數(shù)字孿生城市的建設發(fā)展淺析
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【摘要】數(shù)字孿生城市是指導智慧城市建設發(fā)展的新方向和新高度。文章認為數(shù)字孿生城市主要有全域映射、虛實交互、數(shù)據(jù)融合和智能干預四個特征，依托物聯(lián)感知、BIM、GIS、CIM、數(shù)據(jù)標準規(guī)范、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術建設發(fā)展，并以社區(qū)物業(yè)為例提出數(shù)字孿生城市的場景落地方案。
【關鍵詞】數(shù)字孿生城市；數(shù)字孿生；智慧城市
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)的廣泛關注，從航空航天擴展到智能制造、建筑和醫(yī)療等領域，并取得實質進展，引發(fā)革新。近年，智慧城市建設進入爆發(fā)式增長階段，社會各界嘗試基于數(shù)字孿生進行城市規(guī)劃、建設、管理與服務的實踐探索。2018年，《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出，“堅持數(shù)字城市與現(xiàn)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(shù)字城市”[1]，進行數(shù)字孿生城市建設的實踐。
2數(shù)字孿生城市的建設背景
當前，國內智慧城市建設進入爆發(fā)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(guī)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(fā)現(xiàn)存在不少問題，比如，應用場景之間未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享共通，數(shù)據(jù)煙囪林立、信息孤島問題依然存在，一些亟需的數(shù)據(jù)只能通過Excel等傳統(tǒng)方式共享，效率過低；應用場景之間存在功能重復，標準不統(tǒng)一等問題，造成資源的浪費。數(shù)字孿生城市是智慧城市建設的新高度，研究數(shù)字孿生城市的特征以及所需要的支撐技術，可為我國建設數(shù)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(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)字孿生技術手段和先進理念在城市系統(tǒng)中的應用實踐[3]。基于實體城市的建筑、道路等基礎設施，使用BIM、GIS、CIM、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術，根據(jù)城市運行規(guī)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(tài)進行實時感知，對城市的發(fā)展進行規(guī)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(tài)實體和動態(tài)實體，對道路、樓宇、河道等短期內變動較小的靜態(tài)實體對象進行建模，對人、交通設備、社會治理事件等動態(tài)實體在建模的基礎上落圖到靜態(tài)實體上，并通過各類傳感器更新動態(tài)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(tài)監(jiān)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(chǎn)生的處理決策和優(yōu)化信息反饋給實體城市，通過控制器實現(xiàn)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(xié)同發(fā)展，提升對城市運行規(guī)律的洞悉。數(shù)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(xiàn)城市運行系統(tǒng)的迭代優(yōu)化。
3.3數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)一的數(shù)據(jù)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(lián)感知數(shù)據(jù)到自動駕駛、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數(shù)據(jù)等，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)融合標準，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，面對不同主體提供統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)服務，將極大發(fā)掘城市的數(shù)據(jù)財富，釋放城市的數(shù)據(jù)價值。
3.4智能干預
數(shù)字孿生城市的核心能力是通過大數(shù)據(jù)和人工智能等技術，分析城市運行的歷史數(shù)據(jù)，組建城市智能決策系統(tǒng)，結合分布在城市各處的傳感器，對城市運行狀態(tài)進行實時、智能干預。智能決策系統(tǒng)按照事態(tài)緊急、重要程度，對實體城市中發(fā)生的各類事件進行實時分級評估，并預測事件的發(fā)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(tǒng)生成輔助決策報告發(fā)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(tài)，同樣適用于社會治理、經(jīng)濟運行等城市社會狀態(tài)。智能決策系統(tǒng)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(tài)分析，挖掘社會群體的交互特征和規(guī)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(tài)正常運轉。
4數(shù)字孿生城市的技術
技術手段的革新推動城市發(fā)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(lián)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(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準規(guī)范融合采集的多源異構數(shù)據(jù)，促進業(yè)務整合和流程再造；大數(shù)據(jù)和人工智能通過數(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。
4.1物聯(lián)感知技術
物聯(lián)感知技術通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任意物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[6]。物聯(lián)感知的總體架構主要包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層三個部分，其中感知層通過物聯(lián)設備使用激光、雷達、紅外掃描、觸控等技術進行狀態(tài)信息的獲取，網(wǎng)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(wǎng)絡傳輸協(xié)議進行傳輸并接入互聯(lián)網(wǎng)，應用層通過物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)對設備采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)城市運行的智能化管理。物聯(lián)感知技術將整個城市物聯(lián)設備感知的狀態(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(lián)，實現(xiàn)虛擬城市的實時復制和精準映射。
4.2BIM、GIS和CIM
數(shù)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(shù)據(jù)進行建模，構建三維虛擬城市，以便將物聯(lián)感知數(shù)據(jù)進行落圖，直觀展示城市的實時狀態(tài)。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(guī)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(shù)據(jù)信息，同步建筑物更改信息，監(jiān)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(wǎng)、公園、農(nóng)田等地理空間特征進行數(shù)據(jù)獲取、操作、管理、分析、建模和可視化。CIM融合建筑物內部微觀信息和城市輪廓的宏觀信息構建數(shù)字孿生城市的三維模型，結合物聯(lián)感知獲取的實時動態(tài)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(shù)據(jù)標準規(guī)范
數(shù)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(tǒng)一數(shù)據(jù)標準規(guī)范有助于整合多源異構數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享交換。數(shù)據(jù)標準規(guī)范一是要求梳理全量城市數(shù)據(jù)資產(chǎn)，對有價值的數(shù)據(jù)，進行分類清洗，存儲到數(shù)字孿生城市的專題庫、主題庫，形成動態(tài)更新的標準數(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)財富；二是要求對多源異構數(shù)據(jù)進行標準規(guī)范化，整合結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲規(guī)范，如統(tǒng)一的城市標準編碼體系等，從技術上真正解決不同行業(yè)的數(shù)據(jù)孤島問題，釋放跨領域、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)信息。
4.4大數(shù)據(jù)和人工智能
通過物聯(lián)設備感知的數(shù)據(jù)具有體量大、種類多、數(shù)據(jù)信息密度低但利用價值高的特點，通過傳統(tǒng)的手動模式分析挖掘耗時長、效率低。通過Hadoop、Spark等大數(shù)據(jù)分析工具對巨量數(shù)據(jù)進行不同維度的挖掘整理，獲得有價值的統(tǒng)計規(guī)律，是數(shù)字孿生城市的必然需求。人工智能涉及模式識別、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘和智能算法等多個分支，結合大數(shù)據(jù)，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(yī)療服務等領域，進行數(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。隨著感知信息越來越完備，依托人工智能的數(shù)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(shù)字孿生城市的應用
當前，隨著數(shù)字孿生城市的理論研究不斷深化，數(shù)字孿生城市的應用場景落地實施成為可能。現(xiàn)以社區(qū)物業(yè)應用場景為例提出可行應用方案。社區(qū)物業(yè)要承擔物業(yè)維修、設備管理、環(huán)境保潔、社區(qū)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(qū)信息難以共享，形成數(shù)據(jù)孤島。社區(qū)物業(yè)的管理服務建設是數(shù)字孿生城市建設的主要切入點，亟需建設社區(qū)物業(yè)平臺通過數(shù)字化手段進行服務提升和管理提效。依托BIM、GIS、CIM、物聯(lián)感知等技術，根據(jù)實際需求，社區(qū)物業(yè)平臺主要從三個模塊進行管理服務提升。1）物業(yè)服務對小區(qū)水、電、氣等基礎設施進行智能化改造，引入物聯(lián)感知技術，支撐業(yè)務應用。通過采用智能水表、視頻監(jiān)測、智慧門禁、智慧消防、社區(qū)防疫和物業(yè)報修等物聯(lián)感知設備和軟件，改變傳統(tǒng)基于人工的物業(yè)服務模式，提升社區(qū)的智能化水平，改善精細化服務能力。2）生活服務聚焦社區(qū)在衣、食、住、行方面的服務功能，將社區(qū)物業(yè)平臺對接各類外賣、購物等電子商務平臺，連接社區(qū)周邊餐飲、藥店、農(nóng)貿(mào)市場等商業(yè)服務點，構建線上線下生活服務圈，建設社區(qū)團購、特殊人員服務、幼兒教育、養(yǎng)老服務等子場景，為社區(qū)居民提供安全便捷的生活服務。3）公共服務通過數(shù)字賦能，促進政務服務向居住社區(qū)延伸，對接城市管理、行政審批等政務服務平臺，對接醫(yī)療衛(wèi)生、文化體育旅游等公共事業(yè)服務平臺，融合各行業(yè)、各領域的數(shù)據(jù)，打破數(shù)據(jù)信息的孤島效應。
6結語
隨著數(shù)字孿生城市的理論研究和實踐探索不斷深化，以及物聯(lián)感知、BIM、GIS、CIM、大數(shù)據(jù)、人工智能等相關技術快速發(fā)展和成熟完善，數(shù)字孿生城市的應用場景逐步落地。當前，數(shù)字孿生城市應構建統(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，以避免重復建設，浪費資源。
參考文獻
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作者:高鑫磊 楊立功 羅向平 單位:浙江嘉興數(shù)字城市實驗室有限公司
