應用場景驅動下的數字孿生城市

文｜萬碧玉

我國數字孿生城市發展，將從局部走向全域、從感知走向可控。

中國城市科學研究會智慧城市聯合實驗室首席科學家 萬碧玉

數字孿生的研究歷程

1969年7月16日，巨大的“土星5號”火箭載著“阿波羅11號”飛船從美國卡納維拉爾角肯尼迪航天中心點火升空，美國NASA在阿波羅登月項目中制造首次使用數字孿生概念，并且制造兩個完全相同的實驗室/實體空間飛行器。2003年Michael Grieves(美國密歇根大學)教授提出“與物理產品等價的虛擬數字化表達”。2019年波音737 MAX在不到五個月內發生了兩起嚴重的墜機空難，將人們的關注度集中到了如何讓飛機在制造、維修和飛行過程中更加安全可控，提出“數字孿生”（Digital Twin）技術方案。Gartner在2017-2019將數字孿生作為十大戰略科技趨勢，定義為以數字化方式再現真實的實體或系統。

目前，數字孿生在11個領域中擁有45個細分類的應用。具體領域包括：安全急救、環境保護、航空航天、電力領域、汽車制造、油氣行業、健康醫療、船舶航運、城市管理、智慧農業和建筑建設等。

數字孿生與城市仿真技術

城市仿真通過數字化的方式真實再現城市現實，并基于城市運行數據，運用人口、交通、環境、經濟等理論，分析城市實際問題，預測城市發展，為城市規劃、管理、防災減災等提供科學依據的一種手段。城市仿真從2000年開始到2018年已走過三個階段，從BIM（建筑信息模型)時代、CIM（城市信息模型）時代到現在的DSM（數字地表模型）時代。基于計算流體力學（CFD）的嚴密理論，利用有關數據建立精確城市模型，根據氣象數據設定準確的邊界條件，綜合考慮地形、氣象、水文、建筑物、污染源等因素對現狀以及發展趨勢的影響，真實再現城市各種復雜現象，提供各種現象細節的有關數據；實現實時三維可視化，形成城市環境“診斷書”“疾病預防報告”，提供決策支持，檢驗及優化方案，為城市規劃、管理服務。

國內一些城市已經啟動城市仿真建設工作，比如汶川、廣州、佛山等數字城市仿真建設實踐，提出實體城市空間與虛擬城市空間和社會空間共融互動，從人、物理世界的感知同步搭建智慧設施，以“大平臺、大數據、大應用”構建數字孿生的虛擬空間支撐智慧發展。

《河北雄安新區規劃綱要》雄安新區率先推進數字孿生城市建設。2018 年《河北雄安新區規劃綱要》中指出：堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市。

應用場景驅動下數字孿生城市

目前，國內建設數字孿生城市，主要是在感知端通過對城市構筑物的感知數據，在基于CFD的技術下構建虛擬仿真系統，實現城市“全時全域全空間”環境的感知。

在數字孿生城市場景中，以地理信息服務精細化、精確化、真實化、智能化為目標，從較為單一的GIS數據升級為融合多源、異構、多時態空間數據，以滿足應用和分析的需求，從多源異構數據無縫融合、時空數據庫建立和空間數據快速更新等方面入手，實現城市民生管理和服務。

在數字孿生城市場景中可實現城市精細化管理，數字孿生城市立足城市運行監測、管理、處理、決策等要求，完善城市精細化管理體系，不斷提升人民生活質量和城市競爭力，不斷提升市民對城市管理的滿意度。

數字孿生城市未來發展

黨的十九大報告明確提出要加快建設制造強國，《中國制造 2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平”。

圖1數字孿生城市技術架構

圖2南方某省會城市風環境仿真感知圖

圖3城市精細化管理模型

在此背景下，我國數字孿生城市發展，將從局部走向全域、從感知走向可控。受管理難度和技術成本影響，數字孿生將從社區、園區、校園、港口等小范圍的封閉區域開始，逐步向城市全域、孿生空間過渡。