數(shù)字孿生城市的應(yīng)用

高波 孫宜昌 朱勇

摘要：隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、無人駕駛等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷創(chuàng)新，數(shù)字孿生城市成為當(dāng)前時(shí)代發(fā)展現(xiàn)代化數(shù)字城市的一種新方式。數(shù)字孿生城市可以對(duì)城市的布局、街道、社區(qū)、娛樂、商業(yè)，甚至是電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水排水系統(tǒng)等進(jìn)行模擬，從而使城市的建設(shè)能夠滿足人們更好的需求，使實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息資源、物質(zhì)資源的最優(yōu)化配置。因此，在數(shù)字孿生技術(shù)的不斷完善，將會(huì)在現(xiàn)代化的智慧城市建設(shè)中取得飛躍的發(fā)展，使城市的建設(shè)發(fā)展成為新型智慧城市。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；模擬；智慧城市

一、數(shù)字孿生的概念

首次提出數(shù)字孿生概念的是美國國防部，它是在數(shù)字空間中建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)實(shí)際飛行狀態(tài)的完全同步。當(dāng)飛行結(jié)束后，根據(jù)現(xiàn)有情況和過去的負(fù)荷情況，及時(shí)分析和評(píng)估是否需要維護(hù)，是否能承受下一個(gè)任務(wù)負(fù)荷等。由此提出了數(shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型，通過傳感器采集到的運(yùn)行、操作歷史以及更新等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科，多物理，多尺度，多概率模擬過程，完成虛擬空間映射和反映，進(jìn)而可以使相應(yīng)的真實(shí)的設(shè)備得到全生命周期的過程的真實(shí)映射和反映。

二、數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵

或許有很多人會(huì)對(duì)數(shù)字孿生城市提出疑問，為什么要建設(shè)數(shù)字孿生城市？數(shù)字孿生城市是通過數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應(yīng)用建立起來的。數(shù)字孿生城市的建立可以通過仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等科技手段，將物理物理世界映射到虛擬空間中，形成數(shù)字鏡像，然后可以對(duì)其不足的地方進(jìn)行修改。總之，數(shù)字孿生城市就是通過構(gòu)建城市的物理世界和網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的復(fù)雜系統(tǒng)，一對(duì)一的通信，相互映射和協(xié)作交互，在網(wǎng)絡(luò)空間中創(chuàng)建匹配和對(duì)應(yīng)的模型。

數(shù)字孿生城市的本質(zhì)是虛擬空間中對(duì)城市的映射，也是支持新型智能城市建設(shè)的復(fù)雜綜合技術(shù)體系和信息維度中虛擬城市在物理維度和虛擬城市中的共存，虛擬和真實(shí)集成?？傊?，數(shù)字孿生城市是通過結(jié)合城市的目標(biāo)，然后通過城市的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。最后基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳輸及通信，根據(jù)軟件模型進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)建設(shè)現(xiàn)代化數(shù)字孿生城市進(jìn)行科學(xué)模擬，解決城市規(guī)劃，設(shè)計(jì)，建設(shè)，管理和服務(wù)閉環(huán)過程。這樣的過程可以解決現(xiàn)代化的數(shù)字孿生城市總體因素的數(shù)字化和虛擬化，使城市全部狀態(tài)達(dá)到實(shí)時(shí)性和可視化，以及城市管理決策的協(xié)同和智能，提升數(shù)字城市物質(zhì)資源，智力資源，信息資源配置效率和運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智慧城市最大化建設(shè)的發(fā)展。

三、數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生城市建設(shè)依托云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、模擬仿真為主要構(gòu)成的技術(shù)體系。

首先，數(shù)字孿生城市的建設(shè)對(duì)信息通信技術(shù)中的云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)有較高的要求是因?yàn)樵诮ㄔO(shè)現(xiàn)代化的數(shù)字孿生城市中必然對(duì)城市中的某些數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集，然后根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使其能夠精準(zhǔn)的模擬城市的原貌。其次，如何使設(shè)備的進(jìn)行互聯(lián)，數(shù)字孿生城市在進(jìn)行數(shù)字仿真、實(shí)時(shí)跟蹤，需要形成多設(shè)備互聯(lián)、協(xié)同。最后，技術(shù)融合與數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，4G/5G通信、大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理等技術(shù)與3D建模、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)的快速集成，極大地推動(dòng)了在數(shù)字空間中建設(shè)同步運(yùn)行的數(shù)字孿生城市建設(shè)。

四、數(shù)字孿生城市的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)代化的智慧城市建設(shè)的應(yīng)用場(chǎng)景非常龐大，在未來，它會(huì)在多個(gè)方面改變我們的工作和生活，應(yīng)用場(chǎng)景涉及各個(gè)方面。

當(dāng)前智慧城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)，大部分都屬于概念和功能設(shè)計(jì)，缺乏與實(shí)際人流、物流、資金流的交互，也缺乏對(duì)新技術(shù)引入帶來的影響分析。數(shù)字孿生通過在智慧城市的空中，地面，地下和河道中部署傳感器，以提供城市道路，橋梁，井蓋，燈罩，建筑物和其他基礎(chǔ)設(shè)施的布局進(jìn)行建模，并且對(duì)智慧城市進(jìn)行感知和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，可以快速的“假設(shè)”分析和虛擬規(guī)劃，摸清城市一花一木、一路一橋的家底、把握城市運(yùn)行脈搏，推動(dòng)城市規(guī)劃有的放矢，提前布局。在規(guī)劃前期和建設(shè)早期了解城市特性、評(píng)估規(guī)劃影響，避免在不切實(shí)際的規(guī)劃設(shè)計(jì)上浪費(fèi)時(shí)間，防止在驗(yàn)證階段重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，以更少的成本和更快的速度推動(dòng)創(chuàng)新技術(shù)支撐的智慧城市頂層設(shè)計(jì)落地。

數(shù)字孿生為實(shí)體城市的建立是一一對(duì)應(yīng)的虛擬模型，它是通過軟件模擬真實(shí)的城市環(huán)境中的人，物體和真實(shí)環(huán)境中的一切，然后再基于數(shù)字孿生城市體系以及可視化系統(tǒng)，以定量與定性方式，建模分析城市交通路況、人流聚集分布、空氣質(zhì)量、水質(zhì)指標(biāo)、重大項(xiàng)目的基礎(chǔ)設(shè)施的選址等各維度城市數(shù)據(jù)，決策者和評(píng)估者可快速直觀了解智慧化對(duì)城市環(huán)境、城市運(yùn)行等狀態(tài)的提升效果，評(píng)判智慧項(xiàng)目的建設(shè)效益，實(shí)現(xiàn)城市數(shù)據(jù)挖掘分析，輔助政府在今后信息化、智慧化建設(shè)中的科學(xué)決策，避免走彎路和重復(fù)建設(shè)低效益建設(shè)。

對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通過基于標(biāo)識(shí)、各類傳感器、監(jiān)控設(shè)備的部署、二維碼、RFID、5G等通信技術(shù)和識(shí)別技術(shù)，對(duì)城市地下管網(wǎng)，多功能信息桿，充電樁，智能井蓋，智能垃圾桶，無人機(jī)，攝像機(jī)等城市設(shè)施實(shí)現(xiàn)全部感知，共享，實(shí)時(shí)建模，全過程控制等來實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃協(xié)同化、建設(shè)運(yùn)行可視化和完善城市水利，能源，交通，天氣，生態(tài)和環(huán)境的監(jiān)測(cè)水平和維護(hù)控制功能。

對(duì)于城市交通調(diào)度，社會(huì)管理和應(yīng)急指揮等關(guān)鍵場(chǎng)景，全部是通過基于大數(shù)據(jù)模型仿真，精細(xì)數(shù)據(jù)的挖掘和科學(xué)的決策以及指揮調(diào)度指令和公共決策，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，科學(xué)，高效、安全的城市管理。任何社會(huì)活動(dòng)，城市部件和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營都將以實(shí)時(shí)，多維的方式呈現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)中。對(duì)于重大公共安全事故，火災(zāi)，洪水和其他緊急情況，依靠數(shù)字孿生系統(tǒng)，這些問題發(fā)現(xiàn)和指揮決策在幾秒鐘內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)觸發(fā)，多方聯(lián)動(dòng)，有序調(diào)度，合理劃分勞動(dòng)和反饋”。

對(duì)于城市的建設(shè)是基于數(shù)字技術(shù)的智能系統(tǒng)，這樣可以快速感知，判斷和反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)城市土地勘探，空間規(guī)劃，項(xiàng)目建設(shè)，運(yùn)營和維護(hù)的協(xié)同創(chuàng)新。在勘測(cè)階段，基于數(shù)值模擬，空間分析和視覺表達(dá)，構(gòu)建工程測(cè)量信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)工程測(cè)量信息的有效傳遞和共享。在規(guī)劃階段，通過仿真分析和相關(guān)程序及結(jié)果的可視化顯示，通過“同步整合”充分實(shí)現(xiàn)對(duì)接時(shí)空信息智能服務(wù)平臺(tái)。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用建筑信息模型等技術(shù)來模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能和功能，提供結(jié)果，并集成協(xié)同設(shè)計(jì)，以提高質(zhì)量和效率。在建設(shè)階段，基于信息模型，有效監(jiān)控進(jìn)度管理，投資管理和勞動(dòng)力管理等關(guān)鍵流程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，綜合，可視化的施工管理。在維護(hù)階段，依托識(shí)別系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)和各種智能設(shè)施，實(shí)時(shí)監(jiān)控城市整體運(yùn)行情況，統(tǒng)一顯示，快速響應(yīng)和預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高運(yùn)維水平。

城市中，城市居民是新型智慧城市服務(wù)的核心，也是城市規(guī)劃、建設(shè)考慮的關(guān)鍵因素。數(shù)字孿生城市將以“人”作為核心主線，到對(duì)城鄉(xiāng)居民每日的出行軌跡、收入水準(zhǔn)、家庭結(jié)構(gòu)、日常消費(fèi)等，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，納入模型，協(xié)同計(jì)算。同時(shí)，通過在“比特空間”上，預(yù)測(cè)人口結(jié)構(gòu)和遷徙軌跡、推演未來的設(shè)施布局、評(píng)估商業(yè)項(xiàng)目影響等，對(duì)實(shí)體城市的設(shè)計(jì)、建設(shè)和實(shí)施產(chǎn)生巨大的影響力和重塑力。通過搭建一個(gè)可感知、可判斷、快速反應(yīng)的數(shù)字孿生城市，支撐實(shí)現(xiàn)城市土地空間規(guī)劃、重大項(xiàng)目建設(shè)以及隨需響應(yīng)、觸手可及的惠民服務(wù)協(xié)同指引。總之，把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到智慧城市管理上，會(huì)讓城市更安全。街道、社區(qū)、娛樂、商業(yè)，甚至是電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水排水系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，高速公路，交通控制系統(tǒng)等，都會(huì)有數(shù)字孿生體，從而可以更輕松便捷地監(jiān)控管理城市的每個(gè)地方。

五、總結(jié)

目前，數(shù)字孿生雖然在現(xiàn)代化的智慧城市建設(shè)中沒有得到廣泛的普及，但隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不段進(jìn)步與發(fā)展，將在現(xiàn)代化的城市建設(shè)中的各個(gè)方面得以應(yīng)用，使現(xiàn)代化的智慧城市向著更加數(shù)字化、智慧化的方向發(fā)展。