數(shù)字孿生城市的理念與特征

人民郵電報(bào)    2017-12-16 10:38:23

      當(dāng)前，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、無(wú)人駕駛等新技術(shù)為代表的信息化浪潮席卷全球，也影響著城市規(guī)劃、建設(shè)與發(fā)展。比特空間上構(gòu)建的城市虛擬映像疊加在城市物理空間上，將極大地改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施，形成虛實(shí)結(jié)合、孿生互動(dòng)的城市發(fā)展新形態(tài)；借助更泛在、普惠的感知，更快速的網(wǎng)絡(luò)，更智能的計(jì)算，一種更加智慧化的新型城市將得以創(chuàng)建。不久后的將來(lái)，以數(shù)字孿生城市為代表的新型智慧城市建設(shè)，將讓城市生活變得更美好。

圖片來(lái)源：希睿數(shù)字孿生開(kāi)發(fā)平臺(tái)（https://www.xraitech.com/）

　　對(duì)數(shù)字孿生城市的理解

　　數(shù)字孿生（Digital Twin）是物理空間與虛擬空間之間虛實(shí)交融、智能操控的映射關(guān)系，通過(guò)在實(shí)體世界以及數(shù)字虛擬空間中記錄、仿真、預(yù)測(cè)對(duì)象全生命周期的運(yùn)行軌跡，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。

　　數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建城市物理世界及網(wǎng)絡(luò)虛擬空間一一對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之匹配、對(duì)應(yīng)的孿生城市，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的城市發(fā)展新格局。

　　數(shù)字孿生城市既可以理解為實(shí)體城市在虛擬空間的映射狀態(tài)，也可以視為支撐新型智慧城市建設(shè)的復(fù)雜綜合技術(shù)體系，它支撐并推進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、服務(wù)，確保城市安全、有序運(yùn)行。

　　數(shù)字孿生城市的特征

　　數(shù)字孿生城市存在四大特征：精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、軟件定義、智能干預(yù)。

　　精準(zhǔn)映射是指數(shù)字孿生城市通過(guò)天空、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路、橋梁、井蓋、燈蓋、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字化建模，以及對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成虛擬城市在信息維度上對(duì)實(shí)體城市的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。

　　虛實(shí)交互是指城市基礎(chǔ)設(shè)施、各類部件建設(shè)即有痕跡，城市居民、來(lái)訪人員上網(wǎng)聯(lián)系即有信息。未來(lái)的數(shù)字孿生城市中，在城市實(shí)體空間可觀察各類痕跡，在城市虛擬空間可搜索各類信息，城市規(guī)劃、建設(shè)以及民眾的各類活動(dòng)，不僅存在于實(shí)體空間，而且在虛擬空間得到極大擴(kuò)充，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將定義城市未來(lái)發(fā)展新模式。

　　軟件定義是指孿生城市針對(duì)物理城市建立相對(duì)應(yīng)的虛擬模型，并以軟件的方式模擬城市中的人、事、物在真實(shí)環(huán)境下的行為，通過(guò)云端計(jì)算、邊緣計(jì)算，軟性指引城市的交通信號(hào)控制、電熱能源調(diào)度、重大項(xiàng)目周期管理、基礎(chǔ)設(shè)施選址建設(shè)等。

　　智能干預(yù)是指通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬仿真等，盡早發(fā)現(xiàn)城市可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險(xiǎn)等，進(jìn)行智能預(yù)警并提供合理可行的對(duì)策建議；以未來(lái)視角對(duì)城市原有發(fā)展軌跡和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能干預(yù)，進(jìn)而指引和優(yōu)化實(shí)體城市的規(guī)劃、管理，改善市民服務(wù)供給，賦予城市生活“智慧”。

圖片來(lái)源：泰瑞數(shù)創(chuàng)科技

　　數(shù)字孿生城市的作用

　　提升城市規(guī)劃質(zhì)量和水平。當(dāng)前的智慧城市規(guī)劃和頂層設(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(lái)的影響分析。數(shù)字孿生城市執(zhí)行快速的“假設(shè)”分析和虛擬規(guī)劃，可迅速摸清城市“家底”，精確到一花一木、一路一橋，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、更快的速度，推動(dòng)創(chuàng)新技術(shù)支撐智慧城市頂層設(shè)計(jì)落地。

　　推動(dòng)以人為核心的城市設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)協(xié)同創(chuàng)新。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)需要考慮的關(guān)鍵因素。數(shù)字孿生城市將以人作為城市核心，關(guān)注城鄉(xiāng)居民出行軌跡、收入水準(zhǔn)、家庭結(jié)構(gòu)、日常消費(fèi)等，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并納入模型，實(shí)現(xiàn)協(xié)同計(jì)算。同時(shí)，數(shù)字孿生城市通過(guò)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(lái)的設(shè)施布局、評(píng)估商業(yè)項(xiàng)目影響等，將對(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，甚至重塑城市。搭建可感知、可判斷、快速反應(yīng)的數(shù)字孿生城市，將支撐城市土地空間規(guī)劃、重大項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)隨需響應(yīng)的惠民服務(wù)、觸手可及的協(xié)同指引。

　　優(yōu)化智慧城市建設(shè)并評(píng)估其成效。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)等各維度城市數(shù)據(jù)，可讓決策者和評(píng)估者快速、直觀地了解智慧化對(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，輔助政府在信息化、智慧化建設(shè)中的科學(xué)決策，避免走彎路或重復(fù)、低效建設(shè)。

      CPS理念下的城市數(shù)字孿生

　  信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems），綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)，將電子信息化的世界（Cyberspace）和物理環(huán)境（Physical）的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。電子信息化的世界與城市的物理世界，通過(guò)建立城市運(yùn)營(yíng)的BIM（建筑信息模型）、城市建筑及城市基礎(chǔ)設(shè)施的3D模型，通過(guò)3D的模型，使其狀態(tài)的變化，實(shí)時(shí)體現(xiàn)在信息化模型中。

     智慧城市建設(shè)，通過(guò)城市的人居環(huán)境、城市基礎(chǔ)設(shè)施，使城市更具有智能化，更適合于政府機(jī)構(gòu)的管理，更適合城市人居、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。智慧城市建設(shè)過(guò)程中的數(shù)字孿生體，是未來(lái)的重要研究領(lǐng)域和研究方向。