探究數(shù)字孿生城市建設(shè)的邏輯與創(chuàng)新

文/王麒超（天翼閱讀文化傳播有限公司）

一、引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，對(duì)于城市發(fā)展空間的研究和規(guī)劃成為重點(diǎn)，同時(shí)也提出智能城市的打造。目的就是借助先進(jìn)技術(shù)提升城市的規(guī)劃科學(xué)性，優(yōu)化空間布局，并提高宜居水平。發(fā)展到現(xiàn)在，又提出數(shù)字孿生城市的概念。數(shù)字孿生是一個(gè)數(shù)字仿真過(guò)程，借助收集到的多樣化數(shù)據(jù)，從多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率入手進(jìn)行虛擬映射，直觀反映出對(duì)應(yīng)實(shí)體的過(guò)程。這可以被認(rèn)為是數(shù)字映射系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，目前最為普遍的就是在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是智能制造領(lǐng)域。本文研究探討的是數(shù)字孿生城市的相關(guān)知識(shí)。

二、從數(shù)字城市到智慧城市再到數(shù)字孿生城市

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)以及云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)的普及應(yīng)用，逐漸發(fā)展出數(shù)字城市、智慧城市、數(shù)字孿生城市等概念。而且這是一個(gè)進(jìn)階的階段，數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的目標(biāo)，也是智慧城市建設(shè)的新高度。

數(shù)字城市是借助網(wǎng)絡(luò)寬帶，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)等的支持下，通過(guò)對(duì)GPS、GIS、方針——虛擬技術(shù)等的應(yīng)用，對(duì)城市進(jìn)行三維描述，也就是將城市的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)使用信息技術(shù)進(jìn)行虛擬展現(xiàn)。

智慧城市是指借助先進(jìn)技術(shù)和概念，將城市內(nèi)的系統(tǒng)和服務(wù)連接到一起，建立起集成的系統(tǒng)形式，提高資源利用率，優(yōu)化城市的管理和服務(wù)，從而改善居民生活質(zhì)量，比如住建部安排的智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)協(xié)同發(fā)展試點(diǎn)。

數(shù)字孿生城市也就是將數(shù)字孿生概念納入到城市治理過(guò)程中，利用先進(jìn)技術(shù)，使得物理世界中的動(dòng)態(tài)信息可以被傳感器獲取并傳遞到數(shù)字世界中，確保數(shù)字世界的實(shí)時(shí)性和保真性，借助數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市由實(shí)入虛，再借助網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市由虛入實(shí)。通過(guò)這樣不斷的虛實(shí)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)城市的最佳運(yùn)行和治理。

三、數(shù)字孿生城市的主要支撐技術(shù)

（一）3S空間信息技術(shù)

3S即RS、GIS、GNSS，這是建設(shè)數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)和核心，因?yàn)閿?shù)字化的應(yīng)用要建立在城市三維信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。3S技術(shù)可以全方位獲取城市各方面的數(shù)據(jù)信息，包括自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等信息都可以可視化到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而輔助建立三維模型。比如借助RS技術(shù)收集遙感數(shù)據(jù)，利用GNSS技術(shù)采集城市實(shí)景、社會(huì)軌跡等，然后利用GIS技術(shù)對(duì)上述信息進(jìn)行整合，形成立體的實(shí)體鏡像，構(gòu)建起虛擬模型。

（二）三維建模技術(shù)

智慧城市的建設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)空間規(guī)劃的系統(tǒng)化管理，海量二維數(shù)據(jù)信息以及地形景觀數(shù)據(jù)被集中到一起，借助組織管理技術(shù)構(gòu)建起立體虛擬景象。但二維層面無(wú)法滿足智慧城市的建設(shè)要求，所以還需要配合三維建模技術(shù)的應(yīng)用，其與實(shí)景可視化已成為新時(shí)期城市建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是數(shù)字孿生城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。比如三維GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際景物的可視化，提供技術(shù)支撐，相對(duì)于二維技術(shù)最大的差異就是真實(shí)感更強(qiáng)，一方面是模型比較逼真，另一方面是具備高效的人機(jī)交互體驗(yàn)。在進(jìn)行三維建模的過(guò)程中，還可以借助“影像+模型”的方式，增加城市實(shí)景信息的精細(xì)度和豐富度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)景可視化。

BIM技術(shù)也是普遍應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，可以用于普通建筑的建設(shè)，收集建筑數(shù)據(jù)，形成立體模型，滲透到交通、水電、市政等方面，方便尋找錯(cuò)漏和不足，對(duì)建筑方案進(jìn)行優(yōu)化，有助于智慧城市的持續(xù)發(fā)展，該技術(shù)的全開(kāi)放數(shù)據(jù)可視化、開(kāi)放共享性與智慧城市吻合，為綠色建筑、智慧城市的應(yīng)用等創(chuàng)造了有利條件。

CIM技術(shù)同樣是數(shù)字孿生城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，其是將建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、地理信息結(jié)合到一起的城市信息模型，包括城市內(nèi)的全要素信息，不僅是地上信息（交通道路、建筑、綠化等），還有地下管道等。相對(duì)于BIM技術(shù)來(lái)說(shuō)，CIM技術(shù)就是將作用對(duì)象從某一個(gè)建筑物擴(kuò)大到整個(gè)城市，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市各個(gè)要素和時(shí)空信息的表達(dá)。

（三）物聯(lián)感知技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、GPS系統(tǒng)、激光掃描器等傳感設(shè)備，按照既定的協(xié)議內(nèi)容，將物品與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系到一起，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信，進(jìn)而支持進(jìn)行智能化的識(shí)別、定位、跟蹤和監(jiān)管。物聯(lián)網(wǎng)可以幫助提供真實(shí)世界物品的信息，是感知城市信息的主要技術(shù)手段。該技術(shù)借助傳感設(shè)備，將物、人之間相互聯(lián)系，建立起智能化的城市信息網(wǎng)絡(luò)，支持對(duì)城市各方面信息的感知和度量、接入和互聯(lián)，這是智慧城市的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以保證城市治理的快速反應(yīng)、優(yōu)化調(diào)控以及智能感知。

四、數(shù)字孿生城市現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字孿生技術(shù)作為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要抓手，已擁有比較健全的理論技術(shù)體系，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、工程建設(shè)等領(lǐng)域有比較深入的應(yīng)用。在當(dāng)前各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)技術(shù)自主和數(shù)字安全的發(fā)展階段，該技術(shù)具備決策高效性、分析深入性等特點(diǎn)，可以推動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，加快實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的國(guó)家戰(zhàn)略。該技術(shù)也能發(fā)揮在模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、分析預(yù)測(cè)、模擬仿真等方面的作用，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，在模擬、新數(shù)據(jù)源、互操作性、可視化、儀器、平臺(tái)等方面的共同推動(dòng)下，數(shù)字孿生的概念也出現(xiàn)快速發(fā)展，并在原有的智慧城市基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)提升，數(shù)字孿生城市的落實(shí)也成為可能。包括智慧園區(qū)、智慧政府、智慧學(xué)校、智慧醫(yī)療、智慧電網(wǎng)、智慧交通、智慧物流等應(yīng)用普遍。

五、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生城市是新時(shí)期智慧城市的新發(fā)展階段，需要借助先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)模式的落實(shí)。