李沛祺

（廣東利通科技投資有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的加速突破，數(shù)字孿生已成為數(shù)字化浪潮的重要趨勢，逐漸向智能建筑、智慧城市、智慧交通等土木工程建設(shè)領(lǐng)域普及，并為高速公路設(shè)計、建設(shè)、管理和發(fā)展提供智慧服務(wù)，成為智慧城市的重要組成部分[1]。其中，利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)既有高速公路改擴(kuò)建工程中重點公路基礎(chǔ)設(shè)施的三維模型構(gòu)建和運(yùn)行狀態(tài)感知，有助于管理單位掌握占道施工路段的實時通行能力，從而實施有效的交通組織和交通分流疏導(dǎo)決策，保障智慧化改造期間高速公路收費(fèi)不中斷、道路安全暢通。

本文基于高速公路現(xiàn)實交通管控需求，提出如何在公路智慧化改造項目的基礎(chǔ)設(shè)施可視化管理、交通流監(jiān)測仿真推演、交通組織方案設(shè)計等改擴(kuò)建占道施工典型場景中，利用增強(qiáng)現(xiàn)實、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字孿生技術(shù)提高管理效率，旨在推動高速公路智能化應(yīng)用水平的提升和相關(guān)理論研究的深化。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在公路工程行業(yè)應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生是利用數(shù)字化技術(shù)將高速公路物理實體在虛擬空間中建立模型映射，實現(xiàn)高效科學(xué)的診斷、預(yù)測和決策。目前，國內(nèi)學(xué)者對數(shù)字孿生在交通場景的應(yīng)用研究大多集中在城市交通領(lǐng)域。張競濤認(rèn)為數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用在城市道路擁堵預(yù)警、應(yīng)急救援路線定制和信號聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化等場景[2]。伍朝輝等圍繞“人-車-路-環(huán)境”四要素對混合交通場景下數(shù)字孿生技術(shù)在路面病害檢測、車輛駕駛行為分析、無人駕駛車路協(xié)同等方面的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析[3]。小部分對數(shù)字孿生在高速公路場景應(yīng)用的研究，也集中在利用BIM 模型和三維GIS 技術(shù)對公路基礎(chǔ)設(shè)施建立模型、進(jìn)行數(shù)據(jù)整合等方面進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)同，在應(yīng)用場景上存在局限性[4]。目前，制約數(shù)字孿生技術(shù)在智慧高速領(lǐng)域發(fā)展的挑戰(zhàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)量低、仿真能力水平不足、專業(yè)化定制軟件匱乏、關(guān)鍵技術(shù)缺少應(yīng)用場景等。因此，研究數(shù)字孿生在公路改擴(kuò)建工程中占道施工場景下的應(yīng)用問題在理論上具有一定的創(chuàng)新性。

隨著我國大規(guī)模新建高速公路階段進(jìn)入尾聲，面對現(xiàn)有高速公路利用狀況不均衡、部分高速公路設(shè)計流量與實際需求不匹配的現(xiàn)狀，從交通需求與我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)相匹配的角度分析，提升高速公路服務(wù)能力仍是長期任務(wù)，充分利用存量高速公路進(jìn)行智慧化改造將成為重要的發(fā)展方向，而新技術(shù)的綜合集成應(yīng)用可顯著提升存量高速公路的服務(wù)水平，由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)在高速公路行業(yè)的應(yīng)用研究具有重大的現(xiàn)實意義。

2 公路智慧化改造管理需求

與新建項目相比，高速公路改擴(kuò)建工程在工程建設(shè)方案、路線地理位置、路網(wǎng)功能定位等方面存在較大差異，尤其在改擴(kuò)建路段“邊通車、邊施工”的施工模式成為主流后，占道施工作業(yè)區(qū)的精細(xì)化管控要求更高，對孿生模型的構(gòu)建、交通流量監(jiān)測的密度和精度、交通組織優(yōu)化方案的效果均會提出相應(yīng)的限制，導(dǎo)致高速公路改擴(kuò)建占道施工場景下的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用成為難題。

實踐表明，對既有高速公路進(jìn)行智慧化改造，無論采用何種施工組織方式，必然對原有的高速公路交通流產(chǎn)生干擾。面對改擴(kuò)建路段“交通不中斷”的實際需求，如何科學(xué)、安全、快速、有效地制定交通擁堵事件管控策略并科學(xué)實施，是當(dāng)下高速公路管理單位的技術(shù)難題與業(yè)務(wù)痛點。提取目前高速公路改擴(kuò)建占道施工場景的交通管控共性需求進(jìn)行分析，可總結(jié)出以下幾個較突出的問題。

第一，公路建管養(yǎng)運(yùn)服全周期全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)有效的匯聚、傳遞、共享和應(yīng)用，缺乏數(shù)字化的采集體系和網(wǎng)絡(luò)化的傳輸體系，智能化應(yīng)用缺乏數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

第二，面對施工作業(yè)區(qū)發(fā)生的不可預(yù)測的突發(fā)交通事件，缺乏合理的應(yīng)急資源配置、完善的突發(fā)事件處理程序和科學(xué)的處置制度設(shè)計，對交通管控策略的實施效果也無法評估。

第三，對占道施工區(qū)域啟動交通管控策略的條件判別缺少量化的判斷標(biāo)準(zhǔn)，難以評估最優(yōu)的啟動與關(guān)閉窗口，使得目前采取的管控策略通常存在滯后性，而且準(zhǔn)確度和及時性較低。

3 關(guān)鍵技術(shù)及場景應(yīng)用設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

基于高速公路改擴(kuò)建占道施工實際管控需求，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，以高速公路基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建為核心突破，提取多源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，并建立交通態(tài)勢特征分析模型，對交通組織方案進(jìn)行仿真推演，為擁堵疏導(dǎo)、方案優(yōu)化提供輔助決策支持。同時，利用多樣化的公眾信息發(fā)布渠道及車流誘導(dǎo)措施，有效解決改擴(kuò)建占道施工場景可能出現(xiàn)的車流量大、擁堵、事故等交通事件，達(dá)到“保暢通的同時保安全”的目的，從而在保證智慧化改造工程項目如期完工的前提下，改善占道施工期間路段上下游的通行環(huán)境。

3.2 公路基礎(chǔ)設(shè)施可視化管理

數(shù)字孿生是利用數(shù)字化的手段構(gòu)建一個數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。利用GIS、BIM 技術(shù)的三維展示能力，按照地形地貌影像對路面、橋梁、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、隧道、互通立交、出入口匝道、標(biāo)志標(biāo)線、隔離帶、綠化帶、機(jī)電設(shè)備等重點構(gòu)造物分層進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，對單體設(shè)施提供三維模型展示，實現(xiàn)“數(shù)字高速公路”孿生仿真效果，為高速公路資產(chǎn)管理、巡檢管理可視化提供支撐。

3.3 占道施工交通流監(jiān)測及管控

利用數(shù)字孿生技術(shù)再現(xiàn)中觀和微觀的交通流運(yùn)行過程，進(jìn)行仿真方案的數(shù)據(jù)庫存儲、調(diào)用，以及實時交通狀態(tài)的仿真判斷與分析，實現(xiàn)前端設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、交通仿真、交通控制、后端設(shè)備、策略管理等各種應(yīng)用一體化，為緩解擁堵等交通流難題提供可靠工具，為交通管理輔助決策提供可靠依據(jù)。交通流仿真推演技術(shù)可以分為宏觀、中觀、微觀三個層次，在高速公路改擴(kuò)建占道施工場景中，最常見的應(yīng)用是路網(wǎng)交通分流，通過建立施工區(qū)路網(wǎng)、路段仿真模型，對既定和備選交通組織方案進(jìn)行仿真推演，分析交通運(yùn)行演變規(guī)律，預(yù)測施工事件、突發(fā)事件、管制措施對路網(wǎng)路況的影響，利用輸出的交通流參數(shù)對方案進(jìn)行修正，為優(yōu)化交通組織決策提供理論支撐和數(shù)據(jù)支持，輔助確定智慧化改造工程項目的交通流組織方案。

高速公路交通管控包括交通管理和交通控制，交通管理是指對高速公路交通流依法依規(guī)進(jìn)行合理引導(dǎo)、限制和組織；交通控制是根據(jù)高速公路交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度等動態(tài)交通流參數(shù)，以及交通狀況、路面狀況和氣象參數(shù)進(jìn)行實時觀察和測量。根據(jù)作業(yè)區(qū)的交通參數(shù)、交通條件的歷史數(shù)據(jù)，按照某種預(yù)設(shè)的流量預(yù)測模型調(diào)節(jié)高速公路上的交通參數(shù)，從而滿足改擴(kuò)建占道施工場景保持最佳通行狀態(tài)的需求。常用的高速公路交通管控有主線控制、匝道控制、優(yōu)先通行權(quán)控制和通道系統(tǒng)控制等技術(shù)手段（見表1），在實際場景中可根據(jù)不同需求選用。

表1 常見高速公路交通管控技術(shù)手段

4 案例研究

收費(fèi)站是高速公路網(wǎng)的重要節(jié)點，也是重要的公路基礎(chǔ)設(shè)施。南丫收費(fèi)站位于廣州市荔灣區(qū)，是廣珠西線高速公路主線站點，改擴(kuò)建前設(shè)3 個收費(fèi)廣場共31 條收費(fèi)車道，包括10 條入口車道、21 條出口車道，其中13 條ETC 專用車道、18 條混合車道。收費(fèi)站現(xiàn)場管理難點在于：一是站場多、路線復(fù)雜，連接荔灣區(qū)花地大道、廣州東南西環(huán)高速，交通組織困難；二是出、入口車道資源不匹配，入口車道無法滿足車流通行需要，呈常態(tài)化通行緩慢；三是收費(fèi)廣場設(shè)施外觀陳舊、沒有特點，公眾辨識度差。

研究表明，收費(fèi)站常見擁堵原因包括：一是收費(fèi)站廣場規(guī)模和設(shè)計車道通行能力不滿足實際車流量需求；二是混合車道與ETC 專用車道設(shè)置比例與車流量分布不匹配；三是出口提示距離設(shè)置不合理導(dǎo)致車輛在進(jìn)入收費(fèi)站廣場前異常減速或變道，存在事故隱患。通過收費(fèi)站智慧化改造提升工程，拓寬收費(fèi)廣場，增加收費(fèi)車道數(shù)量，從而提高收費(fèi)站通行能力，是破解高速公路收費(fèi)站擁堵治理難題的有效對策。本文借鑒浙江滬杭甬高速、廣州機(jī)場高速等經(jīng)驗，設(shè)計利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行智慧化改造的方案[5]。

4.1 公路設(shè)施孿生場景復(fù)刻

利用三維GIS 技術(shù)和實時渲染技術(shù)，將高速公路的數(shù)據(jù)融合分析后實時投射到三維數(shù)字世界里，構(gòu)建收費(fèi)廣場的仿真模型，展現(xiàn)給管理者一個全時空的“數(shù)字世界”，可為交通仿真引擎提供實時車流數(shù)據(jù)、三維可視化渲染等數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。南丫收費(fèi)站三維建模效果如圖1 所示。

圖1 南丫收費(fèi)站三維建模效果

通過車流數(shù)據(jù)的實體化還原，結(jié)合虛擬的仿真技術(shù)和參數(shù)配置，利用三維數(shù)字孿生引擎基于仿真引擎推算出的車流量微觀數(shù)據(jù)，以動態(tài)車流模型形式疊加到當(dāng)前三維道路場景中模擬車流還原的效果，增強(qiáng)系統(tǒng)用戶的臨場感以及仿真數(shù)據(jù)結(jié)果的易讀性及理解性。

4.2 收費(fèi)站全息管控系統(tǒng)搭建

結(jié)合視頻監(jiān)控設(shè)備的人工智能感知能力和智慧通信站的單點數(shù)據(jù)擬合能力，構(gòu)建收費(fèi)站孿生管控新形態(tài)，實現(xiàn)對南丫站出入口通行車輛的智能誘導(dǎo)，滿足出口內(nèi)廣場的收費(fèi)車輛精準(zhǔn)管控和出口外廣場的擁堵研判需求。利用仿真引擎基于道路環(huán)境場景以及歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的仿真計算，分析場景車輛數(shù)據(jù)在當(dāng)前道路環(huán)境下的通行狀態(tài)，并從微觀層面推算出各車輛的通行方向、位置、車速等通行參數(shù)。

利用全息管控系統(tǒng)進(jìn)行多次模擬試驗，結(jié)果顯示實施交通管控措施后，收費(fèi)站排隊長度下降30%，通行速度提高28%。接入實時車流量后，還可預(yù)測復(fù)雜路網(wǎng)環(huán)境下交通事件發(fā)生后未來短時的交通擁堵發(fā)展態(tài)勢和交通運(yùn)行異常狀態(tài)，進(jìn)而可以對未來可能出現(xiàn)的交通擁堵等問題進(jìn)行提前識別，為公路應(yīng)急處置提供快速、科學(xué)的決策支持，便于及時采取適當(dāng)?shù)慕煌ü芾泶胧?，為公路運(yùn)營管理提供高效服務(wù)。

4.3 高峰車流預(yù)警與交通組織設(shè)計

一方面，為使交通誘導(dǎo)信息實時、有效、個性化地服務(wù)于出行者，可通過融合互聯(lián)網(wǎng)、交通參數(shù)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，基于交通OD 和地理特征為不同場景及不同位置的出行者提供誘導(dǎo)方案，誘導(dǎo)方案統(tǒng)一通過智慧發(fā)布平臺，對接多渠道，經(jīng)由不同終端系統(tǒng)觸達(dá)公眾。

另一方面，利用雷達(dá)、視頻等車流檢測設(shè)備對通行流量及車輛排隊長度進(jìn)行實時監(jiān)測，結(jié)合地圖廠商提供的地方實時路況數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建態(tài)勢感知與車流量預(yù)測模型，按照應(yīng)急預(yù)案要求，分等級發(fā)出擁堵及事故預(yù)警。

5 結(jié)語

智慧高速是智慧交通發(fā)展的重點方向，在加快建設(shè)交通強(qiáng)國與數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，“數(shù)實融合”逐漸成為推進(jìn)智慧高速建設(shè)亟待突破的重點技術(shù)。隨著國內(nèi)高速公路網(wǎng)日趨完善，行業(yè)已迎來從重建設(shè)輕管養(yǎng)到建管養(yǎng)運(yùn)服并重的全新拐點。本文依托南丫收費(fèi)站智慧化改造工程項目，提出搭建收費(fèi)站三維孿生模型，接入通行流量、收費(fèi)車道啟閉狀態(tài)、車輛軌跡、情報板發(fā)布信息等動態(tài)數(shù)據(jù)，可以有效降低收費(fèi)廣場發(fā)生事故的概率，緩解收費(fèi)站擁堵。通過探索數(shù)字孿生技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建占道施工場景中的應(yīng)用，為后續(xù)進(jìn)行智慧高速智能化應(yīng)用研究工作拓寬了思路。