基于数字孪生的智慧高速公路虚拟仿真实训中心建设研究

廖志远 罗宜春

文章以智慧交通建设大背景下广西智慧高速公路建设试点工作为切入点，分析了新一代智慧高速公路的系统架构与虚拟仿真实训中心的功能结构，并结合职业教育实际，根据校企共建、资源共享、协同共管的建设思路与数字孪生的技术路线与科普体验、教学实训、社会服务的功能划分，从科学管理、激励创新的长效运行机制等方面提出了智慧高速公路虚拟仿真实训中心的具体实施路径，为构建交通类虚拟仿真实训中心提供建设思路与理论支撑。

智慧高速;数字孪生;虚拟仿真;实训中心

U491.1+23A511863

0 引言

交通是兴国之要、强国之基。2020年5月，广西壮族自治区交通运输厅在公布的《2020年广西交通运输数字交通、智慧交通工作要点》中提到要结合数字广西和交通强国试点建设项目，抓住国家西部陆海新通道建设核心区域的发展契机，大力发展数字交通、智慧交通，并以南宁沙井至吴圩高速公路（以下简称沙吴高速）建设作为目标，运用新一代信息技术建成国内首个支持车辆自动驾驶的高速公路路段，同时建立相应技术标准、规范与实验高地[1]。

要实现交通强国，抢占智慧交通产业发展的高地，就离不开一大批分别从事规划设计、技术研发、项目实施、管理维护等工作领域的交通专业人才。智慧高速是一个融合了5G、物联网、云计算、大数据等新一代信息技术的“新基建”，涉及的学科从广度、深度来看是一个高度交叉融合的综合系统，且其应用环境的复杂性与信号传递的隐蔽性给高校在智慧交通相关专业的人才培养上带来了极大挑战，而虚拟仿真技术则可以有效地解决教学实训活动中这些难开展、难具现、难体验的问题。

1 智慧高速公路系统架构分析

如图1所示，智慧高速公路系统大体可分为基础物理、智能感知、网络通信、分析决策四个子系统，其核心在于依托全息感知网络和分析决策平台实现智慧高速公路物理系统和信息系统的闭环、一体化系统管控。该系统通过视频监控、图形图像处理技术与激光、探地等雷达探测技术获取人车状态数据，通过车载、路侧的气压、温湿度、风力等传感检测装置获取交通环境数据，通过车辆、基础设施运行状态与系统能耗状态的数据，通过物联网的底层架构采集基础物理系统的各项数据，利用光纤专网、5G网络、北斗卫星通信网络、DSRC与LET-V技术实现音视频、数据参数回传至智慧高速公路管理控制中心并存储至基础数据库[2]。基于云计算平台的庞大算力，针对感知系统采集而来的数据进行数据建模，利用大数据技术开展数据挖掘与数据清洗，结合物理实体与虚拟模型数字孪生管理平台开展分析推演，支撑业务管理平台开展车路协同与自动驾驶、自由流收费、智能基础设施管养、沉浸式信息服务、精细化交通管控调度等分析决策功能。

2 智慧高速公路虚拟仿真实训中心设计

2.1 功能设计

综上所述，智慧高速公路系统是一个多元化、高度交叉融合的一体化闭环系统，且其本身自带虚拟仿真平台以满足管理中心快速分析决策的需求，但移植到教育教学环境中还是需要有所取舍和重新规划设计的[3]。教育部以及交通行业指导委员会非常重视虚拟仿真实训中心在职业教育人才培养中的作用，提出要充分发挥虚拟仿真技术在教学实训中的开发应用、教学培训、示范推广工作，进一步促进信息技术为职教信息化、现代化服务，提高专业技术技能人才培养质量。如表1所示，要使智慧高速公路虚拟仿真实训中心成为典型示范窗口，就必须深入挖掘其内涵作用并扩大其服务范围与影响力，所以本文将智慧高速公路虚拟仿真实训中心根据功能的区别划分为科普体验区、教学应用区、社会服务示范区，利用虚拟现实场景高交互性、多感知性和可操作性等系统优势提供沉浸式的体验场景，面向学校、企事业单位、社会提供智慧高速公路细分应用场景的科学普及、产教学研、分析决策等服务功能，为实现壮美广西、交通强国而培养、输出交通类专业综合素质技能型人才。

2.2 平台设计

虚拟仿真实训中心建设的指导思想是“以实带虚、以虚助实、虚实结合”，一切建立在虚拟、虚构之上的仿真平台都是脱离实际的，所以本文以广西“沙吴智慧高速”为实际背景，通过数字接口平台接入其数据中心基础数据库以获取真实的基础设施监测、车辆运行状态、交通环境监测等原始运行数据后，利用数字孪生技术构建物理信息系统（CPS）与物理虚拟模型，进而借助云计算庞大算力与大数据技术开展数据场景的解析重构，实现真实场景在模拟场景中的复刻呈现，以达到平行仿真交互推演的目的。并利用VR虚拟现实、AR增强现实、MR混合现实等虚拟仿真技术与AI人工智能技术，辅以可穿戴式与模拟座舱等物理感知设备为用户提供沉浸式场景体验、交互式项目模拟、镜像式的分析决策服务[4]。如下页图2所示。

3 智慧高速公路虚拟仿真实训中心建设

3.1 校企共建、资源共享、协同共管的建设思路

智慧高速公路虚拟仿真实训中心的建设需要较大的资金投入与政策支持，而且高度交叉融合性的技术体系较难实现，决策者应积极向政府相关部门争取资金上、政策上的支持，以项目立项申报、项目引进、自主研发与校企合作开发等多种模式开展建设。同时应建立起政府、行业、企业、学校多方高度协作的专项建设指导委员会推动中心的各项建设任务落地实施。在多方合作中还应立足于各方需求以构建利益共同体，同时厘清各方权责，充分发挥各方优势开展智慧高速公路虚拟仿真实训中心的共建、共享、共管，最终形成校企共建、责任共担、利益共享的“政、行、校、企”四方协调联动的产教融合、协同育人的良性循环机制。

3.2 服务于智慧交通人才培养的功能任务

广西“交通强国”试点和国家西部陆海新通道建设亟须大量复合型、高素质、专业化的交通运输技术技能人才，而虚拟仿真实训中心最终是以服务智慧交通人才培养为核心目的的，能够实现人才培养手段信息化、现代化与高效化的核心角色是一线专业教师。高校应依托虚拟仿真实训中心项目的建设，提高专业教师的信息化教学素养，提升专业教师设计虚拟仿真教学项目与虚拟仿真技术的应用能力，同时促进教师优化人才培养方案、创新虚实结合的人才培养模式、反转课堂教学方法、拓展多元化教学考核评价体系，从而提升学生实训的效果，进而提升技术技能人才培养质量。只有这样，才能真正发挥智慧高速公路虚拟仿真实训中心的功能作用。

3.3 科学管理、激励创新的长效运行机制

新一代信息技术的迭代周期与产品周期是非常快速的，同时也会快速促进智慧高速公路的系统架构以及技术路线的更新换代，要保障智慧高速公路虚拟仿真实训中心的先进性就需要建立能够保证其平台资源适时性的常态化“保鲜”机制。高校应配套成立虚拟仿真实训中心专门管理机构并建立健全相关管理制度，定期组织召开专项工作会议，实时跟进新项目、新技术的应用。同时应配足年度虚拟仿真实训中心的专项建设经费预算，建立激励创新保障制度，在专业建设相关委员会的指导下鼓励教师积极开展虚实交替的课程资源开发与教科研项目的研发等，在不断填充、更新虚拟仿真教学实训资源的同时保障中心的良性长效运行。另一方面，应积极开展虚拟仿真实训中心的应用宣传工作，面向社会定期开放并组织参观交流等成果展示、分享活动，起到典型示范与引领作用。

4 结语

新一代信息技术的发展与下沉促进了交通行业的变革性发展，智慧高速公路作为智慧交通的一个重要组成部分将有力带动物联网、智能制造等相关产业的蓬勃发展，同时也将是我国在社会经济结构转型发展与实现产业经济增长的基点。本文以交通信息技术类职业教育为出发点，以广西“沙吴智慧高速公路”为切入点，论述了基于数字孪生的智慧高速公路虚拟仿真实训中心的平台建设与系统设计，服务于科普、教学实训、科研、辅助决策等功能。未来，将从标准和技术研发等方面对智慧高速公路开展深入研究，形成更加完备、實用的技术和保障体系，为智慧高速公路的全面推广实施与人才培养提供有力保障。

[1]广西壮族自治区交通运输厅.2020年广西交通运输数字交通、智慧交通工作要点[EB/OL].http：//jtt.gxzf.gov.cn/xwdt/tzgg/t5314286.shtml，2020-05-07.

[2]张纪升，李 斌，王笑京，等.智慧高速公路架构与发展路径设计[J].公路交通科技，2018，35（1）：88-94.

[3]陈 波，苏炽斌.智慧高速公路物联网技术应用与发展探讨[J].中国交通信息化，2018（11）：39-40.

[4]董 莹，董 鹏，唐 猛.我国智慧交通的现状和发展对策研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（8）：264-266.