如果我们有数字孪生城市,那会是一副怎样的情景 商业观察

/ / 2019-12-01
本文转载自微信公众号“中国信息通信研究院CAICT”,作者张育雄,中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部,主要从事数字中国、智慧城市(智慧园区)、物联网等领域政策研究、规划制定。原标题《数字孪生城市技术体系框架初探》。亿欧智慧城市对文章进行二次编辑,供读者参考。全球物联网、5G、人工智能......

本文转载自微信公众号“中国信息通信研究院CAICT”,作者张育雄,中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部,主要从事数字中国、智慧城市(智慧园区)、物联网等领域政策研究、规划制定。原标题《数字孪生城市技术体系框架初探》。亿欧智慧城市对文章进行二次编辑,供读者参考。

全球物联网、5G、人工智能、无人驾驶、虚拟现实、深度学习等技术研发和产业化加速突破,掀起数字化网络化智能化新一轮浪潮。同时,智慧城市实施进程不断加快,实施内容持续深入,其发展理念、推进模式和技术体系不断更新和演进,建设虚拟服务现实、数据驱动治理、智能定义一切的数字孪生城市将成为智慧城市的重要趋势。

一、 数字孪生城市的建设条件日益成熟

1、信息通信技术(ICT)在城市中成熟应用

近年来,云计算平台已成城市重要基础设施,政府、企业乃至个人广泛使用;大数据成为城市重要资产、战略资源,基于大数据分析的智能决策应用不断涌现;物联网推动万物互联成为现实,广泛应用于城市治理领域的感知监测、数据采集等;(移动)互联网成为公众获取城市生活服务的重要优先渠道,也是延伸服务的重要手段;基于深度学习的人工智能应用可精准预测城市问题,极大提升市民体验。

2、数字孪生(DT)技术应用向城市广泛渗透

数字孪生技术应用最早起源于工业领域,尤其飞机、火车发动机等高端制造领域,对产品、生产线和工艺等进行数字仿真、实时跟踪,研发周期大幅缩减,生产成本大幅降低,形成多设备互联、协同和优化的建设模式。当前,数字孪生技术应用已逐步向建筑、医疗、城市管理等领域渗透,依托BIM模型完成建筑物的龙骨、结构以及风水电等设计,实现建筑物各类资源的优化、应急方案预演以及建筑群间资源优化配置;达索公司开发3DEXPERIENCity平台实现城市规划布局、管网以及气象的数字孪生,使得城市应急处置效率提升30%,城市拥堵率降低25%。

3、技术融合与数据积淀不断推动城市创新发展

分布式计算、4G/5G通信、大规模数据并行处理、深度学习等技术与3D建模、高精度地图、模拟仿真、虚拟现实、智能控制等数字孪生相关技术有机耦合加快集成,推动在数字空间中建设同步运行的数字孪生城市成为可能。此外,经过近十年智慧城市建设,城市传感器随处可见,城市智能终端广泛部署,城市体征运行数据大量汇聚积淀,城市画像日益清晰,跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的数据资源加速有序融合,基于海量多维数据分析的智能应用不断涌现,智慧城市建设正处于量变到质变关键时期。

二、数字孪生城市是深度学习自我优化的城市

数字孪生城市的核心要义是,在网络数字空间,再造一个与现实物理城市匹配对应的数字城市,通过构建物理城市与数字城市一一对应、协同交互、智能操控的复杂系统,使其与物理城市平行运转,通过虚拟服务现实,数据驱动治理,智能定义一切等运行机制,实现城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化智能化,形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新模式,是具有深度学习、自我优化能力的城市。

图1  数字孪生城市运行机理

1、全域感知,实现由实到虚

通过部署全域感知体系和各行业领域信息系统平台,采集汇集城市所有静态数据、业务数据、对象数据等表征城市运行的全量数据,在数字空间建立一一映射的数字孪生城市模型平台,并加载城市全量静态和动态数据。

2、深度学习,实现自我优化

基于不断汇集的海量数据和数字孪生城市模型平台,运用多维数据分析、机器学习、神经网络、深度学习等算法或技术,运算得出城市资源配置优化方案、城市灾害预测预警模型、城市应急指挥策略等,实现自我优化。

3、智能操控,实现由虚控实

基于以上数字空间得出的优化方案、预警模型、指挥策略等深度学习结论,在数字孪生城市模型平台中,通过传感器远程控制、信息系统功能优化修正等操作,反向作用于物理世界运行的城市,实现动态决策、快速响应和智能操控。

4、更新迭代,实现流程再造

通过深度学习、自我优化后的城市在新的运行流程、运行规则、运行机制下不断产生和积累新的数据,同时,新智能设备、新技术应用不断更替出现,进而启动新一轮的数字孪生更新迭代,实现城市不断进化的“自生长”发展模式。

三、数字孪生城市是技术和数据深度融合的新模式

数字孪生城市,是与物理城市一一映射、协同交互、智能操控的虚拟城市,其技术体系框架包含智能终端、泛在网络、支撑平台、应用系统等必要组成要素,并贯穿城市数据的采集、汇聚、整合、分析、应用等全过程环节,是一个技术融合、业务融合和数据融合的复杂巨系统。

图2  数字孪生城市技术体系框架

1、全域智能终端的数据采集是数字孪生城市前提

全域智能终端的数据采集主要涵盖四大基础要素,即数字标识、智能终端、三维模型、地理信息等。其中,数字标识作为城市人、事、物在数字空间的唯一索引,表征城市人、事物身份信息,用于数字信息和实体之间的精准匹配、建立连接和管理控制;智能终端作为城市运行的信息采集器,用于采集城市所有静态和动态信息;三维模型作为数字空间的信息载体,用于展现城市空间形态;地理信息表征城市人、事、物的位置和位移,主要包括GIS、RS、GPS等。

2、极速泛在的城市信息网络是数字孪生城市保障

极速泛在的城市信息网络主要包括三大接入方式,即城市极速专网、4G/5G移动宽带、NB-IoT/eMTC/LoRa物联网等,形成互为补充、极速互联的网络接入保障。为满足城市安全运行、虚实互动毫秒级响应以及千万级的智能设备的同时接入需求,率先组建城市极速专网,统一集成宽带无线网、宽带有线网、视频网、应急通信网、政务网等,实现极速互联。针对手机、可穿戴设备等移动智能终端主要以4G、5G接入为主,采集城市中人的信息。针对数以亿计的传感器,可通过NB-IoT、eMTC、LoRa等网络实现统一接入。

3、深度思考的城市信息中枢是数字孪生城市核心

深度思考的城市信息中枢主要包括四类重要平台,即数据资源管理平台、数字孪生模型平台、基于深度学习的人工智能算法平台、统一智能操控平台等,共同组成指导数字孪生城市高效运行的信息中枢。数据资源管理平台用于数据整合、处理、分发等;数字孪生模型平台作为数字空间集成载体,集成所有数据资源,展现真实世界运行全貌和细节;基于深度学习的人工智能算法平台用于优化业务流程、资源配置、规划布局等;统一智能操控平台主要用于智能决策指挥、自组织运行、远程操控等。

4、高效运行的智能应用系统是数字孪生城市表现

最终,数字孪生城市要作用于城市治理和民生服务的各个业务环节,推动服务体验智能化、社会治理智慧化。如,通过模拟仿真、动态评估、深度学习城市规划方案效果,实现规划不再走弯路;三维呈现水势、空气动力、雾霾变化等,为城市治理决策提前部署提供依据;通过深度学习个人教育和知识体系,实现自适应式定制化学习;通过深度学习民众出行、生活、消费等习惯,制定个人出行路线;通过交通流量预测,智能疏导和优化信号灯时长。

总之,数字孪生城市建设是一个长期而艰巨的任务,随着实施不断深入,其技术体系框架和解决方案将更加清晰,将有力推动城市的高质量发展。

作者简介

张育雄,毕业于天津大学,就职于中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部,主要从事数字中国、智慧城市(智慧园区)、物联网等领域政策研究、规划制定。作为核心成员参与了《雄安新区智能城市专项规划》《数字中国建设发展报告(2017年)》《国家物联网“十三五”规划》《推进“互联网+政务服务”开展信息惠民试点实施方案》等政策制定。

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