数字孪生模型构建关键技术概述及在道路交通管理中的应用（上）
数字孪生模型构建关键技术概述及在道路交通管理中的应用（上）
随着新一代信息技术的快速发展，数字孪生因具备虚实映射、实时交互、迭代优化、全要素数据表达等特点，成为推动数字化转型的重要技术手段，运用数字孪生技术可以解决道路交通管理部分难点问题。数字孪生模型作为物理实体的数字化表达，通过对物理实体的全面建模和仿真，实现了对物理实体的检测、分析、控制和优化，是数字孪生“虚实映射、以虚控实”的关键要素。本文从数字孪生模型定义、构建关键技术、典型应用案例等方面进行概述，并对模型构建现存问题提出针对性意见建议。
据公安部统计，2023年全国机动车保有量达4.35亿辆，机动车驾驶人数量达5.23亿人。随着机动车保有量稳步增长、交通参与者愈发多元化，道路交通管理工作面临复杂严峻的挑战，传统管理手段因存在信息孤岛、协同性差、管理离散化等制约，难以满足日益增长的交通管理需求。数字孪生通过深度融合传感器网络、物联网、云计算、人工智能等一系列信息技术手段，在虚拟空间构建与物理实体及其运行过程保持一致的高保真数字化模型，可以用于监测、诊断、预测、优化设计、运行和服务等多类场景。由数字孪生技术实现的解决方案显著提升了复杂系统管理的智能化水平与决策效能，目前已在智能制造、智慧城市、工业互联网等领域取得广泛应用，引起学术界、工业界和政府部门的高度关注，利用数字孪生技术解决道路交通管理难点问题是行之有效的方法。作为实现数字孪生落地应用的重要基础，数字孪生模型构建关键技术的研究至关重要。
一、数字孪生模型构建关键技术概述
北京航空航天大学陶飞等人提出了数字孪生五维模型概念，包括物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务、连接五部分。其中虚拟实体可称为数字孪生模型，作为对物理实体的数字化表达，通过对物理实体进行多维度、多时空尺度、多领域的描述刻画，结合算法模型实现对物理实体的实时监测、分析、控制和优化，为决策提供可靠的数据支撑，是实现数字孪生“虚实映射、以虚控实”的关键要素。数字孪生模型主要由几何模型、语义模型及关联映射组成，其中几何模型旨在表达物理实体的内外部特征和行为规律，构建过程主要侧重于确保模型的准确度、精度和还原度；语义模型是对物理实体及有关的各类信息进行数字化表达，基于几何模型深度理解物理实体，提取、整合物理实体的各项属性特征、运行规则等相关信息，构建信息知识图谱，满足计算机读取与检索等需求。
（一）数字孪生几何模型构建
数字孪生几何模型是实现数字孪生虚实映射的关键基础，是抽象化表达物理实体的“几何、数据、接口、属性、规则”等信息，并利用统一建模语言进行表达，通过集成多源数据，获取全面、精确的几何信息实现多尺度特征和全要素特性的复杂几何模型的构建。具体构建过程：一是数据采集与处理，利用数据采集系统完成多源数据的采集，如GIS数据、倾斜摄影数据等，对数据进行清洗、预处理，以符合模型构建的标准格式存储。二是特征提取及融合，从数据中提取物理实体的几何属性，集成融合特征，实现对物理实体几何属性的精准刻画。三是几何模型构建，面向实际领域业务需求，根据物理实体的几何属性，利用领域建模方法进行数字孪生模型构建，如高精地图三维建模、基于倾斜摄影的三维建模等。