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数字化交通规划基于数字孪生的探索与实践

2023-08-07 71 上传者：管理员

摘要：城市现代化治理背景下，要求依托城市信息模型平台与数字孪生城市建设，提升泛在感知和智能决策能力。针对城市交通规划决策仍然面临方案评估论证周期长、空间布局和成果展示不直观、决策调度效率低等痛点，提出基于数字孪生的数字化交通规划平台整体框架，围绕辅助决策、智能中枢、孪生底座等方面进行系统性的功能设计。结合平台在城市级交通网络规划、片区级开发决策支持、通道级交通综合治理等领域的应用实践经验，围绕方案评估科学化、空间布局可视化、成果展现直观化等方面，论证平台对于交通基础设施建设、专项政策制定等业务的支撑作用。

关键词：
交通规划
孪生平台
数字化规划
数字孪生
辅助决策
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近年来，数字治理能力建设正成为城市现代化治理中的关键。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设。探索建设数字孪生城市”，明确要求重点建设城市信息模型平台与数字孪生城市。

住建部《城市信息模型基础平台技术标准》中对城市信息模型（city information modeling,CIM）进行了明确定义：是以建筑信息模型（BIM）、数字孪生（Digital Twin）、地理信息系统（GIS）、物联网（Io T）等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维信息模型数据和城市感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。城市现代化治理要求加快建设城市信息模型基础平台和运行管理服务平台，探索建设数字孪生城市，有效提升城市运转和经济运行状态的泛在感知和智能决策能力。一是在前沿技术赋能城市规划方面，要求全面推进CIM平台在城市规划智慧城市、智慧交通等领域深化CIM+应用，提升城市精细化、智慧化管理水平[1]；二是在支撑城市场景可视化方面，要求支持城市的全方位、多模式、三维动态可视化表达，对城市场景中的人文要素、地理要素以及社会要素进行可视化表达；三是在提升智能决策能力方面，亟需建立全面感知、智能处理、精准决策的城市市政基础设施智能化体系，利用CIM技术实现跨部门的业务协同。

数字化背景下，城市交通规划决策仍然面临方案评估论证周期长、空间布局和成果展示不直观、决策调度效率低等痛点。一是方案评估周期长，交通规划类项目看现场、调查踏勘、数据协调等工作普遍需要2～3周；定量评估模型搭建专业门槛高，方案评估论证通常需要1～2个月；项目选址合规性、合理性、项目空间碰撞检查等评估工作需要近1个月时间[2]。二是成果展示不直观，方案汇报和评审材料以二维图纸为主，视角单一，不够直观，且规划成果汇编以线下资料提交为主，平面规划图纸较为抽象。三是决策调度效率低，通常涉及10余个部门多轮次咨询、沟通、协商，跨部门业务协同效率低；专家会、审议会等会议筹备资料多、时间长、成本高；审议决策过程，相关数据信息的全面性、时效性有待提升，影响决策调度效率[3]。

1、基于数字孪生的数字化交通规划

本研究提出基于数字孪生的数字化交通规划整体框架，基于CIM全要素数字空间和网络级数据，融合多层次交通模型，实现空间布局可视化、成果展现直观化和方案评估科学化等辅助决策，支撑城市交通重大基建规划、专项政策制定和城市重点片区综合开发等业务应用，助力城市可持续、高质量发展。平台整体架构包含辅助决策、智能中枢及孪生底座3个层次（见图1）。

图1基于数字孪生的数字化交通规划整体框架

1.1辅助决策

1.1.1规划项目论证

基于数字孪生的交通规划辅助决策，涵盖了产业、空间、市政配套等多维度论证能力，面向空间论证、规划选址、方案比选等业务提供平台化应用功能，更高效直观地展示交通规划设计项目，并支持多用户主体会商沟通。基于CIM平台，围绕交通规划项目的策划论证与投资决策需求，以相关政策规范及历史项目统计指标为审批字典，融合多源数据，从规划协调性、实施条件支撑、建设方案、投资估算、效益分析等5个维度分析论证项目的必要性与可行性，实现AI机器分析与人工决策相辅相成，提供更科学精细的交通规划项目论证（见图2）。

规划协调性方面，主要根据项目建设信息与国家、省、市的国民经济规划、国土空间规划、专项规划、其他等政策和空间范围进行匹配、比对，通过系统逻辑判定项目规划协调性，给出相关的建议，如项目建设范围在空间上是否和国土空间“三区三线”产生冲突。在实施条件支撑方面，通过可视化的三维空间叠加分析，利用多图层叠加分析、BIM模型叠加分析等关键技术，分析项目与附近的建筑物、交通设施、环境、地下空间中水、电、气、通信等管网、安全设施等冲突情况。在效益分析方面，依托CIM平台可计算的底座能力，重点围绕规划项目周边覆盖的人口、岗位进行评估，人口岗位数据颗粒度达到百米级精度。以上综合评估分析，为项目智能辅助选址和方案比选提供了关键技术支撑。智能辅助选址，利用CIM平台地块筛选、缓冲区计算、空间拓扑分析、周边信息查询、优先级推荐等能力，结合法定图则中各地块的用地性质和地块面积，实现规划项目选址推荐“秒出结果”。规划方案比选，旨在通过城市发展、空间规划、市政配套等不同维度、不同图层资讯的融合评估，为交通规划项目方案优先级推荐提供决策支持。

图2基于CIM的交通规划项目论证体系

1.1.2项目协审会商

交通规划项目的协审会商，同样是辅助决策的重要应用，包含规划方案表达、规划方案多人协作、协同会商、多方案比选与研判等场景。基于CIM的数字规划设计平台中打通整合BIM模型与规划分析过程表达，在CIM平台实现完整规划设计方案的沉浸式汇报体验，可快速提升项目汇报的精度与呈现效果。基于CIM的数字化规划设计平台可实现创建项目并分配给项目组成员权限，项目组成员可多人协作在CIM平台中编辑项目成果内容，在平台端实现项目内容、项目进度、项目版本在线管理等。针对多人协同会商，依靠平台整合BIM与三维设计方案叠加多空间指标图层分析，各会商人员在平台中可快速熟悉了解方案，并对方案疑问进行点、线、面要素与内容自定义标注，方便快速收集规划项目意见，并进行正对性调整，提升规划设计项目会商的效率。此外，平台还设计了多方案自定义研判比选窗口工具，方案对比中整合空间指标图层、方案BIM模型展示、叠加交通仿真运行轨迹，可辅助规划项目人员快速对各类型规划方案、运行指标进行对比研判（见图3）。

图3基于CIM的交通规划项目协审会商（以深圳机荷高速改扩建仿真为例）

1.2智能中枢

为实现基于数字孪生的交通规划辅助决策，在智能中枢方面，研究提出打造涵盖多源交通大数据汇聚、管理、计算和应用的全生命周期数据算法中台，面向交通规划行业赋能的城市交通治理智能计算开放平台。一方面，面向政府管理部门提供企业级数据治理和共享服务；另一方面，为规划师提供大数据决策支持，提供标准的数据、算法和组件服务，提升规划效率。

智能中枢的总体架构设计主要包括数据中台、算法中台、技术中台等内容，系统部署多源异构数据、知识图谱以及推演算法，搭建支撑差异化业务功能，适应数据弹性生长，算力、数据、算法等全面共享。以指标库、算法模型库为核心的智能计算云平台，面向规划辅助决策的指标专题库设计，搭载算法先进、计算高效的评估模型体系，将全面赋能评估论证、空间选址、规划成果审议等业务场景。

在数据中台方面，依托平台提供统一的数据汇聚功能，设计了超过20大类、100小类规划数据，超过1 000项规划业务指标，构建了面向多场景的交通规划指标体系（见图4）。面向城市交通规划和治理应用，研究了交通大数据的数据体系，建立交通大数据汇集、存储、管理、服务的标准规范，实现数据的全生命周期管理。

在算法中台方面，针对传统交通规划模型调用复杂、难以共享、资源分散、部署困难等痛点，设计了从算法开发、算法打包、算法上架到算法使用的“算法流水线”。在算法部署方面，采用容器化部署的方式，实现镜像构建、定义标准输入输出、向导式算法上架和封装功能，解决算法服务的局限性。支持函数使用、一键使用、API调用等3种算法调用模式，设计了超过150类交通规划相关算法，逐步形成算法先进、计算高效模型算法体系，打造城市数字孪生算法中枢（见图5）。

1.3孪生底座

孪生底座定位为统一的城市级数据底座，以关键技术为支撑建立的城市CIM数据底座，数据类型和数据体量均超过既有的数字信息化平台，可面向城市各层级业务应用提供最全面的数据支撑服务。依托平台对BIM与三维模型的承载能力，在CIM平台中可精细化还原虚拟城市运行的全流程，包括城市建筑、动态感知、交通管廊、市政水务等三维立体空间形态和动态城市运行要素。通过海量的Io T物联感知数据接入，将城市实时运行态势和特征映射到CIM平台中，让CIM平台成为动态、实时运行的孪生城市，依托强大的物联感知能力可以有效向上支撑各类型城市感知、决策、评估的精细化应用。CIM基础平台是城市交通规划、建设、治理、运行的基础性操作平台，强大的应用支撑能力可以使支撑的行业跨度较大，覆盖智慧交通规建管养全行业应用。

交通数字孪生平台，作为全域、三维、动静态、多源异构数字孪生平台，由空间层、信息层、活动层组成。空间层方面，以CIM技术为载体搭建多场景多精度城市空间模型，包括二维平面底图、轻量化白模、高精白模、倾斜摄影、高渲染平台等。在信息层方面，基于BIM构件级建模技术，融入各类BIM项目数据、建筑道路BIM模型，支撑BIM施工图审查、BIM规划报建审查审批等应用系统建设。在活动层方面，重点长期动态追踪人、车、轨道交通等全要素个体出行活动规律，持续监测城市建设用地变迁，支撑城市职住空间演化分析，融合城市用地、建筑和手机信令等多源数据，分析城市居住人口和就业岗位演化。

图4面向多场景的交通规划指标体系

图5面向交通规划的模型算法体系设计

在孪生平台的技术实现方面，支持多源异构数据接入，支持GIS、建筑模型BIM/CAD、高层模型DEM、地质数据、地图街景HDMap/OSM、卫星遥感数据、倾斜摄影点云、视频等至少10类以上的多源数据自动融合。在信创体系支持方面，基于UE引擎自主研发，从服务器、处理器、网络到存储、软件、全面支持国产化。平台的设计实现了多云兼容，可部署至政务云、国资云、公有云及私有云，支持混合部署。

2、应用实践

当前，基于数字孪生的数字化交通规划平台在城市级交通网络规划、片区级开发决策支持、通道级综合治理与改善等交通规划领域已有一定的应用实践经验，在政府决策、城市运营、交通管理、市民服务等领域持续发挥建设性作用。

2.1城市级轨道交通网络规划

以CIM空间平台为底座，构建了深圳市城市级轨道交通网络规划平台（见图6），将轨道交通空间和线路立体可视化呈现，推动多层级轨道交通网络规划模拟仿真和推演评估，全面提升规划效率，可支持快速直观了解规划效果、评判建设效益、支撑网络“全局最优”科学决策，适用于超大、特大城市轨道交通规划建设。

平台全面整合多源数据、实现多规融合“一张蓝图”。在CIM平台上叠加了城市轨道交通、国铁、城际等多层轨道交通网络以及土地利用、生态红线、产业布局等多类国土空间数据，实现与现有上位战略规划和重大政策的充分衔接。基于CIM平台，实现了快速了解城市用地、空间布局、职住分布、出行需求等多维信息，直观展现轨道交通发展现状、出行客流量、人口岗位覆盖率以及规划线网情况，并可接入轨道交通站BIM模型，为后续建设运营提供支撑。在此基础上，通过规划轨道交通线路的客流需求分析、重点片区（产业基地、文化场馆、体育设施、医院设施等）、空间走廊覆盖、周边城市规划衔接、出行时间评估和综合效益等可视化指标对比，科学支撑多方案组合分析、方案比选和方案论证评估，让相关管理部门清晰明白地洞悉规划建设情况

图6深圳市城市级轨道交通网络规划平台

2.2片区级开发决策支持

针对重点片区开发建设统筹难、区域承载力协调难等问题，建立了基于CIM平台的城市TOD开发决策支持平台，通过重点片区的片区属性、道路需求和节点需求等多维分析，科学评估不同业态模式下的片区开发建设合理性，支撑了前海片区、深圳湾超级总部片区和西丽枢纽等10余个综合片区开发建设。

以前海片区总体开发建设为例，通过分析交通需求、路网运行态势、停车位供需、轨道交通现状及规划情况等因素，对不同轨道交通线路走向、道路建设和停车位规划方案进行网络测试（见图7）。发现已有规划无法支撑片区的有效运行，通过测算后将前海片区工程开发量总体由2 600万m2变更为2 380万m2，职住配比由4.0∶1.0变更为2.3∶1.0，全面推动城市开发资源合理优化配置，实现重点片区内外部协同和城市价值升级。

图7深圳市前海城市综合开发决策平台

2.3通道级交通综合治理

针对通道类、廊道类交通规划项目空间数据管理和三维方案展示不足、方案会商汇报和协同规划能力缺失等难题，基于CIM底座融合海量基础设施、物联网IOT和交通运行多层级数据，构建实时动态分析计算的数字孪生底座，支持用户自主作业、生产项目以及协同应用，实现基于数字孪生的综合应用。

以深圳市梅林关通道拥堵改善为例，梅林关是深圳市的南北主要通道，早高峰进关方向的道路拥堵里程达1.8 km，持续2 h；轨道交通4号线拥挤里程4.2 km，持续1.8 h。通过在CIM平台对梅林关交通改善全过程进行方案规划、展示、汇报、评审，整合BIM模型与规划数据对改善方案直观展示，可提供方案实施前后效果仿真预测和指标分析，动态呈现不同改善方案对周边道路运行的影响和效益，辅助规划建设决策（见图8）。

图8基于CIM的梅林关通道拥堵改善

3、结语

在数字孪生城市建设背景下，城市交通规划面临城市定位快速匹配、利益主体协同难和决策链路周期长等多重挑战。与此同时，城市交通复杂巨系统治理需求由静态低频、粗颗粒度和交通单一维度向更动态高频、更细颗粒度和更多维评估转变，迫切要求以数字孪生等技术为抓手，实现轻量化、经济化、最合适的融合感知，打造标准化、流程化、工具化的智慧平台，为决策者提供更专业、更精准、更贴心的数字规划服务。本研究依托数字孪生底座，融合宏观-中观-微观多层次交通模型和交通-土地-安全-经济-环境等多维度评估模型，实现空间布局可视化、成果展现直观化和方案评估科学化，支撑城市重大基建规划、专项政策制定和城市重点片区综合开发等业务应用，以规划引领社会、经济价值变现提升，助力城市可持续、高质量发展。

参考文献:

[1]伍朝辉,刘振正,石可,等交通场景数字李生构建与虚实融合应用研究[J]系统仿真学报,2021,33(2):295-305.

[2]郑伟皓,周星宇,吴虹坪,等基于三维GIS技术的公路交通数字孪生系统[J].计算机集成制造系统,2020,26(1):28-39.

[3]徐文扬基于车城融合的交通数字孪生体的建设思路与探索[J]智能建筑与城市信息,2022(8)-5-8.

文章来源:许华杰,朱启政,陈勇等.基于数字孪生的数字化交通规划探索与实践[J].交通与运输,2023,36(S1):156-160.