为我国智慧交通升级提供了参考

一、欧美交通中数字孪生技术的应用现状

自数字孪生被美国运用到航天航空领域开始，这一技术便在交通运输领域落地生根，茁壮成长。在十余年的发展中，数字孪生先后带领多个欧美国家率先实现了智慧交通升级，并全面带动了国内经济发展。

比如欧洲 27 国于 2015 年共同提出了“第五代交通”的发展概念，这一理念针对欧洲超 3万公里的路网进行网络化管理，并根据统一规则进行整体网络关键路段的判别。在数字孪生技术的支撑下，欧洲“第五代交通”发展得十分顺畅，随着公路路网管理的有效性提升，欧洲 27 国的拥堵、交通伤亡，以及碳排放量显著降低。

目前，德国、法国、英国、意大利等国家的交通都已通过数字孪生技术取得了突出的发展成果，且这些成果为我国智慧交通升级提供了参考。

1、德国交通中数字孪生技术的应用现状

德国运用数字孪生技术的主要领域是铁路，其他交通领域对数字孪生的运用深度并不突出。比如我们前面提到的德国铁路公司和铁路货运企业Metrans 公司的数字孪生合作项目，致力于改造德国列车的运营方式，提升运营效率，且过程中获得德国政府 350 万欧元的支持。可见德国铁路对数字孪生技术有多么重视。

目前，德国铁路研发的数字孪生系统在全球范围内依然首屈一指，其数字孪生模拟精度极其细致，甚至可以细化到对车内空调、车轮磨损情况的实时感知，并且德国铁路部门打造的全新数字孪生列车组已经进入落地阶段，预计很快可以全部投入使用。

值得中国铁路行业相关人员重视的是，在德国铁路公司和 Metrans 的合作中，数字孪生的仿真模拟并不是两者合作的核心，德国铁路公司和Metrans 更希望通过数字孪生技术开发一个全新的测量系统，在这一系统当中，德国铁路货运情况可以得到全面改善，并创造出智慧性超群的“未来铁路系统”。

2、法国交通中数字孪生技术的应用现状

法国对数字孪生技术的运用更为广泛，且已经取得了显著的成果。主要表现在以下三个方面。

（1）法国将数字孪生技术运用到了高速公路信息查询系统的构建当中，在这一系统当中，管理部门可以清楚了解每一条高速公路的实时运营情况。例如，巴黎高速公路网随季节发生的流量变化，便可以从这一系统中明确体现。

（2）通过数字孪生技术，法国完成了公路路网关键枢纽位置的感知能力升级。通过数字建模，法国公路管理部门及时了解到公路路网的薄弱环节，进行针对性感知设备铺设后，法国公路部门对公路的监测运维更加有效。

（3）法国利用数字孪生技术和新一代信息技术的结合实现了城市车队的管理。法国通过对专属车队安装定位感知设备，建立了城市车队的管理系统，车辆在城市行驶中定位精度可以确保在 1 米左右，目前这一系统已经运用到法国城市交通管理、法国警务系统当中。

3、英国交通中数字孪生技术的应用现状

英国对数字孪生的运用更为实际，英国利用这一技术解决了很多交通发展问题。具体体现在以下三个方面。

（1）利用数字孪生技术，英国有效缓解了道路拥堵情况，并减少交通污染，优化了人、车、环境的协同发展。达到这种效果的方法并不复杂，英国通过对公共车辆安装一个小型远程信息处理设备，从而精确感知公共车辆的运行情况，不仅掌控了城市路网的资源使用状态，更提高了交通事故、特殊状况的反应处理速度。

（2）英国将数字孪生技术运用到伦敦 M25 号高速公路的项目管理当中。M25 号高速公路是英国于 1995 年建设的早期高速，随着时代发展，M25 号高速的运营压力不断提高。

为确保 M25 号高速公路的正常运用，英国利用数字孪生技术感知 M25 号高速公路的实时运营状态，并根据实时状态调节M25 号高速公路的限速限制，如此有效减少了 M25 号高速公路的拥堵，确保了 M25 号高速公路的安全性。

（3）英国利用数字孪生技术完善实时交通和旅行信息感知系统，对英国交通网络的中心地带、车流量较高的高速公路，以及旅游热点城市进行细致化感知升级，确保了这些地区的交通处于可控状态。

4、意大利交通中数字孪生技术的应用现状

意大利对数字孪生技术的运用主要体现在公交领域。首先，意大利在打造自动化公交车系统时运用了数字孪生的仿真推演。通过真实模拟，公交管理部门可以分析出公交车辆行驶、停车位置的最优解，并根据城市区域的实际情况优化公交车的出入口区域、停车区域、加油区域，进而升级了公交系统与城市的匹配性。

另外，意大利利用数字孪生技术有效舒缓了城市交通压力。目前，意大利地面交通正面临着汽车、电车、火车、私家车占比不合理的问题，各城市交通运输稳定性、安全性都受到了不同程度影响。

为解决这一问题，意大利利用数字孪生技术研发了一个 5T 交通管理系统，这一系统包含 10 个子系统，其中 9 个子系统为 ITS 系统，另外一个系统是其他子系统的协调管理系统。意大利都灵市利用 5T 系统有效解决了交通拥堵问题，主要方式为根据交通车辆分配情况以及道路使用情况提升公交车辆、救护救援车辆的优先权，进而改变大众出行选择，加速了城市交通运行。

5、奥地利交通中数字孪生技术的应用现状

奥地利的交通发展水平与我国交通发展存在明显差距，但奥地利利用新一代信息技术以及数字孪生技术改善交通恶劣状况的方法值得相关行业人士学习借鉴。

随着经济发展，奥地利从 1995 年开始出现城市交通、城际交通各种堵塞状况，导致奥地利经济社会发展受到了不良影响。针对这一情况，奥地利为交通关键枢纽城市——萨尔茨堡市的高速公路设计一个智慧交通管理系统。因为萨尔茨堡市高速公路交通受到邻国德国的影响，旅游旺季时交通压力巨大，这一路段的拥堵直接影响了奥地利多条高速公路的正常运营。

所以，奥地利开始大幅提升萨尔茨堡市高速公路的感知能力，这一项目自 1996 年开始建设，并在后续的发展中不断完善。

在萨尔茨堡市高速公路的感知能力提升到位后，奥地利交通管理部门便可以准确感知道路上的车辆数量、时速，以及关键路段的密度情况，进而针对性进行优化，并维护关键路段的交通秩序。

在数字孪生技术运用之后，萨尔茨堡市高速公路运维管理更加合理，且高速公路的实时信息可以通过信息技术及时传达到行驶车辆当中，便于交通管理部门和行驶车辆根据高速公路的实际情况进行后续决策。

在这种智能模式的复制下，奥地利高速路网得到了整体提升，经济发展也得到了全面促进。

二、西方智慧交通的发展现状

相较我国智慧交通的发展，多个西方国家在智慧交通系统的打造上都具有明显优势，这主要是这些国家在交通领域运用先进技术较早。它们对新一代信息技术、数字通信技术、传感器技术、网络控制技术、人工智能技术的运用都早于中国，所以能够更早、更全面地建立起保障安全、改善环境、提升效率的智慧交通系统。

截至 2021 年，我国智慧交通的建设与发展已与西方交通强国缩短了差距，甚至在城市交通智能调度、高速公路智能运维等方面有所超越，但人、车、路、环境的整体结合还存在明显不足，这也主要体现在智慧交通系统（ITS）的成熟性上。所以，通过对欧美国家 ITS 的发展分析，我国交通运输领域也能够从中找到提升发展效果的方法与途径。

1、美国 ITS 发展状况

美国自 20 世纪 60 年代后期便开始建立自己的 ITS，但真正将 ITS 落地应用却直到 20 世纪 80 年代。1987 年，美国成立了 obility2000 组织，该组织便是美国智能交通系统的雏形。

1990 年，美国成立了智能车辆道路协会（IVHS America），该组织的主要任务便是向美国交通运输部提供有关 IVHS A 计划的需求、目标、目的、计划及进展情况，IVHS 计划最早将仿真技术运用到交通领域，通过计算机仿真模拟，IVHS 技术不断提升美国路网的通行能力。

1995 年，美国交通运输部首次公布了“国家智慧交通系统项目规划”，规划中明确提到美国交通智能系统将进行七大领域和 29 个用户服务功能的发展。自此之后，美国政府开始加大 ITS 的建立，并为这一项目连续拨款数亿美元。

如今，美国 ITS 已经达到了国际一流水平，其智能性十分突出，整体而言美国 ITS 包含了七大系统，从多个角度促进着美国智慧交通的发展。

（1）交通管理系统。美国交通管理系统主要包括城市交通信号灯控制、高速公路交通监控、交通事故处理、交通拥堵处置等，这一系统除确保美国交通每日的正常运营外，还负责为交通发展研究、交通状况评价提供决策依据，并以三维立体的方式展现交通发展成果。

（2）交通需求管理系统。美国 ITS 还收集大众出行需求、出行习惯的相关信息，以此改善交通发展模式。这一系统确保了美国智慧交通的发展方向与大众出行需求深度契合，并不断提升大众出行的效率与满意度。

（3）公交运营管理系统。美国 ITS 对公交运营的管理十分细致，它不仅提升着公交系统的稳定性、安全性，并配合城市发展提升着公交运营效率。

（4）州际运输管理系统。美国的州际运输车辆也受 ITS 系统管理，ITS系统可以实时监测州际运输车辆的运营信息、交通信息，进而对州际运输车辆进行合理调配。

（5）电子收费系统。美国的电子收费系统发展较早，目前是全球范围内技术更为成熟的国家。美国电子收费系统属于 ITS 系统的子系统，可以自动完成地面交通的各类收费，且收费合理性、准确率、便捷性更为突出，这不仅提升了美国交通的通行能力与效率，更保障了美国交通的经济收入。

（6）应急管理系统。美国 ITS 对突发交通事件、交通事故有较高的反应、报告能力，且准备了齐全的应急资源。例如，美国是交通医疗直升机使用率最高的国家。

（7）车辆控制与安全系统。美国交通基础设施具有良好的感知能力与数据传输能力，可以根据交通状况与车辆行驶情况提供安全指引，确保车辆的安全行驶。

2、日本 ITS 发展状况

日本是除美国之外 ITS 建设最为突出的国家，这不是因为日本善于在智能领域发展，而是因为日本需要 ITS 解决自身交通发展问题。截至 2021 年，日本人口数量为 1.26 亿人，而日本车辆保有量高达 7400 万辆，据日本交通运输部门统计，日本每年交通事故会导致约 100 万人死伤，每年交通拥堵导致日本经济损失高达数十万亿日元。而解决这些问题主要途径正是 ITS 建设与发展。

目前，日本的 ITS 已经和五个国民经济部门进行了融合，这五个部门分别为建设省、警视厅、国际贸易和工业省、运输省以及邮电省，在这种联合发展模式下，日本的 ITS 已经位居世界前列。对比美国 ITS 的建设，日本ITS 的建设发展主要有以下两个方面的特点。

（一）ITS 实现日本的车路协同

日本在 ITS 研发和建设过程中采取联合发展模式，将 ITS 重点布局到了物流运输和弱势群体服务领域。2014—2018 年日本政府以公私合作的方式跨部门设计推动了“车路协同系统”的发展，并在“车路协同系统和服务拓展”的宗旨下进行了各种研发与实验。

（1）日本政府开展了基础技术研发与合作运营，通过公私合作的方式开发车路协同系统，通过各种技术研发有效减少了交通事故与交通拥堵情况的发生。

（2）日本政府开展了车路协同应用的测试与推广。一方面日本政府推动车路协同方式的物流运输示范；另一方面日本政府推动了弱势群体车路协同服务示范，在两种措施下日本物流运输效率、弱势群体出行体验都得到了交替提升，交通运行效果大幅好转。

（二）ITS 实现了日本 ETC 系统的升级

在 ITS 系统开发过程中，日本完成了 ETC（电子不停车收费）系统的升级，打造了世界首个通过 DSRC A 实现高容量双向通信的车路协同系统，在这一方面日本的 ITS 功能性超越了美国。

日本的 ETC 2.0 系统具有推动实时信息交互和规划最佳行车路线的功能，这主要是因为日本的 ETC 2.0 系统与车辆导航系统、VICS 进行了整合，实现了车辆与道路的协同管理。截至 2019 年，日本 ETC 利用率已达 92％，且这一数据保持着持续增长。

从日本的 ETC 2.0 系统中，可以感受到日本交通的智慧性发展，与大多数国家的 ETC 相比，日本 ETC 2.0 具有自动收费、道路信息实时交互、规划最佳出行路线等功能，这不仅有效解决了日本高速的拥堵问题，更提升了交通安全，优化了交通收费。

总体而言，日本 ETC 2.0 系统有两方面值得我国交通运输行业人士学习借鉴。

（1）具有道路规划能力。日本 ETC 2.0 系统通过到高速缴费信息调查车辆行驶路径，这为行驶中的驾驶员提供了道路当前的状态信息，通过信息实时交互有效减少了交通拥堵、交通事故，并提升了运输效率。截至 2021 年，日本 ETC 2.0 系统已经可以为城市驾驶员提供方圆 1000 公里内的道路拥堵信息，优化了大众的出行决策。

（2）具有安全提升能力。日本 ETC 2.0 系统可以为驾驶员规划出行时间最短、费用最低，或对环境影响最小的出行方案，且每一种方案都以减少拥堵为基础。这种智能规划能力不仅提升了交通安全保障，更促进了交通的绿色发展。就 ITS 建设与发展而言，日本 ITS 建设思路与发展成果更值得我国交通运输行业人士学习借鉴，这种发展模式体现出的智慧性更符合我国交通发展所需。

3、欧洲 ITS 发展状况

整体而言，欧洲交通发达国家的 ITS 发展主要针对几个方面，通过这些交通领域的智能性提升，大部分欧洲国家的交通发展得以大幅提速。

（1）交通管理

意大利、法国、英国、德国等欧洲交通发达国家都已经建立了成熟的ITS，并在交通管理中取得了良好效果。这些交通发达国家的 ITS 可以有效分配关键城市、路段的交通资源，从而大幅减少了交通拥堵、交通事故的发生。目前，其他欧洲国家也在加强 ITS 方面的建设，可以说交通管理是很多国家建立 ITS 的主要目的。

（2）出行规划

能够达到出行规划效果的 ITS 具有较高的智慧性，这需要 ITS 自身基础建设比较健全。欧洲达到这一水平的国家并不多，但整体都在向这一方向发展。尤其数字孪生技术运用到交通运输领域后，利用数字孪生的建模仿真，大多数国家的 ITS 可以迅速具备出行规划能力。

（3）行程监控

受德国、法国等国家交通发展的影响，欧洲各国建立 ITS 过程中都遵循着提升交通感知能力为主的发展模式。在这种模式下，ITS 具备良好的行程监控能力，不过除德国、法国等强国外，大部分欧洲国家的 ITS 只具备良好的行程监测能力，控制力目前还存在不足。

（4）车辆控制

交通资源的合理调度是 ITS 建立的初衷，欧洲多国的 ITS 建立都是为了提升自身交通资源利用率。除合理规划道路资源外，公交、运输等车辆的调配也是一大建设重点。

（5）自动收费

虽然欧洲等国 ITS 的自动收费能力未能达到日本的高智能化，但自动性已经充分凸显。以英国为例，英国高速公路设施了多种自动收费渠道，电子付费通道、信用卡收费通道以及不设找零的现金收费通道，驾驶员可以根据自己的习惯选择不同的通道，这种方式有效缓解了高速路口的拥堵，且各种收费统一受 ITS 控制。

作者简介：赵光辉，博士，北京交干智库信息科技研究院院长，教授，博导

文章摘选自《数字孪生赋能交通强国高质量发展研究》一书，该书可以视为数字孪生在我国交通领域落地融合的白皮书，也可以视为数字时代下交通运输行业方向变革的指引。