從全息路口到數(shù)字孿生路口的技術(shù)演進(jìn)

全息路口擁有“全方位感知 + 超強(qiáng)計(jì)算 + 可靠通信”能力，全息路口相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在陸續(xù)推出。數(shù)字孿生路口通過“三維實(shí)時(shí)仿真 + 精準(zhǔn)預(yù)測 + 動態(tài)控制”將賦予全息路口更強(qiáng)大的能力。

01、全息路口其實(shí)是“全信息”路口

城市交叉路口是城市道路中環(huán)境最復(fù)雜、參與者最多、問題狀況最頻繁的交通場景。它是道路交通系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)和樞紐，承擔(dān)了大量交通流量，交叉路口的暢通程度直接影響交通通行能力。在城市道路發(fā)生的交通事故中，有超過60%發(fā)生在交叉路口及附近。優(yōu)化交叉路口是緩解交通擁堵，提升道路通行能力，降低交通事故發(fā)生率最有效的手段之一。

對交叉路口進(jìn)行數(shù)字化和智慧化升級改造是大勢所趨。當(dāng)下智慧路口的主要發(fā)力點(diǎn)在于信控，即如何提升通行效率。除此之外，還需要對交通態(tài)勢進(jìn)行掌控，及對路口違法行為進(jìn)行監(jiān)控識別等?；谶@樣的背景，全息路口概念應(yīng)運(yùn)而生。

全息是指一種技術(shù)，即利用激光的相干性原理，把物體反射光的所有信息全部記錄下來，并能夠重現(xiàn)立體的三維圖像。而數(shù)字全息技術(shù)是用光電傳感器件，例如數(shù)碼相機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)記錄材料，然后將全息圖存入計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過程來實(shí)現(xiàn)被記錄物體的全息再現(xiàn)和處理。數(shù)字全息技術(shù)與傳統(tǒng)光學(xué)全息技術(shù)相比具有制作成本低，成像速度快，記錄和再現(xiàn)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

因此，傳統(tǒng)意義的全息路口其實(shí)是應(yīng)用光學(xué)原理，利用相干光干涉得到全部物體信息，并實(shí)時(shí)、動態(tài)、數(shù)字化重現(xiàn)立體三維圖像的路口。而實(shí)際上，我們現(xiàn)在所提到的全息路口已經(jīng)遠(yuǎn)超過攝像機(jī)的范疇，用“全信息路口”來定義更加準(zhǔn)確。

綜合來看，全息路口是利用路口雷達(dá)+電警/卡口攝像機(jī)等各種感知設(shè)備，在保證原有正常非現(xiàn)場執(zhí)法功能基礎(chǔ)上，融合行業(yè)最新的傳感器技術(shù)、高精度地圖技術(shù)、高精度定位技術(shù)、人工智能算法、大算力芯片、邊緣計(jì)算技術(shù)，生成車輛時(shí)空、過車身份、違法抓拍、分米級車輛軌跡、信號燈狀態(tài)等多種精準(zhǔn)、高效、實(shí)時(shí)的元數(shù)據(jù)，為路口精細(xì)化管理形成完備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，減輕中心側(cè)計(jì)算、存儲以及網(wǎng)絡(luò)壓力。因此，給出如下全息路口定義：“全息路口 = 全方位感知 + 超強(qiáng)計(jì)算 + 可靠通信”。

（1）全方位感知

傳統(tǒng)交叉路口信息采集能力偏弱，多以地磁、線圈、斷面雷達(dá)及電警感知設(shè)備組成，感知范圍有限，感知信息不全，部分投入巨大的人力進(jìn)行人工采集，缺乏有效采集手段。受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件，感知系統(tǒng)僅服務(wù)于特定業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)分裂，利用率低，可挖掘分析價(jià)值低，且因感知信息不全面，無法完整體現(xiàn)交通的實(shí)際情況。

當(dāng)下的全息路口，會采用多傳感器技術(shù)，綜合使用攝像頭、毫米波雷達(dá)，甚至是激光雷達(dá)，配合高精度地圖和高精度定位，來達(dá)到全時(shí)、全域、全量、精準(zhǔn)的全方位數(shù)據(jù)感知。各種全息路口感知方案對比如表1所示。

表1 全息路口感知方案對比表

對于交管部門來說，感知的數(shù)據(jù)類型可以包括：①全息交通流數(shù)據(jù)（例如車速、排隊(duì)長度、排隊(duì)時(shí)間、空間占有率、時(shí)間占有率等）；②車輛過車數(shù)據(jù)（例如車牌號、車型、顏色等）；③交通參與者數(shù)據(jù)（例如非機(jī)動車信息等）；④交通違章數(shù)據(jù)（例如違章行為、違章時(shí)間、違章地點(diǎn)等）；⑤交通事件數(shù)據(jù)（擁堵、停車、路障、施工、交通事故、拋灑物、壓線、逆行等）；⑥特殊數(shù)據(jù)（路面積水、路面結(jié)冰、風(fēng)速、能見度、溫濕度等）。

（2）超強(qiáng)計(jì)算

超強(qiáng)計(jì)算能力一方面來自于部署在路側(cè)的邊緣計(jì)算設(shè)備，另一方面還應(yīng)包括在云端的中心側(cè)計(jì)算平臺。

其中，邊緣計(jì)算設(shè)備需要具備視頻處理和管理能力、雷視融合處理能力、智能分析能力、信號機(jī)控制能力等，這些都需要相應(yīng)的計(jì)算能力來支撐。通過邊緣計(jì)算設(shè)備擬合多方向雷達(dá)和視頻信息，產(chǎn)生車牌、位置、速度、軌跡、行駛姿態(tài)、車輛屬性等多種基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)，并給出相關(guān)的智能分析結(jié)果。例如邊緣計(jì)算設(shè)備可以對路口200米范圍內(nèi)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和智能分析，精準(zhǔn)刻畫每一個路口、每一條車道、每一輛車的行為，軌跡精度可達(dá)到50厘米，軌跡準(zhǔn)確率可達(dá)到95%以上；邊緣計(jì)算設(shè)備可以打通攝像機(jī)、雷達(dá)、信號機(jī)三者之間數(shù)據(jù)，信號燈可以根據(jù)路口實(shí)時(shí)交通情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

中心側(cè)計(jì)算平臺通過數(shù)據(jù)建模的方式，快速合成多種業(yè)務(wù)指標(biāo)，如路口溢出、排隊(duì)長度、路口停車次數(shù)、路口行駛速度、各方向過車流量、交通違章事件等，全面服務(wù)于城市交通治理全場景。例如在中心側(cè)計(jì)算平臺，可以結(jié)合全息路口數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，做宏觀路網(wǎng)OD軌跡分析（30分鐘-60分鐘）和中觀車輛路徑重構(gòu)（5分鐘-15分鐘）。

（3）可靠通信

可靠通信能力一方面是路口和中心側(cè)計(jì)算平臺之間的有線、無線（4G/5G）回傳網(wǎng)絡(luò)，另一方面還包括路口和交通參與者之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

回傳網(wǎng)絡(luò)方面，在不考慮路側(cè)攝像頭視頻流以及激光雷達(dá)/毫米波雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的回傳時(shí)，每個接入交換機(jī)點(diǎn)位的單向帶寬宜不小于15Mbps，核心交換機(jī)（核心路由器）根據(jù)下掛接入交換機(jī)點(diǎn)位數(shù)滿足傳輸帶寬要求，宜不少于1000Mbps帶寬。

路口和交通參與者之間的通信網(wǎng)絡(luò)方面，可采用C-V2X、汽車電子標(biāo)識（RFID）、ETC等。其中，C-V2X不僅可以實(shí)現(xiàn)路口基礎(chǔ)設(shè)施和交通參與者之間的通信，還能實(shí)現(xiàn)交通參與者們自己之間的直連通信?；贑-V2X典型路口場景的性能要求如表2所示。

表2 路口應(yīng)用方案功能及性能要求

02、全息路口相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)發(fā)布

2022年3月16日，中國智能交通協(xié)會發(fā)布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CITSA 20-2022《道路交叉路口交通信息全息采集系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，主要規(guī)定了道路交叉路口交通信息全息采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、功能要求和性能要求。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

前端采集單元包括視頻圖像采集，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)檢測和多維數(shù)據(jù)采集。邊緣計(jì)算單元提供攝像機(jī)等視頻感知檢測設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)視頻、抓拍圖片等媒體數(shù)據(jù)和智能檢測分析后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及雷達(dá)等多維傳感設(shè)備獲取的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

邊緣計(jì)算單元統(tǒng)一部署在路口，對各方向采集的視頻圖像和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和計(jì)算，形成路口車輛的融合信息，上傳至業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺。

業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺功能，包括俯視全景視角的路網(wǎng)監(jiān)測和路口監(jiān)測、路口評價(jià)、信號評價(jià)、組織評價(jià)、安全評價(jià)等各種功能。

圖1 道路交叉路口交通信息全息采集系統(tǒng)架構(gòu)

2022年1月17日，浙江省產(chǎn)品與工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/ZS 0265—2022《全息智慧路口建設(shè)規(guī)范》，規(guī)定了城市道路全息智慧路口建設(shè)的基本要求、內(nèi)容、主要方法和實(shí)施等內(nèi)容。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

路口終端設(shè)備建設(shè)內(nèi)容應(yīng)包括交通雷達(dá)、視覺感知設(shè)備、道路交通信號控制機(jī)、道路交通智能信號燈和智能機(jī)柜，根據(jù)應(yīng)用需求可選擇布設(shè)可變導(dǎo)向車道控制器和可變導(dǎo)向車道指示標(biāo)志。

在邊緣端（通常在路口）布設(shè)邊緣計(jì)算系統(tǒng)，建設(shè)內(nèi)容應(yīng)包括邊緣智能小站、視覺智能識別模塊、雷達(dá)視頻擬合模塊和信號控制優(yōu)化模塊。

中心基礎(chǔ)平臺建設(shè)內(nèi)容應(yīng)包括中心硬件服務(wù)器、物聯(lián)接入平臺、數(shù)據(jù)管理平臺、算法管理平臺和業(yè)務(wù)支撐平臺。

業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)建設(shè)內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)備資產(chǎn)管理服務(wù)、車流平行仿真服務(wù)、運(yùn)行指標(biāo)監(jiān)測服務(wù)、智能信號控制服務(wù)、事件監(jiān)測預(yù)警服務(wù)和視頻智慧聯(lián)動服務(wù)。

圖2 全息智慧路口系統(tǒng)架構(gòu)

2021年8月，湖南省市場監(jiān)督管理局發(fā)布《智慧城市路口智能化路側(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求(征求意見稿)》，對智慧城市路口智能化路側(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求做出了規(guī)定。

車聯(lián)網(wǎng)路側(cè)系統(tǒng)功能應(yīng)滿足以下要求：①應(yīng)支持壓線、變道、逆行、違停違章檢測功能；②應(yīng)支持停車、逆行、行人、交通擁堵、車輛緩行等事件檢測；支持車流量、車流平均速度、車道占有率、車頭時(shí)距、車頭間距、排隊(duì)長度、擁堵檢測；③宜支持社會特殊和警務(wù)、政務(wù)車輛的識別，如：警車、救護(hù)車等；④應(yīng)支持識別目標(biāo)交通參與者即時(shí)位置、即時(shí)速度、方向航向角、加速度等動態(tài)屬性，支持識別區(qū)間內(nèi)車輛數(shù)、空間占有率、平均速度等動態(tài)屬性；⑤應(yīng)支持排隊(duì)長度檢測功能，輸出排隊(duì)長度、隊(duì)首隊(duì)尾車輛位置、排隊(duì)車輛數(shù)；⑥應(yīng)能對交通異常事件進(jìn)行檢測，包括行人闖入、異常停車、逆行、變道、超高速、超低速緩行、擁堵、占用應(yīng)急車道、道路遺撒等，并能輸出報(bào)警信息；⑦應(yīng)支持識別車輛的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度位置和行駛車道；⑧感知目標(biāo)應(yīng)提供五類基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)（位置、速度、車牌/ID、屬性、姿態(tài)）。

03、從全息路口到數(shù)字孿生路口的技術(shù)演進(jìn)

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段。因此，數(shù)字孿生路口不僅僅具有仿真能力，還應(yīng)具備預(yù)測和控制能力，給出如下的數(shù)字孿生路口定義：“數(shù)字孿生路口 = 三維實(shí)時(shí)仿真 + 精準(zhǔn)預(yù)測 + 動態(tài)控制”。

（1）三維實(shí)時(shí)仿真

仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就基本能夠正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。如果說建模是將我們對物理世界或問題理解的模型化，那么仿真就是驗(yàn)證和確認(rèn)理解的正確性。

全息路口擁有“全方位感知 + 超強(qiáng)計(jì)算 + 可靠通信”能力。在建設(shè)感知網(wǎng)絡(luò)、可計(jì)算路網(wǎng)的基礎(chǔ)上，加入目標(biāo)融合算法，使各類傳感器獲取的原始不連貫?zāi)繕?biāo)信息相互印證、互為補(bǔ)充，形成基本完整的目標(biāo)屬性信息。例如通過地圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將雷達(dá)檢測的目標(biāo)和視頻識別的目標(biāo)建立聯(lián)系。同時(shí)，將實(shí)時(shí)檢測目標(biāo)疊加在高精地圖上，實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間的對接，完成數(shù)字映射的全息感知，也就是建立了三維立體展示的數(shù)字孿生仿真路口。

（2）精準(zhǔn)預(yù)測

基于大數(shù)據(jù)思維，數(shù)字孿生路口可以通過分析車輛歷史軌跡，尋找車輛潛在的運(yùn)行規(guī)律，并對車輛行為作出大概率的精準(zhǔn)預(yù)測。例如，通過車輛歷史數(shù)據(jù)的跟蹤積累，可以掌握個體車輛的位置、狀態(tài)及目的地，記錄車輛每日每次的精細(xì)化出行軌跡，明確車輛從哪里來到哪里去，研判每一車輛的慣用路徑特征，為城市交通管控乃至安全監(jiān)控提供核心數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)突發(fā)交通事件的檢測和報(bào)警，為車輛提供道路基礎(chǔ)設(shè)施靜態(tài)信息及運(yùn)營動態(tài)信息，保障和提升駕駛汽車安全性。

同時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)實(shí)時(shí)感知的車輛、非機(jī)動車等軌跡，以及基于個體行為的交通模型通過大數(shù)據(jù)獲取的預(yù)測信息導(dǎo)入交通仿真系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確作出短時(shí)交通路網(wǎng)變化情況預(yù)測，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測交通事件對現(xiàn)有路況的影響。通過將城市中的物理基礎(chǔ)設(shè)施、信息技術(shù)設(shè)施、社會基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施連接起來，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、清洗、存儲和標(biāo)準(zhǔn)化，基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)交通的精準(zhǔn)預(yù)測和決策。例如在前方車輛故障導(dǎo)致占用一條車道的情況下，交通仿真系統(tǒng)可以推測在當(dāng)前管控方案和流量狀況下，是否會發(fā)生擁堵以及發(fā)生何種級別擁堵，相當(dāng)于向管理者提前預(yù)告事件演化過程，將對后期管控策略調(diào)整提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）動態(tài)控制

搭建元宇宙的底層架構(gòu)工具分為四層，最基本的第一層為游戲引擎，此基礎(chǔ)上衍生出數(shù)字孿生、數(shù)字原生、虛實(shí)共融：①元宇宙從數(shù)字化設(shè)計(jì)起步，運(yùn)用到最基礎(chǔ)的游戲引擎工具；②為解決現(xiàn)實(shí)世界的一些問題，在虛擬世界中對已知物理世界的事物進(jìn)行仿真建模，做高性能計(jì)算去推理預(yù)測，即數(shù)字孿生；③當(dāng)人工智能足夠智能化，可以在數(shù)字世界中原生出很多內(nèi)容，即AIGC（AI-Generated Content，AI生產(chǎn)內(nèi)容），或者用戶通過輕便化的工具原創(chuàng)出在現(xiàn)實(shí)世界中不存在的內(nèi)容，即數(shù)字原生；④當(dāng)數(shù)字原生的東西足夠大、足夠強(qiáng)盛，必然會反過來影響現(xiàn)實(shí)世界，并且與現(xiàn)實(shí)世界相互融合，即虛實(shí)相生。

我們這里定義的數(shù)字孿生路口，不僅僅是元宇宙中虛擬世界對物理世界的數(shù)字孿生，還應(yīng)包括虛實(shí)相生。

數(shù)字孿生路口強(qiáng)調(diào)虛實(shí)之間的交互，即數(shù)字孿生模型能生成一定的策略，對物理對象進(jìn)行動態(tài)控制，并對物理世界的作用結(jié)果以數(shù)據(jù)的形式反饋回來，從而進(jìn)一步優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)更新與動態(tài)演化，也就是持續(xù)改進(jìn)。具備實(shí)時(shí)性、閉環(huán)性的數(shù)字孿生進(jìn)入交通領(lǐng)域，正好彌補(bǔ)了交通管理和控制的不足之處。