數字孿生城市的建設發展淺析

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【摘要】數字孿生城市是指導智慧城市建設發展的新方向和新高度。文章認為數字孿生城市主要有全域映射、虛實交互、數據融合和智能干預四個特征，依托物聯感知、BIM、GIS、CIM、數據標準規范、大數據和人工智能等技術建設發展，并以社區物業為例提出數字孿生城市的場景落地方案。

【關鍵詞】數字孿生城市；數字孿生；智慧城市

1引言

數字孿生的概念一經提出和發展后，就引起其他行業的廣泛關注，從航空航天擴展到智能制造、建筑和醫療等領域，并取得實質進展，引發革新。近年，智慧城市建設進入爆發式增長階段，社會各界嘗試基于數字孿生進行城市規劃、建設、管理與服務的實踐探索。2018年，《河北雄安新區規劃綱要》提出，“堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市”[1]，進行數字孿生城市建設的實踐。

2數字孿生城市的建設背景

當前，國內智慧城市建設進入爆發式增長階段，截至2019年，智慧城市相關試點已超過700個，其中94.4%的省級城市和71.0%的地級市均已開展智慧城市頂層設計，智慧城市投資總規模達1.7萬億元[2]。但是對已有的智慧城市建設實踐進行總結，發現存在不少問題，比如，應用場景之間未能實現數據共享共通，數據煙囪林立、信息孤島問題依然存在，一些亟需的數據只能通過Excel等傳統方式共享，效率過低；應用場景之間存在功能重復，標準不統一等問題，造成資源的浪費。數字孿生城市是智慧城市建設的新高度，研究數字孿生城市的特征以及所需要的支撐技術，可為我國建設數字孿生城市建設提供理論支撐，對指導我國新型智慧城市可持續發展意義重大。

3數字孿生城市的特征

數字孿生城市是數字孿生技術手段和先進理念在城市系統中的應用實踐[3]?；趯嶓w城市的建筑、道路等基礎設施，使用BIM、GIS、CIM、大數據、人工智能、物聯網等技術，根據城市運行規律構建城市模型，再造一個與物理維度上的實體城市一一對應，精準映射的信息維度上的虛擬城市。虛擬城市對實體城市的運行狀態進行實時感知，對城市的發展進行規劃和預測，對城市運行進行智能干預。

3.1全域映射

全域映射意味著對所覆蓋物理實體的全時域、全空域感知，并進行多維度、多尺度模型的精準構建[4]。城市中的物理實體分為靜態實體和動態實體，對道路、樓宇、河道等短期內變動較小的靜態實體對象進行建模，對人、交通設備、社會治理事件等動態實體在建模的基礎上落圖到靜態實體上，并通過各類傳感器更新動態實體對象的實時信息，確保城市內的所有實體信息被精準映射到虛擬城市。

3.2虛實交互

實體城市通過傳感器將充分感知、動態監測的信息上傳給虛擬城市，虛擬城市將收集的信息進行整理提煉，再將產生的處理決策和優化信息反饋給實體城市，通過控制器實現對實體城市的反向控制，形成虛擬城市與實體城市的虛實交互、協同發展，提升對城市運行規律的洞悉。數字孿生城市的虛實交互是實時且普遍存在的，通過對城市問題的瞬時響應，實現城市運行系統的迭代優化。

3.3數據融合

城市運行的一大特征是其內部不同主體進行信息傳遞和共享，多源異構數據融合是全域映射的虛擬城市進行信息共享的基礎[5]。虛擬城市的智能運行需要統一的數據融合標準進行信息的采集、存儲/管理、分析挖掘和共享。此外，從基礎設施層的物聯感知數據到自動駕駛、智慧社區等行業的數據，再到涉及城市管理的政務數據等，形成統一的數據融合標準，建立城市數據共享清單，有效整合不同類型數據資源，面對不同主體提供統一標準的數據服務，將極大發掘城市的數據財富，釋放城市的數據價值。

3.4智能干預

數字孿生城市的核心能力是通過大數據和人工智能等技術，分析城市運行的歷史數據，組建城市智能決策系統，結合分布在城市各處的傳感器，對城市運行狀態進行實時、智能干預。智能決策系統按照事態緊急、重要程度，對實體城市中發生的各類事件進行實時分級評估，并預測事件的發展趨勢。對于緊急、不重要的事件，智能干預立即響應，對于重要、不緊急的事件，智能決策系統生成輔助決策報告發送給相關管理人員，進行人工處理。智能干預不局限于城市物理狀態，同樣適用于社會治理、經濟運行等城市社會狀態。智能決策系統實時爬取主流社交工具的熱點信息，通過自然語言處理和知識圖譜等技術進行動態分析，挖掘社會群體的交互特征和規律，預防預警或通知相關人員及時處理重大社會影響事件，智能疏導社會負面情緒，引導城市社會狀態正常運轉。

4數字孿生城市的技術

技術手段的革新推動城市發展的躍變，BIM、GIS和CIM技術對全域感知的實體城市進行多維度、多尺度的精準建模；物聯感知技術支撐虛擬城市與實體城市的實時交互，精準映射；統一的數據標準規范融合采集的多源異構數據，促進業務整合和流程再造；大數據和人工智能通過數據分析與智能決策，賦能數字孿生城市的治理和服務。

4.1物聯感知技術

物聯感知技術通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任意物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，實現智能化的識別、定位、跟蹤、監控和管理[6]。物聯感知的總體架構主要包括感知層、網絡層和應用層三個部分，其中感知層通過物聯設備使用激光、雷達、紅外掃描、觸控等技術進行狀態信息的獲取，網絡層將獲取的信息通過近距離（藍牙、ZigBee、Z-Wave、UHF等）和遠距離（4G、NB-IoT、LoRa等）通信技術以及TCP、UDP等網絡傳輸協議進行傳輸并接入互聯網，應用層通過物聯網操作系統對設備采集的數據進行分析處理，實現城市運行的智能化管理。物聯感知技術將整個城市物聯設備感知的狀態信息上載到互聯網端，支撐數字孿生城市進行設備設施和信息要素的接入、歸集、治理和共享，并依托三維建模技術和北斗定位技術進行GIS化關聯，實現虛擬城市的實時復制和精準映射。

4.2BIM、GIS和CIM

數字孿生城市全域映射實體城市，利用采集的城市建筑、地理空間等數據進行建模，構建三維虛擬城市，以便將物聯感知數據進行落圖，直觀展示城市的實時狀態。BIM是全生命周期管理項目的信息模型，支持對單體建筑從設計規劃、建設施工、運行運維到拆除銷毀的全生命周期管理。BIM可對城市單體建筑進行可視化三位建模，集成建筑內的全部數據信息，同步建筑物更改信息，監控建筑物內的溫度，對建筑進行精細化管理。相比管理建筑物微觀信息的BIM，GIS用來管理城市的宏觀信息，對道路、水網、公園、農田等地理空間特征進行數據獲取、操作、管理、分析、建模和可視化。CIM融合建筑物內部微觀信息和城市輪廓的宏觀信息構建數字孿生城市的三維模型，結合物聯感知獲取的實時動態信息和城市歷史信息，支撐城市運維，進行預測預警、決策輔助和智能干預。

4.3數據標準規范

數字孿生城市涉及城市運行的社會治理、交通運輸、應急管理等多個應用場景，不同場景之間有信息傳遞和共享的需求，統一數據標準規范有助于整合多源異構數據，實現城市數據的互聯互通和共享交換。數據標準規范一是要求梳理全量城市數據資產，對有價值的數據，進行分類清洗，存儲到數字孿生城市的專題庫、主題庫，形成動態更新的標準數據，以方便企業和群眾獲取數據信息，挖掘城市數據財富；二是要求對多源異構數據進行標準規范化，整合結構化數據和非結構化數據，形成統一的數據采集、傳輸和存儲規范，如統一的城市標準編碼體系等，從技術上真正解決不同行業的數據孤島問題，釋放跨領域、跨行業的數據信息。

4.4大數據和人工智能

通過物聯設備感知的數據具有體量大、種類多、數據信息密度低但利用價值高的特點，通過傳統的手動模式分析挖掘耗時長、效率低。通過Hadoop、Spark等大數據分析工具對巨量數據進行不同維度的挖掘整理，獲得有價值的統計規律，是數字孿生城市的必然需求。人工智能涉及模式識別、機器學習、數據挖掘和智能算法等多個分支，結合大數據，通過算法挖掘出有價值的信息，應用于社會治理、交通運輸、醫療服務等領域，進行數據分析與智能決策，賦能數字孿生城市的治理和服務。隨著感知信息越來越完備，依托人工智能的數字孿生城市得到進化，模型預測越來越準確，使虛擬城市擁有先知先覺、智能干預的能力。

5數字孿生城市的應用

當前，隨著數字孿生城市的理論研究不斷深化，數字孿生城市的應用場景落地實施成為可能?，F以社區物業應用場景為例提出可行應用方案。社區物業要承擔物業維修、設備管理、環境保潔、社區安全等管理服務工作，管理方式主要以人治為主，缺乏信息化手段，且不同社區信息難以共享，形成數據孤島。社區物業的管理服務建設是數字孿生城市建設的主要切入點，亟需建設社區物業平臺通過數字化手段進行服務提升和管理提效。依托BIM、GIS、CIM、物聯感知等技術，根據實際需求，社區物業平臺主要從三個模塊進行管理服務提升。1）物業服務對小區水、電、氣等基礎設施進行智能化改造，引入物聯感知技術，支撐業務應用。通過采用智能水表、視頻監測、智慧門禁、智慧消防、社區防疫和物業報修等物聯感知設備和軟件，改變傳統基于人工的物業服務模式，提升社區的智能化水平，改善精細化服務能力。2）生活服務聚焦社區在衣、食、住、行方面的服務功能，將社區物業平臺對接各類外賣、購物等電子商務平臺，連接社區周邊餐飲、藥店、農貿市場等商業服務點，構建線上線下生活服務圈，建設社區團購、特殊人員服務、幼兒教育、養老服務等子場景，為社區居民提供安全便捷的生活服務。3）公共服務通過數字賦能，促進政務服務向居住社區延伸，對接城市管理、行政審批等政務服務平臺，對接醫療衛生、文化體育旅游等公共事業服務平臺，融合各行業、各領域的數據，打破數據信息的孤島效應。

6結語

隨著數字孿生城市的理論研究和實踐探索不斷深化，以及物聯感知、BIM、GIS、CIM、大數據、人工智能等相關技術快速發展和成熟完善，數字孿生城市的應用場景逐步落地。當前，數字孿生城市應構建統一的城市三維模型底座，提供統一的接口和落圖規范，以避免重復建設，浪費資源。

參考文獻

[1]中共河北省委，河北省人民政府.河北雄安新區規劃綱要[N].新華網，2018.4.21.

[2]中國信息通信研究院產業與規劃研究所.智慧城市產業圖譜研究報告[R].2020.

[3]李欣，劉秀，萬欣欣.數字孿生應用及安全發展綜述[J].系統仿真學報，2019，31（3）：385-392.

[4]王文躍，李婷婷，劉曉娟，樊可欣，白銀姍，李青松.數字孿生城市全域感知體系研究[J].信息通信技術與政策，2020（3）：20-23.

[5]李德仁.數字孿生城市智慧城市建設的新高度[J].中國勘察設計，2020（10）：13-14．

[6]李德仁，姚遠，邵振峰.智慧地球時代測繪地理信息學的新使命[J].測繪科學，2021，37（6）：5-8.

作者:高鑫磊 楊立功 羅向平 單位:浙江嘉興數字城市實驗室有限公司