数字孪生平台——智慧城市的“新基建”

2020-06-30 17:10:51
华信咨询金邹苹
智慧城市
数字孪生
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数字孪生技术源于军工领域,近年来在工业制造的发展中得到深入研究与应用,疫情期间,中国航空制造技术研究院就采用了数字孪生技术迅速研制生产出全自动口罩机。

一、前言

中共中央、国务院在对《河北雄安新区规划纲要》的批复中要求坚持“数字城市与现实城市同步规划、同步建设”的发展模式,打造展现多维城市空间的数字平台,数字孪生平台逐渐成为新型智慧城市建设的核心创新要素之一,成为支撑城市大脑,推进数字城市建设的重要基础。

二、数字孪生与智慧城市

数字孪生技术源于军工领域,近年来在工业制造的发展中得到深入研究与应用,疫情期间,中国航空制造技术研究院就采用了数字孪生技术迅速研制生产出全自动口罩机。数字孪生技术的能力正在不断向各行各业延伸,建筑领域基于BIM(Building Information Modeling)模型完成规划设计、施工、运维等全流程服务;市政领域基于数字孪生技术实现城市规划布局、交通拥堵管理等,各项应用正在为数字孪生城市建设打开大门。

智慧城市数字孪生平台的核心是在网络数字空间再造一个与现实物理城市相匹配的数字城市,通过虚拟实体与城市物理空间实体的一一对应、关联协同,使数字孪生城市与物理城市平行运转,实现城市全要素数字化、虚拟化、可视化。

数字孪生平台是新型智慧城市架构的重要组成部分,通过实现城市全要素数字化表达,将城市物联网、大数据等抽象化的信息和能力呈现于城市三维空间,集数字建模、联动控制、仿真模拟、孪生共智等功能于一体,为安防轨迹跟踪、交通拥堵模拟、市政管网监控等城市智慧应用提供生动的可视化交互界面和一比一的精准仿真模拟能力支持。

智慧城市架构

三、数字孪生平台演进

1、全域感知,由虚映实

数字孪生平台的初级阶段以城市数字基础设施为主体,基于报警终端、传感终端、控制终端等采集的城市信息,通过数字化建模形成虚拟映射。传统的城市要素集合于二维平面,达不到智慧化要求,数字孪生平台的关键内容即实现要素三维化,包括城市建筑、道路、管网等基础设施,能够实现精确到室内的数字化建模。同时,根据城市运行管理需求,数字孪生平台还同步承载人口信息、气象信息、视频监控信息等数据,成为城市大数据的集中展示载体。现阶段,北京、上海、广州、深圳、嘉兴、成都等多地尝试了城市三维模型,大到上海市建立的全域数字化城市花园,小到城市CBD片区,三维数字孪生平台已经成为创新型智慧城市(智慧园区)的建设趋势。

2、要素联动,由虚控实

数字孪生平台发展的第二阶段是实现数字对象与其物理对象之间的实时互动,数字孪生平台的操作指令能够通过传输网络、感知控制设备传输到物理实体,进而实现对物理对象的控制。第二阶段的要素联动主要基于市政、交通、建筑等各类设施的感知终端,根据业务需求和终端功能,提供设施健康监测、远程控制、故障告警等管理和服务能力,实现统筹管理和业务闭环联动。现阶段数字孪生平台已开展了基于业务需求的设施设备管控功能开发,包括车辆、人员等轨迹跟踪,管网、桥梁等状态感知,违法停车、垃圾满溢等市容监控,为城市安全文明建设提供技术支持。

3、仿真模拟,由虚演实

数字孪生平台发展的第三阶段是实现对物理世界的仿真模拟和动态预测,同步形成优化解决方案,在数字世界推演城市运行态势。仿真模拟的实现依赖于对物理世界运行机理的认知,通过对自然现象、物理学规律、人群活动等的建模,为城市规划、管理、治理、服务等提供科学的决策支持。数字城市仿真模拟的出发点是让城市建设及发展少走弯路,是数字孪生价值的真正体现。现阶段尚未出现对整个城市进行仿真模拟的产品,但交通等细分领域已逐步开展相关研究,百度、51World、之江实验室等企业及科研单位正在开展面向自动驾驶应用的实际路况仿真模拟。

4、自主研判,虚实共智

数字孪生平台发展的第四阶段是城市细节的不断深化,与人工智能等技术实现深度融合与应用。泛在感知的颗粒度决定了数字孪生的精细化程度,随着数字孪生平台的建设发展,将逐步从粗颗粒的规模化设施设备感知,发展为精细化的以个人等实体为单位的信息感知,不断丰富数据来源,提升城市运行管理的精度。包括计算机视觉、自然语言处理、生物特征识别、知识图谱等在内的人工智能技术进一步应用,从历史数据中学习、分析、识别、总结并发现城市运行规律,依托城市发展时空轨迹,推演未来演进趋势,赋能城市智能化运行管理,成为数字孪生平台发展的高级形态。

四、数字孪生典型应用场景

1、城市建设管理

利用数字孪生技术复刻城市建设项目,为城市“一砖一瓦”赋予数据属性,已在雄安新区、深圳坂田园区、东莞松山湖园区等多地的城市级、园区级建设项目中得到应用。城市建设管理的数字孪生应用以GIS、BIM等技术为基础,打造多维城市数字孪生平台,覆盖项目规划、设计、审批、施工、验收、运维等建设运行的全生命周期,提供可视化的交互设计环境,及时展示施工进度,并为验证、审查、分析、管理等提供直观的判断依据,提升了城市建设管理过程中检测风险、预知风险的能力。

2、城市智慧交通

智慧交通数字孪生应用,通过对交通信息的结构化处理,构建城市交通数字孪生模型,实现车辆、道路、行人、信号灯等交通实体数字化。通过模拟大量交通事故案例、气象环境场景,训练自动驾驶算法、信号灯控制算法等智慧交通领域关键技术,实现高精度的智能交通场景测试验证,助力自动驾驶性能的提升和道路通行能力的最大化。

3、城市现代化治理

城市现代化治理的数字孪生应用以“雪亮工程”、警用地理信息系统(PGIS)等资源为基础,实现精确到小区、楼宇甚至室内的公共安全场景动态监控。数字孪生平台成为多元复杂信息融合的载体,充分汇聚人口、车辆、能耗等数据,在高精度摄像头、边缘计算、人工智能等技术设备的支持下,实现流动人口智能管控,可疑人员出入告警,违法集聚、传销窝点排查等功能的一体化,支持公安、消防、物业、住户等多主体联动,提升城市基层治理的精细化水平。

五、结语

数字孪生平台已经成为继城市大脑之后,新型智慧城市规划布局的重要组成之一,是城市大数据汇集、融合、应用不可或缺的载体。现阶段已经掀起了数字孪生平台建设的热潮,不可忽视的是,由于技术、标准的不成熟,各地区、各区块的独立建设可能存在相互不兼容的“孤岛”问题,导致数字孪生平台的建设停留在试点示范阶段。因此,数字孪生平台需要进一步突破技术桎梏,完善标准规范,才能真正成为赋能智慧城市的基础设施。

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