数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章

封顺天1㊀张东2㊀张舒2㊀李力3

(1.中国电信股份有限公司研究院,北京102209;2.中国电信政企客户事业部,北京100010;

3.中国电信福建分公司政企客户事业部,福州350001)

摘要:论述了数字孪生城市起源,指明了数字孪生城市主体结构㊁整体架构和创新应用,提出了数字孪生城市业务发展建议㊂

关键词:数字孪生城市;三维城市模型;城市仿真

1㊀引言

比特是数字世界的基础,城市是人类文明高度发展的产物㊂数字孪生通过虚实映射,将物理世界抽象为比特,绘制出与之对等的数字世界㊂

近年来,随着数字孪生概念的兴起,数字孪生呈现出与各个行业融合的趋势㊂数字孪生工业结合提高了工业领域精益生产率,降低了工业领域创新成本;数字孪生医疗降低了新药研发成本,提高了药品研发的成功率㊂数字孪生和城市结合,将开启智慧城市数字化转型新篇章㊂

2㊀数字孪生城市产生背景

2.1㊀数字孪生城市概念形成

2018年,雄安新区规划纲要[1]提出, 要坚持数字城市与现实城市同步规划㊁同步建设 理念,数字孪生城市概念在行业崭露头角㊂2018年,中国信息通信研究院联合各产业参与方,连续两年发布‘数字孪生城市研究报告“[2],对数字孪生城市进行了深入描述,在行业内产生广泛共鸣㊂

数字孪生城市在物理世界和数字空间世界之间建立准实时联系,实现物理城市世界和数字城市世界的互联㊁互通㊁互操作㊂这种在数字空间以无限数据资源替代有限城市物理资源的方法为城市发展提供了崭新的方,使城市建设和管理在数据空间内 模拟择优 零成本试错 ,为城市管理提供了崭新手段㊂2.2㊀数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段2016年,国家在‘关于组织开展新型智慧城市评价工作务实推动新型智慧城市健康快速发展的通知“[3]中提出:新型智慧城市是全面推进新一代信息通信技术与新型城镇化发展战略深度融合,提高城市治理能力现代化水平,实现城市可持续发展的新路径㊁新模式㊁新形态㊂新型智慧城市内容拆解见图1㊂新型智慧城市的各类系统平台产生了大量数据,这些数据来源多样㊁分布广泛㊁结构迥异,跨部门的数据互通实现了 数据多跑路㊁百姓少跑腿 ㊂相比新型智慧城市,数字孪生城市有精准映射㊁虚实交互㊁软件定义㊁智能干预4个特点[4]㊂

数字孪生城市的数据基础来自新型智慧城市建设成果,如城市时空大数据平台㊁城市数据交换共享平台等;数字孪生城市中精准映射㊁虚实交互需要借助5G㊁AI㊁AR/VR㊁物联网等新技术;软件定义和智能干预为城市建设提供新理念㊂由此可见,新型智慧城市建设为数字孪生城市打下了坚实基础,数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段,将开启城市数字化转型新篇章㊂

3㊀数字孪生城市主体结构

数字孪生城市的核心是在数字空间构建与物理城市高度一致的城市孪生体,并在孪生体内以数据资源代替物理资源,实现城市各类应用㊂数字孪生城市包含数据㊁模型和服务3部分,结构如图2所示㊂

图1㊀

新型智慧城市内容拆解图2㊀数字孪生城市主体结构

㊀㊀数据是基础㊁模型是核心㊁服务是手段㊂当城市空间数据精度较传统电子地图提升近百倍时,实现高精度的城市三维模型成为可能,城市孪生具备技术条件;当数据的采集㊁处理㊁应用成本低于城市规划㊁建设㊁管理等业务试错成本时,城市孪生成为可能㊂各类业务平台系统数据㊁物联网终端数据㊁城市三维模型通过有序组合形成城市孪生体,在城市孪生体中叠加各类模型算法对数据深化应用形成各类城市孪生服务㊂

3.1㊀数据

数据是数字孪生城市的基础,包含基础数据㊁业务数据㊁行业数据和其它数据㊂基础数据中时空数据是三维城市模型的基础,三维城市模型是数字孪生城市的外观呈现㊂国家自然资源部2019年发布的‘智慧城市时空大数据平台建设技术大纲“[5]中提出:智慧城市时空大数据平台作为智慧城市的重要组成,既是智慧城市不可或缺的㊁基础性的信息资源,又是其他信息交换共享与协同应用的载体,为其他信息在三维空间和时间交织构成的四维环境中提供时空基础㊂时空数据的传统手段是电子地图,电子地图的理念是把地图变为数据形式,以便计算和处理;数字孪生城市则是把整座城市变为数字形式,以便计算和处理㊂传统电子地图通过卫星拍摄数据的精度和基于地图计算的理念无法满足数字孪生城市要求㊂

随着倾斜摄影㊁激光点云等技术的成熟,借助低空飞行器㊁地面采集车,以多镜头方式采集的城市数据分辨率普遍在5cm内,较10m分辨率的传统电子地图提升了近200倍,高分辨率下采集的道路㊁建筑外观轮廓

等数字信息与现实中城市高度一致,形成了高精电子

地图㊂随着车辆无人驾驶技术的发展,高精电子地图

成为无人驾驶车技术中必不可少的一个组成部分[6],高精电子地图不仅包含城市地面交通相关元素,还包

含地下管廊㊁城市建筑等各类元素㊂高精电子地图把

物理世界映射到数字空间,使城市级孪生在技术上具

备条件㊂

随着信息技术在城市范围内深度应用,城市基础

设施智能化升级和各个行业信息化程度不断提升,各

类设备和各个行业产生了大量数据,这些数据为三维

城市模型各部件数据更新㊁实时计算㊁虚拟仿真等业务

服务提供数据输入㊂

3.2㊀模型

模型是数字孪生城市的核心,包含三维城市模型㊁

共性算法模型和行业算法模型㊂三维城市模型指城市

各类元素对象的三维建模,通常通过倾斜摄影㊁激光点

云㊁BIM等方式创建,为数字孪生城市提供由外到内的

结构化呈现㊂随着物联网终端的普及,井盖㊁垃圾桶㊁

消防栓㊁灯杆等越来越多的城市元素部件状态被实时

感知,云计算㊁边缘计算㊁大数据㊁人工智能等技术使得

海量数据的存储和运算成为常态㊂这些经过标识㊁运

算㊁处理后的数据与三维城市模型虚实映射,实时更新

城市各类元素在数字空间的状态,使三维城市模型与

物理城市保持高度一致性㊂

对三维城市模型的处理存在不同的技术路线,这

些路线各有优劣㊂如通过游戏类引擎(UE4㊁U3D等)

加载出来的三维城市模型对建筑细节呈现效果好,由

于占用过多的图形计算资源,往往需要高性能服务器

支持且对并发支持存在瓶颈,适合开发区㊁社区等小范

围内应用㊂目前主流的做法是通过3Dtiles格式对城

市级三维模型数据进行流式传输,在Web浏览器中以

流数据方式加载呈现㊂

算法模型叠加在三维城市模型之上,是城市孪生

体的规则,算法对城市孪生体内各类元素㊁对象㊁事件

等按照一定规则归纳呈现㊂共性算法通常使用相对成

熟的算法模型,如图片处理领域的卷积神经网络㊁对非

结构化数据进行处理的NLP算法等,一般用于城市孪

生体内业务分析和规划;行业算法模型是在特定行业

中使用,如空气扩散领域的高斯烟流模型㊁城市水资源领域的SWIM模型等,一般用于城市孪生体内业务仿真和预测㊂各类模型算法叠加相关数据输入,可为数字孪生城市各类服务提供计算依据㊂

人工智能技术通过超强算力和模型算法,成为了城市孪生体的 大脑 ㊂在数字空间内通过对各类城市元素数据进行实时计算,并把计算结果与三维城市模型互动仿真,模拟城市运行中可能的各种状态,加速了城市在孪生空间内的运行效率㊂

3.3㊀服务

服务是数字孪生城市的手段,是为了通过无限的数据资源节约叠加模型计算节省有限的城市物理资源,服务涵盖城市治理㊁民生服务㊁产业发展等领域的仿真和预测㊂数字孪生城市服务内容取决于数据和算法模型的构成,是一个运营迭代的过程㊂数字孪生服务可通过PC㊁手机㊁VR/AR㊁全息等方式承载,给用户带来多重体验㊂

数字孪生城市服务缺少统一的分类标准㊂按照城市生命周期包括规划㊁建设㊁管理运营等分类;按照行业包含政务㊁交通㊁环保㊁应急等分类;按照职能包含社会管理㊁公共服务㊁生态环保等分类㊂不同分类表明数字孪生城市建设切入点存在不同,本文按照新型智慧城市 善政㊁惠民㊁兴业 [7]的目标对服务进行归类㊂

城市治理领域,在数字空间对城市给排水系统㊁交通系统㊁能源系统㊁通信系统㊁防灾系统㊁环卫系统等进行数字化规划设计㊁仿真建设,根据模拟建设成果,选择最优建设方案㊂在公共安全中,数字空间模拟城市在应对污染物扩散㊁自然灾害袭击等情况下可能受到的影响范围应提前规划㊂城市以人为本,民生服务领域,通过在数字空间仿真物理城市的各类元素㊁各类事件,围绕人居环境㊁出行环境等进行优化,提升市民在城市内的生活㊁工作体验㊂城市以业为基,产业发展领域,数字孪生城市可直观地对城市㊁园区进行展现,在招商引资㊁产业规划等领域可借助数字孪生城市开展相关工作㊂

4㊀数字孪生城市整体架构

数字孪生城市架构包含城市泛在感知层㊁孪生城市支撑层㊁孪生城市平台层㊁孪生城市应用层和孪生城市规划层,结构如图3所示㊂图3㊀数字孪生城市整体框架

4.1㊀城市泛在感知网

城市泛在感知网包含城市感知层和城市连接层两部分主要内容㊂

城市感知层颗粒度决定了城市孪生体的精细度㊂随着芯片技术发展,各类物联网终端的涌现使得物理城市被立体感知成为可能㊂智慧园区㊁智慧小区㊁智慧车站㊁智慧港口㊁智慧工地㊁智慧道路㊁智慧家庭等场景牵引各类城市基础设施向智能化升级㊂越来越多的路灯㊁井盖㊁消防栓㊁视频监控㊁电梯等设备通过物联网接入到各类系统平台,城市内空气质量监测㊁施工场地扬尘扩散监测㊁街道噪音监测㊁卡口车流量/人流量监测等数据被感知采集;家庭中燃气表㊁电表㊁水表㊁电视㊁空调等设备开始联网㊂

城市连接层的成本㊁速度㊁带宽等指标决定了城市孪生体应用的新鲜度㊂NB-IoT网络在城市中覆盖,城市各类传感器/执行器设备可在无源情况下长时间工作㊂随着5G网络覆盖,单位面积内物联网终端的连接密度可提升上百倍㊂物联网终端和业务开展成本下降明显,城市中 万物互联㊁万物生数 时代来临㊂

4.2㊀孪生城市支撑层

孪生城市支撑层包含城市数据层和数据融合处理层㊂

城市数据层中数据的丰富程度决定了孪生服务的丰富程度㊂城市数据层数据来自各类云计算平台和各个委办局业务系统,数据中台系统也可为城市数据层提供数据源㊂不同主题的数据源决定了孪生服务的不同主题,数字孪生城市是一个持续运营的过程,数据的积累随着运营的深入而丰富㊂

数据融合处理层主要运用大数据和人工智能等技术对数据进行处理,随着计算机软硬件性能提升,借助大数据㊁人工智能技术使得 数生万物 成为可能,数据融合处理层为孪生城市平台提供直接的分析㊁仿真等能力㊂

4.3㊀孪生城市平台层

孪生城市平台层主要包含核心能力层和共性能力层㊂

城市孪生体是数字孪生城市的核心,具有现实中物理城市的等效性㊂城市孪生体基于三维城市模型,按照不同行业或不同服务粒度分为不同的城市孪生对象,并把孪生对象集有序组合㊂各类孪生对象的属性㊁方法与现实中城市各类元素一一对应,孪生对象的属性㊁状态等参与来自城市数据层,并通过数据融合处理

层同步机制保持数据更新㊂共性算法模型和行业算法模型实现不同孪生对象之间各类属性和状态的组合运算㊂

共性能力层包含城市显示㊁城市分析㊁城市仿真和城市预测㊂城市显示对城市三维模型直观呈现,并可按照各类城市孪生对象分类实现在三维模型查找㊁定位㊁叠加各类数据传感器/视频等数据显示等功能;城市分析是按照不同规则对城市孪生体中各类孪生对象实现关联㊁组合㊁主题分析等功能;城市仿真㊁预测是基于各类数据,按照不同的算法模型对数字孪生体中各类孪生对象进行仿真处理,模拟物理城市在各类环节变量情况下可能产生的变化㊂

4.4㊀孪生城市应用层

孪生城市应用层面包含各类行业和各类用户㊂

各类行业指数字孪生城市在政务㊁交通㊁环境㊁应急等行业均有广泛应用场景㊂政务行业,城市安全㊁应急㊁规划管理均可在数字孪生城市先行先试㊂交通行业,可根据道路实时流量㊁违法停车㊁交通信号灯㊁视频等数据在城市孪生体内结合交通行业特定模型,实现城市路网㊁红绿灯信号㊁停车场/位优化,提升城市路网效率和市民出行体验㊂环保行业,基于城市污染源数据和三维城市模型数据,模拟在不同光照㊁风速等参数下污染源在城市孪生体内的影响范围㊂

各类用户指数字孪生城市服务的各参与方,包含㊁居民和各类商业组织㊂类用户通过数字孪生城市各类应用可实现城市规建管一体化㊁实时了解城市运行状态㊁实现城市精细化运营管理等功能,为制定㊁服务提供和各类决策提供更为精准的依据㊂居民可在数字孪生城市中发挥个体创造力,运用各类数据实现城市协同创造㊂各类商业组织可基于数字孪生城市开展针对性的商业分析,进一步提升商业服务水平㊂

4.5㊀孪生城市规划层

数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段,按照分级分类建设新型智慧城市要求㊂数字孪生城市建设不但和城市级别㊁类别有关,也和城市范围内数据积累关系密切㊂顶层规划设计应基于新型智慧城市和各类信息系统建设成果,聚焦城市中的共性问题,并结合不同人口规模㊁不同类型城市面临的个性问题,定义针对性的城市支撑层功能和城市应用层场景㊂不同于传统信息化项目重建设轻运营㊁重流程轻数据,数字孪生城市建设是一个循序渐进的过程,更强调数据资产的汇聚㊁管理和运营,强调通过城市各类数据治理㊁仿真实现㊂顶层规划除了对业务整体进行规划外,还需要对业务运营体系㊁端到端安全体系㊁标准规范体系等内容进行规划设计㊂

5㊀数字孪生城市创新应用

5.1㊀政务

规划建设城市各类公共服务设施之前先在城市孪生体内进行仿真建设,模拟各类建设方案在三维城市模型内布局是否合理,各类设施与人口㊁环境等资源之间匹配是否合适,得出最优建设方案,使物理城市一次性建设即达最佳效果㊂

在推进城市治理,提升治理能力现代化方面,已建立了各类网格化服务体系㊂网格服务体系和数字孪生城市结合,在数字孪生城市内完善各类标准地址库㊁标准建筑物编码与实有人口㊁实有房屋㊁实有单位㊁实有设施,实现 四标四实 [8]并将部分数据面向社会开放,将为社会提供准确直观的标准地址信息服务㊂5.2㊀环境

在数字孪生城市内基于城市地形㊁建筑等数据结合风向等环境数据和算法,实现城市风道最佳规划,降低城市热岛效应㊂

在数字孪生城市内模拟各类建筑物对自然光照的遮挡,使城市道路照明设计更具针对性;分析各类建筑物顶层对自然光照的接收,规划城市太阳能面板等绿色设施的安放,模拟计算发电量,为 绿色城市 建设提供高可靠的依据㊂

5.3㊀应急

在数字孪生城市中通过井盖㊁排水管道㊁河道流量等数据采集联网,结合城市地表数据使用一系列的行业模型组合,可模拟城市在遭遇大规模降雨时,实现城市范围内的 联排联调 ,对城市给排水系统优化提供直接参考㊂

城市在应对火灾时,可根据不同商业建筑BIM模型,可通过商业大楼内承载人员数量㊁火灾蔓延速度和逃生通道容量规划最佳逃生路线㊂还可通过消防栓㊁烟感传感器㊁视频等设备联网为消防救援提供最佳指引㊂

在应对危化品泄露时,可仿真某存储危化品的工厂发生有害气体泄露,根据空气扩散模型计算受影响的城市范围,并计算疏散路径㊂

在应对疫情扩散时,可仿真病毒携带人员在城市内行动轨迹,根据病毒扩散与传播控制模型,计算可能受到影响的城市范围,对隔离方案进行精准指导㊂上述场景并不是数字孪生城市应用的全部场景,随着数字孪生城市的成熟和发展,新的场景将不断涌现㊂

6㊀数字孪生城市业务发展建议

数字孪生城市业务复杂,技术集成度高,建设切入点较多,存在一定的建设风险㊂本文针对数字孪生城市组成㊁架构和应用,提出以下建议㊂

6.1㊀结合数字转型,完善城市数据资产治理体系

数据是数字孪生城市的基础,虽然各省㊁市已建数据交互共享平台㊁成立了大数据局㊁开放了政务信息资源共享目录,数据在城市范围内的流通仍然存在困难㊂横向部门间信息共享动力不足㊁纵向上表现为上级部门的数据下不来,下级只能 耐心等待 [9]㊂

结合数字化转型,完善城市数据资产治理体系,使城市范围内数据真正能够流起来㊁用起来㊂只有这样,数字孪生城市的建设和应用才能成为可能㊂

6.2㊀基于时空信息云,升级城市数字化基础设施

模型是数字孪生城市核心,城市孪生体基于三维城市模型,是各设备㊁各行业数据的有机㊁有序融合㊂结合智慧城市 时空信息云 平台建设,运用倾斜摄影㊁激光点云等新技术,采集㊁制作㊁叠加以高精地图为核心的三维城市模型,升级 时空信息云 平台能力,并向各类行业云㊁信息系统开放能力,形成新一代城市数字化基础设施㊂

未来,以高精地图为核心的新一代城市数字化基础设施在满足数字孪生城市各类应用的同时,将为涉及到电子地图的智慧城市各类业务赋能,降低各业务系统在城市空间呈现㊁数据融合分析等领域的投入㊂6.3㊀建立长效运营机制,探索数字孪生城市商业模式

服务是数字孪生城市的手段,数字孪生城市涵盖产业链条众多,覆盖场景复杂,需要联合地理信息㊁数据处理㊁模型算法㊁服务提供等各类公司共同参与才能实现城市级孪生服务㊂

城市是一个动态发展的过程,数字孪生城市也是动态演进的过程,需要建立起长效的运营机制,积极探索数字孪生城市商业模式,使服务参与方均能在孪生城市平台上 各尽所能㊁各取所需 ㊂

7㊀结束语

数字孪生城市在我国的发展仍处于早期阶段,缺少成熟路径参考㊂可喜的是,越来越多的机构和公司开始开展数字孪生城市业务服务,越来越多的地方也开始布局数字孪生城市建设㊂相信未来数字孪生城市一定会为城市建设㊁运营带来崭新模式,并为㊁市民和各类参与企业创造新的价值㊂

参考文献

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化委员会办公室秘书局,国家标准化管理委员会办公室.关于组织开展新型智慧城市评价工作务实推动新型智慧城市健康快速发展的通知[Z/OL].(2016-11-22)[2020-02-09].https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/

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作者简介:

封顺天㊀中国电信股份有限公司研究院数字孪生城市课题负责人,高级工程师

张东㊀㊀中国电信政企客户事业部智慧城市领域首席

专家㊁产业互联网创新中心主任,高级工程师

张舒㊀㊀中国电信政企客户事业部智慧城市行业总

监,高级工程师

李力㊀㊀中国电信福建分公司政企客户事业部解决方

案中心总监,高级工程师Digital twin city opening a new chapter of urban digital transformation

FENG Shuntian 1,ZHANG Dong 2,ZHANG Shu 2

,LI Li 3(1.Research Institute of China Telecom Co .,Ltd .,Beijing 102209,China ;

2.China Telecom Government and Enterprise Customer Division ,Beijing 100010,China ;

3.China Telecom Fujian Branch ,Government and Enterprise Customer Division ,Fuzhou 350001,China )Abstract :This paper discussed the origin of the digital twin cities ,and clearly defined the main structure framework and applications of the digital twin cities based on three-dimensional city models .Also ,It offered the recommendations of the developments of digital twin cities .

Key words:digital twin cities ;three-dimensional city models ;3DCM ;city simulation

(收稿日期:2020-01-06)

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㊃2020年第3期