A Digital Twin Framework for Physical-Virtual Integration in V2X-Enabled Connected Vehicle Corridors

要約

輸送サイバー物理システム（T-CPS）は、サイバー輸送システムと物理的輸送システムを統合することにより、安全性とモビリティを向上させます。
T-CPSの重要なコンポーネントは、デジタルツイン（DT）です。これは、リアルタイムのデータ交換と通信を通じてシミュレーション、分析、および最適化を可能にする仮想表現です。
既存の研究では、車両、通信、歩行者、および交通のDTSを調査しましたが、インフラストラクチャ、車両、信号、通信などを含むDTの実世界の検証と実装は、いくつかの課題のために限られたままです。
これらには、実際の接続されたインフラストラクチャへのアクセス、不均一なマルチソースデータの統合、リアルタイムのデータ処理の確保、デジタルシステムと物理システムの同期が含まれます。
これらの課題に対処するために、この研究は、実際の接続された車両の廊下に基づいてトラフィックDTを開発します。
廊下のセルラービークル（C-V2X）のインフラストラクチャを活用し、通信、コンピューティング、シミュレーション技術とともに、提案されたDTは、仮想環境内の物理的な車両行動、信号のタイミング、通信、および交通パターンを正確に複製します。
以前のデータパイプラインに基づいて、デジタルシステムは物理環境との堅牢な同期を保証します。
さらに、DTのスケーラブルで冗長なアーキテクチャにより、データの整合性が向上し、将来の大規模なC-V2X展開をサポートできます。
さらに、物理システムにフィードバックを提供する能力は、信号のタイミング調整、車両アドバイザリーメッセージ、インシデント通知などのアプリケーションを通じて実証されています。
提案されたDTは、T-CPSの重要なツールであり、輸送システムの信頼性と安全性を高めるためのリアルタイムトラフィックの監視、予測、および最適化を可能にします。

要約(オリジナル)

Transportation Cyber-Physical Systems (T-CPS) enhance safety and mobility by integrating cyber and physical transportation systems. A key component of T-CPS is the Digital Twin (DT), a virtual representation that enables simulation, analysis, and optimization through real-time data exchange and communication. Although existing studies have explored DTs for vehicles, communications, pedestrians, and traffic, real-world validations and implementations of DTs that encompass infrastructure, vehicles, signals, communications, and more remain limited due to several challenges. These include accessing real-world connected infrastructure, integrating heterogeneous, multi-sourced data, ensuring real-time data processing, and synchronizing the digital and physical systems. To address these challenges, this study develops a traffic DT based on a real-world connected vehicle corridor. Leveraging the Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) infrastructure in the corridor, along with communication, computing, and simulation technologies, the proposed DT accurately replicates physical vehicle behaviors, signal timing, communications, and traffic patterns within the virtual environment. Building upon the previous data pipeline, the digital system ensures robust synchronization with the physical environment. Moreover, the DT’s scalable and redundant architecture enhances data integrity, making it capable of supporting future large-scale C-V2X deployments. Furthermore, its ability to provide feedback to the physical system is demonstrated through applications such as signal timing adjustments, vehicle advisory messages, and incident notifications. The proposed DT is a vital tool in T-CPS, enabling real-time traffic monitoring, prediction, and optimization to enhance the reliability and safety of transportation systems.

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