面向智慧城市的数字孪生场景实时构建动态交互系统的制作方法

本发明涉及智慧城市，具体地说，涉及面向智慧城市的数字孪生场景实时构建动态交互系统。

背景技术：

1、数字孪生技术通过对物理实体的实时感知与虚拟映射，在信息空间构建同步演化的数字镜像，是智慧城市交通治理的关键技术。针对路况繁杂、管控需求持续变化的复杂路口，依托该技术搭建可实时还原现场、支持交互的三维数字孪生场景，能够有效赋能交通精细化管理。

2、然而，在复杂路口的实际运行中，车道功能与道路拓扑并非固定不变。突发事故、道路塌陷或临时管制等情形，均会使路口物理结构发生突变，真实路况与静态地图产生偏差。若数字孪生场景无法同步重构，镜像呈现的通行结构将与现场脱节，态势感知与决策推演将失去可信基础。

3、针对上述问题，现有数字孪生系统多采用高精地图离线建模，预先固化道路轮廓、车道连接等静态要素形成三维模型，实时感知数据仅用于驱动车辆、行人等动态目标在固定场景内运行。现场道路布局发生改动时，需通过后台编辑或众包采集更新车道功能、通行方向等地图语义参数，间接匹配现场路况。

4、然而，该方式仅在地图数据层面进行修改，三维模型的几何结构并未随真实路况同步更新。若现场道路布局出现临时调整，三维模型外形无法同步自动更新，交互推演所依托的现有场景与实际路况存在差异，会降低交通管控推演结果的精准度。

5、因此，亟需一种依托实时感知实现在线路网重构并具备动态交互能力的数字孪生系统。

技术实现思路

1、本发明提供了一种面向智慧城市的数字孪生场景实时构建动态交互系统，其通过实时采集路侧感知数据并从中提取交通参与者的轨迹分布和道路标识信息，利用轨迹分布反演路口的可通行区域并生成描述车道走向及连通关系的道路骨架，当道路骨架发生变化时驱动三维场景在相应区域进行局部更新，使场景结构能够跟随真实路况同步调整，并在此基础上对用户编辑的管控方案进行仿真推演与定量评价，从而解决上述背景技术中所提出的问题，即：

2、复杂路口因突发事故、道路塌陷或临时管制导致道路拓扑结构发生突变，而现有数字孪生系统采用预先建好的静态地图作为场景底图，无法根据实时感知数据对场景结构进行同步更新，致使数字镜像与真实路况脱节，交互推演失去可信载体。

3、为实现上述目的，该系统包括多源感知流式采集模块，用于对路侧多源传感器数据进行采集与解析，生成流式多源感知帧，所述流式多源感知帧包括动态目标轨迹点序列及路面点集、车道标线点集、路沿边界点集，还包括：

4、拓扑驱动场景重构模块，用于构建覆盖路口区域的二维栅格图，将轨迹点序列累加至二维栅格图得到各栅格单元累计占据值，将路面点集、车道标线点集及路沿边界点集映射至二维栅格图生成管制设施掩膜，根据累计占据值和管制设施掩膜将各栅格单元区分为可通行栅格和不可通行栅格，由可通行栅格组成可行驶域掩膜，根据可行驶域掩膜提取车道中心线、道路边界及各方向连接关系并组合为骨架图元，将当前骨架图元与上一时刻骨架图元比对，若骨架图元发生变化，则在变化区域对当前三维场景几何进行局部网格更新，得到更新后的三维场景几何；

5、人机协同交互推演模块，用于捕获用户在三维场景几何上的交互操作并生成受控拓扑变体，所述受控拓扑变体为用户编辑后的车道走向和路口连通关系，根据受控拓扑变体将历史轨迹点序列映射为反事实推演场景，提取推演评价指标并与当前场景基线指标对比，输出受控调整方案。

6、上述技术方案中，感知数据先通过轨迹累加生成栅格占据信息，以此作为推断道路结构的依据，而不直接使用预建地图，是因为轨迹数据本身已包含路口的实际通行状态，能够保证场景与真实路况一致。同时，单独依靠轨迹信息在低流量时段可能出现证据不足，方案引入由路面标识和路沿边界构成的管制掩膜对轨迹判断进行补充修正，两者互相印证后再生成可行驶区域，避免因单一数据源缺失导致误判。在此基础上，方案没有将可行驶区域直接用于场景更新，而是先将其抽象为描述车道走向和路口连通关系的骨架结构，只有当骨架发生变动时才触发场景局部更新，既保证了场景跟随能力，又避免了频繁更新造成的资源浪费。推演环节同样遵循相同思路，用户编辑方案后先结合历史轨迹生成反事实推演场景，通过量化指标对比预判方案效果，避免了对实际路口反复试错调整的风险。整个系统通过感知反演还原真实路况、通过用户编辑探索优化方案，二者结合形成场景重构与推演评估的闭环，缺少其中任何一环，系统要么只能反映现状而无法验证方案，要么推演结果与真实路况脱节而失去参考价值。

7、在此基础上，所述拓扑驱动场景重构模块将连续时间窗内各动态目标的轨迹点序列累加至所述二维栅格图，每一个到达的轨迹点使对应栅格单元的累计占据值增加，同时所有栅格单元的累计占据值按预设时间衰减系数递减；激光雷达直接探测到的目标轨迹点取感知置信度作为权重，被遮挡目标采用匀速运动模型外推补点，补点权重按丢失帧数线性衰减。

8、在另一个技术方案中，所述骨架图元用于表征路口各方向之间的通行关系，所述骨架图元的提取方式为：对所述可行驶域掩膜进行距离变换，提取距离变换结果中的局部极大值位置作为车道中心线候选点，将满足最小车道宽度阈值与最大车道宽度阈值约束的候选点连接为车道中心线，提取可行驶域掩膜的外轮廓作为道路边界，提取各方向可通行区域交汇位置的连通关系生成连通关系邻接矩阵。

9、此技术方案中，轨迹点累加时引入时间衰减机制与置信度分层处理，每个到达的轨迹点使对应栅格单元的累计占据值增加，同时所有栅格单元的累计占据值按预设时间衰减系数递减；激光雷达直接探测到的目标取感知置信度作为权重，被遮挡目标采用匀速运动模型外推补点，补点权重按丢失帧数线性衰减。在此基础上，系统不是将可行驶域掩膜直接用于场景更新，而是先通过距离变换提取局部极大值位置作为车道中心线候选点，将满足车道宽度阈值约束的候选点连接为车道中心线，提取可行驶域掩膜的外轮廓作为道路边界及各方向连通关系生成邻接矩阵，将上述三要素组合为骨架图元后，再基于骨架图元的变化驱动场景更新。若缺少时间衰减机制，系统无法区分事故占道与低流量时段的自然无车，场景更新滞后于真实路况变化；若缺少骨架图元这一抽象环节，栅格噪声和单帧感知波动会直接传递至三维场景，导致频繁无效重建，缺少车道宽度阈值约束则会将噪声区域误提取为有效道路结构。通过上述累加、衰减与权重差异化处理以及栅格到矢量的骨架抽象，系统能够快速响应突发道路变化并滤除栅格噪声对场景更新的干扰，为拓扑变化判定提供稳定可靠的比对基准。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果：

11、1、本发明通过轨迹点累加至栅格图生成累计占据值，并与路面标识生成的管制掩膜共同判定可通行区域，再提取车道中心线、道路边界和连通关系组合为骨架图元，以骨架图元的变化作为场景更新的触发条件。事故或管制导致道路变化时，轨迹分布随之改变，累计占据值的变化驱动三维场景在对应区域进行局部更新，使数字孪生场景能够跟随真实路况同步调整，实现物理路口与虚拟场景之间的实时映射与同步演化。

12、2、本发明将路口的通行结构抽象为车道中心线、道路边界和连通关系组合的骨架图元，感知重构与交互推演均基于该骨架图元展开。用户在数字孪生场景上编辑方案后，系统以修改后的骨架图元为约束，将历史轨迹映射至编辑后的拓扑结构中生成反事实推演场景，并提取平均延误、排队长度和冲突点数量等量化指标进行方案评价。这种设计使交互操作能够在孪生场景上获得可量化的反馈支撑。

13、3、本发明中场景的实时重构由骨架图元的变化驱动，用户编辑方案后的推演评价同样以修改后的骨架图元为基础，两者共用同一套路口拓扑描述方式，不需要在感知数据与推演数据之间进行额外的格式转换或适配。这种设计使系统在保证场景实时更新的前提下，能够快速响应用户的编辑操作并进行方案验证，减少了数据重复处理带来的计算开销。