数字孪生（Digital Twin）在交通基础设施管理中的系统综述
作者及发表信息
本文由Bin Yan（中南大学土木工程学院）、Fan Yang、Shi Qiu、Jin Wang、Benxin Cai、Sicheng Wang、Qasim Zaheer、Weidong Wang（均来自中南大学）、Yongjun Chen（北京建筑大学城市经济与管理学院）、Wenbo Hu（香港理工大学土木与环境工程系）等学者合作完成，于2023年10月31日发表在牛津大学出版社旗下的期刊《Intelligent Transportation Infrastructure》上，文章标题为《Digital Twin in Transportation Infrastructure Management: A Systematic Review》。
研究背景与目标
数字孪生（Digital Twin, DT）是一种通过虚拟模型实时映射物理实体的新兴技术，已在航空航天、工业制造等领域广泛应用。近年来，中国交通基础设施（如高铁、城市轨道交通）的快速发展和智能化需求催生了DT技术的引入。然而，传统管理模式存在数据孤岛、信息割裂等问题，亟需通过DT技术实现全生命周期管理。本文旨在系统梳理DT在交通基础设施管理中的应用现状，涵盖定义、技术组件、生命周期应用及挑战，为研究者和决策者提供参考。
主要内容与观点
数字孪生的定义与核心组件
文章首先明确了DT的五大组成部分：
- 物理实体（Asset Physical Entity）：包括基础设施、环境、人员等客观存在的对象；
- 虚拟模型（Virtual Model）：基于几何、物理、行为等多维度构建的动态仿真模型；
- 数据系统（DT Data）：融合多源异构数据（如传感器数据、历史记录）；
- 连接机制（DT Connection）：物理与虚拟模型间的实时数据交互；
- 全生命周期管理系统（Full Lifecycle Management System）：集成模型与算法的服务平台。
作者对比了DT与建筑信息模型（BIM）和信息物理系统（CPS）的差异（见表1），指出DT强调一对一动态映射与实时交互，而BIM侧重静态几何表达，CPS则关注多物理系统的网络化控制。
交通工程中的DT应用场景
- 设计与优化：DT通过虚拟仿真验证设计方案，例如结合GIS和BIM优化光伏板选址（Heo et al., 2021），或通过参数化模型优化隧道结构（Konkov et al., 2023）。
- 施工监控：
- 进度与质量管理：通过RFID/UWB技术实时追踪施工状态（Li et al., 2018a），或利用“4平面一致算法”校准BIM模型与现场扫描数据（Bueno et al., 2018）；
- 安全管理：基于CPS框架的风险预警系统（Yuan & Anumba, 2020），例如地下工程中的突水、岩爆监测（Tian et al., 2021）；
- 资源管理：通过DT优化材料供应链（Chen et al., 2020a）和机械操作安全（Zhou et al., 2019）。
- 运维与预测：
- 状态监测：结合BIM与IoT实现道路洪水脆弱性评估（Yang et al., 2021）；
- 预测性维护：利用有限元模型分析桥梁寿命（Shu et al., 2019）；
- 数据集扩展：通过DT生成合成数据弥补真实数据不足（Ros et al., 2016）。
DT技术的关键支持
- 虚拟模型构建：正向建模（如Revit参数化设计）与逆向建模（如激光扫描点云重建）结合，提升模型精度（见图3、图4）；
- 数据采集与传输：传感器（如IMU、RFID）、无线通信（Wi-Fi、UWB）及协议（MQTT、AMQP）确保数据实时性；
- 多源数据融合：云计算平台（如Azure、AWS DynamoDB）和API工具（如Dynamo for Revit）实现数据集成；
- 数据安全：区块链技术保障数据隐私与可追溯性（Tao et al., 2022）。
挑战与未来方向
- 高保真模型开发：需结合正向与逆向建模解决精度与效率矛盾；
- 工程部署：语义技术（如IFC扩展）和跨领域协作是难点；
- 时空演化建模：贝叶斯网络（见图7）等概率方法应对不确定性。
论文价值与意义
本文系统总结了DT技术在交通基础设施管理中的理论框架、应用案例和技术瓶颈，为研究者提供了技术路线图。其科学价值在于厘清了DT与BIM、CPS的界限，并提出了五组件理论模型；应用价值则体现在施工安全、运维效率提升等实际场景中。
亮点
- 全面性：首次从全生命周期角度综述DT在交通工程中的应用；
- 技术深度：详细对比了虚拟建模、数据传输等核心技术；
- 前瞻性：指出区块链与联邦学习（Federated Learning）在数据安全中的潜力。
其他有价值内容
作者团队在中南大学和香港理工大学的研究成果（如桥梁DT系统，图2）为论文提供了实践支撑，验证了DT在复杂基础设施管理中的可行性。