基于數(shù)字孿生技術(shù)的明珠灣智慧城市信息平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

陳若飛，李江川，馬 燕，何金龍

（北京超圖軟件股份有限公司，北京 100015）

0 引言

“孿生體/雙胞胎（twins）”概念最早應(yīng)用在制造領(lǐng)域，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在阿波羅項(xiàng)目中提出[1]。2003年，數(shù)字孿生概念被正式提出，密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在產(chǎn)品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）課程中提出了“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”這一概念[2]。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展與探索，數(shù)字孿生技術(shù)已應(yīng)用至城市空間領(lǐng)域，對(duì)城市的規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理工作具有重大的積極影響。數(shù)字孿生城市概念則是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生城市基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)交互、先知先覺(jué)和共生共智的城市信息模型（CIM），旨在構(gòu)建數(shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市的同步規(guī)劃、同步建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)全生命周期、全城市要素的數(shù)字化管理，做到城市全域全時(shí)的智慧化管理。

明珠灣區(qū)位于南沙新區(qū)的中心地帶，規(guī)劃總面積約103平方千米。明珠灣起步區(qū)是明珠灣區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)的先行啟動(dòng)區(qū)域，是粵港澳大灣區(qū)對(duì)外開(kāi)放與經(jīng)濟(jì)深度融合的高端產(chǎn)業(yè)城市，也是打造粵港澳大灣區(qū)的重要引擎先行區(qū)。

為落實(shí)國(guó)家粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展戰(zhàn)略，承接廣州新型城市化的重要載體，貫徹國(guó)家打造珠三角世界級(jí)城市群的總體要求，明珠灣開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局（以下簡(jiǎn)稱明珠灣管理局）構(gòu)建了明珠灣智慧城市總體規(guī)劃藍(lán)圖，基于SuperMap GIS軟件，利用數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)發(fā)建設(shè)了明珠灣智慧城市信息平臺(tái)，提升明珠灣起步區(qū)的城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的管理管理水平和對(duì)外宣傳能力。

數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)，通過(guò)信息世界對(duì)物理世界進(jìn)行刻畫(huà)、仿真、模擬，實(shí)現(xiàn)物理世界的三維可視化與城市優(yōu)化。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化（如智慧城市、智慧制造）、服務(wù)化、綠色可持續(xù)等全球工業(yè)和社會(huì)發(fā)展提供了有效途徑。目前，數(shù)字孿生技術(shù)也被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究[3]。明珠灣智慧城市信息平臺(tái)是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中應(yīng)用的前沿探索與實(shí)踐。

1 總體架構(gòu)

明珠灣智慧城市信息平臺(tái)是基于數(shù)字孿生技術(shù)，為明珠灣智慧城市發(fā)展建設(shè)而構(gòu)建的基礎(chǔ)平臺(tái)，具有城市空間可視化和城市數(shù)據(jù)管理與共享交換兩大功能。以城市信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，明珠灣管理局建設(shè)了城市規(guī)劃、城市運(yùn)維、城市名片三個(gè)典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，集成了局內(nèi)政務(wù)辦公、工程項(xiàng)目管理、智能駕駛等多種應(yīng)用，共享了智慧工地、智慧水務(wù)、城市運(yùn)營(yíng)等多源數(shù)據(jù)和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)城市開(kāi)發(fā)建設(shè)與城市綜合管理協(xié)同發(fā)展、信息共享共用，落實(shí)“低碳節(jié)能、綠色生態(tài)、智慧城市、嶺南特色”的四大建設(shè)理念。從物理實(shí)體、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)和連接5個(gè)維度共同構(gòu)成了數(shù)字孿生綜合體[4]，從而在多層次、多級(jí)別應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界動(dòng)態(tài)信息的監(jiān)控傳輸，模擬物理世界未來(lái)運(yùn)行的趨勢(shì)，優(yōu)化與控制物理世界的運(yùn)行[5]。

整個(gè)平臺(tái)采用“平臺(tái)+應(yīng)用”模式進(jìn)行建設(shè)。平臺(tái)建設(shè)采用了微服務(wù)架構(gòu)，構(gòu)建的應(yīng)用由一系列服務(wù)組成，不同的進(jìn)程對(duì)每個(gè)服務(wù)進(jìn)行單獨(dú)部署，服務(wù)之間不但可以通過(guò)輕量級(jí)的交互機(jī)制進(jìn)行通信，還可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的擴(kuò)展伸縮，保障了系統(tǒng)的高并發(fā)使用。同時(shí)，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、匯聚，構(gòu)建了明珠灣時(shí)空數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，依據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)提供了數(shù)據(jù)共享交換、在線編輯、服務(wù)中心等相關(guān)業(yè)務(wù)功能。通過(guò)技術(shù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)與業(yè)務(wù)中臺(tái)共同構(gòu)建了明珠灣智慧城市信息平臺(tái)，平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧城市信息平臺(tái)總體架構(gòu)

1.1 城市空間可視化平臺(tái)

近年來(lái)，地理信息系統(tǒng)理論體系逐步豐富與完善，尤其IT技術(shù)與GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合后，GIS技術(shù)及軟件得到了飛速發(fā)展。GIS領(lǐng)域提出了許多新技術(shù)與新概念，逐步形成大數(shù)據(jù)GIS、人工智能GIS、新一代三維GIS、分布式GIS、跨平臺(tái)GIS五大技術(shù)體系[6]。以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，整合建筑信息模型（Building Information Modeling）、5G 及物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）技術(shù)，是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的技術(shù)基礎(chǔ)，也是未來(lái)智慧城市發(fā)展與探索的方向。

明珠灣智慧城市信息平臺(tái)作為城市空間可視化平臺(tái)，在GIS技術(shù)基礎(chǔ)上，整合BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體明珠灣向數(shù)字明珠灣的實(shí)體映射，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體明珠灣向數(shù)字明珠灣的物聯(lián)感知映射，通過(guò)數(shù)字化的業(yè)務(wù)規(guī)則實(shí)現(xiàn)實(shí)體明珠灣向數(shù)字明珠灣的規(guī)律映射，最終形成動(dòng)態(tài)可視化的城市空間模型，構(gòu)建了明珠灣數(shù)字孿生城市的整體框架。

基于此智慧城市信息平臺(tái)，明珠灣城市空間模型可實(shí)現(xiàn)明珠灣智慧化的規(guī)劃與管理。通過(guò)在城市空間模型中進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、仿真模擬，實(shí)現(xiàn)數(shù)字明珠灣向?qū)嶓w明珠灣的信息反饋，以此指導(dǎo)實(shí)體明珠灣的城市設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)明珠灣的規(guī)劃設(shè)計(jì)更加合理、開(kāi)發(fā)建設(shè)更加高效、運(yùn)營(yíng)服務(wù)更加便民利民。

1.2 城市數(shù)據(jù)管理與共享平臺(tái)

近年來(lái)，政府部門(mén)開(kāi)始了信息管理系統(tǒng)的建設(shè)工作，但由于缺少頂層設(shè)計(jì)，各信息系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)、管理、使用。數(shù)據(jù)難以流通，重復(fù)建設(shè)率較高。各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)最終成為信息孤島。各部門(mén)協(xié)同工作時(shí)往往出現(xiàn)辦事效率較低的情況，難免出現(xiàn)一些管理漏洞[7]。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)種類及數(shù)量大幅增長(zhǎng)，“信息孤島”問(wèn)題進(jìn)一步加劇，如何有效利用資源，打破信息孤島是智慧城市建設(shè)的一個(gè)難題。

明珠灣智慧城市信息平臺(tái)作為城市數(shù)據(jù)管理與共享平臺(tái)，體現(xiàn)了明珠灣在城市大數(shù)據(jù)分析挖掘方面的創(chuàng)新。為實(shí)現(xiàn)城市數(shù)據(jù)的匯聚融合，北京超圖軟件股份有限公司協(xié)同明珠灣管理局建設(shè)了一套具有明珠灣特色的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與管理機(jī)制，包括數(shù)據(jù)整合建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、BIM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、數(shù)據(jù)共享接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、仿真模擬規(guī)范、系統(tǒng)集成接口標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)共享交換辦法。明珠灣轄區(qū)內(nèi)的多源數(shù)據(jù)均需符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，保障平臺(tái)的可用性與流動(dòng)性。

基于一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與管理機(jī)制，明珠灣管理局構(gòu)建的時(shí)空大數(shù)據(jù)中心整合了城市的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理全生命周期的信息資源，推動(dòng)城市公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚于時(shí)空大數(shù)據(jù)中心。各部門(mén)依據(jù)制定的數(shù)據(jù)共享交換辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)共享交換，實(shí)現(xiàn)信息資源在不同機(jī)構(gòu)部門(mén)之間無(wú)障礙交流和共享，為城市的建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐和決策支撐。

2 業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)

明珠灣智慧城市信息平臺(tái)作為明珠灣智慧城市建設(shè)基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了明珠灣管理局內(nèi)外部系統(tǒng)的統(tǒng)一門(mén)戶，完成了重要信息提取、統(tǒng)計(jì)和分析，輔助管理人員掌握明珠灣區(qū)內(nèi)的建設(shè)現(xiàn)狀和運(yùn)營(yíng)服務(wù)現(xiàn)狀，共享了明珠灣區(qū)域的空間數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為明珠灣管理局實(shí)現(xiàn)城市的“規(guī)、建、管、宣”一體化管理提供了重要的技術(shù)載體。同時(shí)，從智慧城市長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，秉承明珠灣智慧城市信息平臺(tái)“核心性、擴(kuò)展性和可持續(xù)性”的特點(diǎn)，明珠灣管理局還構(gòu)建了城市規(guī)劃、城市運(yùn)維和城市名片三個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，支撐起明珠灣起區(qū)的城市規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營(yíng)服務(wù)管理和招商宣傳的城市全生命周期智慧化。

2.1 城市規(guī)劃系統(tǒng)

中國(guó)已正式邁入“城市時(shí)代”，加快了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，但同時(shí)城市規(guī)劃出現(xiàn)了許多不適應(yīng)的情況；城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、城市發(fā)展方式及社會(huì)治理方式等方面都發(fā)生了翻天覆地的變化，城市規(guī)劃也必須進(jìn)行變革[8]。隨著智慧城市的不斷發(fā)展，城市規(guī)劃也被賦予了新的生命力，如何通過(guò)智慧化手段實(shí)現(xiàn)城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)更加合理，也是智慧城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

明珠灣城市規(guī)劃系統(tǒng)則是在明珠灣智慧城市信息平臺(tái)基礎(chǔ)上搭建的典型應(yīng)用。以“GIS+BIM”為技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，BIM模型數(shù)據(jù)精度高、對(duì)象復(fù)雜，明珠灣起步區(qū)建筑大多為高層建筑和復(fù)雜地下工程，涉及大量的BIM信息模型展示。出于性能需求考慮，GIS平臺(tái)需采用結(jié)合LOD結(jié)構(gòu)與實(shí)例化技術(shù)，解決BS端系統(tǒng)性能不足的問(wèn)題。其中LOD技術(shù)通過(guò)場(chǎng)景展示，距離展示對(duì)應(yīng)精度模型方式，降低顯卡的渲染壓力；通過(guò)實(shí)例化技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型處理，能夠極大提高顯卡的渲染效率。同時(shí)，系統(tǒng)采用“云處理+端展示”的一體化技術(shù)方案集約高效、友好安全、實(shí)用有效實(shí)現(xiàn)BIM運(yùn)維模型在Web端進(jìn)行更簡(jiǎn)單瀏覽、分享及協(xié)作。

整個(gè)系統(tǒng)以建筑方案審查為主要落腳點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了從宏觀到中觀、微觀的全方位應(yīng)用，如圖2所示。在宏觀層面，系統(tǒng)將不同的概念方案放置于宏觀場(chǎng)景，同時(shí)輔以天際線、可視域等分析功能，比較各概念方案在宏觀場(chǎng)景下的視覺(jué)效果。在中觀和微觀層面，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行KPI指標(biāo)審查，通過(guò)三維立體的交互效果直觀查看該方案的各項(xiàng)指標(biāo)情況，例如，綠化率、容積率等指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，并可將審查結(jié)果實(shí)時(shí)上報(bào)，實(shí)現(xiàn)城市的管理者與設(shè)計(jì)者高效互動(dòng)。

圖2 宏觀、中觀、微觀多層次輔助決策

明珠灣城市規(guī)劃系統(tǒng)從宏觀、中觀、微觀層面為明珠灣管理局提供規(guī)劃設(shè)計(jì)輔助支撐，為明珠灣管理局審查地塊開(kāi)發(fā)單位提交的建筑方案提供輔助決策，提高了管理部門(mén)決策的科學(xué)性和時(shí)效性。

2.2 城市運(yùn)維系統(tǒng)

明珠灣城市運(yùn)維系統(tǒng)主要提高明珠灣管理局運(yùn)營(yíng)服務(wù)工作效率，共包括8個(gè)子模塊，從基礎(chǔ)設(shè)施資源管理、服務(wù)資源管理、施工工地圍蔽、施工占道管理、無(wú)人機(jī)記錄、運(yùn)營(yíng)服務(wù)集成和綜合展示多個(gè)維度輔助城市管理工作。在占道施工方面，通過(guò)三維空間立體的交互效果，模擬各區(qū)域占道施工的場(chǎng)景及對(duì)周邊道路的影響，為管理人員審批道路施工提供輔助依據(jù)。在運(yùn)營(yíng)服務(wù)方面，通過(guò)網(wǎng)格化管理手段，將城市空間進(jìn)行無(wú)縫切分，實(shí)現(xiàn)權(quán)責(zé)到人，讓每一個(gè)網(wǎng)格管理員都能清晰掌握管理和服務(wù)的城市區(qū)片范圍，達(dá)到管理無(wú)死角的目的。同時(shí)，通過(guò)集成運(yùn)營(yíng)管理人員與車輛物聯(lián)網(wǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)管理轄區(qū)運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)人員工作狀態(tài)及工作成果的審核，為人員的績(jī)效考核提供智慧化的管理手段。

城市運(yùn)維系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)了物聯(lián)網(wǎng)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要核心技術(shù)是傳感器、FRID和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。主要在平臺(tái)數(shù)據(jù)感知層實(shí)現(xiàn)與重大工程的視頻監(jiān)控、大型設(shè)備監(jiān)控、人員監(jiān)控、勞務(wù)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控等對(duì)接。通過(guò)對(duì)明珠灣轄區(qū)內(nèi)的開(kāi)發(fā)建設(shè)、城市運(yùn)行情況以及轄區(qū)資源、服務(wù)情況的匯聚統(tǒng)計(jì)管理實(shí)現(xiàn)明珠灣運(yùn)營(yíng)服務(wù)的高效化、智慧化。

2.3 城市名片系統(tǒng)

如何做好城市宣傳，提高城市知名度，也越來(lái)越成為各大城市發(fā)展建設(shè)的重要工作之一。明珠灣管理局構(gòu)建了明珠灣城市名片系統(tǒng)，該系統(tǒng)是明珠灣對(duì)外宣傳的窗口，整個(gè)系統(tǒng)以由大到小方式通過(guò)輻射圖、地塊高亮、彈出框等多種表現(xiàn)形式介紹明珠灣起步區(qū)的背景概況、區(qū)域優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)布局、建設(shè)理念和遠(yuǎn)期規(guī)劃等內(nèi)容，讓公眾直觀、快捷地了解明珠灣區(qū)的城市背景及發(fā)展歷程，輔助管理部門(mén)做好百姓置業(yè)、產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入的工作。

該系統(tǒng)同樣基于明珠灣智慧城市信息平臺(tái)建設(shè)，城市的三維模型會(huì)隨著平臺(tái)的更新同步更新變化。整個(gè)系統(tǒng)采用了WebGL三維技術(shù)路線，用戶只需打開(kāi)瀏覽器即可直接訪問(wèn)使用，不需額外安裝任何軟件與插件。該系統(tǒng)隨著明珠灣城市建設(shè)的不斷完善，城市的業(yè)務(wù)信息也會(huì)同步更新，為人們展示一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的城市。

3 積累城市業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

明珠灣管理局通過(guò)明珠灣智慧城市信息平臺(tái)建設(shè)，完成了智慧城市基礎(chǔ)框架的搭建，構(gòu)建了明珠灣數(shù)字孿生城市，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成與共享，打破了數(shù)據(jù)孤島，為未來(lái)明珠灣智慧城市建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基底，同時(shí)也為明珠灣積累了寶貴的城市數(shù)據(jù)資產(chǎn)。3個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)實(shí)現(xiàn)了明珠灣城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)化，城市服務(wù)和運(yùn)營(yíng)的精細(xì)化以及城市宣傳的可視化，基于明珠灣數(shù)字孿生城市實(shí)現(xiàn)了對(duì)明珠灣規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理、運(yùn)營(yíng)服務(wù)、招商宣傳的全流程一體化閉環(huán)管理。同時(shí)，通過(guò)不斷積累城市業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，不斷壯大時(shí)空大數(shù)據(jù)中心，為明珠灣智慧城市信息平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析與挖掘提供了有力支撐。明珠灣智慧城市信息平臺(tái)也被中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用工作委員會(huì)評(píng)為2021年數(shù)字孿生城市潛力案例。

4 未來(lái)展望

未來(lái)，明珠灣管理局將擴(kuò)大數(shù)字孿生城市建設(shè)規(guī)模，挖掘數(shù)字資產(chǎn)價(jià)值，深化業(yè)務(wù)應(yīng)用，從規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)、夯實(shí)平臺(tái)、創(chuàng)新功能和推廣應(yīng)用等方面不斷設(shè)定新目標(biāo)，建設(shè)更加智慧的“明珠未來(lái)”，助力明珠灣成為粵港澳大灣區(qū)的數(shù)字孿生智慧城市建設(shè)運(yùn)營(yíng)引領(lǐng)者。