数字孪生技术下的城市智慧交通探索

发表时间:2019/4/4   来源:《知识-力量》2019年7月上   作者:王鲁光 朱勇
[导读] 随着我国科学技术的发展,越来越多的行业需要先进的技术支撑。数字孪生技术作为一种新型的科学技术,在虚拟空间和物理空间的虚实交融、智能操控的映射。传统的城市模式将会被科技城市所代替,人们对城市的需求会增加。

(黑龙江大学,黑龙江 哈尔滨 150000)
摘要:随着我国科学技术的发展,越来越多的行业需要先进的技术支撑。数字孪生技术作为一种新型的科学技术,在虚拟空间和物理空间的虚实交融、智能操控的映射。传统的城市模式将会被科技城市所代替,人们对城市的需求会增加。
关键词:数字孪生;智慧交通

 
        1、前言
        交通信号灯服务于广大人民群众,维持社会治安,促进当今社会的人文发展。而近年来,随着科技水平的不断发展。人们对智能化的期望逐日上升,依托智能科技服务于人类的业务范围不断扩大。传统的交通指挥灯很难满足现在人们的需求。随着5G技术的发展及应用,以智能通信设备为入口点,现代通信技术、数据分析及数字孪生技术为支撑,开展全智能调控监测系统。最终优化整合,提升整体服务效能。
        2、背景分析
        2.1 现状
        我国地域广阔、人口众多,交通线路错综复杂。特别是近几年汽车行业的发展,人民经济水平的增长,越来越多的人选择购买代步小汽车。从而构成城市交通拥堵的现状。我们城市交通现状特点是:城市交通基础设施建设速度跟不上迅速增长的交通需求,常规公共交通萎缩、出租车和私家车迅速增加、轨道交通开始起步、交通管理技术水平低。在高科技兴起的现在形势下,传统的城市交通信号灯就显得相形见绌。
        (1)车型种类复杂,混合交通严重
        现在我国经济形势还不是很发达,国内人口数量剧增,因而适应不同人群、不同消费需求的各种车辆混杂在交通道路中。相互影响、相互纠纷,使得出行困难、效率低下。另外人们对道路的使用权和通行术等观念不强,从而交通违纪现象比较普遍,时常造成人为的交通拥挤和阻塞。
        (2)城市布局和交通不相适应
        城市是人们聚集的经济活动中心,交通运输的枢纽或终端。近几年,国民经济增长,城市规模不断扩大,导致城市生活区和办公区距离拉长。因而上班出行距离普遍增长,造成局部地段或高峰时段的车辆严重堵塞。此外,多数城市交通信号灯设置不合理,大大降低了城市道路的交通利用率。
        (3)非机动车行动无序
        随着近几年来共享经济的发展,自行车的数量越来越多。为相应绿色出行的号召,选择骑行方式的人数量越来越多,而没有相应的自行车出行规范政策出台。这将导致城市交通秩序的散乱,人为因素很难得到控制。自行车安全性差、运效不高,单个体占用道路面积大,使得原本紧张的交通条件更加恶劣,特别是交叉路口,机动车和非机动车混行现象严重,尤其是高峰时间更加严重。
        以上三个方面的问题集中体现了现阶段我们城市交通的突出特点,具体表现在车辆混杂、非机动车占优、设施落后、车速下降,交通拥挤与堵塞的趋势逐渐恶化,这也要求我国必须及早分析造成城市交通问题存在的原因,采取积极有效的策略,改善城市交通状况。
        2.2 基础设施建设
        (1)随着机动车数量的增长,越来越多的城市交通路口采用人车分离式的交通基础设施建设。行人穿越道路可采用地下通道、天桥等方式。
        (2)现在城市交通路口布局大都是采用龙门架设计,布局建设简单。能提供的视野相对广阔,基本能够能够驾驶者的需求。
        2.3 科技水平
        当前,城市交通信号灯大都是基于嵌入式单片机及PLC控制系统的计时方式的设计。只是从理论上解决了城市交通拥堵的问题。进而增加了一些新的问题,如车辆等待时间较长、在城市不拥堵的情况下做无谓的等待。这些都降低了城市道路的有效利用率,加大了城市交通拥堵。
        3、基于数字孪生的总体设计
        智能城市交通信号灯控制系统,可依赖于数字孪生技术提供解决方案。


数字孪生(Digital Twin)是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。在虚拟空间中完成映射,反映实体装备的全生命周期过程。他可被视为超过一个或多个超越现实的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
        3.1 解决方案
        进入信息时代,智能城市交通形势有了新的展望。设备智能化、人性化、人机交互舒适化得到了全新方位的提升。
        ①4G和5G时代的到来,为新型的通信基础提供了有效的解决方案。
        ②以激光雷达、毫米波雷达、机器视觉等新感知手段,为数据收集、视觉感知建立的基础。
        ③数字孪生、CPS等新技术的产生,促进了虚拟与现实之间的链接。
        ④云计算推动了跨区域共享解决方案,让计算资源、储存资源得到妥善解决。
        ⑤深度学习、视觉处理等技术推动专用化、个性化、定制化发展。
        3.2 技术方案
        3.2.1 单一路口的控制方案
        在城市交通的某一路口,设计方案基础如下:在路口停车线处及距离停车线50米处设置车辆识别传感器,用来识别车辆是否通过及识别车辆信息,并将车辆信息计入数据库中。以计算车流量等数据。若车辆以30km/h的速度行驶并穿过十字路口,则在车辆经过第一个车辆传感器到达路口的时间可以计算为6s。当车辆经过第一个传感器后,倒计时装置将开始6s倒计时。若6s内有车辆通过,开始重新计时。直到6s内无车辆通过,信号灯装置开始3s倒计时预警。
        将十字路口分为A、B、C、D四个方向,AG 、BG、CG、DG分别表示四个方向的直行车道,AL、BL、CL、DL分别表示四个方向的左转车道。若不考虑右转的信号灯提示,可将AG、CG同步设置,BG、DG同步设置,AL、CL同步设置,BL、DL同步设置。使用各种传感器将实时信息上传至数据库,云计算分析实时道路行驶数据。通过数字孪生建立虚拟模型,监控和预测车辆的行驶动态。以智能化,灵活化控制交通信号灯系统。
        3.2.2 城市全局网络共享方案
        (1)建立智慧出行APP
        随着移动客户终端的增长,手机终端可作为一款特殊的传感器,用来收集人们的各种自身信息。如出行时间、出行路线等。出发时候我们可以告诉APP要去的目的地,APP将收集的数据发送至数据库,计算出行车的最佳路线,然后反馈给用户。数据库整合所有的数据,预测道路行车情况,将各类信息发送至哥各个口的控制系统。调控道路指挥有序的行驶。
        (2)将临近的路口进行组网处理,收集、计算、控制车辆出行。如车辆经过某一路口将会直行、左转、右转,经各种传感器收集到数据预测将要到达下一个路口的时间,以及交通拥堵情况。合理的分配红灯和绿灯的转换。
        4、结论与展望
        数字孪生引发城市服务呈现新特征,虚拟现实融合,缓解服务不平衡、不充分的问题。数字孪生技术可以建立每个人的数字孪生体,通过传感器收集的各类信息,整合网上资源,优化解决方案。真正做到以人为本,服务于人类生活。数字孪生下的智能交通信号灯,可以提升交通信号灯的智能化能力,对路况的监控和实时调整更加智能化。
参考文献
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[3][陶飞,刘蔚然,刘检华,刘晓军,刘强,屈挺,胡天亮,张执南,向峰,徐文君,王军强,张映锋,刘振宇,李浩,程江峰,戚庆林,张萌,张贺,隋芳媛,何立荣,易旺民,程辉. 数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造统,2018,24(01):1-18.

作者简介:王鲁光(1994.04-),男,山东省聊城人,哈尔滨市南岗区黑龙江大学,信息与通信工程专业,2018级硕士研究生,研究方向:物联网技术,数字孪生。
 

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