城市数字孪生解决方案
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了城市数字孪生解决方案相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
1 概述
1.1 内涵及概念模型
城市数字孪生是利用数字孪生技术，以数字化方式创建城市物理实体的虚拟映射，借助历史数据、实时数据、空间数据以及算法模型等，仿真、预测、交互、控制城市物理实体全生命周期过程的技术手段，可以实现城市物理空间和社会空间中物理实体对象以及关系、活动等在数字空间的多维映射和连接。
1.2 典型特征
1）全面感知
城市数字孪生以全面感知为前提。城市是一个复杂巨系统，时刻处于发展变化中，必须时刻掌握物理城市的全局发展与精细变化，实现孪生环境下的数字城市与物理城市同步运行。城市数字孪生通过布设覆盖城市范围的多种类型传感器，建立全域全时段的物联感知体系，对城市运行状态进行多维度、多层次精准监测，全面获取影像、视频、各类运行监测指标等海量城市数据，实现对城市环境、设备/设施运行、人员流动、交通运输、事件进展等的全方位感知，实时获取城市全域全量运行数据，为城市数字孪生提供数据基础。
2）精准映射
映射是构建数字世界并建立数字世界与物理世界紧密关系的过程。各类信息要素的精准匹配与精准表达是实现物理城市向数字城市映射的关键。城市数字孪生的实现场景下，物理城市与数字城市是一一对应、紧密融合、双向互动的关系。通过物联感知、数字化标识、多维建模等技术，数字空间实现全域模型精准建立、全量数据精准标识、全盘孪生精准运行，保障孪生环境下的仿真推演具有可信性和参考性，从而指导物理世界运行管理决策。
3）智能推演
智能推演是城市数字孪生具备智慧能力的体现，是实现对物理城市进行科学预测、指导与优化的关键。可以依据物理城市的真实运行数据，构建不同场景下的推演模型，进而模拟和分析物理城市的运行状态和发展趋势，推演预测物理城市的发展态势与运行结果，并提出优化建议，辅助城市日常管理、应急指挥和科学决策。随着城市数字孪生数据的日渐积累，使其可以通过数据去发现城市更多场景下的运行规律，从而能够更多样、更精准的建立推演模型，使城市管理者可以更好的掌握城市运行趋势和可能发生的事件，真正实现数据驱动的城市智能化分析和运行。
4）动态可视
动态可视是指通过将感知的多源数据进行数字化建模和可视化渲染，城市数字孪生提供了全要素、全范围、全精度真实的渲染效果，实现全空间信息和城市实时运行态势的动态展示。一方面，城市数字孪生既可以展现宏大开阔的城市全貌场景，也可以展现诸如地下管线、室内设施等城市微场景，提供全粒度、多尺度的多维展现能力。另一方面，城市数字孪生可视化具有突出的动态性特点，可将城市实时运行体征，如交通运行、城市环境、监控视频等城市实时信息与空间模型紧密融合，实时动态展示可视化对象的状态变化，精准反映物理城市的真实状态和运行情况，使数字城市更加鲜活。
5）虚实互动
虚实互动是指物理空间与数字空间的互操作和双向互动，借助物联网、图形/图像、AR/VR、人机交互等领域技术的协同和融合，实现城市级虚实空间融合、控制与反馈等能力。虚实互动的过程是指通过对物理世界的数据实时采集、接入并映射到数字世界，实现对物理世界的仿真和模拟，在数字空间中进行大数据量的计算、预测和演练，提出城市规划、城市建设、城市治理等的科学决策建议，相关决策建议可以指导或直接反作用于物理世界，在物理世界执行完成后，相应的执行结果再映射到数字世界，并进行信息及时更新，实现物理空间与数字空间的双向闭环互动。
6）协同演进
协同演进是城市数字孪生具有高阶智慧能力的体现。城市数字孪生过程中，物理城市与数字城市在城市运行、数据、技术、机制等方面存在长期协同关系，长期相互反馈、相互影响。协同演进是以物理空间和社会空间为主体，数字空间进行推演，并反馈进化结果，使物理空间和社会空间协同推进的过程。协同演进不仅是“协同”的，更是“演进”的，是“物理城市与数字城市在各种因素的相互作用下的演进关系”，这种演进关系最终推动物理城市与数字城市共同发展进步。
2 参考框架
为实现城市数字孪生，首先需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射。在此基础上，依托信息基础设施实现数据的汇聚、传输以及处理，形成数据资源，在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术，形成能够对外提供的数字孪生服务，并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时，需提供立体化安全管理以及全生命周期的运营管理，保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。
信息基础设施：信息基础设施是指提供感知、连接、存储以及计算能力的数字化基础设施，其中感知基础设施包含嵌入式传感基础设施、物联网基础设施以及测绘基础设施等。连接基础设施包含5G网络、车联网、窄带泛在感知网、全光网络等先进连接通信设备、设施以及系统。存储基础设施主要指多级数据存储中心以及云数据中心，涵盖多种存储方式，包括分布式文件存储、分布式结构化数据存储、分布式列式数据存储、分布式图数据存储。计算基础设施包含高性能计算、分布式计算、云计算以及边缘计算等先进计算基础设施，支持城市建立虚拟一体化计算资源池。
数据资源：数字资源是城市各类数据的总和，是构建城市数字孪生系统的基础。从数据来源可分为时空基础数据、物联感知数据、网络传输数据、业务应用数据以及运行评估数据。其中时空基础数据包括矢量数据、影像数据、高程模型数据、地理实体数据、地名地址数据、三维模型数据等。物联感知数据包含通过物联感知设备采集上报的各类感知数据以及状态数据，如温度、湿度、压强、亮度、设备运行状态等。业务应用数据包含来自业务信息系统、行业领域信息系统、第三方社会机构信息系统等多源业务应用数据。运行评估数据主要包括城市规划、城市管理、经济发展、环境保护、气象、能源、交通等领域运行成效以及评估数据。
通用服务：通用服务为城市数字孪生提供基础共性能力支撑。其中数据服务是对数据资源利用提供的通用支撑服务，包含但不限于数据模型、资产管理以及数据治理。应用服务提供保障城市数字孪生应用及服务的基础能力，包含但不限于引擎服务、组件管理以及用户管理。计算服务包括但不限于任务调度、资源管理、性能监测。智能服务包含但不限于模式识别、统计分析、知识图谱等。
孪生服务：孪生服务是指城市数字孪生所需的特性服务，包括但不限于感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演及可视化。感知互联是指城市全要素实时感知及互联控制，有标识解析、智能感知、实时监测、协同控制等。实体映射是指建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系，有状态指标、对象管理、属性关联、特征提取等。多维建模是进行全要素多维度数字化表达，有事件建模、时空建模、语义建模、规则建模等。时空计算指基于时间以及空间坐标的多维计算，有时空分析、时空解析、时空查询、时空索引等。仿真预测是指模拟仿真，智能预测、动态决策等，有算法集成、引擎开发、任务管理、优化评估等。可视化是完成物理城市到数字城市的表达，有虚实融合、模型处理、渲染服务、场景编辑等。
交互服务：交互服务是指提供多种类型的能力开放界面，通过统一规范的交互界面实现跨系统数据互通以及服务调用，通过提供平台化、轻量化数据、API、消息、应用等集成能力，第三方应用可以对功能组件进行灵活组合，实现业务逻辑和技术逻辑的分离。开放形式包含但不限于门户、第三方服务、接口、开发工具、应用组件等。
安全管理：安全管理是指根据城市安全管理制度，开展数据安全、信息系统和网络安全、安全预警和应急处理等管理工作。
运营管理：运营管理是指基于数字模型和标识体系、感知体系以及各类智能设施，实现城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一呈现，通过数字模型和软硬件系统，实现快速响应、决策仿真、应急处理以及设备和系统的运行、维护和运营。实现城市要素、生态环境等运行状况的实时监测和统一呈现。
3 关键技术
城市数字孪生丰富的内涵和特征决定了它的实现具有高度复杂性，涉及一系列复杂技术。其中，感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演、可视化、虚实交互七个方面的相关技术构成了城市数字孪生关键技术体系。此外，城市数字孪生也离不开基础网络、5G、大数据、人工智能、云计算、区块链等相关技术的支撑。
4 应用场景
当前，城市数字孪生典型应用场景主要包括城市规划、城市建设、城市治理、智慧园区、智慧交通、智慧能源等。
4.1 城市规划
在城市规划领域，构建总规、控规、专规、城市设计、地下空间设计等全要素、全空间的城市规划模型，依据规划建设容量，以定量与定性方式，基于专题分析、模拟仿真、动态评估、深度学习等方法，对城市虚拟规划和场景仿真模拟，实时动态性监管城市开发和城市生长更新的整体规划实施情况。提出市域城乡统筹发展战略，保证规划建筑、绿地、公路、桥梁、公共设施等每一寸土地时实现综合效益的最优化，推动城市规划有的放矢提前布局。
4.2 城市建设
在城市建设领域，围绕城市建设中“人员、安全、进度、协同、环境”几个重要因素，构建数字孪生信息化应用系统，对建设过程中涉及的人、机、料、法、环等生产要素进行数字化，实现对项目施工信息、工程进度、重大事件实时更新，并通过系统同步配置用户的组织结构、智能权限，结合各类子系统应用实现信息有效触达、问题及时跟进、工地有序管理，为建设方、施工方、监理方、设计方及相关人员提供应用服务，有效解决城市以及新区建设过程中的复杂性和不确定性等行业痛点，打造安全可靠、绿色环保的城市建设。
4.3 城市治理
在城市治理领域，城市治理是推进国家治理体系和治理能力现代化的重要内容，通过城市数字孪生汇聚GIS数据、影像数据、高程数据、OSGB、BIM、专题数据等多维时空数据，对接城市管理、生态治理、交通治理、市场监管、应急管理、公共安全等不同领域系统，以城市事件综合管理、重大事件和特殊场景需求为驱动，将“自学习、自优化、自演进”功能融入城市治理过程之中，制定全域一体的闭环流程和处置预案，对症下药精准施策，更好地把影响城市生命体健康的风险隐患察觉于酝酿之中、发现在萌芽之时、化解于成灾之前，实现引导城市规划建设，达到精准化治理效果。
4.4 智慧园区
园区作为城市的核心单元，智慧园区建设已成为当今城市规划和社会发展的关注焦点，也是产业园区和社区发展的必然趋势。基于城市数字孪生感知化、互联化、平台化、一体化的手段，实时接入园区IoT设备、资产、能源、设施及环境等数据，建立基于园区实时运行状况的数字孪生场景，融合园区数字孪生、运用管理、业务管理为一体，实现对园区总体情况、设备运维、物业管理、安全管控、运营服务等全要素、全流程可查、可管、可控、可追溯，打造“安全、智慧、绿色”的园区，提升园区的社会和经济价值，开创智慧园区的立体多维管理新模式，从而实现园区经济可持续发展的目标。
4.5 智慧交通
在智慧交通领域，通过融合多源异构数据，搭建包含基础交通设施、动态车流、时空、地理等信息的交通数字孪生底座，并融入物联网、云计算、大数据、移动互联等前沿IT技术，汇集各类交通信息，提供实时交通数据下的交通信息服务。并利用AI图像识别、仿真算法等数据处理技术，实现智慧交通系统性、实时性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，有效解决了交通感知难、出行难、治理难、维护难的行业痛点，进一步提升交通“规、建、管、运、服”能力，助力建成便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网，实现“交通强国”目标。
4.6 智慧能源
在智慧能源领域，统筹大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术，构建与物理城市能源相匹配的数字城市能源系统，挖掘真正的数据需求，建立科学的决策程序，用数据分析结果指导实践，实现城市能源系统全要素的数字化、虚拟化，全状态实时化和可视化、运行管理协同化和智能化，实现物理城市和数字城市虚实交互。通过“智慧化”使能源转化效率、能源传输效率、能源基础设施利用效率、能源与经济社会的结合效率显著提升，最终实现能源系统更加高效、清洁、低碳。
5 发展趋势
（1）城市数字孪生将成为智慧城市建设技术底座
城市数字孪生将成为智慧城市发展新阶段的核心底座，为城市构建虚实共生的数字基础设施能力。当下，城市数字孪生已经从概念培育期加速走向建设实施期，随着物联感知、BIM和CIM建模、可视化呈现等技术加速应用和融合，万物互联、虚实映射、实时交互的城市数字孪生将成为赋能城市实现数字化转型、提升长期竞争力的核心抓手。上海市发布的《全面推进城市数字化转型“十四五”规划》提出“加快推动城市形态向数字孪生演进，逐步实现城市可视化、可验证、可诊断、可预测、可学习、可决策、可交互的‘七可’能力，构筑城市数字化转型‘新底座’”。
（2）城市数字孪生将在智慧城市中迎来深度应用
随着建设工作的不断进行，城市数字孪生作为政府数字化转型的新型基础设施和城市运营赋能平台。以各类时空基础数据、三维模型数据、业务系统数据、IOT 传感器数据为基础，结合云渲染、API 场景调用中间件、数据中台等服务，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态，实现数字孪生城市的内生发展动力。
（3）城市数字孪生将形成跨行业协作生态共融
围绕城市数字孪生建设，跨行业协作生态共融已成为必然趋势。城市数字孪生的建设是以城市为数字孪生主体，是一个涉及多尺度空间、多领域、跨部门的复杂系统工程。早期智慧城市建设中，各个委办局的信息化系统都局限在组织内部，呈现纵向形式，跨部门的应用难以进行复用和互通。而随着数字化转型的不断开展，城市数据源多点开花，来自于企事业单位的数据逐渐成为城市管理的重要组成部分，新需求的不断刺激也带来了智慧城市行业的高速发展，数据治理水平不断提高。
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