数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径.pdf
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1、西部素质教育2023 年 9 月第 9 卷第 17 期数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径卢维科1,胡国静2*,成明1(1 苏州大学轨道交通学院,江苏 苏州,215031;2 苏州科技大学土木工程学院,江苏 苏州,215009)人工智能、大数据、数字孪生、区块链等技术发展迅速,改变了教学要求,也影响着教学理念、文化和生态。我国已发布 教育信息化 2.0 行动计划,提出主动应对新技术浪潮带来的新机遇和新挑战,强调应积极探索教学新模式,利用新技术驱动教学创新1。智能交通仿真是交通工程专业教学体系中连接理论教学与实践教学的纽带,既需要对先进的交通理论、模型、算法、技术等进行解析,又需要从解决实
2、际交通问题角度出发推动方法与方案落地。在实际教学中,如何通过智能交通仿真教学丰富学生的实验设计,激发学生对交通工程专业的热爱和深度思考,一直是课堂教学改进的重点之一2。基于此,本文拟对数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用加以探讨。一、数字孪生技术概述(一)数字孪生技术的内涵数字孪生技术是将实际研究对象映射到虚拟系统,建立虚实交互的一种技术手段。其以数据和模型的集成融合为基础与核心,通过涵盖多学科、多物理量、多尺度、多概率的超精细仿真,在虚拟空间中构建具备实体全属性的数字孪生体与高逼真环境,为场景测试、机理描述、异常诊断、风险预测、决策辅助等提供支撑3。在 2019 年高德纳(Gartner)
3、发布的十大战略性技术趋势中,数字孪生技术与区块链技术、量子计算、边缘计算技术等一同位列其中4。(二)数字孪生技术的优势从技术构成上来看,数字孪生技术是计算机技术、信息技术、大数据技术、人工智能、虚拟技术、通信技术、网络技术等技术的集成。数字孪生体和虚实交互是数字孪生技术的两个关键点。数字孪生体不仅需要精细反映对象实体特征,如外观、元素、组件、机构、组成等,也要反映对象的影响因素、原理、属性、方法、机理、变量等,更要反映虚拟环境中各个对象间、对象与环境间的相互作用机制与量化的逻辑关系。虚实交互主要是在数字孪生体与对象之间建立通信协议,将对象的复杂行为动态、精准地反映在数字孪生体上。一个对象或系统
4、可以有多个数字孪生体,这些数字孪生体可以承担不同的功能,如预测、评估、影响因素分析、过程解构等。同时,基于数字技术的存储技术与复制技术,可以将一个成熟的数字孪生体复制成多个数字孪生体,为不同目的的应用提供基础。借助深度学习技术及增强学习技术,数字孪生体在映射实体对象的基础上对对象的行为进行解析、模拟与学习。分布式计算技术可以为数字孪生体的多样性,特别是“分身术”性应用提供技术支撑,在分布式框架下数字孪生体可以集中映射实体对象,也能实现不同的功能与业务。相比仿真技术,数字孪生技术在对象虚拟构建、环境虚拟构建、机制虚拟构建、交互虚拟构建中集成的技术要更加广泛与复杂,塑造的数字孪生系统不再需要传统意
5、义上的仿真校准就可以实现多样化功能性应用,同时一个数字孪生体催生的应用场景要远多于一个仿真案例产生的应用场景。(三)数字孪生技术的应用场景数字孪生技术已被广泛应用于智能制造、互联网工业、智慧农业、物联网、供应链、智慧基建、智能维修、系统控制、视觉设计、行为分析、能源与环境等领域。张南等5围绕车间生产作业过程实时虚拟与监测问题,基于数字孪生框架提出了一种车间作业监控与可视化方法,并详细阐述了多源异构数据采集和处理DOI:10.16681/ki.wcqe.202317038作者简介:卢维科(1992),男,讲师,博士。研究方向:智能交通。注:本文系国家自然科学基金青年项目“非完全智能网联环境下路网
6、交通流效率与安全协同研究”(编号:62103292);教育部产学合作协同育人项目“高精度地图背景下智能网联交通工程课程体系改革与建设项目”(编号:220904757090225)。摘要:文章首先概述了数字孪生技术,然后论述了数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径,包括透视智能交通工作原理与工作全过程;构建多样化、个性化的交通仿真场景;提供沉浸式的交通仿真教学体验;等等。关键词:智能交通仿真教学;数字孪生技术;交通工程专业中图分类号:G434文献标志码:A文章编号:2095-6401(2023)17-0153-04西部素质教育2023 年 9 月第 9 卷第 17 期方法、物理车间数字孪生模
7、型构建、基于数字孪生模型的车间作业三维可视化,实现了物理车间与虚拟车间真实场景及真实数据的同步,实现了虚拟与现实的实时动态交互,再现了真实的设备动作及生产逻辑。杨文斌等6围绕传统的盾构机故障诊断方法存在感知不全面、数据噪声大、质量低等问题,基于数字孪生技术提出了盾构机实体与虚拟实时交互感知方法,建立了数字孪生盾构机模型及运维系统架构,针对盾构机主驱动减速机提出了一种仿真数字孪生建模方法,对盾构机的使用状态与故障进行判别和反馈,这对减少重大事故发生、提高施工效率及延长盾构机的使用寿命均具有重要意义。为满足新型作战形态对装备保障的需求,方伟光等7建立了数字孪生驱动的武器装备智能保障体系架构,将武器
8、保障、试验、训练、运维等融为一体,并总结归纳了数字孪生在装备智能保障不同应用场景中的共性关键技术,为后续数字孪生技术在不同军兵种、不同装备类型、不同保障领域的应用落地提供支撑。宋志忠等8以“引江补汉”为背景,探索了数字孪生技术在工程研发、设计、建设与运维过程中的实现路径,从基础设施、数据底板、孪生中枢、应用体系、安全防护体系和标准规范体系六个方面构建了总体架构。张侨禹等9构建了基于数字孪生技术的舰船动力系统智能运维平台,并通过示例验证了动力系统在智能控制、故障诊断方面的可行性。(四)“数字孪生技术+交通”交通系统是一个复杂的、开放的、动态的、随机的巨系统,其中道路、设施、出行者、车辆环境等之间
9、相互作用,难以使用数学化的模型进行精准描述。仅就地铁站、航空楼、高铁站、复杂信号控制交叉口等设施或子系统而言,其数学建模难度较大,难以利用数学模型或公式精准刻画。而如果使用数字孪生技术,将交通系统映射在虚拟环境中,可以避免单一地使用数学模型对交通系统进行描述,减少系统描述误差,同时为交通系统管控提供决策支撑与依据。当前,多数城市交通管控部门已经构建了成熟的交通智慧管控平台、大数据交通分析平台、智慧城市管理平台等;电子警察系统、卡口系统、交通视频监控系统、线圈检测系统等已经广泛应用;出行者出行信息(如地铁刷卡数据、公交刷卡数据、共享单车数据、网约车数据等)、手机信令数据、出行活动/POI 数据等
10、逐渐完善。此三个要素分别为构建交通数字孪生体系的管控端、采集端、数据端提供了基础。结合数字孪生技术,将道路、设施、车辆、行人、环境等映射到虚拟系统中,同时打通虚拟系统与既有系统的数据共享机制,可搭建集管控、采集、数据为一体的交通数字孪生平台。借助交通数字孪生平台,交通预测、评估、管控、分析等功能可以在线完成,交通规划方案与设计方案也能在此平台中被精准解析与反馈,物流、文旅、娱乐等也可以实现与交通的深度联系,协同多系统的措施可以得到更科学的检验,交通管控可以细致到以人或人群为主的小尺度层面。(五)“数字孪生技术+仿真”数字孪生技术与仿真具有天然的共通性,两者均是对研究对象的模拟与再现,因此“数字
11、孪生技术+仿真”是对仿真和数字孪生技术的再拓展与再利用。就仿真而言,与数字孪生技术相结合,可以让仿真“仿得更真实”,而利用已经成熟的数字孪生体的数据和信息,可以减少仿真中模型校准的工作量并降低难度。就数字孪生而言,与仿真结合在一起,可以对数字孪生体的应用进行专业方面的延伸。特别是数字孪生体与专业优势明显的仿真软件的结合,不仅能拓展仿真软件的使用面,而且可以降低数字孪生系统中具体专业功能的开发难度,更能提高数字孪生系统和仿真软件的使用灵活性和便利性,即允许用户在使用过程中嵌入自定义的方法、模型与算法。(六)“数字孪生技术+教学”数字孪生技术可以为教学的数字化、智慧化与信息化过程提供支撑,加深学生
12、和教师对知识的理解,当前已有多位学者探索了数字孪生技术在教学中的应用。郑蕾娜等10提出了一种融合数字孪生技术与虚拟会展实现的新教学理念,该理念侧重于创新创业能力培养与成果导向教育。数字孪生技术将催生一批数字孪生课堂与数字孪生校园,褚乐阳等11认为有必要利用数字孪生弥合虚拟教学与现实教学之间的界限,建立可支持学生全面发展的智慧学习空间。教学过程的流程分析与动态评估一直是教学评估活动的难点之一,陈秀寓12基于数字孪生技术研究了混合教学模式改革,进一步探讨了利用数字线索开展复杂教学过程模拟与分析的潜力。针对传统教学实验准备周期长、操作烦琐的缺陷,何谋海等13提出了虚实结合的混合式实验教学模式,目的在
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