數字孿生助力未來智慧城市新基建

張卓雷

數字孿生技術在城市層面的廣泛應用，通過構建城市物理世界及網絡虛擬空間一一對應、相互映射、協同交互的復雜系統，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發展新格局

現代工程越來越復雜，系統組件越來越多，狀態特性隨著時間快速變化，存在著眾多的不確定因素。在這種情況下，繼續用傳統設計維護策略，即“安全余量設計+周期性維護”，會使結構設計笨重、效率不高;復雜系統在高度不確定性環境下遭受意外損傷概率的增加，使得安全系數方法既不經濟、又難以徹底、完全保證系統可靠性。而且，周期性維護在面臨復雜系統時，缺乏對系統當前狀態的準確預估，容易出現過于頻繁的檢測與維修，或未及時維護而引發系統提前失效的情況，導致維護成本高且可靠性不足。

由此，數字孿生概念的誕生，為解決上述問題提供了新的思路。

概念：認識數字孿生和數字孿生體

數字孿生是一個技術體系，旨在為物理系統創造一個表達其所有知識的集合體或數字模型（也稱為數字孿生體）。通過實時監測系統狀態，動態更新數字模型，能夠提升數字孿生體的診斷、評估與預測能力;同時在線優化實際系統的操作、運行與維護，減少結構設計冗余、避免頻繁的周期性檢修與維護并保證系統的安全性。

數字孿生最早的概念模型由PLM咨詢顧問Micheal Grieves博士于2002年10月在美國制造工程協會管理論壇上提出。Grieves博士在向工業界展示如何進行產品生命周期管理時提出的兩個系統，即真實系統和虛擬系統。虛擬系統接收從真實空間傳來的數據，鏡像（Mirroring）真實系統的狀態;真實系統接收虛擬空間傳來的指導信息，并相應做出響應。這一理念中提及的真實空間、虛擬空間、從真實空間到虛擬空間的數據流和從虛擬空間到真實空間的信息流被認為是數字孿生的三個基本要素。

數字孿生體（Digital Twin）這一名稱最早出現在美國空軍實驗室2009年提出的“機身數字孿生體（Airframe Digital Twin）”概念中。2010年，NASA在《建模、仿真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統和制造》兩份技術路線圖中直接使用了“數字孿生體（Digital Twin）”這一名稱，認為數字孿生體是：“一個集成多物理場、多尺度的非確定性分析框架，能夠聯合高精度物理模型、傳感器測量數據、飛行歷史數據等，鏡像相應孿生飛行器的生命歷程”。這一愿景對NASA和美國空軍具有重要意義。因為兩者擁有大量的機隊需要周期性檢測和維護，不僅耗費巨大成本，而且面臨針對性不強、響應速度慢等問題。數字孿生利用模型指導決策的思想，正好能夠彌補這一能力短缺。通過真實數據驅動數字孿生體更新，響應實際飛行器結構變化，并對實際飛行器的操作、運維進行優化，從而降低維護成本、延長使用壽命。

回望人類歷史的歷次工業革命，選取工業化的視角，引入技術經濟學中的“通用目的技術（GPT）”這一概念，來分析數字孿生體技術在即將到來的第四次工業革命中的地位和作用。目前普遍認為，蒸汽機、電和內燃機、計算機分別是前三次工業革命的GPT。而數字孿生技術滿足GPT的充分必要條件，將成為第四次工業革命的GPT。

發展：數字孿生技術在城市層面的應用

2019年7月，Garter公司發布數字政府技術成熟度曲線，“政府的數字孿生體”出現在曲線的起點;同年9月，美國召開首次智慧城市和數字孿生體融合研討會。這些事件標志著數字孿生體技術開始進入深度開發和大規模擴展應用期。

中國以“智慧城市”和“新基建”為代表的建設模式雖然起步較晚，但爆發速度前所未有。目前全球近1000個提出智慧化發展的城市中，有近500個中國城市，占全球數量的48%。這為中國下一階段的城市和基礎設施發展奠定了基礎。

數字孿生城市是數字孿生技術在城市層面的廣泛應用，通過構建城市物理世界及網絡虛擬空間一一對應、相互映射、協同交互的復雜系統，在網絡空間再造一個與之匹配、對應的孿生城市，實現城市全要素數字化和虛擬化、城市狀態實時化和可視化、城市管理決策協同化和智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發展新格局。數字孿生城市既可以理解為實體城市在虛擬空間的映射狀態，也可以視為支撐新型智慧城市建設的復雜綜合技術體系，它支撐并推進城市規劃、建設、管理，確保城市安全、有序運行。

數字孿生城市主要有新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系三大橫向的分層。

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，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。

應用服務層是面向政府、行業的業務支撐和智慧應用，基于數字孿生城市的應用服務包含城市大數據畫像、人口大數據畫像、城市規劃仿真模擬、城市綜合治理模擬仿真等智能應用，社區網格化治理、道路交通治理、生態環境治理、產業優化治理等行業專題應用。

展望：數字孿生體將在未來世界無限復制

數字孿生由5G網絡、物聯網、邊緣計算、XR（AR/VR/MR）、大數據、區塊鏈、云計算、人工智能等計算機技術作為物理實體、虛擬實體、孿生數據的來源并提供連接和服務。這樣組成的數字孿生體相對于原物理實體，不僅是原物理實體的數字映射，而且因為有了數字預判和分析能力，已經成為新的數字有機體，其未來發展方向不僅是對物理實體做出正向反饋，還因為有數據挖掘（Data Mining）和數據融合（Data Fusion）能力，使其從一個信息處理平臺躍遷為知識處理平臺。也就是說，數字有機體將作為生產知識的驅動，使自身擁有進化和復制的能力。

富有生命力的數字孿生體用封裝好的代碼作為其基因，將在未來的世界無限復制。著眼當下，誰能創造出優秀基因的數字孿生體，將成為掌握未來的技術密碼，無論是發展五維模型中的哪一個維度，都是從實質上推進數字孿生技術的發展;而如果能將其有機結合起來，才是所有計算機新技術的征途大海。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （作者單位：杭州熾橙數字科技有限公司）

數字孿生城市既可以理解為實體城市在虛擬空間的映射狀態，也可以視為支撐新型智慧城市建設的復雜綜合技術體系，它支撐并推進城市規劃、建設、管理，確保城市安全、有序運行。

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數字孿生平臺案例：云嘯平臺·南站樞紐智慧系統

2020年7月1日正式開通的杭州火車南站，也有一套相同框架體系下建設的數字孿生兄弟：云嘯平臺·南站樞紐智慧系統。該系統的規劃目標是在一個可視化數字孿生系統中實時掌控南站運營狀況并對緊急事件作出預判和快速反應，具體達到一標三實三維呈現、客流班次統計、人員設備管理、警情多維分析、安全隱患跟蹤、信息報送流轉、重點人員管控、空間疊加分析、實時經理態勢、可視指揮調度等功能。

三維可視化實時指揮功能：基于三維建模，通過渲染技術實現火車南站真實物理場景的三維數字化重現，同時搭載和融合警務數據、監控數據和輔助實時物聯網數據，實現警力分布、警情處置在三維地圖上的可視化指揮。

即時信息調度指揮功能：包括當日值班、站內流量監控、當日班次。

警務、警情大數據管理、指揮功能：包含在線任務、隱患追蹤、戰果、備查量、辦案區、觸控報警功能模塊。

設備狀態管理功能：包括設備運行情況、監控影像管理模塊。

云嘯平臺·南站樞紐智慧系統是杭州熾橙數字科技有限公司與杭州南站樞紐管理委員會，聯合開發的一套面向智慧政務管理的數字孿生系統，結合公安、交通、消防、醫療市政等多部門實時數據，實現管轄區域內“人、車、地、事、建筑”的全面監控，輔助公安部門綜合掌控大范圍城市治安態勢，形成統一高效、互聯互通、協同共享的智慧監管體系。