数字孪生推动新型智慧城市建设升级

发布时间: 2021-05-11

作者:国脉研究院数字经济研究中心研究员 欧轩琦


近年来,各省市加大了ICT技术在城市建设治理方面的投入,对城市信息化的认识也从数字城市、智慧城市升级为新型智慧城市。数字孪生作为新一代ICT领域的代表性技术之一,能够在虚拟空间中以较低成本模拟完成在物理空间中需要高成本才能实现的任务,在新型智慧城市建设中拥有广阔的应用空间。


一、数字孪生对新型智慧城市的赋能及评价标准


数字孪生(Digital Twin,简称DT)技术最早运用于工业制造领域,通过数字建模对产品的设计、生产、维护等环节进行实时动态仿真,继而反映机器设备的全生命周期过程。随着城市传感网络的规模铺设,数字孪生技术已成为当前建设新型智慧城市的重要技术手段。数字孪生城市继承了“一张图”的优势,同时又融合了新一代信息通信技术,可以对城市历史数据与传感器更新数据进行智能化分析。数字孪生通过构建多尺度的城市信息模型(CIM),将相对宏观静态的地理空间信息模型(GIM)、相对微观静态的建筑信息模型(BIM)以及反映城市动态运行的社会感知信息模型(SIM)进行综合集成,构造城市全域数字虚拟映像空间,为各类决策提供有效支持。

在建模方式上,城市信息模型的构建分为正向设计和逆向测绘。正向设计建模主要基于现有城市空间地理信息,以二维矢量信息或者利用参数化设计工具来完成,无需现场测绘数据;逆向测绘建模针对城市物理实体反向构建模型,通过手工测绘与传感器数据完成对城市结构的数据采集,再利用CIM模型实现城市数字化三维重建。其中,前者适用于正处在规划建设中的城市建筑,而后者更适合已建成的区域。


整体上看,数字孪生在技术集成与业务应用两方面对新型智慧城市赋能。其中,技术层面通过打造数字孪生平台,聚合多源数据、算法、各类建模技术和工具集,构成强大的城市大脑,为应用场景提供开放赋能服务。平台下层是由大数据中心和通信网络城构成的城市信息基础设施,凭借感知、传输、计算和智能化控制能力,营造智能运行环境,实现数字孪生与城市实体间虚实交互、精准映射支撑。应用层面基于数字孪生平台,城市大脑进一步开发多元化的SDK与微服务,制定全域一体的闭环流程和处置预案,全面对接城市治理、民生服务、经济发展、绿色环保等不同领域系统,对重大事件和特殊场景需求进行实时响应,按需调用相关子系统业务能力,从而实现城市治理的协同联动和一网统管。在整个系统架构中,城市大脑是城市治理的主要载体,而数字孪生平台(CIM平台)是城市大脑的核心,对城市治理和运营进行赋能赋智。上述逻辑关系可由下图展示,其中城市大脑相当于云计算架构中的平台层,大数据中心相当于数据层,通信网络和计算资源中心相当于基础设施层,各领域的应用相当于软件层。


相对“一张图”对空间地理信息的前期实践,数字孪生更加强调虚拟空间对现实的实时性与互动性。其中,实时性指借助物联网时刻感知现实城市的动态运营状况,并在虚拟空间随时监测、分析和发现城市实际运营中存在的问题,如城市生态问题、灾害问题、交通问题、治安问题、疫情问题等。而互动性指针对现实城市所面临的管理问题和发展诉求,通过虚拟空间的仿真模拟和分析反作用于现实城市的规划、建设、运营与治理,最终形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。数字孪生可以实现对城市千万级别的点数据、百万级别的区和线数据的秒级响应,并利用矢量大数据高性能计算提供区域热力图、人口迁徙图、时空立方体等多维度可视化分析,整体上超过了“一张图”所提供的技术能力。


根据国际标准,数字孪生城市的建设水平可分为六个等级:


1)第一级:视觉城市(Virtual City Visions)。在该等级下,城市建立了一个城市环境的数字模型,并模拟人口、交通、噪声、光、粒子、风、水等要素,生成各种监测数据。


2)第二级:数字阴影(Digital Schatten)。在该等级下,提供在线验证的模型。城市管理者可以通过数字技术模拟各类场景遇到的问题,并制定解决方案。


3)第三级:数字诊断(Digital Diagnostics)。在该等级下,提供诊断并跟踪实体的使用寿命,并进行故障排查。

4)第四级:智能预测(Intelligent Prediction)。在该等级下,数字孪生城市可以提供预测功能,为即将发生的事情制定解决方案。

5)第五级:自主学习(Autonomous Learning)。在该等级下,数字孪生城市可以通过人工智能学习新知识,可以直观地获取城市管理者需要的数据,关键是充分挖掘人工识别不到的各种映射关系。

6)第六级:自动优化(Automatic Optimization)。在该等级下,数字孪生城市具备自行评估并优化处理问题的能力,同时向城市管理者反馈。

二、数字孪生城市的政策框架及建设情况

随着数字孪生技术的日益成熟,国家和地方政府纷纷将其纳入智慧城市顶层设计框架,在全国范围加快CIM平台的落地建设,并协调解决各种建模技术之间的兼容性以及数据标准统一等问题。在国家层面,发改委、科技部、工信部、自然资源部、住建部等部委密集出台政策文件,有力地推动了城市信息模型相关技术与应用的发展与落地。


表1 国家部委关于数字孪生城市相关政策概览

2019年10月,国家发改委,《产业结构调整指导目录(2019年)》将基于大数据、GIS等为基础的城市信息模型(CIM)及建筑信息模型(BIM)相关技术开发与应用设为鼓励性产业。    

2019年11月,自然资源部,《自然资源部信息化建设总体方案》提出“三维立体自然资源一张图”。    

2019年12月,住房和城乡建设部,2020年九大重点任务中提出“加快构建住建部、省、市三级CIM平台建设框架体系”。    

2020年2月,工业和信息化部,《建材工业智能制造数字转型三年行动计划(2020-2022年)》提到“运用BIM技术以及计算建模、实施传感、仿真技术等手段”。    

2020年4月,发改委和中央网信办,《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》提到支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。    

2020年9月,住房和城乡建设部,《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则》指导各地开展CIM基础平台建设。    


地方层面,数字孪生建设理念深入到各省市新型智慧城市及信息建规划中。在雄安新区建设中率先投入数字孪生技术的示范带动下,2020年,上海市发布《关于进一步加快智慧城市建设的若干意见》,明确提出“探索建设数字孪生城市”;浙江省出台《未来社区建设试点工作方案》,提出构建现实和数字孪生社区;广东省推出《推进新型基础设施建设三年实施方案(2020-2022年)》,提出“将探索构建‘数字孪生城市’实时模型,打造全要素‘数字孪生城市’一网通管系统”;海南省发布《智慧海南总体方案》,提出“到2025年底,基本建成‘数字孪生第一省’”。


在政策引领之下,数字孪生正在成为新型智慧城市的发力点。多维度的城市信息模型在交通、公安、水利、医疗、建筑等领域得以迅速推广和复制,跨行业多部门的数字孪生生态系统正在形成。在这个生态系统中,空间信息、BIM建模、VR/AR、人工智能等学科领域加速融合,运营商、技术提供商、集成商、设备供应商等数字产业部门与传统产业部门全面合作布局数字孪生场景应用,初步形成数字孪生平台的开放式生态化共建模式。


、数字孪生城市案例


1. 雄安新区数字孪生城市建设案例


2018年 4 月 20 日,《雄安新区规划纲要》提出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,适度超前布局智能基础设施,推动全域智能化应用服务实时可控,建立健全大数据资产管理体系,打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”。作为国内首个依照“数字孪生”理念设计的城市,雄安通过打造CIM平台优化时空资源配置,从时间的维度去重新审视空间资源的配置,建立起实时协同反馈的规划与治理模式。

首先,雄安CIM平台强调全周期,以“时间”为核心集成创新。平台在监测及展示雄安新区空间成长建设的全过程中充分发挥正向设计和逆向测绘的作用。通过实现城市全生命周期信息化和城市审批管理全流程数字化,推动数字城市数据汇聚和逐步成长,构建数据积累、迭代的闭合流程。其次,雄安CIM平台强调全要素,以“空间”为坐标的方法创新。平台通过智能感知网络纳入地质、自然地理、地理信息、市政管线、建筑模型等地上地下空间数据和动态信息,建立空间编码体系,完成雄安地上地下全息数字模型,统筹立体时空数据资产,促进数字城市全时空要素管理。同时,雄安CIM平台强调不同技术模块之间的协同运行。作为雄安的城市大数据中心,“块数据平台”打破现实城市发展中各领域数据的边界,全面整合地质勘测、自然地理、市政交通、城市规划、建筑设计等多个类型的数据和信息,协同规划、市政、建筑、勘测等多领域专家共同建立知识图谱,为城市大脑的智能决策提供大数据支撑。


基于当前的CIM平台,雄安正在进一步探索建立面向数据应用的全开放试点,建立老百姓看得见、看得懂、看得清的规建管可视化系统和城市管理运营APP,真正实现数据多跑路、群众少跑腿。


2. 南京江北新区数字孪生城市建设案例


南京江北新区发布的《江北新区智慧城市2025规划》明确提出,新区要依托“数字孪生城市”新理念、新技术,着力推动城市发展向智能化高级形态迈进。为建设数字孪生城市,特别设立了江北区智慧城市指挥中心。指挥中心通过打造CBD智慧城市系统,兼备了“智慧城建”、“智慧城管”和“企业服务”三大主要功能,为数字孪生城市奠定了基础。


CBD智慧城市系统通过采用国内先进的数字孪生还原技术,利用各类传感设备采集数据,通过5G网络和千兆光网传输,利用BIM模型、图像识别等方法,精准定位江北商务区城市细节、呈现发展趋势、推演城市未来,实现商务区“全域感知、数据共享、交叉指挥、精准反馈”。
基于数字孪生的智慧城市管理模式可提升城市精细化、智能化管理水平,通过超清摄像头实时监测市容市貌、停车秩序,交通状况等,实现主动发现、主动干预,切实解决江北中央商务区城市管理运行领域的现存问题,提高城市管理、公共服务效率,优化部门协同机制与流程。

四、结语


数字孪生城市具有精准映射、虚实融合模拟仿真等核心能力,对于自动发现城市风险、自发洞察城市运行规律、追踪回溯人物轨迹、时间控管及空间定位、分析推演治理决策、仿真演练预案以及高效配置要素资源等方面发挥着重要的作用。通过打造数字孪生城市,推进新一代信息通信技术与城市信息化发展战略深度融合,最终提升城市综合治理能力的数字化水平,已成为当前新型智慧城市现代化全周期管理的“最后一公里”。在这一过程中,城市管理者如何因势利导,转变职能,值得进一步思考。


来源:国脉研究院  电子政务智库