摘要 ： 文章首先概述了数字孪生技术，然后论述了数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用路径，包括 透视智能交通工作原理与工作全过程;构建多样化、个性化的交通仿真场景;提供沉浸式的交通仿真教学 体验;等等。

　　关键词 ： 智能交通仿真教学,数字孪生技术,交通工程专业

　　人工智能、大数据、数字孪生、区块链等技术发展 迅速，改变了教学要求，也影响着教学理念、文化和生 态。我国已发布《教育信息化 2.0 行动计划》，提出主动 应对新技术浪潮带来的新机遇和新挑战，强调应积极 探索教学新模式，利用新技术驱动教学创新[1]。智能交 通仿真是交通工程专业教学体系中连接理论教学与 实践教学的纽带，既需要对先进的交通理论、模型、算 法、技术等进行解析，又需要从解决实际交通问题角 度出发推动方法与方案落地 。在实际教学中，如何通 过智能交通仿真教学丰富学生的实验设计，激发学生 对交通工程专业的热爱和深度思考，一直是课堂教学 改进的重点之一[2]。基于此，本文拟对数字孪生技术在 智能交通仿真教学中的应用加以探讨。

　　一 、 数字孪生技术概述

　　(一)数字孪生技术的内涵

　　数字孪生技术是将实际研究对象映射到虚拟系 统，建立虚实交互的一种技术手段 。其以数据和模型 的集成融合为基础与核心，通过涵盖多学科、多物理 量、多尺度、多概率的超精细仿真，在虚拟空间中构建 具备实体全属性的数字李生体与高逼真环境，为场景 测试、机理描述、异常诊断、风险预测、决策辅助等提 供支撑[3]。在 2019 年高德纳(Gartner)发布的十大战略 性技术趋势中，数字孪生技术与区块链技术、量子计 算、边缘计算技术等一 同位列其中[4]。

　　(二)数字孪生技术的优势

　　从技术构成上来看 ， 数字孪生技术是计算机技 术、信息技术、大数据技术、人工智能、虚拟技术、通信 技术、网络技术等技术的集成 。数字孪生体和虚实交 互是数字孪生技术的两个关键点。数字孪生体不仅需要精细反映对象实体特征，如外观、元素、组件、机构、 组成等，也要反映对象的影响因素、原理、属性、方法、 机理、变量等，更要反映虚拟环境中各个对象间、对象 与环境间的相互作用机制与量化的逻辑关系 。虚实交 互主要是在数字孪生体与对象之间建立通信协议，将 对象的复杂行为动态 、精准地反映在数字孪生体上。 一个对象或系统可以有多个数字孪生体，这些数字孪生体可以承担不同的功能，如预测、评估、影响因素分 析、过程解构等 。同时，基于数字技术的存储技术与复 制技术，可以将一个成熟的数字孪生体复制成多个数 字孪生体，为不同目的的应用提供基础 。借助深度学 习技术及增强学习技术，数字孪生体在映射实体对象 的基础上对对象的行为进行解析、模拟与学习 。分布 式计算技术可以为数字孪生体的多样性，特别是“ 分 身术”性应用提供技术支撑，在分布式框架下数字孪生体可以集中映射实体对象，也能实现不同的功能与 业务 。相比仿真技术，数字孪生技术在对象虚拟构建、 环境虚拟构建、机制虚拟构建、交互虚拟构建中集成 的技术要更加广泛与复杂，塑造的数字孪生系统不再 需要传统意义上的仿真校准就可以实现多样化功能 性应用，同时一个数字孪生体催生的应用场景要远多 于一个仿真案例产生的应用场景。

　　(三)数字孪生技术的应用场景

　　数字孪生技术已被广泛应用于智能制造、互联网 工业、智慧农业、物联网 、供应链、智慧基建、智能维 修、系统控制、视觉设计、行为分析、能源与环境等领 域 。张南等[5] 围绕车间生产作业过程实时虚拟与监测 问题，基于数字孪生框架提出了一种车间作业监控与 可视化方法，并详细阐述了多源异构数据采集和处理方法、物理车间数字孪生模型构建、基于数字孪生模 型的车间作业三维可视化，实现了物理车间与虚拟车 间真实场景及真实数据的同步，实现了虚拟与现实的 实时动态交互 ， 再现了真实的设备动作及生产逻辑。 杨文斌等[6] 围绕传统的盾构机故障诊断方法存在感知 不全面、数据噪声大、质量低等问题，基于数字孪生技 术提出了盾构机实体与虚拟实时交互感知方法，建立 了数字孪生盾构机模型及运维系统架构，针对盾构机 主驱动减速机提出了一种仿真数字孪生建模方法，对 盾构机的使用状态与故障进行判别和反馈，这对减少 重大事故发生、提高施工效率及延长盾构机的使用寿 命均具有重要意义。为满足新型作战形态对装备保障 的需求，方伟光等[7]建立了数字孪生驱动的武器装备 智能保障体系架构，将武器保障、试验、训练、运维等 融为一体，并总结归纳了数字孪生在装备智能保障不 同应用场景中的共性关键技术，为后续数字孪生技术 在不同军兵种、不同装备类型、不同保障领域的应用 落地提供支撑。宋志忠等[8] 以“ 引江补汉”为背景，探索 了数字孪生技术在工程研发、设计、建设与运维过程 中的实现路径，从基础设施、数据底板、孪生中枢、应 用体系、安全防护体系和标准规范体系六个方面构建 了总体架构 。张侨禹等[9]构建了基于数字孪生技术的 舰船动力系统智能运维平台，并通过示例验证了动力 系统在智能控制、故障诊断方面的可行性。

　　(四)“数字孪生技术+ 交通”

　　交通系统是一个复杂的、开放的、动态的、随机的 巨系统，其中道路、设施、出行者、车辆环境等之间相 互作用，难以使用数学化的模型进行精准描述 。仅就 地铁站、航空楼、高铁站、复杂信号控制交叉口等设施 或子系统而言，其数学建模难度较大，难以利用数学 模型或公式精准刻画 。而如果使用数字孪生技术，将 交通系统映射在虚拟环境中，可以避免单一地使用数 学模型对交通系统进行描述 ， 减少系统描述误差，同 时为交通系统管控提供决策支撑与依据 。当前，多数 城市交通管控部门已经构建了成熟的交通智慧管控 平台、大数据交通分析平台、智慧城市管理平台等;电 子警察系统、卡口系统、交通视频监控系统、线圈检测 系统等已经广泛应用;出行者出行信息(如地铁刷卡 数据、公交刷卡数据、共享单车数据、网约车数据等)、 手机信令数据、出行活动/POI 数据等逐渐完善 。此三 个要素分别为构建交通数字孪生体系的管控端、采集端、数据端提供了基础 。结合数字孪生技术，将道路、 设施、车辆、行人、环境等映射到虚拟系统中，同时打 通虚拟系统与既有系统的数据共享机制，可搭建集管 控、采集、数据为一体的交通数字孪生平台。借助交通 数字孪生平台，交通预测、评估、管控、分析等功能可 以在线完成，交通规划方案与设计方案也能在此平台 中被精准解析与反馈，物流、文旅、娱乐等也可以实现 与交通的深度联系，协同多系统的措施可以得到更科 学的检验，交通管控可以细致到以人或人群为主的小 尺度层面。

　　(五)“数字孪生技术+仿真 ”

　　数字孪生技术与仿真具有天然的共通性，两者均 是对研究对象的模拟与再现，因此“数字孪生技术+ 仿 真”是对仿真和数字孪生技术的再拓展与再利用 。就 仿真而言，与数字孪生技术相结合，可以让仿真“仿得 更真实”， 而利用已经成熟的数字孪生体的数据和信 息 ， 可以减少仿真中模型校准的工作量并降低难度。 就数字孪生而言，与仿真结合在一起，可以对数字孪 生体的应用进行专业方面的延伸。特别是数字孪生体 与专业优势明显的仿真软件的结合，不仅能拓展仿真 软件的使用面，而且可以降低数字孪生系统中具体专 业功能的开发难度，更能提高数字孪生系统和仿真软 件的使用灵活性和便利性，即允许用户在使用过程中 嵌入自定义的方法、模型与算法。

　　(六)“数字孪生技术+教学 ”

　　数字孪生技术可以为教学的数字化、智慧化与信 息化过程提供支撑 ， 加深学生和教师对知识的理解， 当前已有多位学者探索了数字孪生技术在教学中的 应用 。郑蕾娜等[10]提出了一种融合数字孪生技术与虚 拟会展实现的新教学理念，该理念侧重于创新创业能 力培养与成果导向教育。数字孪生技术将催生一批数 字孪生课堂与数字孪生校园，褚乐阳等[11]认为有必要 利用数字孪生弥合虚拟教学与现实教学之间的界限， 建立可支持学生全面发展的智慧学习空间。教学过程 的流程分析与动态评估一直是教学评估活动的难点 之一，陈秀寓[12]基于数字孪生技术研究了混合教学模 式改革，进一步探讨了利用数字线索开展复杂教学过 程模拟与分析的潜力 。针对传统教学实验准备周期 长、操作烦琐的缺陷，何谋海等[13]提出了虚实结合的混 合式实验教学模式，目的在于提高学生自主学习能力 和实验教学效率。

　　二 、 数字孪生技术在智能交通仿真教学中的应用 路径

　　智能交通仿真是交通工程领域的 一 项关键技 术，对交通管理、控制、分析、优化、评价、预测等有重 要辅助作用 。 当前的智能交通仿真教学主要以传统 交通仿真软件为依托，结合 VISSIM-COM 和 SUMO- Traci 二次开发 ， 以交通轨迹可视化 、驾驶员行为建 模、信号控制、需求分析、参数校准、方案评价等为教 学任务核心，虽然总体上可满足教学需求，但是仍存 在若干问题，具体如下：①传统交通仿真软件主要是 对车辆运动轨迹的再现与模拟 ， 缺少对车辆实体与 细节的展现 ， 导致在实验教学中学生较难掌握车载 设备的基本原理、属性与功能;②实际智能交通体系 中存在的多种传感器难以在传统交通仿真软件体系 中构建， 继而导致从传感器到控制器的信息流传输 过程无法在教学中得到有效讲解和展示;③车辆与 车辆、驾驶员、设施、环境的交互(V2X 交互)难以在 以传统仿真为支撑的平台中实现，学生容易站在“ 动 画制作”的角度理解智能交通仿真;④驾驶环境(风、 光、雪、雨、雾)较难在传统仿真软件中进行模拟，智 能交通仿真教学只是对简单应用场景的刻画与描 述，难以涉及复杂场景 。另外，常用的 VISSIM-COM 接口和 SUMO-Traci 接口对仿真软件依赖性较强，在 实际应用时需要一定的软件配置和支撑， 较难与既 有的智能交通平台相衔接 。 因此，针对上述问题，笔 者拟通过探寻应用数字孪生技术的路径 ， 多方面支 撑智能交通仿真教学，以满足教学需求。

　　(一)透视智能交通工作原理与工作全过程

　　数字孪生技术的本质是建立研究实体的虚拟镜 像 ， 将难以建模的复杂机理或过程映射到虚拟系统 中，通过虚拟系统与实际研究体的信息交互助力决策 辅助、复杂系统建模与描述、流程管控、分析预测等。 在智能交通体系中，数字孪生技术通过透视智能交通 系统工作原理与工作全过程，建立细致微观、精准精 确的智能交通系统数字孪生体，从而实现与实际系统 的同步可视、数据互动，继而辅助智能交通相关业务 与功能 。 以自动驾驶车仿真与测试为例，传统的交通 仿真实验课较难在教学中将传感器的信息交互过程 描述出来，而基于数字孪生技术，教师可将自动驾驶 车雷达波的发射和接收过程进行实例化与可视化，从 而促进学生理解。

　　(二)构建多样化、个性化的交通仿真场景

　　广义的智能交通系统是车辆技术、信息技术、数 据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机 技术的集合 。作为技术融合体，智能交通系统的有效 实施与落地需要经受大量实验场景的测试，以及无数 应用场景的考验 。但是在仿真教学中，仿真场景单一 一直是制约仿真实验灵活性的主要因素之一。而基于 数字孪生技术，不仅可构建模拟实际的交通场景(如 3D 建筑、车辆、道路、树木、建筑等实体，以及风、光、 雪、雨等交通环境)，还可以建模危险场景、复杂交通 条件及假想的测试场景 。 以自动驾驶车测试为例，新 设计的自动驾驶车需要完成百亿公里且多场景的测 试才能在路上行驶，而基于数字孪生技术的自动驾驶 车虚拟测试可节省测试成本与时间 ， 提高测试效率。 概言之， 教师把数字孪生技术引入教学仿真课堂，不 仅能对接实际需求，还能实现个性化仿真制作，发散 学生的思维、丰富学生的想象力，防止出现“ 千篇 一 律”的仿真实验与作业。

　　(三)提供沉浸式的交通仿真教学体验

　　基于数字孪生技术支撑的交通仿真可以连接实 际道路交通检测器数据，可以通过接口开发连接驾驶 模拟器，可以通过 VR 装置联系建立的虚拟现实场景。 在这些技术的支持下，智能交通仿真课堂可以转换为 沉浸式的教学体验课堂 。比如，通过驾驶模拟器，学生 可以切身体会自适应巡航过程中车辆的自动加速、减 速、变道等;在构建 3D 交通实景的基础上，通过实际 道路电子警察/卡口/感应检测器/线圈检查器等数据复 现实时交通场景，可以让学生不必到调研现场，而是 坐在教室里就可以分析交通问题;通过 VR 装置，学生 可以更好地理解立交桥、立体停车库、交通枢纽的规 划设计理论与要点。

　　(四)关联和辐射交通工程专业核心课程内容

　　智能交通的出现将促使原有交通工程领域相关 理论改造、升级，甚至重建，数字孪生技术与智能交通 仿真在教学层面的结合可以辅助学生理解智能交通 背景下交通理论、模型、算法等发生的变化。交通工程 专业是研究人、车、路、环境四者相互作用机制的学 科，核心专业课包括“交通工程学”“交通规划”“交通 管理与控制”“交通设计”等课程，涉及交通流理论、道 路通行能力模型、网络流模型、排队论、控制论等[14]。在 智能交通背景下，随着“车”的智能化，人、车、路、环境之间的作用机制也逐渐智能化与复杂化，继而导致以 此为基础的相关理论和模型需要在数学层面进一步 修改，才能准确表征交通现象，而怎样修改模型或参 数，以及修改后的模型或参数代表怎样的实际含义是 教学中较难解释的两个问题。立足“数字孪生技术+ 智 能交通仿真”教学模式，教师可以从微观尺度更为深 刻地解释模型发生的变化 。 比如，交通流量—密度— 速度曲线在智能交通条件下相比常规交通条件出现 上升趋势，通过在智能仿真系统中调节智能设备参数 (如传感器性能、车辆性能、设备性能等)，可分析曲线 上升的原因。

　　(五)有效实施线上教学

　　线上教学是特殊情形下组织教学的必要形式 。 比如，受突发性公共卫生事件的影响，部分学生无 法及时返校，因此线上教学形式可解决学生学习问 题 。刘燚等[15] 通过网络调查发现，大学生的自主学 习能力总体不高，线上教学存在课堂难监管 、视觉 易疲劳、学生注意力易分散等弊端。在“ 数字孪生技 术+ 智能交通仿真”教学模式下，教师可通过实验室 远程控制设备让学生参与仿真实验教学 。 同时，此 教学模式可以为其他课程教学制作案例，将课程涉 及的原理和方法进行过程化展示，以提高线上教学 的趣味性与体验度，减少学生视觉疲劳，解决学生 注意力分散问题。

　　(六)促进人才培养与社会发展创新相适应

　　智能网联、智慧城市、数字经济等是未来热门产 业，可产生大量的经济价值与就业岗位。“十四五”规 划明确提出，要加快交通基础设施数字化改造，加强 泛在感知、终端联网、智能调度体系建设;推进新型智 慧城市建设，提升社会治理的智慧化水平;加强关键 数字技术创新应用[16] 。把数字孪生技术融入智能交通 仿真教学，能让学生在本科学习阶段接触和了解智能 网联、智慧城市、数字经济三个方面的知识 。首先，智 能网联车建模实验有利于学生理解和掌握智能网联 设施设备的相关体系、标准和规范。其次，交通出行与 城市建设关系紧密，因此对城市智能交通的仿真需要 模拟城市建筑、道路、景观、设施等的属性与特征，而 此类实验内容与智慧城市系统的构建存在共通之处。 最后，把数字孪生技术融入智能交通仿真的本质是对 数字孪生技术的应用，学生在掌握数字孪生技术后可 以举一反三，将数字孪生技术应用于其他领域 。总体上，“ 数字孪生技术+ 智能交通仿真”的教学模式能让 学生在课堂中接触到前沿技术与理论，让学生所学知 识与社会发展创新相适应。

　　三 、 结语

　　在智能交通仿真教学中，引入数字孪生技术可透 视智能交通工作原理与工作全过程， 构建多样化、个 性化交通仿真实验场景，为学生提供沉浸式的交通仿 真学习体验。两者的结合有利于让智能交通仿真更广 泛地关联和辐射交通工程专业核心课程内容，并促进 人才培养与社会发展创新相适应。

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　　其他作者简介 ： 成明(1982— )，男，副教授，博士 。研究方向：交通 系统优化。

　　通讯作者 ： 胡国静(1992— )，女，讲师，博士 。研究方向：交通大数 据 。(E-mail：guojinghu@usts.edu.cn)。