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    從全息路口到數字孿生路口的技術演進

    2022-05-19 14:06 物聯傳媒
    關鍵詞:數字孿生

    導讀:全息路口擁有“全方位感知 + 超強計算 + 可靠通信”能力,全息路口相關標準正在陸續推出。

    全息路口擁有“全方位感知 + 超強計算 + 可靠通信”能力,全息路口相關標準正在陸續推出。數字孿生路口通過“三維實時仿真 + 精準預測 + 動態控制”將賦予全息路口更強大的能力。

    01、全息路口其實是“全信息”路口

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

    對交叉路口進行數字化和智慧化升級改造是大勢所趨。當下智慧路口的主要發力點在于信控,即如何提升通行效率。除此之外,還需要對交通態勢進行掌控,及對路口違法行為進行監控識別等?;谶@樣的背景,全息路口概念應運而生。

    全息是指一種技術,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,并能夠重現立體的三維圖像。數字全息技術是用光電傳感器件,例如數碼相機代替傳統的光學記錄材料,然后將全息圖存入計算機,用計算機模擬光學衍射過程來實現被記錄物體的全息再現和處理。數字全息技術與傳統光學全息技術相比具有制作成本低,成像速度快,記錄和再現靈活等優點。

    因此,傳統意義的全息路口其實是應用光學原理,利用相干光干涉得到全部物體信息,并實時、動態、數字化重現立體三維圖像的路口。而實際上,我們現在所提到的全息路口已經遠超過攝像機的范疇,用“全信息路口”來定義更加準確。

    綜合來看,全息路口是利用路口雷達+電警/卡口攝像機等各種感知設備,在保證原有正常非現場執法功能基礎上,融合行業最新的傳感器技術、高精度地圖技術、高精度定位技術、人工智能算法、大算力芯片、邊緣計算技術,生成車輛時空、過車身份、違法抓拍、分米級車輛軌跡、信號燈狀態等多種精準、高效、實時的元數據,為路口精細化管理形成完備的數據基礎,減輕中心側計算、存儲以及網絡壓力。因此,給出如下全息路口定義:“全息路口 = 全方位感知 + 超強計算 + 可靠通信”。

    (1)全方位感知

    傳統交叉路口信息采集能力偏弱,多以地磁、線圈、斷面雷達及電警感知設備組成,感知范圍有限,感知信息不全,部分投入巨大的人力進行人工采集,缺乏有效采集手段。受限于當時技術條件,感知系統僅服務于特定業務,數據分裂,利用率低,可挖掘分析價值低,且因感知信息不全面,無法完整體現交通的實際情況。

    當下的全息路口,會采用多傳感器技術,綜合使用攝像頭、毫米波雷達,甚至是激光雷達,配合高精度地圖和高精度定位,來達到全時、全域、全量、精準的全方位數據感知。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

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    對于交管部門來說,感知的數據類型可以包括:①全息交通流數據(例如車速、排隊長度、排隊時間、空間占有率、時間占有率等);②車輛過車數據(例如車牌號、車型、顏色等);③交通參與者數據(例如非機動車信息等);④交通違章數據(例如違章行為、違章時間、違章地點等);⑤交通事件數據(擁堵、停車、路障、施工、交通事故、拋灑物、壓線、逆行等);⑥特殊數據(路面積水、路面結冰、風速、能見度、溫濕度等)。

    (2)超強計算

    超強計算能力一方面來自于部署在路側的邊緣計算設備,另一方面還應包括在云端的中心側計算平臺。

    其中,邊緣計算設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、信號機控制能力等,這些都需要相應的計算能力來支撐。通過邊緣計算設備擬合多方向雷達和視頻信息,產生車牌、位置、速度、軌跡、行駛姿態、車輛屬性等多種基礎元數據,并給出相關的智能分析結果。例如邊緣計算設備可以對路口200米范圍內感知數據進行融合處理和智能分析,精準刻畫每一個路口、每一條車道、每一輛車的行為,軌跡精度可達到50厘米,軌跡準確率可達到95%以上;邊緣計算設備可以打通攝像機、雷達、信號機三者之間數據,信號燈可以根據路口實時交通情況進行調整優化。

    中心側計算平臺通過數據建模的方式,快速合成多種業務指標,如路口溢出、排隊長度、路口停車次數、路口行駛速度、各方向過車流量、交通違章事件等,全面服務于城市交通治理全場景。例如在中心側計算平臺,可以結合全息路口數據和互聯網數據,做宏觀路網OD軌跡分析(30分鐘-60分鐘)和中觀車輛路徑重構(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計算平臺之間的有線、無線(4G/5G)回傳網絡,另一方面還包括路口和交通參與者之間的通信網絡。

    回傳網絡方面,在不考慮路側攝像頭視頻流以及激光雷達/毫米波雷達原始點云數據的回傳時,每個接入交換機點位的單向帶寬宜不小于15Mbps,核心交換機(核心路由器)根據下掛接入交換機點位數滿足傳輸帶寬要求,宜不少于1000Mbps帶寬。

    路口和交通參與者之間的通信網絡方面,可采用C-V2X、汽車電子標識(RFID)、ETC等。其中,C-V2X不僅可以實現路口基礎設施和交通參與者之間的通信,還能實現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 路口應用方案功能及性能要求

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    02、全息路口相關標準陸續發布

    2022年3月16日,中國智能交通協會發布團體標準T/CITSA 20-2022《道路交叉路口交通信息全息采集系統通用技術條件》,主要規定了道路交叉路口交通信息全息采集系統的系統組成、功能要求和性能要求。系統架構如圖1所示。

    前端采集單元包括視頻圖像采集,結構化數據檢測和多維數據采集。邊緣計算單元提供攝像機等視頻感知檢測設備獲取的實時視頻、抓拍圖片等媒體數據和智能檢測分析后的結構化數據,以及雷達等多維傳感設備獲取的結構化數據。

    邊緣計算單元統一部署在路口,對各方向采集的視頻圖像和結構化數據進行管理和計算,形成路口車輛的融合信息,上傳至業務應用平臺。

    業務應用平臺功能,包括俯視全景視角的路網監測和路口監測、路口評價、信號評價、組織評價、安全評價等各種功能。

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    圖1 道路交叉路口交通信息全息采集系統架構

    2022年1月17日,浙江省產品與工程標準化協會發布團體標準T/ZS 0265—2022《全息智慧路口建設規范》,規定了城市道路全息智慧路口建設的基本要求、內容、主要方法和實施等內容。系統架構如圖2所示。

    路口終端設備建設內容應包括交通雷達、視覺感知設備、道路交通信號控制機、道路交通智能信號燈和智能機柜,根據應用需求可選擇布設可變導向車道控制器和可變導向車道指示標志。

    在邊緣端(通常在路口)布設邊緣計算系統,建設內容應包括邊緣智能小站、視覺智能識別模塊、雷達視頻擬合模塊和信號控制優化模塊。

    中心基礎平臺建設內容應包括中心硬件服務器、物聯接入平臺、數據管理平臺、算法管理平臺和業務支撐平臺。

    業務應用服務建設內容應包括設備資產管理服務、車流平行仿真服務、運行指標監測服務、智能信號控制服務、事件監測預警服務和視頻智慧聯動服務。

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    圖2 全息智慧路口系統架構

    2021年8月,湖南省市場監督管理局發布《智慧城市路口智能化路側系統技術要求(征求意見稿)》,對智慧城市路口智能化路側系統技術要求做出了規定。

    車聯網路側系統功能應滿足以下要求:①應支持壓線、變道、逆行、違停違章檢測功能;②應支持停車、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、車頭時距、車頭間距、排隊長度、擁堵檢測;③宜支持社會特殊和警務、政務車輛的識別,如:警車、救護車等;④應支持識別目標交通參與者即時位置、即時速度、方向航向角、加速度等動態屬性,支持識別區間內車輛數、空間占有率、平均速度等動態屬性;⑤應支持排隊長度檢測功能,輸出排隊長度、隊首隊尾車輛位置、排隊車輛數;⑥應能對交通異常事件進行檢測,包括行人闖入、異常停車、逆行、變道、超高速、超低速緩行、擁堵、占用應急車道、道路遺撒等,并能輸出報警信息;⑦應支持識別車輛的實時經緯度位置和行駛車道;⑧感知目標應提供五類基礎元數據(位置、速度、車牌/ID、屬性、姿態)。

    03、從全息路口到數字孿生路口的技術演進

    數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體,借助歷史數據、實時數據、以及算法模型等,模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。因此,數字孿生路口不僅僅具有仿真能力,還應具備預測和控制能力,給出如下的數字孿生路口定義:“數字孿生路口 = 三維實時仿真 + 精準預測 + 動態控制”。

    (1)三維實時仿真

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

    全息路口擁有“全方位感知 + 超強計算 + 可靠通信”能力。在建設感知網絡、可計算路網的基礎上,加入目標融合算法,使各類傳感器獲取的原始不連貫目標信息相互印證、互為補充,形成基本完整的目標屬性信息。例如通過地圖的關聯關系,將雷達檢測的目標和視頻識別的目標建立聯系。同時,將實時檢測目標疊加在高精地圖上,實現物理空間與虛擬空間的對接,完成數字映射的全息感知,也就是建立了三維立體展示的數字孿生仿真路口。

    (2)精準預測

    基于大數據思維,數字孿生路口可以通過分析車輛歷史軌跡,尋找車輛潛在的運行規律,并對車輛行為作出大概率的精準預測。例如,通過車輛歷史數據的跟蹤積累,可以掌握個體車輛的位置、狀態及目的地,記錄車輛每日每次的精細化出行軌跡,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控提供核心數據,還可以實現突發交通事件的檢測和報警,為車輛提供道路基礎設施靜態信息及運營動態信息,保障和提升駕駛汽車安全性。

    同時,將系統內實時感知的車輛、非機動車等軌跡,以及基于個體行為的交通模型通過大數據獲取的預測信息導入交通仿真系統,能夠準確作出短時交通路網變化情況預測,實現精準預測交通事件對現有路況的影響。通過將城市中的物理基礎設施、信息技術設施、社會基礎設施和商業基礎設施連接起來,對數據進行收集、清洗、存儲和標準化,基于數字孿生實現交通的精準預測和決策。例如在前方車輛故障導致占用一條車道的情況下,交通仿真系統可以推測在當前管控方案和流量狀況下,是否會發生擁堵以及發生何種級別擁堵,相當于向管理者提前預告事件演化過程,將對后期管控策略調整提供堅實的數據基礎。

    (3)動態控制

    搭建元宇宙的底層架構工具分為四層,最基本的第一層為游戲引擎,此基礎上衍生出數字孿生、數字原生、虛實共融:①元宇宙從數字化設計起步,運用到最基礎的游戲引擎工具;②為解決現實世界的一些問題,在虛擬世界中對已知物理世界的事物進行仿真建模,做高性能計算去推理預測,即數字孿生;③當人工智能足夠智能化,可以在數字世界中原生出很多內容,即AIGC(AI-Generated Content,AI生產內容),或者用戶通過輕便化的工具原創出在現實世界中不存在的內容,即數字原生;④當數字原生的東西足夠大、足夠強盛,必然會反過來影響現實世界,并且與現實世界相互融合,即虛實相生。

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

    數字孿生路口強調虛實之間的交互,即數字孿生模型能生成一定的策略,對物理對象進行動態控制,并對物理世界的作用結果以數據的形式反饋回來,從而進一步優化模型,實現模型的實時更新與動態演化,也就是持續改進。具備實時性、閉環性的數字孿生進入交通領域,正好彌補了交通管理和控制的不足之處。

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