南京北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)數(shù)字孿生平臺建設(shè)研究與探討

高冠軍，趙彥濤 ,余清鵬

（1.南京江北新區(qū)樞紐經(jīng)濟(jì)發(fā)展管理辦公室，江蘇 南京 210000；2.南京江北新區(qū)樞紐經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限公司，江蘇 南京 210043）

1 概述

數(shù)字孿生技術(shù)作為新型智慧城市建設(shè)的創(chuàng)新引領(lǐng)性技術(shù)，在推動智慧城市建設(shè)方面的作用已越來越受到重視，數(shù)字孿生城市[1]，是“數(shù)字孿生技術(shù)”在城市空間中的應(yīng)用。國家“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，明確提出了要“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了國家戰(zhàn)略指引。

中國數(shù)字孿生城市興起于2017 年，由中國信通院在基于智慧城市研究基礎(chǔ)上提出；2018 年，河北雄安新區(qū)發(fā)布《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》，提出設(shè)立與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃建設(shè)、具有深度學(xué)習(xí)能力的數(shù)字城市，成為中國首個將數(shù)字孿生理念應(yīng)用于城市建設(shè)的規(guī)劃項目[2]；2019 年，“數(shù)字孿生城市”熱度不斷上升，隨著多家互聯(lián)網(wǎng)、通信巨頭陸續(xù)加入構(gòu)建數(shù)字孿生生態(tài)，提出數(shù)字孿生城市架構(gòu)；2020—2023 年，包含北京市、上海市、廣州市、海南省、浙江省等全國有16 個省市明確提出數(shù)字孿生城市建設(shè)相關(guān)政策或行動方案，中國數(shù)字孿生城市建設(shè)正式進(jìn)入建設(shè)期[3-5]。本文以南京北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)數(shù)字孿生平臺項目為背景，開展數(shù)字孿生平臺建設(shè)的應(yīng)用研究，探討相應(yīng)的建設(shè)方案。

北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)數(shù)字孿生平臺于2020 年正式啟動建設(shè)，通過建立北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)三維城市空間模型和城市動態(tài)信息的有機(jī)綜合體，為片區(qū)各類智慧城市應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換共享提供統(tǒng)一時空基底，助力南京北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理全生命周期智能化、全過程精細(xì)化管理，提升片區(qū)治理水平與服務(wù)能力。

圖1 數(shù)字孿生平臺示意圖

2 數(shù)字孿生平臺技術(shù)路徑

2.1 平臺綜述

北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)數(shù)字孿生平臺能夠為片區(qū)內(nèi)及周邊自然資源、規(guī)劃、建設(shè)、經(jīng)濟(jì)、民生等各類數(shù)據(jù)的匯聚提供能力，高效展現(xiàn)大場景數(shù)字孿生城市模型，復(fù)原城市細(xì)節(jié)，并能夠通過數(shù)字孿生可視化進(jìn)行大場景動態(tài)實時渲染，在數(shù)據(jù)可視化和場景可視化基礎(chǔ)上，實現(xiàn)樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃、建設(shè)的可視化和精細(xì)化管理，對城市運行監(jiān)測、運營管理、應(yīng)急調(diào)度等一體化管理與服務(wù)的綜合支撐。

2.2 平臺架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)和建筑信息模型的新型智慧城市理論，依托南京市與數(shù)字化相關(guān)的制度、法律、法規(guī)、政策，并以南京江北新區(qū)政務(wù)外網(wǎng)鯤鵬云底座為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（loT)、地理信息數(shù)據(jù)（GIS)、建筑信息模型（BIM）等數(shù)據(jù)為支撐，運用基于互聯(lián)網(wǎng)的云計算技術(shù)，將任何物理上、邏輯上與地理位置有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有機(jī)地組織，形成三維可視化的具有信息查詢、管理監(jiān)控、決策支持等多種功能的真實數(shù)字還原南京北站樞紐片區(qū)。

本平臺遵循集約建設(shè)的原則；充分利用已建設(shè)施，采用四層架構(gòu)，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層及相關(guān)管理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、保障體系，總體架構(gòu)見下圖：

圖2 總體建設(shè)架構(gòu)圖

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層包括立體感知體系、網(wǎng)絡(luò)連接層、中心機(jī)房及邊緣計算相關(guān)軟硬件等內(nèi)容，其為各個系統(tǒng)提供信息傳輸通道、安全基礎(chǔ)設(shè)施、運行環(huán)境（包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境）等，同時可根據(jù)前端業(yè)務(wù)需求按需自動擴(kuò)容，實現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移、運維自動監(jiān)控等。其中網(wǎng)絡(luò)連接層主要是政務(wù)外網(wǎng)、運營線VPN 網(wǎng)、無線網(wǎng)（2G/3G/GPRS/NB-IoT）等，用于感知數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)務(wù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。平臺層主要是區(qū)政務(wù)云，其為本系統(tǒng)提供所有存儲資源、計算資源以及網(wǎng)絡(luò)安全資源等。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層包括鯤鵬數(shù)字底座、時空大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)湖及基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)子平臺等內(nèi)容，主要提供數(shù)據(jù)接入、存儲、管理、應(yīng)用分析和共享等能力，通過對平臺層各類應(yīng)用庫數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化清洗過濾以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、專題庫以及時空大數(shù)據(jù)分析為主的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心。支持與氣象、國土、交通、公安等部門的數(shù)據(jù)交換共享。其中時空大數(shù)據(jù)主要面向地圖標(biāo)記、二維矢量、傾斜攝影、BIM 數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)設(shè)施層泵入的IoT 數(shù)據(jù)等。

（3）平臺層。平臺層屬于CIM 數(shù)字孿生中樞的建設(shè)核心，為應(yīng)用層提供底層時空、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚、管理、分發(fā)服務(wù)，其中包括基礎(chǔ)功能組件、CIM 輕量化引擎、可視化與仿真組件、部件數(shù)據(jù)化子平臺、數(shù)據(jù)分析子平臺、應(yīng)用集成智能子平臺、智能連接子平臺等。利用城市骨架數(shù)據(jù)（CIM）、感知數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合鯤鵬數(shù)字底座的強(qiáng)大云計算能力、大數(shù)據(jù)分析能力、人工智能能力，實現(xiàn)對新區(qū)城市規(guī)劃建設(shè)、運行監(jiān)測、運營管理、應(yīng)急調(diào)度等一體化管理與服務(wù)的綜合支撐。

圖3 微服務(wù)架構(gòu)圖

（4）應(yīng)用層。提供用戶交互截面，通過平臺層支撐，涵蓋了數(shù)字規(guī)劃、虛擬仿真兩大場景12 項功能，提供城市建設(shè)、運行指揮可視化展示集成框架，根據(jù)用戶的場景需求，動態(tài)可擴(kuò)展支撐可視化的多屏開發(fā)。

（5）運維管理體系。為確保平臺應(yīng)用的協(xié)調(diào)性和連續(xù)性，數(shù)字孿生平臺構(gòu)建以信息安全保障和系統(tǒng)運行保障為基礎(chǔ)的規(guī)范化運維服務(wù)保障體系，建立運維管理機(jī)制，明確以事件管理、問題管理、變更管理和配置管理等環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)的運維服務(wù)流程。

（6）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是保障系統(tǒng)的各個組成部分能夠協(xié)調(diào)一致的工作，是保障各類信息互聯(lián)互通，是保障項目建設(shè)過程和運維管理的規(guī)范、有序、高效的重要基礎(chǔ)。通過充分利用已有國標(biāo)和行標(biāo)、參考國際上的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)必要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成CIM 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

3 數(shù)字孿生平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 數(shù)字孿生底板搭建

數(shù)字孿生平臺采用以BIM ＋GIS 為核心的城市級三維模型創(chuàng)建整合與深化應(yīng)用的總體方案，解決片區(qū)內(nèi)的多源異構(gòu)、多專業(yè)協(xié)同應(yīng)用等重難點問題。根據(jù)外業(yè)航飛及地質(zhì)、規(guī)劃及工程資料進(jìn)行，實景、地質(zhì)、規(guī)劃三大模型創(chuàng)建整合及工程三維模型整合等技術(shù)手段，先在主流BIM 軟件平臺對模型進(jìn)行整合，再發(fā)布至主流GIS 平臺生成三維電子沙盤?；陔娮由潮P開展城市級模型應(yīng)用，并最終將城市電子沙盤發(fā)布至同步開發(fā)的數(shù)字孿生平臺，為北站的規(guī)劃、建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

3.2 空間數(shù)據(jù)融合技術(shù)

空間和地理信息技術(shù)已發(fā)展多年，涉及空間和GIS相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、格式和應(yīng)用軟件多種多樣，在進(jìn)行數(shù)字孿生平臺建設(shè)的過程中，不可避免地要對各種空間數(shù)據(jù)以及需要和空間關(guān)聯(lián)上的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行再組織、再關(guān)聯(lián)，空間數(shù)據(jù)融合技術(shù)就此出現(xiàn)。

（1）空間主數(shù)據(jù)：指進(jìn)行空間數(shù)據(jù)組織和關(guān)聯(lián)時的統(tǒng)一標(biāo)識技術(shù)系列，如地理編碼、BIM 編碼技術(shù)等，以及依此衍生的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)、空間地址匹配技術(shù)等。

（2）空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：多種三維模型文件格式、GIS 文件格式、傾斜攝影格式等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，放入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式下進(jìn)行再組織的技術(shù)，支持的文件格式包括：ifc、rvt、dgn、catia、fbx、osgb、osg、ive、obj、3ds、x、ply、dwg、ac、dae、gltf、lwo、lxo、scn、mdl、md3、md5、smd、m3、3d、q3d、ms3d 等。

（3）BIM+GIS 數(shù)據(jù)融合：基于GIS 的地理坐標(biāo)系將三維BIM 模型按空間屬性和業(yè)務(wù)屬性進(jìn)行多數(shù)據(jù)集地再組織過程。

（4）IoT 空間數(shù)據(jù)融合：基于BIM 模型坐標(biāo)體系將IoT 物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)基于空間的傳感數(shù)據(jù)的調(diào)取和可視化應(yīng)用；同時，在大尺度空間體系下，需要將IoT 物聯(lián)點位和BIM 坐標(biāo)與地理坐標(biāo)系進(jìn)行融合關(guān)聯(lián)。

圖4 片區(qū)多源數(shù)據(jù)匯聚效果

3.3 基于WebGL 的三維可視化技術(shù)

WebGL（Web Graphics Library）是一種3D 繪圖協(xié)議，能夠在網(wǎng)頁上實現(xiàn)三維圖形圖像渲染的技術(shù)，使得瀏覽器擺脫了需要插件的麻煩，通過網(wǎng)頁渲染直接調(diào)用顯卡GPU 來實現(xiàn)，大大加快了網(wǎng)頁顯示的速度。

WebGL 技術(shù)使得三維地圖可在瀏覽器端以網(wǎng)頁形式訪問和呈現(xiàn)。三維地圖應(yīng)用系統(tǒng)可以B/S 的方式建設(shè)，用戶能夠以更加便捷的方式使用系統(tǒng)，對于三維地圖在各行各業(yè)的應(yīng)用有著巨大的推進(jìn)作用。

3.4 空間計算技術(shù)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于為城市數(shù)字空間可視化平臺提供基于空間大數(shù)據(jù)的計算分析能力。其數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)。采用成熟先進(jìn)的分布式大數(shù)據(jù)計算處理框架構(gòu)建，提供基于空間的分析算法，支持多種數(shù)據(jù)源格式輸入?？臻g分析技術(shù)系統(tǒng)為用戶構(gòu)建深度查詢、通用空間分析、專題空間分析模擬、視頻空間分析四大類常見的空間分析工具，幫助用戶從空間、時間、屬性等多個維度了解和認(rèn)知時空大數(shù)據(jù)，為不同顆粒度的數(shù)據(jù)提供強(qiáng)大深入的分析性能，挖掘更多信息的價值。

4 結(jié)語

目前南京北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)正穩(wěn)步推進(jìn)，片區(qū)內(nèi)的相關(guān)規(guī)劃以及站房方案也逐漸優(yōu)化穩(wěn)定，作為北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)智慧城市大腦的——南京北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)數(shù)字孿生平臺也實質(zhì)性應(yīng)用于片區(qū)建設(shè)實際工作，助力片區(qū)規(guī)劃設(shè)計：

（1）平臺匯聚片區(qū)內(nèi)各項多源異構(gòu)數(shù)據(jù)：現(xiàn)狀傾斜攝影數(shù)據(jù)、片區(qū)行政規(guī)劃、片區(qū)用地規(guī)劃、片區(qū)市政交通規(guī)劃、POI 數(shù)據(jù)以及兩版站房方案過程稿等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)；

（2）同時結(jié)合平臺定制開發(fā)的測量標(biāo)繪、分屏對比、空間分析、剖切查看等專業(yè)工具；

（3）基于數(shù)字底板及定制開發(fā)的各類分析工具，線上即可進(jìn)行項目方案分析，減少項目間碰撞，提高溝通效率。通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，提高南京北站樞紐經(jīng)濟(jì)區(qū)智慧城市建設(shè)的數(shù)字化建設(shè)水平。