數字孿生城市的應用

高波 孫宜昌 朱勇

摘要：隨著大數據、人工智能、無人駕駛等科學技術的不斷發展，不斷創新，數字孿生城市成為當前時代發展現代化數字城市的一種新方式。數字孿生城市可以對城市的布局、街道、社區、娛樂、商業，甚至是電力線、變電站、污水系統、供水排水系統等進行模擬，從而使城市的建設能夠滿足人們更好的需求，使實現系統內信息資源、物質資源的最優化配置。因此，在數字孿生技術的不斷完善，將會在現代化的智慧城市建設中取得飛躍的發展，使城市的建設發展成為新型智慧城市。

關鍵詞：數字孿生；模擬；智慧城市

一、數字孿生的概念

首次提出數字孿生概念的是美國國防部，它是在數字空間中建立真實飛機的模型，并通過傳感器所采集到的數據，實現與飛機實際飛行狀態的完全同步。當飛行結束后，根據現有情況和過去的負荷情況，及時分析和評估是否需要維護，是否能承受下一個任務負荷等。由此提出了數字孿生技術。

數字孿生是充分利用物理模型，通過傳感器采集到的運行、操作歷史以及更新等數據，集成多學科，多物理，多尺度，多概率模擬過程，完成虛擬空間映射和反映，進而可以使相應的真實的設備得到全生命周期的過程的真實映射和反映。

二、數字孿生城市的內涵

或許有很多人會對數字孿生城市提出疑問，為什么要建設數字孿生城市？數字孿生城市是通過數字孿生技術在城市層面的廣泛應用建立起來的。數字孿生城市的建立可以通過仿真工具、物聯網、虛擬現實等科技手段，將物理物理世界映射到虛擬空間中，形成數字鏡像，然后可以對其不足的地方進行修改。總之，數字孿生城市就是通過構建城市的物理世界和網絡虛擬空間的復雜系統，一對一的通信，相互映射和協作交互，在網絡空間中創建匹配和對應的模型。

數字孿生城市的本質是虛擬空間中對城市的映射，也是支持新型智能城市建設的復雜綜合技術體系和信息維度中虛擬城市在物理維度和虛擬城市中的共存，虛擬和真實集成。總之，數字孿生城市是通過結合城市的目標，然后通過城市的數據進行動態監測。最后基于現代互聯網的實時傳輸及通信，根據軟件模型進行實時分析，對建設現代化數字孿生城市進行科學模擬，解決城市規劃，設計，建設，管理和服務閉環過程。這樣的過程可以解決現代化的數字孿生城市總體因素的數字化和虛擬化，使城市全部狀態達到實時性和可視化，以及城市管理決策的協同和智能，提升數字城市物質資源，智力資源，信息資源配置效率和運行狀況，實現數字化智慧城市最大化建設的發展。

三、數字孿生城市的關鍵技術

數字孿生城市建設依托云計算、大數據、通信網絡、數據處理、模擬仿真為主要構成的技術體系。

首先，數字孿生城市的建設對信息通信技術中的云計算以及大數據有較高的要求是因為在建設現代化的數字孿生城市中必然對城市中的某些數據進行監測與采集，然后根據所采集的數據進行分析，使其能夠精準的模擬城市的原貌。其次，如何使設備的進行互聯，數字孿生城市在進行數字仿真、實時跟蹤，需要形成多設備互聯、協同。最后，技術融合與數據是最關鍵的環節，4G/5G通信、大規模數據并行處理等技術與3D建模、模擬仿真、虛擬現實等數字孿生相關技術的快速集成，極大地推動了在數字空間中建設同步運行的數字孿生城市建設。

四、數字孿生城市的應用

數字孿生技術在現代化的智慧城市建設的應用場景非常龐大，在未來，它會在多個方面改變我們的工作和生活，應用場景涉及各個方面。

當前智慧城市規劃和設計，大部分都屬于概念和功能設計，缺乏與實際人流、物流、資金流的交互，也缺乏對新技術引入帶來的影響分析。數字孿生通過在智慧城市的空中，地面，地下和河道中部署傳感器，以提供城市道路，橋梁，井蓋，燈罩，建筑物和其他基礎設施的布局進行建模，并且對智慧城市進行感知和動態監控，可以快速的“假設”分析和虛擬規劃，摸清城市一花一木、一路一橋的家底、把握城市運行脈搏，推動城市規劃有的放矢，提前布局。在規劃前期和建設早期了解城市特性、評估規劃影響，避免在不切實際的規劃設計上浪費時間，防止在驗證階段重新進行設計，以更少的成本和更快的速度推動創新技術支撐的智慧城市頂層設計落地。

數字孿生為實體城市的建立是一一對應的虛擬模型，它是通過軟件模擬真實的城市環境中的人，物體和真實環境中的一切，然后再基于數字孿生城市體系以及可視化系統，以定量與定性方式，建模分析城市交通路況、人流聚集分布、空氣質量、水質指標、重大項目的基礎設施的選址等各維度城市數據，決策者和評估者可快速直觀了解智慧化對城市環境、城市運行等狀態的提升效果，評判智慧項目的建設效益，實現城市數據挖掘分析，輔助政府在今后信息化、智慧化建設中的科學決策，避免走彎路和重復建設低效益建設。

對于基礎設施建設，通過基于標識、各類傳感器、監控設備的部署、二維碼、RFID、5G等通信技術和識別技術，對城市地下管網，多功能信息桿，充電樁，智能井蓋，智能垃圾桶，無人機，攝像機等城市設施實現全部感知，共享，實時建模，全過程控制等來實現城市規劃協同化、建設運行可視化和完善城市水利，能源，交通，天氣，生態和環境的監測水平和維護控制功能。

對于城市交通調度，社會管理和應急指揮等關鍵場景，全部是通過基于大數據模型仿真，精細數據的挖掘和科學的決策以及指揮調度指令和公共決策，實現動態，科學，高效、安全的城市管理。任何社會活動，城市部件和基礎設施運營都將以實時，多維的方式呈現在數字孿生系統中。對于重大公共安全事故，火災，洪水和其他緊急情況，依靠數字孿生系統，這些問題發現和指揮決策在幾秒鐘內完成，實現“一點觸發，多方聯動，有序調度，合理劃分勞動和反饋”。

對于城市的建設是基于數字技術的智能系統，這樣可以快速感知，判斷和反應，實現城市土地勘探，空間規劃，項目建設，運營和維護的協同創新。在勘測階段，基于數值模擬，空間分析和視覺表達，構建工程測量信息數據庫，實現工程測量信息的有效傳遞和共享。在規劃階段，通過仿真分析和相關程序及結果的可視化顯示，通過“同步整合”充分實現對接時空信息智能服務平臺。在設計階段，應用建筑信息模型等技術來模擬和優化設計的性能和功能，提供結果，并集成協同設計，以提高質量和效率。在建設階段，基于信息模型，有效監控進度管理，投資管理和勞動力管理等關鍵流程，實現動態，綜合，可視化的施工管理。在維護階段，依托識別系統，傳感系統和各種智能設施，實時監控城市整體運行情況，統一顯示，快速響應和預測性維護，提高運維水平。

城市中，城市居民是新型智慧城市服務的核心，也是城市規劃、建設考慮的關鍵因素。數字孿生城市將以“人”作為核心主線，到對城鄉居民每日的出行軌跡、收入水準、家庭結構、日常消費等，動態監測，納入模型，協同計算。同時，通過在“比特空間”上，預測人口結構和遷徙軌跡、推演未來的設施布局、評估商業項目影響等，對實體城市的設計、建設和實施產生巨大的影響力和重塑力。通過搭建一個可感知、可判斷、快速反應的數字孿生城市，支撐實現城市土地空間規劃、重大項目建設以及隨需響應、觸手可及的惠民服務協同指引。總之，把數字孿生技術應用到智慧城市管理上，會讓城市更安全。街道、社區、娛樂、商業，甚至是電力線、變電站、污水系統、供水排水系統、城市應急系統、Wi-Fi網絡，高速公路，交通控制系統等，都會有數字孿生體，從而可以更輕松便捷地監控管理城市的每個地方。

五、總結

目前，數字孿生雖然在現代化的智慧城市建設中沒有得到廣泛的普及，但隨著數字孿生技術的不段進步與發展，將在現代化的城市建設中的各個方面得以應用，使現代化的智慧城市向著更加數字化、智慧化的方向發展。