數(shù)字孿生城市的建設(shè)發(fā)展

高鑫磊，楊立功，羅向平

（浙江嘉興數(shù)字城市實(shí)驗(yàn)室有限公司）

1 引言

數(shù)字孿生的概念一經(jīng)提出和發(fā)展后，就引起其他行業(yè)的廣泛關(guān)注，從航空航天擴(kuò)展到智能制造、建筑和醫(yī)療等領(lǐng)域，并取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展，引發(fā)革新。近年，智慧城市建設(shè)進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，社會(huì)各界嘗試基于數(shù)字孿生進(jìn)行城市規(guī)劃、建設(shè)、管理與服務(wù)的實(shí)踐探索。2018年，《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出，“堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市”[1]，進(jìn)行數(shù)字孿生城市建設(shè)的實(shí)踐。

2 數(shù)字孿生城市的建設(shè)背景

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)智慧城市建設(shè)進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，截至2019年，智慧城市相關(guān)試點(diǎn)已超過(guò)700個(gè)，其中94.4%的省級(jí)城市和71.0%的地級(jí)市均已開(kāi)展智慧城市頂層設(shè)計(jì)，智慧城市投資總規(guī)模達(dá)1.7萬(wàn)億元[2]。但是對(duì)已有的智慧城市建設(shè)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)存在不少問(wèn)題，比如，應(yīng)用場(chǎng)景之間未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享共通，數(shù)據(jù)煙囪林立、信息孤島問(wèn)題依然存在，一些亟需的數(shù)據(jù)只能通過(guò)Excel等傳統(tǒng)方式共享，效率過(guò)低；應(yīng)用場(chǎng)景之間存在功能重復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，造成資源的浪費(fèi)。數(shù)字孿生城市是智慧城市建設(shè)的新高度，研究數(shù)字孿生城市的特征以及所需要的支撐技術(shù)，可為我國(guó)建設(shè)數(shù)字孿生城市建設(shè)提供理論支撐，對(duì)指導(dǎo)我國(guó)新型智慧城市可持續(xù)發(fā)展意義重大。

3 數(shù)字孿生城市的特征

數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生技術(shù)手段和先進(jìn)理念在城市系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐[3]。基于實(shí)體城市的建筑、道路等基礎(chǔ)設(shè)施，使用BIM、GIS、CIM、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，根據(jù)城市運(yùn)行規(guī)律構(gòu)建城市模型，再造一個(gè)與物理維度上的實(shí)體城市一一對(duì)應(yīng)，精準(zhǔn)映射的信息維度上的虛擬城市。虛擬城市對(duì)實(shí)體城市的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，對(duì)城市的發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)測(cè)，對(duì)城市運(yùn)行進(jìn)行智能干預(yù)。

3.1 全域映射

全域映射意味著對(duì)所覆蓋物理實(shí)體的全時(shí)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[4]。城市中的物理實(shí)體分為靜態(tài)實(shí)體和動(dòng)態(tài)實(shí)體，對(duì)道路、樓宇、河道等短期內(nèi)變動(dòng)較小的靜態(tài)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行建模，對(duì)人、交通設(shè)備、社會(huì)治理事件等動(dòng)態(tài)實(shí)體在建模的基礎(chǔ)上落圖到靜態(tài)實(shí)體上，并通過(guò)各類傳感器更新動(dòng)態(tài)實(shí)體對(duì)象的實(shí)時(shí)信息，確保城市內(nèi)的所有實(shí)體信息被精準(zhǔn)映射到虛擬城市。

3.2 虛實(shí)交互

實(shí)體城市通過(guò)傳感器將充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的信息上傳給虛擬城市，虛擬城市將收集的信息進(jìn)行整理提煉，再將產(chǎn)生的處理決策和優(yōu)化信息反饋給實(shí)體城市，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體城市的反向控制，形成虛擬城市與實(shí)體城市的虛實(shí)交互、協(xié)同發(fā)展，提升對(duì)城市運(yùn)行規(guī)律的洞悉。數(shù)字孿生城市的虛實(shí)交互是實(shí)時(shí)且普遍存在的，通過(guò)對(duì)城市問(wèn)題的瞬時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行系統(tǒng)的迭代優(yōu)化。

3.3 數(shù)據(jù)融合

城市運(yùn)行的一大特征是其內(nèi)部不同主體進(jìn)行信息傳遞和共享，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合是全域映射的虛擬城市進(jìn)行信息共享的基礎(chǔ)[5]。虛擬城市的智能運(yùn)行需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息的采集、存儲(chǔ)/管理、分析挖掘和共享。此外，從基礎(chǔ)設(shè)施層的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)到自動(dòng)駕駛、智慧社區(qū)等行業(yè)的數(shù)據(jù)，再到涉及城市管理的政務(wù)數(shù)據(jù)等，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)，建立城市數(shù)據(jù)共享清單，有效整合不同類型數(shù)據(jù)資源，面對(duì)不同主體提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，將極大發(fā)掘城市的數(shù)據(jù)財(cái)富，釋放城市的數(shù)據(jù)價(jià)值。

3.4 智能干預(yù)

數(shù)字孿生城市的核心能力是通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，分析城市運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，組建城市智能決策系統(tǒng)，結(jié)合分布在城市各處的傳感器，對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、智能干預(yù)。智能決策系統(tǒng)按照事態(tài)緊急、重要程度，對(duì)實(shí)體城市中發(fā)生的各類事件進(jìn)行實(shí)時(shí)分級(jí)評(píng)估，并預(yù)測(cè)事件的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于緊急、不重要的事件，智能干預(yù)立即響應(yīng)，對(duì)于重要、不緊急的事件，智能決策系統(tǒng)生成輔助決策報(bào)告發(fā)送給相關(guān)管理人員，進(jìn)行人工處理。

智能干預(yù)不局限于城市物理狀態(tài)，同樣適用于社會(huì)治理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等城市社會(huì)狀態(tài)。智能決策系統(tǒng)實(shí)時(shí)爬取主流社交工具的熱點(diǎn)信息，通過(guò)自然語(yǔ)言處理和知識(shí)圖譜等技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，挖掘社會(huì)群體的交互特征和規(guī)律，預(yù)防預(yù)警或通知相關(guān)人員及時(shí)處理重大社會(huì)影響事件，智能疏導(dǎo)社會(huì)負(fù)面情緒，引導(dǎo)城市社會(huì)狀態(tài)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 數(shù)字孿生城市的技術(shù)

技術(shù)手段的革新推動(dòng)城市發(fā)展的躍變，BIM、GIS 和CIM 技術(shù)對(duì)全域感知的實(shí)體城市進(jìn)行多維度、多尺度的精準(zhǔn)建模；物聯(lián)感知技術(shù)支撐虛擬城市與實(shí)體城市的實(shí)時(shí)交互，精準(zhǔn)映射；統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范融合采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，促進(jìn)業(yè)務(wù)整合和流程再造；大數(shù)據(jù)和人工智能通過(guò)數(shù)據(jù)分析與智能決策，賦能數(shù)字孿生城市的治理和服務(wù)。

4.1 物聯(lián)感知技術(shù)

物聯(lián)感知技術(shù)通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任意物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[6]。物聯(lián)感知的總體架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)部分，其中感知層通過(guò)物聯(lián)設(shè)備使用激光、雷達(dá)、紅外掃描、觸控等技術(shù)進(jìn)行狀態(tài)信息的獲取，網(wǎng)絡(luò)層將獲取的信息通過(guò)近距離（藍(lán)牙、ZigBee、ZWave、UHF等）和遠(yuǎn)距離（4G、NB-IoT、LoRa等）通信技術(shù)以及TCP、UDP 等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸并接入互聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用層通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行的智能化管理。物聯(lián)感知技術(shù)將整個(gè)城市物聯(lián)設(shè)備感知的狀態(tài)信息上載到互聯(lián)網(wǎng)端，支撐數(shù)字孿生城市進(jìn)行設(shè)備設(shè)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(shù)和北斗定位技術(shù)進(jìn)行GIS 化關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)虛擬城市的實(shí)時(shí)復(fù)制和精準(zhǔn)映射。

4.2 BIM、GIS和CIM

數(shù)字孿生城市全域映射實(shí)體城市，利用采集的城市建筑、地理空間等數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，構(gòu)建三維虛擬城市，以便將物聯(lián)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行落圖，直觀展示城市的實(shí)時(shí)狀態(tài)。BIM是全生命周期管理項(xiàng)目的信息模型，支持對(duì)單體建筑從設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)施工、運(yùn)行運(yùn)維到拆除銷毀的全生命周期管理。BIM可對(duì)城市單體建筑進(jìn)行可視化三位建模，集成建筑內(nèi)的全部數(shù)據(jù)信息，同步建筑物更改信息，監(jiān)控建筑物內(nèi)的溫度，對(duì)建筑進(jìn)行精細(xì)化管理。相比管理建筑物微觀信息的BIM，GIS 用來(lái)管理城市的宏觀信息，對(duì)道路、水網(wǎng)、公園、農(nóng)田等地理空間特征進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、操作、管理、分析、建模和可視化。CIM 融合建筑物內(nèi)部微觀信息和城市輪廓的宏觀信息構(gòu)建數(shù)字孿生城市的三維模型，結(jié)合物聯(lián)感知獲取的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息和城市歷史信息，支撐城市運(yùn)維，進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警、決策輔助和智能干預(yù)。

4.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

數(shù)字孿生城市涉及城市運(yùn)行的社會(huì)治理、交通運(yùn)輸、應(yīng)急管理等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，不同場(chǎng)景之間有信息傳遞和共享的需求，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有助于整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享交換。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一是要求梳理全量城市數(shù)據(jù)資產(chǎn)，對(duì)有價(jià)值的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類清洗，存儲(chǔ)到數(shù)字孿生城市的專題庫(kù)、主題庫(kù)，形成動(dòng)態(tài)更新的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以方便企業(yè)和群眾獲取數(shù)據(jù)信息，挖掘城市數(shù)據(jù)財(cái)富；二是要求對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，整合結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲(chǔ)規(guī)范，如統(tǒng)一的城市標(biāo)準(zhǔn)編碼體系等，從技術(shù)上真正解決不同行業(yè)的數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，釋放跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)信息。

4.4 大數(shù)據(jù)和人工智能

通過(guò)物聯(lián)設(shè)備感知的數(shù)據(jù)具有體量大、種類多、數(shù)據(jù)信息密度低但利用價(jià)值高的特點(diǎn)，通過(guò)傳統(tǒng)的手動(dòng)模式分析挖掘耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。通過(guò)Hadoop、Spark 等大數(shù)據(jù)分析工具對(duì)巨量數(shù)據(jù)進(jìn)行不同維度的挖掘整理，獲得有價(jià)值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是數(shù)字孿生城市的必然需求。人工智能涉及模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和智能算法等多個(gè)分支，結(jié)合大數(shù)據(jù)，通過(guò)算法挖掘出有價(jià)值的信息，應(yīng)用于社會(huì)治理、交通運(yùn)輸、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與智能決策，賦能數(shù)字孿生城市的治理和服務(wù)。隨著感知信息越來(lái)越完備，依托人工智能的數(shù)字孿生城市得到進(jìn)化，模型預(yù)測(cè)越來(lái)越準(zhǔn)確，使虛擬城市擁有先知先覺(jué)、智能干預(yù)的能力。

5 數(shù)字孿生城市的應(yīng)用

當(dāng)前，隨著數(shù)字孿生城市的理論研究不斷深化，數(shù)字孿生城市的應(yīng)用場(chǎng)景落地實(shí)施成為可能?，F(xiàn)以社區(qū)物業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景為例提出可行應(yīng)用方案。

社區(qū)物業(yè)要承擔(dān)物業(yè)維修、設(shè)備管理、環(huán)境保潔、社區(qū)安全等管理服務(wù)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(qū)信息難以共享，形成數(shù)據(jù)孤島。社區(qū)物業(yè)的管理服務(wù)建設(shè)是數(shù)字孿生城市建設(shè)的主要切入點(diǎn)，亟需建設(shè)社區(qū)物業(yè)平臺(tái)通過(guò)數(shù)字化手段進(jìn)行服務(wù)提升和管理提效。

依托BIM、GIS、CIM、物聯(lián)感知等技術(shù)，根據(jù)實(shí)際需求，社區(qū)物業(yè)平臺(tái)主要從三個(gè)模塊進(jìn)行管理服務(wù)提升。

1）物業(yè)服務(wù)

對(duì)小區(qū)水、電、氣等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行智能化改造，引入物聯(lián)感知技術(shù)，支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用。通過(guò)采用智能水表、視頻監(jiān)測(cè)、智慧門禁、智慧消防、社區(qū)防疫和物業(yè)報(bào)修等物聯(lián)感知設(shè)備和軟件，改變傳統(tǒng)基于人工的物業(yè)服務(wù)模式，提升社區(qū)的智能化水平，改善精細(xì)化服務(wù)能力。

2）生活服務(wù)

聚焦社區(qū)在衣、食、住、行方面的服務(wù)功能，將社區(qū)物業(yè)平臺(tái)對(duì)接各類外賣、購(gòu)物等電子商務(wù)平臺(tái)，連接社區(qū)周邊餐飲、藥店、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)等商業(yè)服務(wù)點(diǎn)，構(gòu)建線上線下生活服務(wù)圈，建設(shè)社區(qū)團(tuán)購(gòu)、特殊人員服務(wù)、幼兒教育、養(yǎng)老服務(wù)等子場(chǎng)景，為社區(qū)居民提供安全便捷的生活服務(wù)。

3）公共服務(wù)

通過(guò)數(shù)字賦能，促進(jìn)政務(wù)服務(wù)向居住社區(qū)延伸，對(duì)接城市管理、行政審批等政務(wù)服務(wù)平臺(tái)，對(duì)接醫(yī)療衛(wèi)生、文化體育旅游等公共事業(yè)服務(wù)平臺(tái)，融合各行業(yè)、各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，打破數(shù)據(jù)信息的孤島效應(yīng)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字孿生城市的理論研究和實(shí)踐探索不斷深化，以及物聯(lián)感知、BIM、GIS、CIM、大數(shù)據(jù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展和成熟完善，數(shù)字孿生城市的應(yīng)用場(chǎng)景逐步落地。當(dāng)前，數(shù)字孿生城市應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的城市三維模型底座，提供統(tǒng)一的接口和落圖規(guī)范，以避免重復(fù)建設(shè)，浪費(fèi)資源。