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中国智能交通协会

城市道路交通数字孪生实战应用中的仿真中台探索

2022-09-08   来源:ITS114


  一、城市道路交通数字孪生应用现状
  交通数字孪生技术是以数字化方式创建交通系统的交通虚拟实体,借助历史数据、实时数据、以及算法模型等,实现对交通系统全生命周期的模拟、评估和预测。交通数字孪生具备过程可视、因果可察、影响可估、未来可预四项基本价值。过程可视和因果可察是基于数字孪生体对现实交通的复刻和模拟,能够感性地、直观地观察到交通运行的状况;影响可估和未来可预则是基于数字孪生体对现实中的一些交通事件的管控决策进行的评估和预测,并且配合量化的数字分析来进行理性的认知。


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  目前,大多数交通数字孪生系统都专注于“复刻现实”的实战应用领域,虽然该领域已经有了很多的尝试和应用成果,为城市的交通管理也起到了支持的作用,但是在评估和预测的领域却暂时还没有更多深入发展。这里就不得不提到交通仿真技术。

  二、城市道路交通数字孪生实战应用需求
  交通仿真技术是交通数字孪生的技术支柱之一,是在评估和预测领域上进行实战应用探索的技术方向。经过探索和整理后,学塾加总结了城市道路交通数字孪生实战应用的几点需求。第一是交通信号优化,作为城市交通管理优化的常用手段之一,具有应用灵活,见效明显等特点,应用范围小至单点交叉口优化,大至区域信控协调,针对交通信号优化的分析工具将是数字孪生实战应用的基本需求点。由于交通信号优化本身具有的灵活性,也需要匹配更灵活,更迅速,更有效数字孪生的分析工具。
  第二是交通组织优化,作为城市交通管理优化的基本手段,交通组织优化往往涉及到道路硬件设施的调整,调整成本和周期都较长,在优化方案正式执行前,需要科学可靠的进行实施效果预测。
  第三是特殊勤务保障,对于应急救援、紧急绿波通道等特殊勤务而言,时间就是生命这一形容是再恰当不过的,如何保障特殊勤务预案达到“一路绿通”的效果,如何发现预案可能存在的隐患,都迫切需要能够直观查看交通预案运行全程、量化分析预案运行情况的工具。
  第四是占道施工审批,占道施工是城市道路上的频发事件,交警需要花费大量的精力来进行施工的审批,同时也要承担施工带来的风险和责任。所以,快速、科学、易用的审批工具,能够大大减轻交警的负担。
  最后是大型活动的保障。大型活动伴随着大量的人流和车流,对周边交通的安全措施和保畅措施产生了巨大压力。为保障大型活动有序开展,同时减少对正常交通出行者的影响,需要反复研判管控措施的有效性、合理性。

  三、城市道路交通仿真实战应用中台
  针对以上提出的几点需求,为探索这一个交通数字孪生在实战应用中的一些应用领域,学塾加软件自主研发的城市道路交通仿]真实战应用中台—交通仿真云引擎tXEngine,通过接入实时交通数据,管理调度仿真软件、仿真模型以及仿真算力等资源实现交通仿真运行及量化评估,并进一步向交通信号优化、交通组织优化、特殊勤务保障、占道施工审批、大型活动保障等实战应用赋能。
  3.1仿真引擎的技术架构
  应用中台由三个主要部分组成,首先是资源池,其中包括硬件仿真算力池,仿真工具池,也就是仿真软件运行的数据池仿和模型池;其次是基于中台的管理,实现对仿真模型硬件运算,仿真模型管理和外来仿真用户的管理;然后是支持多种仿真业务、通用控制交互接口等九项能力中台,赋能信号优化、组织优化等数字孪生五项基本需求。
  3.2仿真引擎的技术能力
  仿真引擎的基本功能包括路网交通运行复现、管控措施效果评估和交通演变事中预测三项基本功能,以及交通管理能力培训、交通应急预案演练和交通方案AI优化三项扩展性的功能。
  二是引擎方便嵌入各类平台,交通仿真引擎兼容性高、拓展性强,可为各级、各类应急指挥调度、交通实时监管平台提供交通仿真能力支持。
  三是兼容多种交通仿真软件。交通仿真引擎能够兼容包括Vissim、Q-Paramics等等交通仿真软件,支持这些软件单独运行或者是并行。因为不同的交通仿真软件有各自的优势,tXEngine则可以依据实际的业务需求将这些优势进行整合,选择合适的一个交通仿真软件进行业务支持。同时,tXEngine也在引擎中拓展了这些仿真软件的业务能力,例如针对道路施工的情况,道路施工存再警告区、过渡区、缓冲区等等多个管控区域的,tXEngine通过功能扩展,将多个管控区域都能在仿真软件进行模拟,弥补了普通仿真软件只能简单的围蔽一两条车道来模拟施工的情况。通过软件接入、优势整合和功能拓展,交通仿真云引擎可以产生可利用已有采购、提升综合仿真能力以及更贴近义务需求的价值。
  四是支持远程赋能。引擎能够实现从局域网到互联网的跨越中;通过仿真引擎,可以随时随地、想用即用地为用户提供仿真服务;基于此,也可以产生一些SaaS云服务的价值。例如,我们曾经尝试搭建一个虚拟仿真实验室,可以为疫情期间的学生提供远程线上的虚拟仿真服务,实现在家的教学实验。
  五是支持协同并发。引擎可以实现多应用、多模型、多容器、和多服务器等仿真并发,协同并发不仅仅能够提高仿真的运行效率,同时也是为能够多个用户同时使用仿真服务打下坚实基础。
  六是支持模型自动适配。在引擎进行仿真运行的时候,并不是模型越大越好,当仿真模型范围的越大,对于某一个交通元素(例如某一个交叉口),它的仿真的准确度和速率都是会随着模型范围的扩大而缩小。tXEngine支持接入多个模型、多类模型,根据实战应用需求自动选择合适的仿真模型,可提高仿真速度、仿真准确率等指标。
  七是一定程度的在线仿真功能。通过接入历史的车流量和实时的交通流量,再转换成OD需求,再接入交通事件和管控方案,就可以实现区域范围内的在线仿真。但由于在线仿真对于数据以及准确度的要求都较高,大范围的在线仿真还比较难以实现。
  八是量化评估能力。交通仿真引擎作为数字孪生体,能够动态获取仿真运行数据,输出流量、排队长度、延误时间等详细仿真运行数据,并从安全、保畅等指标量化分析路网交通运行情况。
  最后是快速建模。快速建模的前提是要把基础建模标准化,即接入仿真引擎的每一个交通模型都是要严格按照建模规范以及准确度要求构建的一个交通仿真模型。然后我们再提取仿真运行的车辆高精度定位轨迹和车辆运行的状况等等数据,来对模型的路网进行校准,保证交通仿真模型能够满足仿真准确度等要求。在此基础上可以实现方案建模的自动化,实现交通事件、管控措施等等方面的自动建模。用户只需要输入关键的少量的关键参数,仿真引擎就自动将其转换成相应的方案模型,并可以在后台进行运行。
  目前交通仿真云引擎tXEngine已经应用于多地的交通指挥中心,交通配置中心,辅助交警和交通信号优化服务人员进行日常交通信号控制服务、研判以及道路施工审批等等。例如广州地铁某地铁站施工围蔽交通影响后评估项目,交通仿真云引擎为项目占道施工交通组织及疏解措施提供仿真评估功能,有效辅助交警完成占道施工方案的审批及交通疏解方案优化。