數字孿生城市應用場景研究及框架構建

鄒鵬 肖澤文 鄒佳芳

(1.五邑大學，2.吉首大學)

2003 年，Grieves 教授在美國密歇根大學的產品生命周期管理課程上提出了數字孿生的概念[1]。數字孿生早期常用于解決軍工產品及航空航天產品的生命周期問題,如美國宇航局開展的阿波羅項目中，由于需要查看正執(zhí)行飛行任務飛行器的狀態(tài)，因此設計并制造了兩個相同的飛行器，實際觀察的對象為地面的飛行器，被稱為“孿生體（twins）”。數字孿生(Digital Twin)一詞最先出現在正式文獻上，是2010年美國宇航局發(fā)布的《建模，仿真，信息技術與處理路線圖》，此文獻對數字孿生描述為：針對運載工具（車輛、火箭等）或系統(tǒng)的集成化的多物理、多尺度、概率仿真，它使用物理特性模型、傳感器更新數據和飛行歷史信息，形成飛行中的孿生對象的全生命周期的鏡像[2]。隨著歐盟工業(yè)5.0 及中國制造2025 等發(fā)展戰(zhàn)略的提出，數字孿生技術在全球得到快速推廣。當前數字孿生主要用于制造業(yè)，著名國際數據公司（IDC）研究發(fā)現有40%的大型制造企業(yè)都會應用虛擬仿真技術為生產過程建模仿真，數字孿生已發(fā)展成制造業(yè)數字化轉型的重要技術路線[3]。

1.數字孿生技術與城市

如圖1，數字孿生的概念模型主要由三部分組成：①真實的物理世界；②虛擬空間中的數字世界；③連接虛實的數據。數字孿生技術需要建立物理實體的虛擬數字模型，通過采集物理實體的實時運轉數據，實現物理實體在虛擬數字模型中的精確映射、交互與融合。數字虛擬模型與物理實體同步運轉，虛擬模型的數據由實際運行的真實設備實時提供，能對收集的數據進行提煉分析，并將分析結果反饋給真實設備，從而達到指導真實設備運行的目的。

圖1 數字孿生概念模型

數字孿生具有實時同步、真實映射、高保真度的特性，為建設治理科學化、服務智慧化的城市提供了新的思路，許多城市開始探索基于數字孿生技術進行城市規(guī)劃、建設和改造、管理與服務。2018 年，《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》指出，要“堅持數字城市與現實城市同步規(guī)劃、同步建設，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市”[4]。

數字孿生城市是基于數字孿生技術和先進理念在城市建設中的應用實踐[5]。數字孿生城市依賴傳感器能夠對現實實體城市的運轉進行實時監(jiān)測感知，整合獲得的城市運轉數據，可以科學預測和規(guī)劃實體城市的發(fā)展方向，實現虛擬服務現實并對實體城市運轉進行智能干預，促進服務和管理一盤棋，將給城市智能化治理與服務帶來重大創(chuàng)新。

2.數字孿生城市的應用場景

當前我國數字孿生城市的建設發(fā)展很快，在國內已經產生了許多應用場景，如智慧社區(qū)、智慧政府、智慧交通、智慧物流、智慧電網、智慧校園等，如圖2 所示。在數字孿生技術的加持下，城市的運轉效率得到了極大提升。

圖2 數字孿生城市應用場景

2.1 智慧社區(qū)與政府

社區(qū)是城市治理與服務的基本單元，是在政府部門指導下的服務機構。傳統(tǒng)社區(qū)的管理主要以人工管理為主，缺少數字化治理，效率低、成本高，無法滿足人口日益增長的城市社區(qū)。智慧社區(qū)的建設要以數字孿生城市的建設作為切入點，建立統(tǒng)一的信息管理平臺，統(tǒng)一數據、管理與服務，平臺基于數字孿生技術實現全社區(qū)一個模型，模型上能精確映射社區(qū)樓棟、居民、商戶等社區(qū)全部要素[6]，依托物聯感知技術，整合社區(qū)全域得人、物、地、事等信息，為人民提供便利的出行、政商、娛樂、教育等服務，可以實現社區(qū)管理人員對基礎數據采集、監(jiān)控、突發(fā)事件、反饋的查詢。社區(qū)工作主要從物業(yè)管理、生活服務、政務服務中心這三個方面進行，下面分別介紹其在數字孿生技術加持下的特點。

(1)物業(yè)管理。首先對社區(qū)供水、供電、供氣等系統(tǒng)以及消防、照明、門禁、停車場等基礎設施開展智能化升級，引入物聯網感知技術布置對應的傳感設備，如智能水表、智能電表、智慧消防、人臉識別門禁、智能監(jiān)控等，對社區(qū)內各系統(tǒng)和基礎設施進行感知監(jiān)測，通過數據形式將各類信息上傳到數字孿生社區(qū)模型，利用智能算法和大數據平臺實現社區(qū)的智能化管控和快速響應機制，以信息化技術手段支撐社區(qū)智能化運轉。

(2)生活服務。社區(qū)的生活服務涉及人民的衣食住行，主要包括旅游出行服務、文化教育服務、體育運動服務、醫(yī)療服務、養(yǎng)老托幼服務、家政清潔服務、外賣快遞服務等等?；跀底只侄危瑢⒋蜍?、快遞、外賣等互聯網平臺對接到社區(qū)數字平臺，整合連接社區(qū)內運動場、酒店賓館、醫(yī)院藥店、市場超市、學校、托兒所、養(yǎng)老院等商業(yè)與服務設施，構建智慧社區(qū)生活圈，為商家提供高效的推廣渠道，為社區(qū)居民提供便利的本地服務并能夠快速找到所需要的服務。

(3)政務服務中心。政務服務中心是人民政府設立集信息咨詢、審批與收費、管理與服務、投訴與督察于一體的綜合管理服務平臺。傳統(tǒng)的政務服務存在辦事難、辦事慢的缺點，基于數字技術，建立網上政務服務平臺并對接到社區(qū)數字平臺，融合各政務數據，發(fā)展“數字孿生+政務服務”，為人民提供便捷、優(yōu)質、高效和智慧的政務服務。

2.2 智慧電網

電力是城市運轉的“血液”，電網由輸配電線路和變電設備兩部分組成，其任務分別是傳輸和分派電力。我國電網規(guī)模已位居世界第一，電網設備的規(guī)模與種類逐年增加，對保障電網的安全穩(wěn)定運行形成了嚴峻挑戰(zhàn)[7]，因此，智慧電網應運而生。智慧電網承擔著城市電網的調度指揮、管理控制和可視化展示等功能，通過數字化設備監(jiān)控手段和分布式系統(tǒng)，實現運行數據的實時監(jiān)控、智能分析和可視化管理，故障點還可以在指揮大廳屏幕上高清顯示及復雜電力網路可視化，還具備預測自動報警功能，提前預測故障并把處理結果報告給相應管理維修人員，使故障在導致停電之前就得到搶修解決。

2.3 智慧交通

截至2022 年3 月底公安部交通管理局的數據，我國機動車保有量高達4.02 億輛，對交通運輸形成了嚴峻挑戰(zhàn)[8]。習近平總書記在聯合國第二屆全球可持續(xù)交通大會上指出，要大力發(fā)展智慧交通，利用新興技術開展交通行業(yè)智慧化升級改造。作為數字孿生城市建設的重要分支，智慧交通的建設要貫穿到數字孿生城市的建設中去，基于物聯感知技術、大數據、人工智能技術等，整合城市內所有道路交通運行數據，實現交通運行狀況的實時監(jiān)測與智能分析，為出行者提供最優(yōu)交通路線[9]。發(fā)展智慧交通可以極大緩解出行壓力，滿足人民對于美好出行的需要。

(1)數據采集、整合

需要采集完備的交通數據，除了要充分采集傳統(tǒng)交通數據，如車速、車距、車流量、交通信號燈等，還應完善交通環(huán)境狀況數據，如天氣、風速、能見度、氣候甚至行人、寵物等會對交通產生影響的因素。采用更加全面精準的數據采集設備，將交通數據映射于數字孿生城市模型之中，并進行數據整合，利用大數據、機器學習、人工智能技術挖掘交通數據的價值，還可以對每天的路況進行預判以提前做好規(guī)劃。

(2)道路監(jiān)視

智慧交通的運轉依賴于對通行數據的準確把握，道路設施作為交通體系的一部分會直接影響交通，如道路坑洼、井蓋破壞、路燈故障、標線摩損、障礙物等影響交通運行的因素，因而需要安裝智能檢測裝置對道路設施進行實時監(jiān)視，保障智慧道路穩(wěn)定運行。

(3)應急響應

突發(fā)事件如醫(yī)衛(wèi)急救、交通事故、氣象災害、地質災害等會嚴重影響交通運行，必須依托智慧交通系統(tǒng)才能快速處理和控制事態(tài)的發(fā)展，將突發(fā)事件的監(jiān)視與智慧交通系統(tǒng)融合。如需要醫(yī)衛(wèi)急救，智慧交通系統(tǒng)通過分析采集的數據和對道路的監(jiān)視情況，會立刻響應、規(guī)劃路線，并在提示道路上交通參與者及時讓出供救急車通行的道路，同時協調對交通信號燈進行調整，保證救急車一路暢通。基于人工智能技術，智慧交通系統(tǒng)還可以根據突發(fā)事件的輕重緩急來協調各交通部門，提高報警、出警的效率，更好地為城市運轉服務。

2.4 智慧校園

智慧校園是教育數字化發(fā)展的新階段。近幾年，已有眾多學校對智慧校園進行系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃和建設，但校園智慧性仍然不足、安全性不夠等問題還有待解決[10]。數字孿生技術能夠全域精準映射智慧校園空間，孿生體基于全生命周期的實時動態(tài)交互和智能干預，將推動校園決策、管理科學化和智慧化。

數字孿生可以搭建數字智慧學習空間。數字孿生能夠對實體校園的運轉進行實時監(jiān)測感知，實現實體校園與數字校園相互映射，動態(tài)交互。在虛擬現實技術和全息投影等基礎技術的加持下，數字學校的所有要素可以通過三維可視化的方式展示。基于5G 網絡，實時動態(tài)精準映射的虛擬模型能夠得到保障，如AI 實驗室、大型虛擬教具及實驗器材等[11]。此外，數字孿生技術還可以融合物理學習空間和虛擬學習空間，搭建數字孿生學習空間，例如數字孿生教室、AI 教師、全息課堂等，能夠精準指導和干預學生，在這種高仿真的學習空間可以大大加強學生的學習興趣和專注度，促進學習進步。

安全方面，校園安全事件往往具有突發(fā)性，難以人為預測，一旦發(fā)生可能會嚴重影響學生的安全和教學質量。借助數字孿生技術，基于各種傳感設備，對校園進行感知監(jiān)測，通過數據形式將各類信息上傳到數字孿生校園模型，利用智能算法和大數據平臺實現校園的智能化防控和快速響應機制，以信息化技術手段保障校園安全[12]。同時，還可以分析學生的行為，如：上課情況、作業(yè)情況、上網記錄等等，通過監(jiān)控人臉識別、學校一卡通消費記錄等方式記錄學生活動軌跡，建立對應的孿生數據庫，借助于融合數字孿生模型的智慧校園，基于大數據和人工智能，能夠快速準確識別異常者，以便教師能夠及時介入管理，保障每一個學生健康成長。

2.5 智慧物流

隨著電商的興起，物流行業(yè)諸如包裹、快遞、電商物流、最后一公里等成為熱詞進入城市日常生活之中[13]。物流是城市的“動脈”，貫穿于城市運轉過程中，城市的各種商業(yè)活動都離不開物流，物流是城市經濟建設的重要組成部分，發(fā)展智慧物流能提高城市運行質量、健全城市現代化功能、拔高城市綜合競爭力。

基于物聯網、大數據等新一代信息處理技術，將物流人員、物流裝配、貨物、運輸工具全面接入數字孿生城市，可以實現物流系統(tǒng)的全狀態(tài)感知、實時監(jiān)測、精準運輸、需求預測，實現物流系統(tǒng)自主決策，促進物流智慧化，優(yōu)化資源配置。同時，可以打破物流行業(yè)的信息不對稱現象，強化物流透明性，從而可以有效利用社會閑置資源，減少空車率，降低能源耗費。智慧物流能提高城市物流運轉效率，利于城市發(fā)展。

3.數字孿生城市框架

基于數字孿生技術，科學的頂層設計，可從根本上實現城市精準服務和治理。本節(jié)從前文數字孿生城市的應用場景出發(fā)，構建了基于數字孿生技術的城市框架，如圖3 所示。

圖3 數字孿生城市框架

首先基于現實物理城市，利用3S 空間信息技術、BIM、CIM 等技術創(chuàng)建一個全域精準映射的數字孿生城市，對城市實體進行整體規(guī)劃、分析。孿生城市與物理城市完全對應，并可實時進行動態(tài)交互。其次基于各種傳感器，利用大數據、物聯網感知等技術識別、收集、處理城市一切物理實體的實時動態(tài)數據，如城市交通數據、人員流動軌跡數據、醫(yī)療數據、物流數據、環(huán)衛(wèi)數據、電網運轉數據、政務數據、商旅數據等[14]。數字孿生城市依賴傳感器數據能夠對實體城市的運轉進行實時監(jiān)測感知，實現實體城市與數字城市相互映射。最后數字城市結合大數據和人工智能，通過智能分析決策系統(tǒng)對實體城市數據進行分析，再將決策反饋給物理城市以指導或輔助城市作出真實決策，基于控制器對物理城市作出反向快速精準控制的智能干預。

數字孿生技術賦予城市自感知、自學習、自判斷、快速響應的治理和服務能力，并可以科學預測和規(guī)劃物理城市的發(fā)展方向，促進服務和治理一盤棋。在數字孿生技術的支持下，對城市建設和發(fā)展從頂層設計到底層邏輯進行科學統(tǒng)籌規(guī)劃，可以從根本上實現城市精準服務與治理，促進城市健康發(fā)展，提高城市的運轉效率。

4.結語

充分利用數字孿生技術，能夠為現代城市智能化治理與服務帶來重大創(chuàng)新，推動城市運轉科學化和智慧化。目前，各個城市對數字孿生城市的建設還處于初步發(fā)展階段，缺乏統(tǒng)一標準與參考對象，但隨著信息技術的不斷推進，將數字孿生技術引入城市是城市數字化的必然趨勢，屆時，希望本文的粗略構想能為數字孿生城市的建設提供一定的參考價值。