數字孿生城市的智能中樞

三橫兩縱總體架構

數字孿生城市是面向新型智慧城市的一套復雜技術和應用體系，多門類技術的集成、多源數據的整合和各類平臺功能的打通是數字孿生城市成功的關鍵要素。

因此，數字孿生城市并沒有脫離智慧城市的總體架構布局，由新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系三大橫向層，以及城市安全防線和標準規范兩大縱向層構成。

區別在于延展與增強。技術體系內涵延展，新增強化了新型測繪、標識感知、三維建模、仿真模擬等技術應用，核心平臺能力增強，強化了全要素數字表達、大數據模型驅動與反向智能控制，應用體系更強調集約一體，突出跨領域、跨行業、全域視角的超級應用地位。

城市新型基礎設施包括全域感知設施(包括泛智能化的市政設施和城市部件)、網絡連接設施和智能計算設施。與傳統智慧城市不同的是，數字孿生城市的基礎設施還包括激光掃描、航空攝影、移動測繪等新型測繪設施，旨在采集和更新城市地理信息和實景三維數據，確保兩個世界的實時鏡像和同步運行。

智能運行中樞是數字孿生城市的能力中臺，也是城市大腦，由五個核心平臺承載，一是泛在感知與智能設施管理平臺，對城市感知體系和智能化設施進行統一接入、設備管理和反向操控；二是城市大數據平臺，匯聚全域全量政務和社會數據，與城市信息模型平臺整合，展現城市全貌和運行狀態，成為數據驅動治理模式的強大基礎。三是城市信息模型平臺，與城市大數據平臺融合，成為城市的數字底座，是數字孿生城市精準映射虛實互動的核心。四是共性技術賦能與應用支撐平臺，匯聚人工智能、大數據、區塊鏈、AR/VR 等新技術基礎服務能力，以及數字孿生城市特有的場景服務、數據服務、仿真服務等能力，為上層應用提供技術賦能與統一開發服務支撐。五是泛在網絡與計算資源調度平臺，主要是基于未來軟件定義網絡（SDN）、云邊協同計算等技術，滿足數字孿生城市高效調度使用云網資源。

圖1 數字孿生城市總體架構

圖2 數字孿生城市核心平臺與傳統智慧城市平臺關系

智慧應用體系不僅包括基于數字孿生內核的各行業領域應用，如城管、應急、醫療等，更包括凸顯數字孿生“一盤棋”管理特征的超級應用，如城市畫像、人口畫像、虛擬服務、決策仿真等。

隨著城市數據的不斷匯聚累積，各類新技術交叉集成創新賦能，以及共性應用支撐能力加大封裝力度，數字孿生城市的智能中樞作為連接底層終端設施、驅動上層行業應用的核心環節，在傳統智慧城市重大平臺的建設基礎上，進一步形成泛在感知與智能設施管理平臺、城市大數據平臺、城市信息模型平臺、共性技術賦能與應用支撐平臺等核心平臺。

泛在感知與智能設施管理平臺

泛在感知與智能設施管理平臺，是終端設備與智能應用之間的紐帶。是數字孿生城市的基礎性支撐平臺，以全域物聯感知和智能化設施接入為基礎，以統籌建設運維服務為核心，以開放共享業務賦能為理念，服務于設備開發者、應用開發者、業務管理者、運維服務者等各參與者，向下接入設備，兼容適配各類協議接口，提供感知數據的接入和匯聚，支持多級分布式部署，推進信息基礎設施集約化建設，實現設備統籌管理和協同聯動；向上開放共享數據，為各類物聯網應用賦能，支撐物聯數據創新應用的培育。物聯感知平臺是數字孿生城市與真實世界的連接入口，泛在感知粒度決定數字孿生城市的精細化程度。

城市大數據平臺

數字孿生城市的數據資源體系具備三個特征：一是從政務信息資源到城市大數據的轉變。數據更加多元多源，從政府業務數據擴展到感知數據、互聯網數據、企業數據等，實現從封閉自用的政務信息資源到多方共建共享共用的城市大數據的跨越。二是與物理世界動態連續映射。所有主體數據都將疊加時空信息，每個物理實體任何時間、任何地點的狀態，均可以映射到數字孿生世界，實現物理實體在時空上的連續精準映射。三是從封閉割裂到有機整體的跨越。以往每一條獨立的空間地理數據、建筑數據、業務數據、傳感器數據、互聯網數據如今均可關聯到實體上，形成該實體的全量屬性數據，并以實體為基礎形成城市知識圖譜。

圖3 泛在感知與智能設施管理平臺功能架構

圖4 城市大數據平臺的功能架構

數字孿生城市以城市信息模型為底座，以物理實體映射的一個個數字孿生體為對象，將城市大數據作為對象的屬性進行疊加。與傳統智慧城市相比，數字孿生城市不僅包括傳統測繪數據、新型測繪數據等常規GIS 數據類型，也包括基于傾斜攝影、BIM、激光點云的三維模型數據，基于移動互聯網的地理位置數據、基于物聯網的實時感知數據等，以及非結構化的視頻、圖片、文檔等。城市大數據平臺以城市BIM 數據為骨架，整合城市規劃、建設、管理等數據，同時不斷融入物聯網感知數據、位置數據和各種運行數據，保證城市數據的實時性，展示城市真實運行狀態。除此之外，通過對接已建政務系統、行業系統的政務數據和行業數據，實現城市數據的協同共享。

城市信息模型的數據組織應基于開放共享的城市信息模型和三維傳輸交換標準來構建。城市信息模型可參照國際標準組織OGC 框架下的CityGML 標準實現。CityGML 核心模塊定義了CityGML 數據模型的基本概念和組件。基于CityGML 核心模塊，每個模塊包含一個邏輯上獨立的主題組成的CityGML 數據模型。具有十三個專題擴展模塊包括外觀、橋、建筑、城市部件、城市目標組類、泛型、土地利用、救援物資、交通、隧道、植被、水體以及紋理面。CityGML 數據模型的主題分解可以實現支持任何組合的擴展模塊與核心模塊。擴展模塊可以根據應用程序或應用領域的信息需求任意組合。城市三維信息的傳輸和交換，國際上最常用的有開源的3D Tiles 格式，國內可采用中國地理信息產業協會審查批準的《空間三維模型數據格式》 (T/CAGIS 1—2019)團體標準，這些格式適用于海量、多源異構三維地理空間數據和Web 環境下的傳輸與解析，為多源空間數據在不同終端(移動設備、瀏覽器、桌面電腦)地理信息平臺中的存儲、高效繪制、共享與互操作等問題提供了解決方案。

城市信息模型平臺

實時映射的城市信息模型平臺是數字孿生城市建設的核心，是刻畫城市細節、呈現城市趨勢、推演未來趨勢的綜合信息載體。城市信息模型平臺是指具有城市語義信息的三維模型，是語義建模的數據成果，其核心功能主要由模型數據源采集、模型平臺構建、數據呈現與模型渲染三大部分組成。

多源模型數據采集是模型平臺構建的基礎。目前廣泛應用于建筑物、構筑物、道路、地下管線、地質、水體和地表高程屬性數據和紋理數據的采集方法有傳統三維建模軟件、三維激光掃描、航空攝影測量、移動測繪系統等。數據類型主要包括基礎地理數據、BIM/CAD建筑模型數據、城市街景數據、傾斜攝影數據、激光點云數據等多源異構的三維數據。

模型平臺是數字孿生城市運行“骨架”（信息載體）。主要是基于城市GIS 地圖，利用影像多視匹配技術、點云構TIN 技術、紋理映射技術、三維模型存儲優化技術等建模技術，按照地形層、道路層、建筑層、綠化層、水域層等順序逐層從城市大數據平臺加載數據組建而成，并對建筑物、橋梁、停車場、綠地等城市部件進行單體化處理。在模型單體化的基礎上，利用語義化技術，可以形成一個量化并可索引的城市單體信息模型（類似于傳統的BIM），同步可以接入人口、房屋、公司法人、安防設施、公安警務數據、住戶水電燃氣信息、交通信息、公共醫療等諸多城市公共系統的信息資源。

圖5 城市信息模型平臺的三層架構

實時數據呈現與模型渲染是模型賦能業務應用的核心基礎。第一方面是物聯網感知數據實時在模型平臺上快速加載、融合和實時呈現，實現實時運行監測數據可視化，如實時視頻圖像、空氣污染指數、交通流量、行人軌跡等；第二方面是根據城市地理信息數據源、模型精度、業務場景需求，不同精度標準呈現現實場景，如城市管理應用場景可以按百米級或十米級呈現，交通、應急等特殊場景的模擬仿真和AI 訓練可以按照米級或厘米級呈現；第三方面是對數據模擬和真實場景效果渲染，比如通過圖形學技術，對光源、聚光燈、天光等多種光源類型的實時模擬；根據天氣動態數據如云層高度、風向、邊緣噪波尺寸等，對陰、晴、雨、雪等多種真實天氣的模擬；運用動態光追蹤距離場陰影技術，實時計算陰影狀態，最終模擬還原物理世界的運行情況。

圖6 共性技術賦能與應用支撐平臺功能架構

模型平臺全面激活數據資源價值，助力模擬仿真城市運行狀態。城市信息模型平臺源于智慧城市時空大數據平臺，是時空大數據平臺的演進和再發展。在數據集成范疇，模型平臺集成了與城市經濟社會運行的各類數據和物聯感知數據，不僅僅局限于城市靜態數據呈現；在城市運行模擬上，模型平臺運用模擬仿真、深度學習等技術，仿真推演城市發展態勢；在實時數據呈現上，模型平臺集成了智能終端運行數據，可視化展示城市運行狀態，可動態預警城市問題；在支撐政府決策上，模型平臺可快速模擬管理者決策效果，支撐城市管理者制定全局最優化決策方案。

共性技術賦能與應用支撐平臺

共性技術賦能與應用支撐平臺是城市關鍵共性技術、應用開發組件和城市模型服務組件的模塊化封裝集成平臺，是整個數字孿生城市的“決策大腦”。

從核心功能來看，平臺為上層的數字孿生應用提供底層技術支撐、元數據集、城市元部件模型等資源，實行自定義分析與調用、靈活配置和高效開發利用。功能架構包括三大類：第一類是核心使能共性技術，包括大數據、人工智能（深度學習）、區塊鏈技術等；第二類是面向應用場景的信息模型服務，包括城市場景服務、數據更新和追蹤服務、事件模擬仿真推演服務、自定義渲染服務；第三類是基于底層數據的共性應用服務能力，包括信用服務、身份認證、電子證照、非稅支付等。

圖7 百度智能云+應用支撐賦能平臺架構

與智慧城市賦能平臺相比，數字孿生城市的信息模型賦能服務體現出四大優勢。一是場景服務，提供建筑物、城市部件等基礎設施的空間地理信息服務。二是數據服務，可獲取移動物體的實時動態數據及更新服務，以及提供位置追溯、軌跡跟蹤等歷史數據管理服務。三是仿真服務，提供事件、場景、決策預案的過程模擬服務，模擬發展變化過程，實現事件、場景、決策預案數字孿生。四是渲染服務，根據城市地理信息數據源、模型精度和制作預算，按照不同精度要求實施渲染效果。

業界企業依托自身優勢，探索多樣化的共性技術賦能與應用支撐平臺構建模式。由于應用需求分散和企業技術優勢不同，業界獨立開發三大要素齊全的共性技術賦能與應用支撐平臺的實踐較少，多數共性技術賦能與應用支撐平臺采取與底層大數據平臺、數字孿生模型平臺等核心平臺一體化建設。如泰瑞數創SmartEarth 數字孿生底座系統集成了時空信息云、語義平臺、城市模擬仿真計算平臺等模塊；51CityOS 城市可視化平臺整合了城市感知數據體系、大數據分析平臺、CIM 以及部分上層業務應用；阿里、百度智慧城市大腦則綜合集成了城市大數據資源體系、大數據分析平臺、上層大數據應用開發環境和交通、安防等特定領域信息模型。

總體上看，共性技術賦能與應用支撐平臺的底層核心技術使能實力較強，但面向城市部件、事件、業務流等實時要素的模型服務仍是最大短板。如目前各大主流互聯網企業模型服務重點聚焦少數行業領域，例如對交通服務涉及的車輛特征識別、行為軌跡分析等應用模型服務發展較好，但面向城市全量基礎模型的綜合服務較少，如模型關聯分析、基于模型的仿真推演、自定義渲染等；同時對面向超級應用的共性功能組件考慮不足，是共性技術賦能與應用支撐平臺未來需要進一步關注和提升的方向。