数字孪生技术在智慧城市中的应用

数字孪生技术在智慧城市中的应用

宋德强

广东省重工建筑设计院有限公司 广东省广州市 510700

摘要：数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生技术最早应用于工业领域，随着物联网、人工智能、大数据、区块链、AR/MR等新技术在智慧城市中的应用，以及新型测绘、BIM/CIM建模、仿真、可视化等基础技术加速成熟应用，数字孪生技术在城市的应用逐步具备了较好的技术模型与基础。利用数字孪生技术构建智慧城市数字空间，以炫酷视觉效果、全面数据集成、场景化业务展示为支撑，有效提升智慧城市管理人员对城市运营、治安、交通、政务等业务监控管理效率，支撑智慧城市、智慧园区辅助决策。

关键词：数字孪生技术；三维可视化；智慧城市

1数字孪生的定义

数字孪生作为一门新兴的技术，即是通过计算机进行高精度、多维度、全方面的动态仿真，将处于物理世界的实体按照一定映射规则在虚拟世界中建立模型，并构建物理世界和虚拟世界的连接，实现物理世界和虚拟世界之间的实时交互通信、虚实互控、自我迭代优化和更新。

1.1物理实体

物理实体是存在于现实物理空间内的客观物体，其属性包含了几何模型、基本物理学属性以及特定物理学属性。物理实体是实现数字孪生技术的第一步，也是数字孪生技术的基础。物理实体在数字孪生技术中充当地基的作用，不仅为虚拟模型提供了可建模刻画的客观对象，也是各类高精度、高性能传感器反馈数据的动态来源。

1.2三维可视化

三维可视化是将物理实体从多维度、多时间尺度、多方面进行刻画和建模，并能够体现物理实体的几何模型、物理属性、约束和行为准则等。数字孪生技术中的三维可视化本质是物理实体在计算中的一种真实映射。三维可视化作为物理实体在计算机中的真实映射，时刻保持着和物理实体之间的联系，并根据物理实体的变化相应的做出对应的变化。

1.3连接和数据

连接方式和数据是数字孪生过程中非常重要的一环，架构起了物理实体和虚拟模型之间的桥梁并产生数据流。物理实体、虚拟模型、数据和连接这3个特性贯穿了整个数字孪生的全部生命周期，但是数据和连接与物理实体、虚拟模型不同的是数据和连接依托于物理实体和虚拟模型而存在。数据根据数字孪生虚实交互的交互方向不同，可以分为2类交互数据类型：①实控虚数据：实控虚数据由各类传感器采集来的多源异构模拟信号转换而成，即是将物理实体的各属性、指标、参数变化传送到计算机中进行统一的监控和管理。②虚控实数据：虚控实数据由计算机下达指令并传递给虚拟模型，当虚拟模型运行上位机下达的相关指令时，将上位机传达的指令进行编码和转换并反馈给物理实体，物理实体根据这些进行特殊编码的数据同步跟随虚拟模型完成指令。数据如果是物理实体和虚拟模型桥梁上的信号流的话，那么连接就是架构起物理实体和虚拟模型的桥梁。

2数字孪生技术在智慧城市中的应用

2.1物理空间

物理空间是城市存在的客观环境和要素的集和，包含城市时空位置、城市要素以及生态环境。时空位置指地理时空信息，包含城市范围内的地理空间或水平面的坐标信息。城市要素指构成物理城市所需的各类客观存在的物理实体，如道路交通、能源设施、信息设施、公共设施等。要素所处空间可分为地上、地下、室内、室外、空中以及水域。城市生态环境包含土壤、绿地、大气、水、气候、气象等构成自然现象的要素，是保障城市经济社会发展的重要支撑。

2.2社会空间

社会空间用于描述社会中个体与个体、个体与群体、群体与群体等关系和活动的总和，以城市发展和社会治理中多元参与主体及其相互间的多维层次关系构成组织要素，多元参与主体相互作用构成关系要素，社会关系变化及其迁移过程所遵循的规律构成逻辑要素。社会空间包含组织、活动、关系以及逻辑。

2.3三维可视化空间

三维可视化空间是基于信息技术以及数字孪生技术，对城市物理空间和社会空间进行部件级、单元级、事件级、区域级等不同尺度的建模、分析以及展现，实现三维可视化空间与现实系统间的实时动态映射以及连接反馈，构成与现实系统对应的平行的三维可视化空间。三维可视化空间是智慧城市数字孪生的重要建设部分，包含信息基础设施、数据资源、通用服务、孪生服务、交互服务、安全管理以及运营管理。

从系统功能角度看，信息基础设施主要包含感知、连接、存储以及计算基础设施。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、业务应用数据以及运行评估数据。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。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。

通用服务是城市信息基础设施提供的平台类共性支撑服务的总称，一般来讲主要分为数据服务、应用服务、计算服务以及智能服务等。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。计算服务主要为各类应用提供算力支撑以及资源调度能力，包括但不限于任务调度、资源管理、性能监测。智能服务是基于人工智能技术为上层应用、系统运行以及运维管理提供的智能化支撑能力，包含但不限于模式识别、统计分析、知识图谱等。

孪生服务是数字孪生技术为智慧城市建设赋能提供的特色技术能力，主要包含实体映射、多维建模、时空计算、可视化以及仿真预测。实体映射技术是指基于测绘以及物联网等技术实现对物理空间以及社会空间全要素的数字化表达、交互以及协同的技术。多维建模分类有多种，可以按照建模对象、建模方式、建模技术分类。按照建模对象分类可包含空间建模、时间建模、语义建模、单体建模以及时间建模等。时空计算指基于时间以及空间坐标的多维计算，包含但不限于时空模型、时空索引、时空查询、时空高解析以及时空分析。可视化技术是完成物理城市到数字城市的表达形式，包含但不限于模型处理、场景编辑、渲染服务、脚本制作以及虚实融合。仿真预测技术应提供模拟仿真、智能预测、动态决策等技术，包含但不限于推演仿真、态势拟合、时空高仿真、沉浸式仿真、仿真互动等。

城市数字孪生交互能力应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。

此外，城市数字孪生安全管理应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。运营管理通过三维可视化空间和软硬件系统，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。

结语

数字孪生作为一门集合了多学科，多领域的综合技术目前发展还未成熟，尚缺一些重要的关键技术，并且在国内的应用还不多，但是可以肯定的是数字孪生技术有非常好的前景性。基于数字孪生技术的城市底座能够帮助洞悉城市运行规律、构建城市治理的闭环链条、促进城市资源的灵活使用、践行以人为本的城市治理理念，推动治理协同、服务升级、科学决策，实现城市治理体系和治理能力现代化，推进数字产业化、产业数字化。

参考文献

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[2]陈晓红,徐选华,周志方,梁伟,张威威.数字技术驱动的智慧社会治理机制与实践探索[J].复杂科学管理,2021(01):1-26.

[3]王建翔,胡蔚.BIM技术在智慧城市“数字孪生”建设工程的应用初步分析[J].智能建筑与智慧城市,2021(01):94-95+98.