數(shù)字孿生城市及其關(guān)鍵技術(shù)

鄒鵬， 肖澤文， 李珺， 袁開壽， 張乾豐， 鄒佳芳， 鄒永玲

（1. 五邑大學(xué)；2. 吉首大學(xué)；3. 江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)一詞最先出現(xiàn)在正式文獻(xiàn)上，是2010 年美國宇航局發(fā)布的《建模，仿真，信息技術(shù)與處理路線圖》中提到的[1]。次年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了數(shù)字孿生的具體概念及其應(yīng)用，用于解決飛行器的保養(yǎng)與維修問題。2015年，通用電氣創(chuàng)建了發(fā)動機(jī)的數(shù)字孿生體，用于實(shí)時監(jiān)測發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。數(shù)字孿生技術(shù)基于物理實(shí)體的數(shù)字模型，利用傳感器收集物理實(shí)體的實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬數(shù)字模型的精確映射、交互與融合。數(shù)字孿生技術(shù)的概念模型由真實(shí)的物理世界、虛擬空間中的數(shù)字世界和連接虛實(shí)的數(shù)據(jù)組成。與傳統(tǒng)仿真相比，數(shù)字孿生技術(shù)具有兩個顯著的特點(diǎn)：一是數(shù)字孿生與真實(shí)設(shè)備同步運(yùn)行，數(shù)據(jù)由實(shí)際運(yùn)行的真實(shí)設(shè)備提供；二是數(shù)字孿生可以對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉分析，并將分析結(jié)果反饋給真實(shí)設(shè)備，具有雙向性，從而指導(dǎo)真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行[2]。

當(dāng)今各行業(yè)迫切需要數(shù)字化、智能化升級改造，數(shù)字孿生技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和促進(jìn)智能化升級的一種重要手段，得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究已從探索基礎(chǔ)理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用階段[4]。數(shù)字孿生技術(shù)已從制造業(yè)拓展到城市建設(shè)，許多城市正在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行城市規(guī)劃、建設(shè)、改造、管理和服務(wù)。

2 數(shù)字孿生城市的發(fā)展背景

1980 年，新加坡總理李光耀首次提出了“智慧島”計劃，要將新加坡建設(shè)成為計算機(jī)化的智慧國家[5]。2008年，國際商業(yè)機(jī)器公司IBM提出了“智慧城市”的概念，諸多國家開始布局智慧城市建設(shè)，智慧城市得到了快速發(fā)展。2018 年，我國信息通信研究院發(fā)布了“數(shù)字孿生城市”的理念。我國智慧城市已歷經(jīng)十年的發(fā)展，2019 年底我國智慧城市試點(diǎn)已超過700個，其中94.4%的省級城市和71.0%的地級市均已進(jìn)行智慧城市的頂層設(shè)計，正布局底層邏輯，智慧城市相關(guān)投資額達(dá)到1.7萬億元[6]。

縱觀國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)字孿生城市的建設(shè)實(shí)踐，既有喜人的成功經(jīng)驗(yàn)，又存在一些問題。各城市對數(shù)字孿生城市的認(rèn)識和建設(shè)目標(biāo)有很大的差異；我國城市建設(shè)時沒有制定統(tǒng)一的管理及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式?jīng)]有統(tǒng)一，導(dǎo)致各種應(yīng)用場景間難以甚至無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享共通，某些急需處理的數(shù)據(jù)甚至還需要通過Office等傳統(tǒng)方式分享，工作效率低下；對于核心高頻技術(shù)仍使用國際標(biāo)準(zhǔn)，使用國際標(biāo)準(zhǔn)則需要支付大額專利費(fèi)，降低了企業(yè)對數(shù)字孿生城市建設(shè)的積極性；現(xiàn)階段我國缺乏數(shù)字孿生相關(guān)專業(yè)人才，數(shù)字孿生核心軟件和標(biāo)準(zhǔn)基本由國外主導(dǎo)[7]。

3 數(shù)字孿生城市的特征

3.1 全域精準(zhǔn)映射

全域精準(zhǔn)映射指對所覆蓋物理實(shí)體的全時域、全空域感知，并進(jìn)行多維度、多尺度模型的精準(zhǔn)構(gòu)建，數(shù)字孿生城市的根本特征是實(shí)現(xiàn)物理城市的數(shù)字映射[8]。城市物理世界分為動態(tài)場景和靜態(tài)場景，對建筑設(shè)施、通行設(shè)施、江河湖泊、綠化植物等短時間變化小的靜態(tài)場景三維建模，對行人、交通設(shè)備等動態(tài)場景三維建模并構(gòu)建在靜態(tài)場景的基礎(chǔ)上，保證城市所有物理實(shí)體被精確映射到數(shù)字城市，使現(xiàn)實(shí)城市當(dāng)出現(xiàn)車禍、火災(zāi)、地震等突發(fā)情況時，數(shù)字城市能立刻感知到這些實(shí)體變化，并發(fā)生精準(zhǔn)改變，與現(xiàn)實(shí)城市同步運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)全域精準(zhǔn)映射。

3.2 虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)

數(shù)字城市通過多源大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)對實(shí)體城市數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動算法作出相應(yīng)決策，再將決策反饋給實(shí)體城市以指導(dǎo)或輔助城市作出真實(shí)決策，基于控制器實(shí)現(xiàn)對實(shí)體城市的反向快速精準(zhǔn)控制，虛實(shí)融合，共同發(fā)展。數(shù)字孿生城市的虛實(shí)融合具有實(shí)時性和普遍性，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)城市發(fā)生的事件作出快速而科學(xué)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬城市服務(wù)實(shí)體城市，對城市的運(yùn)轉(zhuǎn)與服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 數(shù)據(jù)整合

數(shù)字孿生城市運(yùn)轉(zhuǎn)的一個特征是內(nèi)部各主體能進(jìn)行高效的信息傳輸和共享，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、儲存和管理、挖掘分析及共享，使得數(shù)字孿生城市各個設(shè)施系統(tǒng)之間可以緊密、活躍且穩(wěn)定地進(jìn)行傳遞和處理信息。如智能交通系統(tǒng)，整合了道路、交通參與者和交通系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)，從而能夠?yàn)榻煌▍⑴c者提供實(shí)時且合適的交通信息，使得能夠?qū)煌ǖ缆贰⑼ㄐ蟹绞胶皖A(yù)計用時作出及時準(zhǔn)確的判斷，將有利于自動駕駛、急救、道路搶險等。陶飛、劉蔚然等[9]在數(shù)字孿生形成的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)及連接方式提出通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)整合可以大力挖掘并釋放城市的數(shù)據(jù)價值，利于城市科學(xué)健康地發(fā)展。

3.4 智能干預(yù)

將物理城市映射到數(shù)字城市中，是數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵，在物理城市規(guī)劃建設(shè)時需要對建筑設(shè)施、通信設(shè)施等開展智能化改造，并搭建物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)施。數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵應(yīng)用是利用物聯(lián)網(wǎng)感知、大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)，提煉并分析城市運(yùn)轉(zhuǎn)的海量歷史數(shù)據(jù)，搭建數(shù)字城市智能分析決策系統(tǒng)，基于控制器實(shí)現(xiàn)對實(shí)體城市的運(yùn)轉(zhuǎn)展開實(shí)時在線的智能干預(yù)。城市智能分析決策系統(tǒng)能夠?qū)崟r判斷實(shí)體城市事件的輕重緩急，對突發(fā)事件進(jìn)行評級并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測事件的發(fā)展方向，做出科學(xué)合理的智能干預(yù)，對于十分重要的事件，系統(tǒng)會將干預(yù)報告發(fā)送給對應(yīng)專業(yè)管理人員，輔助專業(yè)人員展開人工干預(yù)，同時系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)總結(jié)人工干預(yù)結(jié)果，以便以后能夠做出正確干預(yù)。

4 數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生城市中的關(guān)鍵問題是城市場景三維建模。首先基于實(shí)體城市，利用3S空間信息技術(shù)(遙感技術(shù)RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS)、建筑信息模型(BIM)、三維建模技術(shù)、城市信息模型(CIM)搭建數(shù)字孿生城市的“主體與軀干”，利用人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知等技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生城市的“神經(jīng)”，對城市各要素進(jìn)行監(jiān)測及動態(tài)數(shù)據(jù)采集，從而創(chuàng)建一個與實(shí)體城市精準(zhǔn)映射的數(shù)字孿生城市（見圖1），最后結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)通過智能分析決策系統(tǒng)，賦予城市感知監(jiān)測、自判斷、自學(xué)習(xí)和快速響應(yīng)的治理和服務(wù)能力。

圖1 數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 3S空間信息技術(shù)

數(shù)字孿生城市的建設(shè)和發(fā)展離不開城市內(nèi)部各要素的信息化，3S空間信息技術(shù)可以有效解決這一問題。RS可以實(shí)現(xiàn)城市建筑設(shè)施的探測和識別，采集城市地理數(shù)據(jù)；GIS 可以對城市的現(xiàn)象和事件進(jìn)行管理、成圖、分析；GNSS能夠?yàn)閿?shù)字孿生城市內(nèi)各要素提供位置、軌跡、速度以及時間等信息。3S空間信息技術(shù)結(jié)合這三種技術(shù)，形成一個綜合技術(shù)體系，可以實(shí)現(xiàn)對各種空間環(huán)境的收集、處理，為數(shù)字孿生城市的建設(shè)和發(fā)展提供了不可或缺的地理數(shù)據(jù)支持。

4.2 三維建模技術(shù)、BIM和CIM

數(shù)字孿生城市與傳統(tǒng)智慧城市相比，利用三維建模技術(shù)創(chuàng)建自感知可視化的虛擬三維模型，使得虛擬城市中的信息更加精細(xì)和豐富。BIM針對建筑設(shè)施建立從規(guī)劃設(shè)計到使用維修的全生命周期管理的可視化虛擬三維模型，并記錄各階段的所有數(shù)據(jù)庫，能夠持續(xù)作用于數(shù)字孿生城市的建設(shè)和后期的運(yùn)營管理；CIM包含實(shí)體城市的全部信息，以BIM構(gòu)建的建筑微觀信息為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)整合，融合GIS構(gòu)建的城市宏觀信息及IoT 獲取的城市各要素感知狀態(tài)信息，將模型從單個建筑設(shè)施延伸至整個城市建筑群，涵蓋城市的全部要素，支持城市運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

物聯(lián)感知技術(shù)基于各類統(tǒng)一協(xié)議的傳感設(shè)備，將需要監(jiān)控、連接互動的設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤和管理。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，簡稱IoT)共三層結(jié)構(gòu)，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，通過各種傳感設(shè)備將城市各要素如人、交通、物流、環(huán)衛(wèi)、電網(wǎng)、市政服務(wù)、商旅活動等感知狀態(tài)信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“物物”、“人物”、“人人”互聯(lián)，根據(jù)各要素的實(shí)時感知狀態(tài)信息和互連關(guān)系，基于3S空間信息技術(shù)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬城市對實(shí)體城市的實(shí)時精準(zhǔn)映射。

4.4 統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字孿生城市不同設(shè)施系統(tǒng)間有數(shù)據(jù)共享的需要。正如“車同軌、書同文”一樣，數(shù)字孿生城市的建設(shè)和發(fā)展需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存、分析及共享，使得數(shù)字孿生城市各個設(shè)施系統(tǒng)之間可以緊密、活躍且穩(wěn)定地進(jìn)行傳遞和處理信息，解決不同應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)孤島問題。與傳統(tǒng)人工處理數(shù)據(jù)相比，通過大數(shù)據(jù)分析工具對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉和挖掘，如Hadoop能夠分布式并行處理數(shù)據(jù)，能夠大大提高處理速度，分析工具還可以依賴社區(qū)服務(wù)器，具有高可靠、高效、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

4.5 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)

人工智能(AI)可以賦予數(shù)字孿生城市一個智慧的大腦，利用人工智能算法、大數(shù)據(jù)，提煉、挖掘城市各要素的海量信息，使得城市具有學(xué)習(xí)、思考、智能分析和處理的能力，能廣泛應(yīng)用于市政管理、交通物流、醫(yī)療救援等場景，能夠代替人完成一些復(fù)雜工作，實(shí)現(xiàn)對物理世界自動決策智能控制，提高數(shù)字孿生城市的管理和服務(wù)水平。

5 結(jié)語

新技術(shù)的出現(xiàn)為城市的建設(shè)和發(fā)展帶來機(jī)遇，隨著數(shù)字孿生城市的研究與應(yīng)用不斷深入，將推動城市決策科學(xué)化和智慧化。應(yīng)充分利用數(shù)字孿生技術(shù)，推動城市發(fā)展能級躍上新高度，推動國家治理體系逐步完善、治理能力不斷提升。