廖志遠(yuǎn) 羅宜春

文章以智慧交通建設(shè)大背景下廣西智慧高速公路建設(shè)試點(diǎn)工作為切入點(diǎn)，分析了新一代智慧高速公路的系統(tǒng)架構(gòu)與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的功能結(jié)構(gòu)，并結(jié)合職業(yè)教育實(shí)際，根據(jù)校企共建、資源共享、協(xié)同共管的建設(shè)思路與數(shù)字孿生的技術(shù)路線與科普體驗(yàn)、教學(xué)實(shí)訓(xùn)、社會(huì)服務(wù)的功能劃分，從科學(xué)管理、激勵(lì)創(chuàng)新的長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制等方面提出了智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的具體實(shí)施路徑，為構(gòu)建交通類虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心提供建設(shè)思路與理論支撐。

智慧高速;數(shù)字孿生;虛擬仿真;實(shí)訓(xùn)中心

U491.1+23A511863

0 引言

交通是興國(guó)之要、強(qiáng)國(guó)之基。2020年5月，廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳在公布的《2020年廣西交通運(yùn)輸數(shù)字交通、智慧交通工作要點(diǎn)》中提到要結(jié)合數(shù)字廣西和交通強(qiáng)國(guó)試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，抓住國(guó)家西部陸海新通道建設(shè)核心區(qū)域的發(fā)展契機(jī)，大力發(fā)展數(shù)字交通、智慧交通，并以南寧沙井至吳圩高速公路（以下簡(jiǎn)稱沙吳高速）建設(shè)作為目標(biāo)，運(yùn)用新一代信息技術(shù)建成國(guó)內(nèi)首個(gè)支持車輛自動(dòng)駕駛的高速公路路段，同時(shí)建立相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與實(shí)驗(yàn)高地[1]。

要實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)，搶占智慧交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高地，就離不開一大批分別從事規(guī)劃設(shè)計(jì)、技術(shù)研發(fā)、項(xiàng)目實(shí)施、管理維護(hù)等工作領(lǐng)域的交通專業(yè)人才。智慧高速是一個(gè)融合了5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的“新基建”，涉及的學(xué)科從廣度、深度來看是一個(gè)高度交叉融合的綜合系統(tǒng)，且其應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性與信號(hào)傳遞的隱蔽性給高校在智慧交通相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)上帶來了極大挑戰(zhàn)，而虛擬仿真技術(shù)則可以有效地解決教學(xué)實(shí)訓(xùn)活動(dòng)中這些難開展、難具現(xiàn)、難體驗(yàn)的問題。

1 智慧高速公路系統(tǒng)架構(gòu)分析

如圖1所示，智慧高速公路系統(tǒng)大體可分為基礎(chǔ)物理、智能感知、網(wǎng)絡(luò)通信、分析決策四個(gè)子系統(tǒng)，其核心在于依托全息感知網(wǎng)絡(luò)和分析決策平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智慧高速公路物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的閉環(huán)、一體化系統(tǒng)管控。該系統(tǒng)通過視頻監(jiān)控、圖形圖像處理技術(shù)與激光、探地等雷達(dá)探測(cè)技術(shù)獲取人車狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過車載、路側(cè)的氣壓、溫濕度、風(fēng)力等傳感檢測(cè)裝置獲取交通環(huán)境數(shù)據(jù)，通過車輛、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)與系統(tǒng)能耗狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)的底層架構(gòu)采集基礎(chǔ)物理系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，利用光纖專網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、DSRC與LET-V技術(shù)實(shí)現(xiàn)音視頻、數(shù)據(jù)參數(shù)回傳至智慧高速公路管理控制中心并存儲(chǔ)至基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[2]?；谠朴?jì)算平臺(tái)的龐大算力，針對(duì)感知系統(tǒng)采集而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)開展數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)清洗，結(jié)合物理實(shí)體與虛擬模型數(shù)字孿生管理平臺(tái)開展分析推演，支撐業(yè)務(wù)管理平臺(tái)開展車路協(xié)同與自動(dòng)駕駛、自由流收費(fèi)、智能基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)、沉浸式信息服務(wù)、精細(xì)化交通管控調(diào)度等分析決策功能。

2 智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

綜上所述，智慧高速公路系統(tǒng)是一個(gè)多元化、高度交叉融合的一體化閉環(huán)系統(tǒng)，且其本身自帶虛擬仿真平臺(tái)以滿足管理中心快速分析決策的需求，但移植到教育教學(xué)環(huán)境中還是需要有所取舍和重新規(guī)劃設(shè)計(jì)的[3]。教育部以及交通行業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)非常重視虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心在職業(yè)教育人才培養(yǎng)中的作用，提出要充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中的開發(fā)應(yīng)用、教學(xué)培訓(xùn)、示范推廣工作，進(jìn)一步促進(jìn)信息技術(shù)為職教信息化、現(xiàn)代化服務(wù)，提高專業(yè)技術(shù)技能人才培養(yǎng)質(zhì)量。如表1所示，要使智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心成為典型示范窗口，就必須深入挖掘其內(nèi)涵作用并擴(kuò)大其服務(wù)范圍與影響力，所以本文將智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心根據(jù)功能的區(qū)別劃分為科普體驗(yàn)區(qū)、教學(xué)應(yīng)用區(qū)、社會(huì)服務(wù)示范區(qū)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景高交互性、多感知性和可操作性等系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)提供沉浸式的體驗(yàn)場(chǎng)景，面向?qū)W校、企事業(yè)單位、社會(huì)提供智慧高速公路細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景的科學(xué)普及、產(chǎn)教學(xué)研、分析決策等服務(wù)功能，為實(shí)現(xiàn)壯美廣西、交通強(qiáng)國(guó)而培養(yǎng)、輸出交通類專業(yè)綜合素質(zhì)技能型人才。

2.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)的指導(dǎo)思想是“以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”，一切建立在虛擬、虛構(gòu)之上的仿真平臺(tái)都是脫離實(shí)際的，所以本文以廣西“沙吳智慧高速”為實(shí)際背景，通過數(shù)字接口平臺(tái)接入其數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以獲取真實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、車輛運(yùn)行狀態(tài)、交通環(huán)境監(jiān)測(cè)等原始運(yùn)行數(shù)據(jù)后，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建物理信息系統(tǒng)（CPS）與物理虛擬模型，進(jìn)而借助云計(jì)算龐大算力與大數(shù)據(jù)技術(shù)開展數(shù)據(jù)場(chǎng)景的解析重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景在模擬場(chǎng)景中的復(fù)刻呈現(xiàn)，以達(dá)到平行仿真交互推演的目的。并利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、MR混合現(xiàn)實(shí)等虛擬仿真技術(shù)與AI人工智能技術(shù)，輔以可穿戴式與模擬座艙等物理感知設(shè)備為用戶提供沉浸式場(chǎng)景體驗(yàn)、交互式項(xiàng)目模擬、鏡像式的分析決策服務(wù)[4]。如下頁圖2所示。

3 智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)

3.1 校企共建、資源共享、協(xié)同共管的建設(shè)思路

智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)需要較大的資金投入與政策支持，而且高度交叉融合性的技術(shù)體系較難實(shí)現(xiàn)，決策者應(yīng)積極向政府相關(guān)部門爭(zhēng)取資金上、政策上的支持，以項(xiàng)目立項(xiàng)申報(bào)、項(xiàng)目引進(jìn)、自主研發(fā)與校企合作開發(fā)等多種模式開展建設(shè)。同時(shí)應(yīng)建立起政府、行業(yè)、企業(yè)、學(xué)校多方高度協(xié)作的專項(xiàng)建設(shè)指導(dǎo)委員會(huì)推動(dòng)中心的各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)落地實(shí)施。在多方合作中還應(yīng)立足于各方需求以構(gòu)建利益共同體，同時(shí)厘清各方權(quán)責(zé)，充分發(fā)揮各方優(yōu)勢(shì)開展智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的共建、共享、共管，最終形成校企共建、責(zé)任共擔(dān)、利益共享的“政、行、校、企”四方協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的良性循環(huán)機(jī)制。

3.2 服務(wù)于智慧交通人才培養(yǎng)的功能任務(wù)

廣西“交通強(qiáng)國(guó)”試點(diǎn)和國(guó)家西部陸海新通道建設(shè)亟須大量復(fù)合型、高素質(zhì)、專業(yè)化的交通運(yùn)輸技術(shù)技能人才，而虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心最終是以服務(wù)智慧交通人才培養(yǎng)為核心目的的，能夠?qū)崿F(xiàn)人才培養(yǎng)手段信息化、現(xiàn)代化與高效化的核心角色是一線專業(yè)教師。高校應(yīng)依托虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心項(xiàng)目的建設(shè)，提高專業(yè)教師的信息化教學(xué)素養(yǎng)，提升專業(yè)教師設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目與虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能力，同時(shí)促進(jìn)教師優(yōu)化人才培養(yǎng)方案、創(chuàng)新虛實(shí)結(jié)合的人才培養(yǎng)模式、反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法、拓展多元化教學(xué)考核評(píng)價(jià)體系，從而提升學(xué)生實(shí)訓(xùn)的效果，進(jìn)而提升技術(shù)技能人才培養(yǎng)質(zhì)量。只有這樣，才能真正發(fā)揮智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的功能作用。

3.3 科學(xué)管理、激勵(lì)創(chuàng)新的長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制

新一代信息技術(shù)的迭代周期與產(chǎn)品周期是非常快速的，同時(shí)也會(huì)快速促進(jìn)智慧高速公路的系統(tǒng)架構(gòu)以及技術(shù)路線的更新?lián)Q代，要保障智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的先進(jìn)性就需要建立能夠保證其平臺(tái)資源適時(shí)性的常態(tài)化“保鮮”機(jī)制。高校應(yīng)配套成立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心專門管理機(jī)構(gòu)并建立健全相關(guān)管理制度，定期組織召開專項(xiàng)工作會(huì)議，實(shí)時(shí)跟進(jìn)新項(xiàng)目、新技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)應(yīng)配足年度虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的專項(xiàng)建設(shè)經(jīng)費(fèi)預(yù)算，建立激勵(lì)創(chuàng)新保障制度，在專業(yè)建設(shè)相關(guān)委員會(huì)的指導(dǎo)下鼓勵(lì)教師積極開展虛實(shí)交替的課程資源開發(fā)與教科研項(xiàng)目的研發(fā)等，在不斷填充、更新虛擬仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源的同時(shí)保障中心的良性長(zhǎng)效運(yùn)行。另一方面，應(yīng)積極開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的應(yīng)用宣傳工作，面向社會(huì)定期開放并組織參觀交流等成果展示、分享活動(dòng)，起到典型示范與引領(lǐng)作用。

4 結(jié)語

新一代信息技術(shù)的發(fā)展與下沉促進(jìn)了交通行業(yè)的變革性發(fā)展，智慧高速公路作為智慧交通的一個(gè)重要組成部分將有力帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)也將是我國(guó)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基點(diǎn)。本文以交通信息技術(shù)類職業(yè)教育為出發(fā)點(diǎn)，以廣西“沙吳智慧高速公路”為切入點(diǎn)，論述了基于數(shù)字孿生的智慧高速公路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的平臺(tái)建設(shè)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，服務(wù)于科普、教學(xué)實(shí)訓(xùn)、科研、輔助決策等功能。未來，將從標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研發(fā)等方面對(duì)智慧高速公路開展深入研究，形成更加完備、實(shí)用的技術(shù)和保障體系，為智慧高速公路的全面推廣實(shí)施與人才培養(yǎng)提供有力保障。

[1]廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳.2020年廣西交通運(yùn)輸數(shù)字交通、智慧交通工作要點(diǎn)[EB/OL].http：//jtt.gxzf.gov.cn/xwdt/tzgg/t5314286.shtml，2020-05-07.

[2]張紀(jì)升，李 斌，王笑京，等.智慧高速公路架構(gòu)與發(fā)展路徑設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2018，35（1）：88-94.

[3]陳 波，蘇熾斌.智慧高速公路物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展探討[J].中國(guó)交通信息化，2018（11）：39-40.

[4]董 瑩，董 鵬，唐 猛.我國(guó)智慧交通的現(xiàn)狀和發(fā)展對(duì)策研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019，15（8）：264-266.