数字孪生与交通OS双轮驱动—打造有获得感的智能网联2.0

信息时间：2024-01-18 信息来源：中国自动化学会

腾讯公司在智慧交通和智慧出行领域的涉足与其2018年的重大战略转型密切相关，该转型促使腾讯充分利用其在消费互联网领域积累的数字技术，旨在通过这些技术支持实体经济的发展和赋能。因此，腾讯成功进入产业互联网时代，并以数字技术的应用推动智慧交通和智慧出行等领域的进步。

一、数字交通的时代机遇

中国作为一个交通大国，拥有广泛的交通网络，包括高速公路、高铁、城市交通轨道和乡村公路等。然而，要成为交通强国，中国仍面临着一些挑战。为此，自2019年起，政府相继出台交通强国建设纲要，其中包括自动驾驶和智能网联等技术规划，以推动交通系统的效率和智能化水平的进一步提升。然而，随着机动车保有量和驾驶人数量迅速增加，道路供给量的增长却相对缓慢，导致供需矛盾，可能引发交通拥堵、效率低下和环境问题等挑战。因此，改善道路供给和交通基础设施，是目前实现交通强国目标的重要措施之一。

腾讯提出了一个基于未来车辆、交通基础设施和人的基本模型，即将人车路三者都纳入云端运行。过去十年IT领域高速发展时，以资源为中心的网格计算和网格资源是主流。然而，现在正在发生一个重大变革，即过渡到以应用为中心的分布式云。分布式云正是未来复杂环境和复杂交通的基石。如何构建非常可靠的网络和云平台，能够安全地运行各种应用，是一个巨大的挑战。分布式云正好利用其弹性和安全能力，为实现这一目标提供了很好的解决方案。

二、实时孪生技术

与传统孪生可视化不同，实时孪生技术将感知、通信、时空计算和渲染相结合，主要目的是将复杂的交通环境甚至一辆车数字化，尽量用简单的语义描述复杂的场景，以便充分发挥人工智能的能力，如图1所示。实时孪生的数字化结果可用于仿真、推演和AI计算。此外，我们还开发了面向工业互联网的OS系统，包括交通领域的OS系统，它们运行在云上，基于云原生技术。实时孪生和交通OS都面向云原生，与基础设施和物联网进行互联，并为深度提供低代码应用。这样的应用可以累积，就像今天手机上的微信和小程序一样，无论手机是否更换，应用不需要重新配置。这些技术的引入将在未来的行业发展中发挥重要作用，为实现数字化和智能化的交通环境提供强有力的支持。



图1 分布式云的实时数字孪生交通网

正是由于其弹性、可扩充性和可靠性，实时孪生和交通OS属于分布式云技术。分布式云由于其物理上的分布广泛，能够实现尽可能多的备份，因此具备强大的网络抗损伤能力。此外，分布式云充分应用了公有云的运维技术，同时还可以进行私有化部署。如今，在交通的各个方向，广泛地应用了分布式云技术。

云上孪生技术通过与基础设施进行互联，将复杂的交通对象的静态部分（例如地面建筑等）和动态部分（人流、物流等）放在同一空间中进行观察，它涵盖了感知、低时延和高带宽通信、时空计算能力，以及最后的渲染，该综合架构将为交通领域的实时孪生技术带来新的发展机遇。

实时孪生中使用的时空计算技术大部分来源于游戏技术，游戏领域催生了IT领域最先进的技术。在这过程中，腾讯应用了自动化建模技术，例如飞机驾驶舱类似的场景，外部有多个窗户显示实景，要将实景与虚拟场景尽可能融合，对飞行员的识别至关重要，因此采用了大量的自动化建模技术。此外，腾讯还应用了自动化场景构建技术，游戏中的场景不再手绘，而是通过计算生成。腾讯还拥有开悟平台，在人工智能方向非常有用，支持多智能体的博弈，可用于各种训练和模拟。

 实时孪生技术将一个路口、一段道路甚至整个区域都显示在数字世界中，借助传统视觉传感器，我们能够将路口的不变部分，例如标志、标线、红绿灯和障碍物等，定期更新到系统中。而实时发生的车流、人流以及小动物入侵等，也能在这个孪生世界中实时展现。此时，最重要的不再是可视化图像，而是可视化图像中的每一个要素。每一个障碍物、每一条标线甚至每一个人，都可以被计算并准确描述。我们不仅能观察到这些要素的顺态变化，还可以将过去十秒、一分钟甚至一个小时的场景进行描述和分析。

在交通领域中，通过孪生技术，可以在实际感知发生时，将结果最大时延控制在100毫秒以内。这一技术的实现将带来重要的改变。目前的数字技术依赖于算力和人工智能的进步，但对整个交通仿真的理论结构和体系可能会带来颠覆性的变化。

腾讯的孪生技术结果与互联网、大数据相结合，形成了独特的优势。作为中国最大的位置大数据平台和地图平台，腾讯为包括微信、美团、滴滴、顺丰、京东等在内的各类应用提供位置服务，每年被调用的次数近2000亿次，积累了大量位置数据。其中，人流日历和车流日历等数据是重要的应用之一。我们将这些数据与局部区域进行精确划分，并与实时孪生技术相结合，这将极大地发挥出数据的作用。

图2是实时孪生技术的一个案例，左边的图是实际场景的照片，而右边的主图像则是孪生技术生成的结果，这项工程正在实施中。道路侧部署了包括雷达和摄像机在内的传感器，通过这些传感器实时孪生出道路上的场景，并将结果展示在大屏幕上。同时，这些孪生结果可以通过公网传输到手机的小程序或车机的APP上。我们为每一辆不同的车提供自己的上帝视角或追随视角，这样可以将道路两侧基础设施的数字化与车辆智能化结合起来，让车内乘客可以看到车外的孪生结果。同时，也可以将路上观察到的车辆情况与车内的孪生结果结合起来，为辅助驾驶提供良好的诱导作用。



图2 交通OS+实时孪生

由于当前自动驾驶技术的发展是阶段性的，其主要目标是提高交通安全性。目前90%的交通事故都是由人的操作引起的，如果能够最大程度地减少人为操控车辆，将能大大降低交通事故发生率和由此导致的人员伤亡。因此，实时孪生技术在车路协同和辅助驾驶方面具有重要作用，有望为实现更安全的交通环境做出贡献。

三、交通OS

交通OS是将孪生技术的结果和人工智能的能力进行管理，类似于手机上的操作系统。手机操作系统负责管理CPU、GPU和其他内存、IO口等资源，而交通OS在交通领域也起到类似的作用，其甚至在自动驾驶测试和仿真方面也采用了相同的方法。通过在原生云上构建这样的系统，可以简化了上开发应用的过程，使应用的开发者和创建者能够更简单地开发和运行应用。在工程化方向上，我们致力于为经济、生产和运营等方面提供服务能力，主要目标是为应用的开发者和创建者降低开发门槛和成本。这样的创新将推动智慧交通和自动驾驶等领域的发展，为未来交通系统的优化和智能化提供支持和帮助。

在OS系统上，我们创建了一个高速公路管理系统，用于雾天天气的管理。使用简单的拖拉拽操作就能快速创建应用，并进行模拟和仿真。例如，在高速公路上，雾天天气涉及的相关动作很多，如外场救援、值班人员通知、路段诱导等。利用OS系统和孪生技术，再结合低代码的组件和策略引擎，可以将应用的开发成本大幅降低，真实的应用创建时间仅需半个小时左右，相比传统方式成本减少到仅有1%甚至更低。这展示了OS系统的强大优势，简化了应用开发流程，提高了开发效率和灵活性，加速交通系统的智能化和优化。

在OS、实时孪生和AI能力的组合下，我们能够为城市实现数字化治理、交通组织优化以及红绿灯路口的性能控制优化。腾讯负责将云部署和数字孪生做好，而真正的AI能力则由专业的人员和公司来完成。通过这样的整合，能够显著提高整个城市交通组织的效率，实现更智能、高效的交通管理和治理。

将人、车辆和道路放入一个系统中，研究它们之间的相互关系是当前一个比较重要的思想。人在开车时的决策是与车辆的自动化协同博弈，而当车辆行驶在道路上时，它与周围的基础设施也存在相互关系。过去的人机交互（HMI）仅指人与车辆之间的交互，但现在的HMI已经扩展到车辆与人、以及周围人车之间的关系。实质上，如果能够为所有出行者提供最大的安全时空，他们将实现自由驾驶，这是汽车技术的终极目标。然而，在通往自由驾驶的终极目标之前，还有许多过渡阶段，不可能一夜之间实现全部车辆的自动驾驶。因此，我们需要逐步改进和优化交通系统，不断实现智能化和自动化。

在混合驾驶持续长时间的情况下，我们的目标是让每个参与交通的用户都能享受到科技进步带来的红利，实现有获得感的智能交通。用户可以通过微信、小程序、导航等方式获取交通支持的信息，无论是在车上使用APP，还是在没有APP的情况下使用车载小程序，都可以借助现有的通信手段，让用户能够获得最大限度的实时诱导和交通支持。对于那些条件允许的用户，还可以将车辆与实时孪生的结果进行对接，从而进一步提高交通的智能化水平。

不久前腾讯成功开发了一个驾驶仿真系统，它是一个小型的驾驶模拟器，能够让用户感觉仿佛真实地驾驶在高速公路上。在现实孪生的结果中，我们能够将一辆车注入进去，从而创造出全新的应用场景。该驾驶仿真系统灵活且成本较低，用户能够体验到真实驾驶的感觉，并且可以为数字孪生带来更广阔的应用前景。

除此之外，腾讯还积极参与各地车联网先导区项目，与“双智”城市建设紧密合作，其中包括天津、重庆、襄阳、长沙等地，如图3所示。在这些方向上，我们不断积累宝贵经验，并且每个新的建设项目都有不同的升级和改进。在智能网联建设领域，腾讯将提供开放的平台和技术能力，并欢迎更多的合作伙伴加入进来。我们相信通过共同努力，能够推动智能交通和智慧城市建设取得更加显著的进展，并为人们带来更加便捷、安全、智能的出行体验。



图3 腾讯深度参与各地车联网先导区与“双智”城市建设

在标准化方向，腾讯也在持续进行建设，特别是在5G领域。其中，腾讯在互联网公司中率先提出了5G标准的报告，并且研发了首个5G车路协同的开源平台。在5G专网方面，腾讯的贡献也是举足轻重的，因为如今不再需要像过去那样建立庞大的核心网络机房，而是可以通过云化和核心网优化，以及有限的设备基站构建具有特定需求的专网。5G专网的应用可以为实时孪生提供优质的通信支持，它将推动智能交通和城市建设取得更大的进步和成就。未来，腾讯将继续致力于推动5G技术的发展，并为智能交通和智慧城市的建设做出更多的贡献。

在智能交通数字孪生系统方面，腾讯是ITO（物联网技术组织）标准的主导者，并且逐步将这个标准推广到ISO（国际标准化组织）。在车路协同和泛车路协同方面，我们积极参与了许多标准制定工作。在未来智慧交通和自动驾驶领域，腾讯提供全方位的技术和能力支持。特别是在自动驾驶方向，国际和国内的大公司都在腾讯云上进行自动驾驶的云仿真。腾讯利用自身的算力和GPU能力，提供类似于自动驾驶全工具链以及全面的云仿真能力，而这些能力将为智能交通和自动驾驶的发展提供强大的技术支持和推动作用。

总结来说，腾讯以提供数字化和AI能力为核心，在智慧交通和智慧出行领域，与车企、政府以及交通运营企业等紧密合作。在整个过程中，腾讯作为一个生态型的组织，与各类专业机构、高校和应用单位合作，形成产学研生态、生产运营生态和应用开发生态，以最大化和高效运行为目标，共同推动智能交通和自动驾驶技术的发展。