数字孪生技术在城建规划中的应用

数字孪生技术在城建规划中的应用

龚章文

身份证号码：450603198410060092   530023

摘要：由于互联网、人工智能、无人驾驶汽车等科技的发展，技术创新使数字孪生城市已变成当前时代下发展现代化数码城市的一个新方面。数字孪生城市技术能够对城市规划的空间布局、街道、居民区、娱乐、商贸，又或者是电力线、变压器、污水系统、城市供水排水系统等方面进行仿真，进而使城市规划的建筑系统可以更加适应人类生活更好的需要，使之实现系统内信息资源共享、物质资源的最佳分配。所以，在数字孪生技术的不断完善下，将会在我国现代化的智能都市建设中得到巨大飞跃的发挥，将传统都市的建筑技术发展成新型智能都市。

关键词：数字孪生；城建；规划

    数字孪生技术是充分利用物理模拟，利用传感器所收集到设备的运行、操作历史和更新情况等历史数据，实现了多专业，多物理，多尺寸，多概率的模拟流程，并进行虚拟空间映射和反应，从而能够使相应的实际的设备进行对整个生命周期的流程的实际映射和反应。当前数字孪生技术也应用于城建规划中，因此对这一方面进行研究具有重要作用。

一、数字孪生的概念

最早提出数字孪生概念的是美国国防部，它是在数位空间中形成实际飞行器的运动模式，并利用感应器所收集到的数据，以达到与航空器实际飞行状况的完全同步。在飞行完成后，依据当前状况和过去的载荷状况，进行数据分析和评价是否必须维修，是否可承担下一次任务载荷等，因此发明了数字孪生技术。

二、数字孪生城市的内涵

伴随云计算、物联网、大数据、人工智能等技术的应用，以及“新基建”政策的落实，城市的发展和管理模式已经逐渐迈⼊“新智慧化”时代。智慧城市的内涵不断丰富，以数字孪生理念为基础的新型智慧城市管理模式正在不断推进城市管理各领域的升级。或许有不少人会对数字孪生城市发出质疑，为何要建立数字孪生城市？数字孪生城市是以基础设施建设为支撑，通过在数码时代中对现实物理环境的进行模拟研究和反映，以及通过对数字环境模拟试验结果的分析与检测，对城市规划的命令执行、流程结构的设计进行⼀步调整提供的决策与支持，从而赋予城市实现智慧化管理与科学决策的能力。数字孪生城市就是借助数字孪生技术在城市层面上的应用而建设出来的。数字孪生城市的构建者能够利用模拟工具、物联网、虚拟现实等手段，把物理学世界投射到虚拟现实空间中，并建立数码镜像，然后又能够对其缺失的区域加以调整。综上所述，数字孪生城市就是利用构建城市的物理学真实世界与网络虚拟现实空间结构中的复杂系统，通过一对一的联系，交叉映射和协作互动，在网络空间结构中建立匹配与对应的模式。

综上所述，现代性数字孪生都市规划就是通过结合现实都市规划的目标，进而通过建筑设计中的大数据技术实现都市动态监控。最后通过与现代网络的数据传递和交流，基于软件模拟进行信息系统数据分析，对构建的现代性数字孪生都市规划实现科学仿真，完成了都市规划，建筑设计，施工，信息管理和售后服务的循环流程。如此的发展将能够破解先进的城市中总体影响的数字化和虚拟性问题，使城市实现了实时性和可视化，以及都市管理决策的协同性与智慧，从而提高了数字城市物质资源，智慧资源，信息资源配置效能与运行状况，进而达到了现代数字化与智能城市最大化建设的目标发展。而数字孪⽣城市实际上是城市规划的信息闭环赋能系统，利用信息全域识别、环境传感、信息实时计算技术，从⽽进行城市规划的建模、监测与管理，处理城市规划、设计、施工、使用、经营、发展等活动中可能面临的困难。对于城市管理者而言，如何构建数字孪生城市，为城市智慧型管理提供支持是目前亟需解决的问题之⼀。智能城市规划可视化管理平台可以高效的集成各单位所有信息系统的数字资料，涵盖各个行业应用，以地理信息系统为依据，对城市规划的物理状态进行全三维展示，采用新型的人机交互方式，完成城市规划运行⾏状态监控、建设项目信息成果展示和各种监控指挥支持等多项职能，进而提高城市管理者的指挥决策效率，实现城市的智慧化管理和运营。

三、数字孪生城市的关键技术类型

数字孪生城市，是以云计算技术、大数据分析、网络通信系统、信息处理、建模仿真等主体所组成的城市信息技术系统。首先，现代化数字孪生城市的建立对于现代信息通讯科技中的云计算技术与大数据分析有着很大的需求，是因为在建立现代化的数字孪生城市中必须先对传统城市规划中的一些数据进行检测和收集，然后再根据所收集的数据加以分析，使之可以更加精确的模拟城市的原貌。然后使设备间进行互连，数字孪生城在实现数字模拟、实时跟踪方面，要形成多设备互连、协同。最后，科技融合与数据化是最重要的环节，通过4G/5G网络、大数据集中处理并行处理等信息技术，和3D建模、虚拟仿真、虚拟现实等与数字孪生城市相关科技的快速融合，极大地促进了与在数字空间中构建同步进行的数字孪生城市工程建设。

四、建设数字孪生城市的作用

智能城市建设发展已近十多年，但目前却无一城市能够标榜自己已建成了智能城市。实际上，中国智能城市目前面临的科技开发与非技术创新的两大障碍都无法攻破，可谓举步维艰。而相关人员所说的技术创新障碍，是指基于云计算和网络的聚合型都市的开发模式创新已经比较成熟，但基于物联网、大数据分析、人工智能、区块链、量子通信等核心技术的原始创新能力却非常欠缺，尚未产生杀手级应用，各职能模块之间有机融合的ONE ICT架构也没有实现，从而造成了技术创新只能停留在最表层，都市运营与管理的整体技术水平也只有数量的提高，而缺乏质量的变化。所谓非技能型瓶颈，体现在智慧城建设需要的巨额融资问题始终未能得到解决之道，政策与市场界限不好划定，建设周期长投资大充满变数，公司收益与资金效益前途渺茫，漠视不理之下，实施成效可想而知。另外，为彰显城市智能所需要的数据共享和服务合作机制也始终未能构建起来。

在这样的一个现状之下，数字孪生城市透过对物理世界中的人、物、事等各种要素电子化，在现实网络空间再造了一个个与之相对的“虚幻社会”，从而建立了物理角度上的实物社会与信息技术角度上的数码社会之间同生共处、虚实交织的空间格局。物理世界的移动，能够透过感应器精确、即时地反映在整个数码社会。透过数字化、网络化实现由实入虚，透过互联网智能达到由虚入实，并透过虚实交互，不断迭代，以达到对物理世界的最优化有序运作。

数字孪生城市将促进中国新型智能都市构建，在网络空间上形成的都市虚拟映像叠加到都市物理空间上，将极大的改善都市风貌，重塑都市基础设施，建立空间上虚实融合、交互的都市空间新形态，通过更泛在、普惠的生活体验，更高速的物联网技术，更智慧的设计，一个更为智能的新型城市体系将得以建立。数字孪生城市不但带来了都市政务的全域策划与即时管理能力，更带来了每个居民都能够享受到的高品质生活感受。此外，还能够提高城市建设计划品质与水准，对数字孪生城市进行快速的“假设”解析和虚拟策划，可尽快摸清都市建设“家底”，掌握城市建设计划的运行脉搏，在计划前期与建成早期认识城市建设计划特征、评价计划影响，防止资源在不现实性的规划与设计上浪费，避免资源在验证阶段重复进行设计，以较小的成本、较快的建设速度，促进以创新科技支撑智慧城市的策划与顶层设计落地。

五、建设数字孪生城建规划的发展方向

（一）三维全景呈现，城市综合态势感知

在智慧城市可视化决策体系中，对整个城市发展显得尤为重要。传统的二维平面地图显示方式承载的信息十分有限，但是三维全景能对资源环境、交通运输、人口民生、社会治理等领域的信息进行完整、详尽地呈现，管理人员可以将所有监测对象纳入其中，有助于管理者综合掌控城市运行态势，从而提升监管力度和行政效率。

（二）城市应急指挥，实现高效决策

目前，我国城市问题层出不穷，其中交通拥堵、空气污染等⼀系列问题严重阻碍了城市发展的进程。对城市各类突发事件进行及时、有效处理，离不开对城市管理预案科学制定和有效部署，通过有力工具加强事件的反应速度和处置能力是提升城市管理工作的重要举措。智慧城市交通可视化决策管理系统通过整合城市交通监测录像、执法终端等系统数据资源优势，对城市交通、空气⽓污染物等重大突发事件进行⾏监控，对各种报警事故进行快速反应，系统还能通过自动筛选事件周边视频和执行⼈员，将城市交通管控预案的相关要点、指挥流程等以多种形式图像可视化地展示和布局，并对联动信息布局、资源分配、重点指标等进行展示和动态推演，并集视频会议、远程监测、图像传输等系统或功能接口于⼀身，从而提高处置突发事件的能力和效率。

（三）数据可视化呈现，协助科学决策

大数据时代的到来，为城市各管理部门积累了大量的数据资源。智慧城市可视化决策系统将全面整合城市管理系统中各部分的数据资料，同时整合城市管理系统细分部门的专业分析算法与数据模型，收集城市空间环境、基础设施、交通、教育等方面的信息，提取统计数据、空间分布图、空间关系图表等多种可视化数据分析图形信息，并将以组合为数据分析驾驶舱进行综合展示，进行对多种数据信息的协同分析研究，为城市管理者科学、正确决策提供更高效的信息与支持。

（四）智慧城市建设成果展示

面对复杂的城市管理⼯作，高质量的汇报工作是城市管理部门工作不偏离方向的保证，也是管理者开展检视工作的重要途径。智慧城市可视化决策系统应用于城市建设、管理工作展示汇报等场景时，可对经济发展、基础设施建设、入口管理等各个工作领域规划进行详尽展示，宏观展示城市建设工作成果，提高工作汇报的效率和质量。

（五）数字孪生城市，推进城市管理智慧化

智慧城市可视化决策系统已逐渐普及于各城市运行中心。数字孪生的意义就在于让真实世界高成本、高难度的石墙在虚拟世界里低成本、快速地实现。数字孪生作为新型智慧城市的基础支持，以数字化的虚拟映射来模拟城市全要素和时空过程，从而实现各部门、系统之间的信息共享，推动新基建大潮下城市的智慧化管理和发展。

六、数字孪生城市的应用

数字孪生技术对现代化的智能城市所实现的使用场景也十分丰富，在未来，将能在许多领域有效改善人们的工作效率与日常生活，使用的场合涵盖了各个方面。当前关于智能城市规划的建筑设计，很多时候还是属于技术和功能设计，既缺少信息和与现实人流、物流、资金流之间的互动研究，也缺少对未来信息技术引入所带来的效果研究。而数字孪生设计通过在对智能城市规划中的空间，地面，地下和河道上配置感应器，并进行对道路，桥梁，井盖，灯罩，建筑物以及其他设施等的布置设计和模拟，同时通过对智能城市规划实现感知和动态监测，可以通过高效的“假设”计算和虚拟计算，摸清城市规划中的一花一树、一路一桥、掌握城市规划的基本脉息，从而促使城市规划有的放矢，超前规划。在城市规划前期和实施早期认识城市规划功能、判断城市规划效果，防止在不切实际的规划设计中浪费，避免在实施初期重新开展规划，用更低的投入和更高的效率促进新科技支持的智能城市规划顶层的实施。

数字孪生系统与真实城市环境的构建是一一对应的虚拟模式，主要是先利用软件建模现实世界的城市环境中的人，建筑物以及现实世界中的事物，之后再通过数字孪生城市系统及其可视化系统，通过定量和定性手段，综合建模研究了城市路况、人流聚集分布、空气质量、水质指数、国家重点工程的重要设施的选址等各方面城市信息，决策人员与评估人员就可以更迅速的掌握智能化建设对城市景观、城市运营条件和状态的改善作用，并评估城市智能化建设的使用价值，从而进行城市资源挖掘研究，帮助地方政府部门在今后现代化建设、智能化工程中的科学决策，从而减少了走弯路和重复建设的低效益工程。对于城市基础设施项目，通过采用一些技术手段，达到项目管理可视化和更全面的对水利，能源，交通，气象，生态建设和环保的控制能力以及城市运营管理能力。

针对大型的公共安全事故，大火，洪水以及其他情况，可以通过数字孪生系统，将所有情况发生时间和指挥决策在几秒钟内同时进行，从而做到“一个点引发，多方联动，秩序调整，合理划分劳动和反馈”。对于城市规划的设计是通过数字信息技术的智慧平台，就这样人们能够通过迅速了解，评估和反馈，进行对城市规划土地勘察，城市空间规划，工程实施，运行与管理方面的协同研究。在工程测量阶段，通过数值模拟，利用空间数据分析方法和可视化表现，建立了工程测量与地理信息数据库系统，以进行对工程测量数据的高效传输与获取。在城市规划中，利用仿真方法和对相关过程与成果的可视化展现，利用“同步整合”技术充分的对接城市空间数据智能服务平台。在设计阶段，通过运用空间设计数据模拟方法和信息技术来仿真和优化城市建筑设计的特点与作用，提出结论，并进行协同设计，从而提高了质量与效益。在施工过程，企业通过利用信息模型，有效控制时间管理，资金控制和人员管理等重要过程，进行动态，全面，可视化的实施控制管理。在维护阶段，通过利用识别系统，感知网络等各类智能设备，实时监测企业的运营状态，并统一显示，通过实时反馈进行可预测性管理，有效提升企业运维管理水平。

建筑设计中，城市居民构成是新型智能城市发展的重点，同样更是对城规、设计考虑的关键。大数字孪生城将以“人”这个中心重点，到对城市市民每天的生活轨道、人均收入水平、家庭生活构成、日常生活消费行为等，实施动态监控，引入建模，协调测算。同样，透过在“比特空间”中，预知城市居民构成的迁移路径、推演未来的城市基础设施规划、判断商业与投资效果等，将为新实体城市的设计、建造与实施，形成更强大的吸引力与重塑动力。将构建一座可认知、可评估、快速反应的大数字孪生城，以实现对土地资源的发展、重大项目规划，以及按需响应、触手可及的协调指导。总而言之，将数字孪生技术运用在智能城市交通控制中，可以使城市交通更加安全。道路、社区、娱乐、商场，或者是电力网、变电所、高速公路，轨道交通系统等，都需要有数字孪生体，这样才能更加简单方便的控制管理城市交通的各个区域。

结语：

目前，数字孪生技术虽然在现代化的智能城市建设中并未获得充分的应用，但是由于数字孪生科学技术的不段进步和发展，已在现代信息化的城市建设中的各个领域得到了广泛应用，使现代化的智能城市建设朝着了更加数字化、智能化的方向推进。

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