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(cè)+ 動(dòng)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
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(chǎng)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。
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(dòng)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(chǎng)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(jí)車輛軌跡、信號(hào)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(chǔ)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(huì)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(duì)比如表1所示。
表1 全息路口感知方案對(duì)比表
對(duì)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(zhǎng)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(hào)、車型、顏色等）；③交通參與者數(shù)據(jù)（例如非機(jī)動(dòng)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(tái)。
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(hào)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(duì)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(gè)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(hào)機(jī)三者之間數(shù)據(jù)，信號(hào)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(tái)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(zhǎng)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(chǎng)景。例如在中心側(cè)計(jì)算平臺(tái)，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(tái)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(gè)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(shí)（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。基于C-V2X典型路口場(chǎng)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(guó)智能交通協(xié)會(huì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(tái)。
業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)功能，包括俯視全景視角的路網(wǎng)監(jiān)測(cè)和路口監(jiān)測(cè)、路口評(píng)價(jià)、信號(hào)評(píng)價(jià)、組織評(píng)價(jià)、安全評(píng)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(huì)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(hào)控制機(jī)、道路交通智能信號(hào)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。
中心基礎(chǔ)平臺(tái)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(tái)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、算法管理平臺(tái)和業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)。
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(cè)服務(wù)、智能信號(hào)控制服務(wù)、事件監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)和視頻智慧聯(lián)動(dòng)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(chǎng)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(duì)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。
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(cè)、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(cè)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(cè)+ 動(dòng)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(duì)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。
（2）精準(zhǔn)預(yù)測(cè)
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(duì)車輛行為作出大概率的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。例如，通過車輛歷史數(shù)據(jù)的跟蹤積累，可以掌握個(gè)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(cè)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(yíng)動(dòng)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(dòng)車等軌跡，以及基于個(gè)體行為的交通模型通過大數(shù)據(jù)獲取的預(yù)測(cè)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(cè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)交通事件對(duì)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(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施連接起來，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、清洗、存儲(chǔ)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(cè)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(cè)在當(dāng)前管控方案和流量狀況下，是否會(huì)發(fā)生擁堵以及發(fā)生何種級(jí)別擁堵，相當(dāng)于向管理者提前預(yù)告事件演化過程，將對(duì)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(dòng)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(duì)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(cè)，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(huì)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(duì)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(duì)物理對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，并對(duì)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(dòng)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。
