易发地、大桥进行视频监控。依托可视化地图平台,实现基于可视化地图的道路、路况、设施的宏观及微观的信息浏览;通过设备监控,了解道路通行状况并发布出行信息;对沿线设备实时状态进行监控。
(七)公路事件数字孪生
系统集成视频事件分析、基础设施检测等系统的事件信息,在三维场景中直观展示高速公路内所有重点事件的分布,并根据告警级别进行提醒;基于告警等级、告警类别实现分类统计,并提供告警统一管理面板,基于告警面板可实现不同告警设备、路段的快速调取;系统集成应急预案,可在告警发生时基于告警类型快速调取预案流程,辅助调度指挥管理;可基于空间算法对事件发生地点周边的摄像头快速调取,联动查询事故发生现场的具体情况;支持以图形化方式对特定区域的各类事件信息数量并进行同比、环比分析展示,辅助管理人员分析区域路段运行趋势及制定优化策略。
(八)应急联动数字孪生
通过对接基层人员、设备(巡检车、保障车等)的定位装置,实现基于地图的数字孪生,对事发地点、人员实现数字孪生可视化分布,并可定位跟踪运营保障车辆位置与轨迹,事发时为管理者掌握现场态势、迅速准确决策、有效应急救援力量提供时空一体化支撑,实现智慧高速应急救援管理的信息化、可视化与精准化。

特点及价值

以数字孪生的3D可视化技术为基础,以可视化、智能化、网络化、集成化理念为目标,以高速公路收费站、生活区各类建筑、楼宇的智能监控(包括道路通行、安防监控、车辆卡口、车流统计、能耗统计、环境监测、业务运行数据监测、收费系统数据接入、供电系统、智能通风、人员分布、智能巡更、智能停车场等各种应用场景)为重点,构建基于高速公路日常运维管理的监控、预警、诊断、分析一体化的3D可视化综合运营管理平台,实现日常高速管理区域的收费站、服务区、高速公路、隧道、建筑、室内、设备的逐级可视。
(一)一体化平台,业务信息一站式服务
实现高速公路各收费站、服务区涉及运行维护多个业务系统信息的一站式访问,打破原有各类监测子系统间的信息孤岛,集成各个业务系统的信息碎片,聚合在一站式的三维场景展示平台上统一展示,为信息联动管控打下基础。
(二)数据可视化,实现高速站区多形态数据科学管理
依托于3D引擎及渲染技术,实现可视化运营部署,管控平台可进行丰富的数据可视化效果,包括二/三维地图效果和多种范式可视化组件,为高速公路站区、服务区的日常管理、运营的数据管理提供多维度的管理范式,并为数据的管理分析提供科学的管理平台,提供可参考的管理数据,为整个高速常态化管理和领导的决策分析提供数据支撑。
(三)智能化运营,为高速站区管理建设赋能
系统以数字孪生为理念,以三维可视化为特色,以物联网、大数据、人工智能等新型数字化技术为基础,不断为高速公路站区运营管理应用创新,能够面向智能化站区的方向,满足当前以及未来可延展的、面向全域全方位的高速公路建设,实现各业务系统进行全联接,数据全融合、状态全可视、业务全可管、事件全可控的智能运营能力,赋能高速公路的信息化建设,使高速公路管理更安全、更舒服、更高效,运营成本更低,规划更加有序、合理。

结束语

基于数字孪生的高速公路管控系统是以数据驱动构建数字孪生框架,提供车站物理实体和运营过程的全生命周期集成视图,通过全要素、全数据、全模型、全空间的虚实映射和交互融合,实现高速公路管理运营由现象驱动向数据驱动的巨大转变,有助于解决目前高速公路智能化运营管理相关问题,为智慧高速实现和发展提供技术参考。在此基础上,应进一步开发差异化智慧高速管控系统,实现高速公路管理的集中化、人性化与智能化,从而更好地提升高速公路运营管理水平。
参考文献
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(原文刊载于2022年第7期《中国交通信息化》)

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