基于數(shù)字孿生的智慧城市建設(shè)研究

文/佟林杰 牛朝文(..燕山大學(xué) 河北秦皇島 066004)

內(nèi)容提要:數(shù)字孿生智慧城市是智慧城市物理實(shí)體在數(shù)字虛擬空間的數(shù)字化映射。在應(yīng)用上,可以將數(shù)字孿生智慧城市面向用戶、面向管理者以及面向服務(wù)的應(yīng)用場景。推進(jìn)數(shù)字孿生智慧城市的建設(shè),需要從頂層設(shè)計(jì)、資金保障、人才隊(duì)伍以及技術(shù)攻關(guān)四個(gè)方面構(gòu)建起保障體系。

一、數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的必要性

數(shù)字孿生智慧城市是智慧城市物理實(shí)體精準(zhǔn)在數(shù)字虛擬空間的數(shù)字化映射。是通過數(shù)字化的方式來表達(dá)和描述城市中物理對(duì)象的全要素(人員、資源、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、空間、行為、活動(dòng)等)。通過建模、仿真、模擬等數(shù)字技術(shù)手段構(gòu)建智慧城市孿生模型,并對(duì)智慧城市中物理對(duì)象的全業(yè)務(wù)流程、全要素以及全生命周期進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化表達(dá)以及可視化操控。在數(shù)字化映射的幫助下,智慧城市可以在數(shù)字信息空間最大程度地應(yīng)用城市大數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)智慧城市管理及服務(wù)業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化閉環(huán)。在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下利用相關(guān)信息技術(shù),在信息空間中完成對(duì)圖書館的數(shù)字化映射,可視化反映相對(duì)應(yīng)實(shí)體的全生命周期過程的同時(shí),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的閉環(huán)優(yōu)化,對(duì)智慧城市的全要素建構(gòu)數(shù)字孿生體系。[1]建設(shè)數(shù)字孿生智慧城市,以推動(dòng)智慧城市向更高智慧階段演進(jìn),在實(shí)踐和理論維度得到了必要性確認(rèn)。

在實(shí)踐維度上。2012年,住建部就開展了智慧城市的試點(diǎn)和申報(bào)工作。2014年發(fā)改委聯(lián)合其他七個(gè)部委共同印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》,強(qiáng)調(diào)智慧城市的頂層設(shè)計(jì)以及發(fā)展規(guī)劃。2015年,國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦、中央網(wǎng)信辦提出“新型智慧城市”,指出新型智慧城市的主要目標(biāo)在于全程全時(shí)為民服務(wù)、城市治理有序高效、數(shù)據(jù)開放共享、經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)以及網(wǎng)絡(luò)空間安全清朗。2016年中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》提出新型智慧城市建設(shè)的遵循原則和具體要求,同年國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》。數(shù)字孿生在2020年國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》中被多次提到,地方各級(jí)政府在推進(jìn)智慧城市建設(shè)過程中,也將數(shù)字孿生技術(shù)納入智慧城市的規(guī)劃建設(shè)中,如上海臨港“虛擬城市”、天津?yàn)I海的數(shù)字孿生城市運(yùn)營中心、雄安新區(qū)的“數(shù)字孿生城市”等。

在理論維度上。國內(nèi)外學(xué)者在數(shù)字孿生智慧城市方面取得了一定的進(jìn)展。Mohammadi和Taylor[2]提出數(shù)字孿生智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字表征,通過增強(qiáng)智慧城市的可視化表達(dá)能力,提升智慧城市數(shù)據(jù)的高度交互來改進(jìn)城市治理和城市監(jiān)控。Soe[3]強(qiáng)調(diào)數(shù)字建模對(duì)于智慧城市建設(shè)的重要作用,認(rèn)為應(yīng)對(duì)物理數(shù)據(jù)和虛擬交換的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行深入研究。Ruohomaki等[4]提出通過物聯(lián)網(wǎng)來構(gòu)建“My Smart Life”的數(shù)字孿生框架,使用數(shù)字孿生來監(jiān)視和比較基于環(huán)境和人類影響的能源消耗。WHITE等[5]認(rèn)為通過更開放及透明的模型構(gòu)建,將公民參與、公眾反饋納入智慧城市的建設(shè)和轉(zhuǎn)型中。國內(nèi)學(xué)者張艷豐[6]基于數(shù)字空間研究了智慧城市的數(shù)字全景畫像,并通過K-means聚類分析方法得出4組具有顯著差異的智慧城市全景數(shù)據(jù)畫像群體結(jié)構(gòu)。徐輝[7]認(rèn)為我國需要在數(shù)字化技術(shù)、精細(xì)快捷化服務(wù)、智能交互場景等方面加強(qiáng)實(shí)踐和理論探索。因此,需要基于“數(shù)字孿生”技術(shù)和理念建構(gòu)新型智慧城市。陳奕延等[8]探討數(shù)字孿生技術(shù)在制度、組織、市場、文化、技術(shù)及戰(zhàn)略六個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域上的拓展,以及數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)下的新機(jī)制,并提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的全面智慧創(chuàng)新管理新范式以及模型。

通過文獻(xiàn)檢索可知,目前學(xué)者們主要關(guān)注于數(shù)字孿生在智慧城市中的拓展。不過,數(shù)字孿生理念和技術(shù)如何嵌入智慧城市的建設(shè)中,并進(jìn)行有效融合?本研究通過以數(shù)字孿生+智慧城市作為研究基礎(chǔ),對(duì)數(shù)字孿生智慧城市的建設(shè)模式、應(yīng)用場景以及保障策略進(jìn)行探析,以期為我國智慧城市的建設(shè)發(fā)展提供建議。

二、數(shù)字孿生智慧城市的建設(shè)模式

數(shù)字孿生理念和技術(shù)融合了數(shù)字傳感、信息通訊、仿真建模和系統(tǒng)控制等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成果。[9]在智能傳感、微型收發(fā)器、射頻識(shí)別的支持下,數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)城市可獨(dú)立尋址的物理對(duì)象進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測、記錄,通過建模仿真、3R技術(shù)等對(duì)智慧城市中物理空間的要素、過程、行動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化表征,在數(shù)字虛擬空間中模擬和還原物理空間,實(shí)現(xiàn)智慧城市中物理空間的全要素在數(shù)字虛擬空間的精準(zhǔn)平行映射和信息表達(dá),進(jìn)而獲得城市物理空間在虛擬空間中全過程、全要素、全生命周期的運(yùn)行狀況,并以數(shù)字操作界面的方式呈現(xiàn)出來。最后將仿真模擬結(jié)果應(yīng)用在智慧城市的運(yùn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的運(yùn)作狀態(tài)、性能、活動(dòng)、數(shù)字治理結(jié)構(gòu)、服務(wù)流程、運(yùn)行智能設(shè)備等的調(diào)節(jié)、預(yù)測、診斷、監(jiān)測及控制,智慧城市物理空間與數(shù)字虛擬空間進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,在不斷的交互中實(shí)現(xiàn)共同優(yōu)化和迭代。[10]由此,可以將數(shù)字孿生智慧城市體系架構(gòu)劃分為物理層、交互層、中間件層與應(yīng)用層。

圖1 基于數(shù)字孿生的智慧城市體系框架

物理層是整個(gè)數(shù)字孿生智慧城市體系架構(gòu)的基礎(chǔ)支撐,包括各類城市物理實(shí)體和智能感知設(shè)備,主要完成城市數(shù)據(jù)與信息的感知、監(jiān)測與收集。如城市交通狀況、空氣質(zhì)量、光線、濕度、溫度、土壤酸堿度、用電量、用水量、設(shè)備實(shí)施及其工作狀態(tài)等城市運(yùn)行的基本狀況。智能傳感器將城市物理對(duì)象的信號(hào)和現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為數(shù)字參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)在邊緣計(jì)算設(shè)備的支持下就可以通過驅(qū)動(dòng)電路以基于算法進(jìn)行操作,并將這些信號(hào)進(jìn)行移位、縮放、從而使其與周圍的邊緣計(jì)算設(shè)備的數(shù)字模擬和串行通信端口兼容。

交互層也叫通信層,主要負(fù)責(zé)將智能傳感設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)安全有效地進(jìn)行傳輸,以進(jìn)行下一步的分析和處理,從而建構(gòu)起連接城市物理空間和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的“橋梁”。由于虛擬空間云和物理空間并不一定處于同一位置,且數(shù)量眾多的傳感器實(shí)時(shí)收集的大數(shù)據(jù)需要更為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸能力作為保障。因此,數(shù)字孿生智慧城市特別需要為其通信系統(tǒng)使用部署大量安全、可靠、高寬帶、高速率、低延時(shí)、且可用的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

中間件層由資源層、虛擬化層、對(duì)象層、數(shù)據(jù)層以及仿真層五個(gè)子層組成。其中,資源層主要為數(shù)字孿生智慧城市系統(tǒng)的系統(tǒng)管理人員和開發(fā)人員提供云資源自動(dòng)化的配置和部署方案,并自動(dòng)完成所有云資源在多個(gè)不同地域以及多個(gè)賬戶中的部署和配置,把云上資源和服務(wù)的整套環(huán)境抽象成模版,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即代碼。虛擬化層用于構(gòu)建分布式應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將應(yīng)用程序分解為獨(dú)立的、松耦合的、可單獨(dú)部署的服務(wù),允許使用服務(wù)代理的部署來擴(kuò)展或更新每個(gè)服務(wù),而不會(huì)中斷應(yīng)用程序中的其他服務(wù),并能夠快速且可靠地交付大型、復(fù)雜的應(yīng)用程序。對(duì)象層可以根據(jù)對(duì)象來開發(fā)軟件系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu),通過標(biāo)識(shí)對(duì)象,將對(duì)象分組到的類以及對(duì)象之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)城市物理空間的過程、要素、生命周期的數(shù)字化。數(shù)據(jù)層可以訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫以挖掘數(shù)據(jù)并將結(jié)果報(bào)告給智慧城市系統(tǒng)管理人員,并評(píng)估物理對(duì)象或系統(tǒng)的狀況,預(yù)測未來可能發(fā)生的故障和維護(hù)要求。而仿真層通過仿真工具、設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象的仿真,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生(DT)的可視化。

應(yīng)用層是數(shù)字孿生技術(shù)及理念的應(yīng)用和體驗(yàn)階段,它提供了與物理空間完全相同的模擬環(huán)境。應(yīng)用層可以提供面向城市的規(guī)劃管理、運(yùn)行調(diào)控、故障診斷以及服務(wù)運(yùn)營等功能。以及面向公眾的智慧操控、人機(jī)互動(dòng)、情景感知和體驗(yàn)等智能服務(wù)。將城市物理運(yùn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字自治系統(tǒng),通過記錄、備份過去的信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前狀況,以支持未來的分析決策和城市運(yùn)營管理。并通過移動(dòng)智能終端、PC、AR、VR、MR、人機(jī)協(xié)作、閉環(huán)仿真、互操作性界面等應(yīng)用方案和技術(shù)手段,建構(gòu)出多維感知、泛在智慧、多感官全息交互的城市虛擬空間,以營造城市新場景,為公眾提供個(gè)性化、優(yōu)質(zhì)、智慧化的城市服務(wù)。

三、數(shù)字孿生智慧城市的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

智慧城市依托仿真虛擬、生物識(shí)別、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù),實(shí)現(xiàn)智慧城市的立體動(dòng)態(tài)展示和智慧管理及服務(wù)。在應(yīng)用上,可以將數(shù)字孿生智慧城市面向用戶、面向管理者、以及面向服務(wù)的應(yīng)用場景。

(一)面向用戶的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

智慧城市的建設(shè)在于為公民營造宜居城市環(huán)境,為公眾提供智慧化、便捷化、優(yōu)質(zhì)化、高效化的城市服務(wù)。在城市用戶需求的驅(qū)動(dòng)下,通過發(fā)掘大數(shù)據(jù)的價(jià)值,開發(fā)和整合數(shù)字資源滿足用戶對(duì)于智慧業(yè)務(wù)和智慧服務(wù)的需求。在智慧城市中,公眾用戶主要是指Anyone,因?yàn)槌鞘惺莿?dòng)態(tài)開放的,所對(duì)應(yīng)的城市服務(wù)也是泛在服務(wù)。在數(shù)字孿生技術(shù)、信息技術(shù)的支持下,城市服務(wù)的輻射范圍更大,破除了實(shí)踐和空間的限制,其服務(wù)的受眾更加多元、基數(shù)更大。智慧城市在“數(shù)字孿生”技術(shù)支持下,可以對(duì)城市公眾用戶構(gòu)建數(shù)字孿生體、畫像其需求領(lǐng)域、需求事項(xiàng)以及需求深度,并對(duì)城市資源配置、服務(wù)供給進(jìn)行仿真模擬,以檢驗(yàn)與用戶服務(wù)需求之間的適配度,并通過個(gè)性化定制、優(yōu)化迭代、人機(jī)交互等為公眾提供精品內(nèi)容和優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

圖2 面向用戶的數(shù)字孿生智慧城市應(yīng)用場景

1.精準(zhǔn)化的用戶需求畫像。用戶畫像是真實(shí)用戶的虛擬模型,是用戶狀況的數(shù)字表征。用戶需求畫像包括用戶基本狀況、生活和工作習(xí)慣、行為模式等。概括來說,用戶畫像技術(shù)通過對(duì)用戶屬性信息、行為痕跡、生活習(xí)慣等信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取并精煉用戶信息,并勾畫出用戶的數(shù)字圖像,充分了解用戶屬性和用戶需求。通過信息識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶需求特征的精確、完整記錄、提煉和組合,獲得針對(duì)用戶需求領(lǐng)域、需求事項(xiàng)以及需求深度的信息與數(shù)據(jù),并形成對(duì)用戶生活習(xí)慣的識(shí)別和用戶需求的預(yù)判。并對(duì)用戶畫像與智慧城市數(shù)字資源深層語義標(biāo)簽的關(guān)聯(lián)映射,結(jié)合情景設(shè)置、用戶特征,不斷升級(jí)推薦和推送系統(tǒng),從而為用戶推薦符合其需求的相關(guān)信息,智能地為用戶提供優(yōu)質(zhì)的城市服務(wù)。

2.個(gè)性化的用戶定制?；跀?shù)字孿生的智慧城市可以依據(jù)大數(shù)據(jù)、全景鏡象將用戶需求信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽化,通過對(duì)用戶需求進(jìn)行數(shù)字化、可視化處理,以更好把握用戶的需求狀態(tài)及其規(guī)律。對(duì)單個(gè)用戶的服務(wù)需求進(jìn)行析出(聚類、合并以及提煉等處理)并生成個(gè)體用戶的個(gè)性化需求數(shù)據(jù)庫。在服務(wù)供給端不斷完善和優(yōu)化城市信息資源建設(shè)流程,對(duì)城市資源進(jìn)行歸類、整合、提煉,獲取城市資源的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息與標(biāo)識(shí)特征。通過將用戶需求標(biāo)簽映射到對(duì)應(yīng)的資源列表中,并與類似的資源信息集合完成匹配為用戶群組建立個(gè)性化信息資源數(shù)據(jù)庫,加深對(duì)用戶行為的認(rèn)知和理解。因此,基于數(shù)字孿生的智慧城市可以有效滿足不同用戶的信息化和服務(wù)需求,依靠豐富的智能感知應(yīng)用、可靠且強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)、集成化的服務(wù)終端,構(gòu)建起“云—管—端”的服務(wù)模式,并為用戶提供便捷、綜合及全面的集成式、一站式、定制式的城市服務(wù)。

3.集成化的用戶服務(wù)。在人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生技術(shù)的支持下,通過用戶畫像、用戶需求畫像、資源畫像、市政規(guī)劃/城市模塊化/協(xié)作活動(dòng)的模擬,對(duì)多元主體、多種資源、多種功能進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)服務(wù)供給的協(xié)同化。數(shù)字孿生智慧城市要打破依靠智能感知、可靠網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)累計(jì)、數(shù)據(jù)抽象等技術(shù)來打破信息孤島、信息延遲以及信息不對(duì)稱的局面,實(shí)現(xiàn)信息的集成和開放共享。以信息集成為前提,通過組織、權(quán)力與資源的多重集成,清晰地將“集成式”服務(wù)響應(yīng)模式的組織關(guān)系構(gòu)建出來。從而提高公共服務(wù)相應(yīng)的順暢性、及時(shí)性和有效性。

(二)面向管理者的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

在數(shù)字孿生技術(shù)的背景下,智慧城市依靠生物識(shí)別、模擬仿真以及人工智能等技術(shù),可以分析并整合城市中的各模塊、各要素、各種資源及其功能,賦能和優(yōu)化城市管理活動(dòng)。通過城市物理空間在虛擬空間的關(guān)聯(lián)映射及交互融合,建立城市物理實(shí)體在虛擬數(shù)字孿生體共生融合的智慧管理模式。虛擬數(shù)字孿生體可以對(duì)城市物理空間及其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬,如城市交通、資源及能源消耗、工程進(jìn)度等項(xiàng)目。在對(duì)比城市物理空間的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)字虛擬空間及其相關(guān)虛擬實(shí)體之間的模擬與仿真,可以預(yù)判城市物理空間和物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)是否存在異常,并對(duì)城市基礎(chǔ)實(shí)施、智能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、故障監(jiān)測、排查、維護(hù)及遠(yuǎn)程控制。有效提升城市管理水平,健全城市管理體系。

圖3 面向管理的數(shù)字孿生智慧城市應(yīng)用設(shè)計(jì)

(1)數(shù)字化管理。數(shù)字孿生可以優(yōu)化智慧城市的管理流程,推動(dòng)城市信息數(shù)字化、分析決策數(shù)字化、應(yīng)用辦公等方面的數(shù)字化,依靠城市的大數(shù)據(jù)搭建起智慧城市管理的數(shù)據(jù)信息流,應(yīng)用現(xiàn)有的智能感知設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸技術(shù)、遙感定位技術(shù)、射頻識(shí)別以及終端辦公及應(yīng)用程序構(gòu)建起智慧城市的數(shù)字化管理體系。這包括數(shù)字化輔助分析決策系統(tǒng)、數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字化服務(wù)系統(tǒng)以及數(shù)字化交流及發(fā)布系統(tǒng)、城市設(shè)施管理信息系統(tǒng)等,從而通過數(shù)字化理念和技術(shù)賦能城市物理空間的調(diào)度、運(yùn)營、智慧、服務(wù)等諸多管理活動(dòng)。通過有效海量大數(shù)據(jù)的收集、聚類、儲(chǔ)存、處理以及交互,推進(jìn)具備高分辨率的、虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的城市化數(shù)字管理建設(shè),進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字化管理水平。

(2)智慧化管理。通過協(xié)同應(yīng)用智能傳感技術(shù)、射頻識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)以及5G技術(shù)等,對(duì)城市物理空間、物理實(shí)體進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)傳輸和交互。結(jié)合云服務(wù)、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)抽象等對(duì)城市大數(shù)據(jù)同步傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)處理層,實(shí)現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、分析、整合與集成,最后發(fā)掘出大數(shù)據(jù)價(jià)值應(yīng)用于城市管理及運(yùn)行。通過對(duì)城市運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)全面感知,暢通城市各部門之間的數(shù)據(jù)信息交互共享、互通互聯(lián)、協(xié)同合作、智能決策、服務(wù)一體化等的城市綜合智慧管理體系,構(gòu)建起數(shù)據(jù)信息管理、綜合全面監(jiān)管、協(xié)同一體化辦公、輔助分析決策、城市服務(wù)供給等智慧管理平臺(tái)。

(3)可視化管理。城市可視化管理在一系列技術(shù)手段和系統(tǒng)方法的支持下,能夠讓城市管理人員通過形象生動(dòng)、立體直觀、色彩適宜的操作界面和管理系統(tǒng)就能全面了解城市數(shù)字虛擬空間和物理空間的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),有效實(shí)現(xiàn)城市管理的可視化、透明化以及便捷化。面對(duì)著城市復(fù)雜且海量的城市管理數(shù)據(jù),這就包括異構(gòu)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),通過可視化管理可以實(shí)現(xiàn)城市將海量大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視覺資源、更迅速、更清晰、更高效地呈現(xiàn)出城市數(shù)據(jù)信息所承載的價(jià)值,提升城市數(shù)據(jù)信息價(jià)值的利用程度。

(三)面向服務(wù)的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

智慧城市可以實(shí)時(shí)、全面及智能獲取城市運(yùn)行和發(fā)展相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù),因此,它不僅重塑城市管理生態(tài),也在不斷推動(dòng)城市公共服務(wù)供給的智慧轉(zhuǎn)型。在智能穿戴設(shè)備、數(shù)字孿生技術(shù)、移動(dòng)智能終端的應(yīng)用下,城市能夠廣泛地采集城市物理空間及對(duì)象的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),了解城市運(yùn)行發(fā)展特征,并自動(dòng)對(duì)城市運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估診斷,構(gòu)建起以大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策為出發(fā)點(diǎn),以城市用戶需求感知為導(dǎo)向,以自動(dòng)供給相應(yīng)為起點(diǎn)的城市服務(wù)體系框架,為城市用戶,為公眾提供定制化、個(gè)性化、智慧化的城市服務(wù)。

圖4 面向服務(wù)的數(shù)字孿生智慧城市應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.構(gòu)建“用戶為中心”的城市服務(wù)?；跀?shù)字孿生的智慧城市服務(wù)通過城市大數(shù)據(jù)收集、聚類、組織、分析及組合,在數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)品及知識(shí)服務(wù)的開發(fā)。因此,其服務(wù)范式是圍繞用戶所展開的,將大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用于針對(duì)城市用戶的服務(wù)中。它可以將基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的城市用戶畫像,對(duì)用戶行為數(shù)據(jù)、情景信息等的實(shí)時(shí)、全過程、全方位的連續(xù)采集,并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,抽象聚類及標(biāo)簽化,并制定出用戶畫像。以用戶體驗(yàn)和用戶滿意為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn),將城市用戶需求畫像與城市資源畫像進(jìn)行精準(zhǔn)匹配,并通過個(gè)性化、定制化以及智慧化的城市服務(wù)供給,有效增強(qiáng)城市用戶交互式、沉浸式的城市服務(wù)體驗(yàn),提高用戶對(duì)于智慧城市的接受度和滿意度。

2.創(chuàng)新城市服務(wù)供給。將數(shù)字孿生應(yīng)用在智慧城市建設(shè)中,可以將城市空間結(jié)構(gòu)、特征、狀態(tài)及動(dòng)態(tài)等物理屬性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá),能夠?qū)崿F(xiàn)城市服務(wù)的創(chuàng)新供給。通過大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)+仿真模擬的服務(wù)范式,有力推動(dòng)城市在新技術(shù)環(huán)境下城市服務(wù)能力的提升和服務(wù)方式的創(chuàng)新,在對(duì)城市大數(shù)據(jù)進(jìn)行語義化描述、碎片化挖掘、關(guān)聯(lián)化連接的基礎(chǔ)上,深度把握城市用戶基本屬性、行為及習(xí)慣等內(nèi)容,并結(jié)合城市資源供給的相關(guān)性特征、情景特征、協(xié)同特征,不斷升級(jí)城市服務(wù)供給系統(tǒng),并設(shè)計(jì)出服務(wù)反饋機(jī)制,不斷改進(jìn)城市服務(wù)。

3.推進(jìn)智慧化的城市服務(wù)平臺(tái)建設(shè)?；跀?shù)字孿生的智慧城市服務(wù)平臺(tái)具有數(shù)字化、可視化以及集成化等特征,相比于傳統(tǒng)城市管理服務(wù),數(shù)字孿生智慧服務(wù)平臺(tái)可以有效破解信息孤島、信息延遲以及信息不對(duì)稱的現(xiàn)象,避免城市服務(wù)供給過程中的“碎片化”現(xiàn)象。通過構(gòu)建整體的城市服務(wù)框架體系和服務(wù)中心,優(yōu)化整合城市服務(wù)資源,形成城市服務(wù)的“一號(hào)申請(qǐng)”“一窗辦理”以及“一站式服務(wù)”的城市服務(wù)平臺(tái),增強(qiáng)城市服務(wù)的拓展性、開放型與交互性。

四、基于數(shù)字孿生的智慧城市建設(shè)保障機(jī)制

(一)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),推進(jìn)數(shù)字孿生智慧城市制度體系建設(shè)

伴隨著數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市的建設(shè)過程中的應(yīng)用,各地推出城市大腦、城市數(shù)字孿生體等項(xiàng)目建設(shè)。然而,由于采用的技術(shù)路徑、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)設(shè)備不盡相同,應(yīng)用的形式各有差異,兼容性、安全性及可靠性制約數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用。這需要在宏觀上加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),不斷推進(jìn)數(shù)字孿生智慧城市的制度體系和配套設(shè)施的建設(shè)。在頂層設(shè)計(jì)方面,國家層面上要加強(qiáng)政策支持,明確數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的原則、性質(zhì)、路徑及職能等,加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)在智慧城市建設(shè)過程中的應(yīng)用部署,與此同時(shí),制定數(shù)字孿生的技術(shù)、市場、質(zhì)量以及安全等標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)數(shù)字孿生在智慧城市的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用和建設(shè)。在制度體系方面,要構(gòu)建起協(xié)同統(tǒng)一機(jī)制統(tǒng)籌智慧城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌建設(shè),包括認(rèn)識(shí)管理制度、經(jīng)費(fèi)管理制度、風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制以及績效管理機(jī)制等。將城市物理空間、管理服務(wù)活動(dòng)更好融入數(shù)字孿生體中,了解城市運(yùn)行底盤,把城市的運(yùn)行動(dòng)態(tài)和大數(shù)據(jù)結(jié)合起來,做好數(shù)字孿生智慧城市的配套設(shè)施建設(shè),建立健全數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的制度保障體系。

(二)拓寬資金注入渠道,形成數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的資金保障體系

穩(wěn)定且可持續(xù)的資金支持是數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的重要保障。因此,除了依靠公共補(bǔ)款和轉(zhuǎn)移支付,還要不斷推動(dòng)數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的市場化,通過與科技巨頭、資本融資機(jī)構(gòu)、基金會(huì)、慈善機(jī)構(gòu)甚至國際機(jī)構(gòu)展開合作,并優(yōu)化數(shù)字孿生智慧城市融資方案,支持建立融資部門,與基金會(huì)、國際機(jī)構(gòu)、慈善機(jī)構(gòu)和科技巨頭展開密切合作,開發(fā)融資解決方案以支持智慧城市關(guān)鍵項(xiàng)目的建設(shè)。還可以通過與私營部門、科技巨頭建立起綜合及合作項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),打造公私合作伙伴關(guān)系(PPP)、創(chuàng)新投資方式、建立智慧城市優(yōu)惠貸款機(jī)制等多種渠道確保數(shù)字孿生智慧城市項(xiàng)目能夠以長期資產(chǎn)的形式存在,進(jìn)而刺激這些項(xiàng)目的投入能夠產(chǎn)生直接的財(cái)務(wù)收益,保障智慧城市建設(shè)的持續(xù)性。此外,要更系統(tǒng)地考慮數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的成本收益,以經(jīng)濟(jì)目標(biāo)確立數(shù)字孿生智慧城市項(xiàng)目投資的優(yōu)先級(jí),量力而行推進(jìn)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),規(guī)避“攤大餅”“盲目擴(kuò)張”以及“一哄而上”等問題,避免智慧城市建設(shè)過程中所面臨著赤字風(fēng)險(xiǎn)、有效性與活力喪失風(fēng)險(xiǎn)。

(三)重視人才隊(duì)伍建設(shè),建立數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的人才保障體系

數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)離不開人才資源的保障,伴隨著數(shù)字孿生在智慧城市的部署和應(yīng)用,先進(jìn)信息技術(shù)、智能設(shè)備以及移動(dòng)終端,對(duì)城市管理人員、工作人員及服務(wù)人員提出了更高的要求。要求城市管理人員了解數(shù)字孿生的技術(shù)和應(yīng)用理念,熟悉掌握數(shù)字孿生智慧城市的規(guī)劃和統(tǒng)籌建設(shè)工作。除了專業(yè)知識(shí)支撐,還需要較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力作為保障,從而推進(jìn)數(shù)字孿生智慧城市的建設(shè)落實(shí)及高效運(yùn)行。要重視數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的人才培養(yǎng)工作推進(jìn),不斷創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制,努力提升現(xiàn)有人才的信息科學(xué)素養(yǎng)、智能設(shè)備操作以及綜合管理能力,打造數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的人才庫和專家?guī)?為數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)提供人才和智力支持。

(四)攻關(guān)核心技術(shù),深化數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)的技術(shù)保障體系

將數(shù)字孿生大規(guī)模地應(yīng)用于智慧城市建設(shè)仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn),包括對(duì)城市物理空間及實(shí)體的全域智慧感知技術(shù)、針對(duì)數(shù)字孿生體的精準(zhǔn)模擬和建模仿真技術(shù)、深度機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算、協(xié)同計(jì)算技術(shù)等尚不成熟,仍存在改進(jìn)和優(yōu)化的空間,面向數(shù)字孿生技術(shù)與城市管理和服務(wù)實(shí)踐融合有待深化。因此,面對(duì)數(shù)字孿生智慧城市部署和建設(shè)過程中的技術(shù)瓶頸和技術(shù)短板,應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān),有針對(duì)性地進(jìn)行科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí),推動(dòng)數(shù)字孿生與城市管理及服務(wù)實(shí)踐的融合,利用論壇、會(huì)議、辯論會(huì)、交流會(huì)、指導(dǎo)會(huì)等讓城市管理及服務(wù)人員參與到數(shù)字孿生技術(shù)的研究和開發(fā)中去,促進(jìn)數(shù)字孿生理論+技術(shù)+應(yīng)用的結(jié)合。通過多主體、資源等的協(xié)同共同推動(dòng)數(shù)字孿生智慧城市落地。