南京北站樞紐經濟區數字孿生平臺建設研究與探討

高冠軍，趙彥濤 ,余清鵬

（1.南京江北新區樞紐經濟發展管理辦公室，江蘇 南京 210000；2.南京江北新區樞紐經濟發展有限公司，江蘇 南京 210043）

1 概述

數字孿生技術作為新型智慧城市建設的創新引領性技術，在推動智慧城市建設方面的作用已越來越受到重視，數字孿生城市[1]，是“數字孿生技術”在城市空間中的應用。國家“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要中，明確提出了要“探索建設數字孿生城市”，為數字孿生城市建設提供了國家戰略指引。

中國數字孿生城市興起于2017 年，由中國信通院在基于智慧城市研究基礎上提出；2018 年，河北雄安新區發布《河北雄安新區規劃綱要》，提出設立與現實城市同步規劃建設、具有深度學習能力的數字城市，成為中國首個將數字孿生理念應用于城市建設的規劃項目[2]；2019 年，“數字孿生城市”熱度不斷上升，隨著多家互聯網、通信巨頭陸續加入構建數字孿生生態，提出數字孿生城市架構；2020—2023 年，包含北京市、上海市、廣州市、海南省、浙江省等全國有16 個省市明確提出數字孿生城市建設相關政策或行動方案，中國數字孿生城市建設正式進入建設期[3-5]。本文以南京北站樞紐經濟區數字孿生平臺項目為背景，開展數字孿生平臺建設的應用研究，探討相應的建設方案。

北站樞紐經濟區數字孿生平臺于2020 年正式啟動建設，通過建立北站樞紐經濟區三維城市空間模型和城市動態信息的有機綜合體，為片區各類智慧城市應用的數據交換共享提供統一時空基底，助力南京北站樞紐經濟區城市規劃、建設、管理全生命周期智能化、全過程精細化管理，提升片區治理水平與服務能力。

圖1 數字孿生平臺示意圖

2 數字孿生平臺技術路徑

2.1 平臺綜述

北站樞紐經濟區數字孿生平臺能夠為片區內及周邊自然資源、規劃、建設、經濟、民生等各類數據的匯聚提供能力，高效展現大場景數字孿生城市模型，復原城市細節，并能夠通過數字孿生可視化進行大場景動態實時渲染，在數據可視化和場景可視化基礎上，實現樞紐經濟區規劃、建設的可視化和精細化管理，對城市運行監測、運營管理、應急調度等一體化管理與服務的綜合支撐。

2.2 平臺架構

基于大數據和建筑信息模型的新型智慧城市理論，依托南京市與數字化相關的制度、法律、法規、政策，并以南京江北新區政務外網鯤鵬云底座為基礎，以物聯網數據（loT)、地理信息數據（GIS)、建筑信息模型（BIM）等數據為支撐，運用基于互聯網的云計算技術，將任何物理上、邏輯上與地理位置有關的數據進行科學有機地組織，形成三維可視化的具有信息查詢、管理監控、決策支持等多種功能的真實數字還原南京北站樞紐片區。

本平臺遵循集約建設的原則；充分利用已建設施，采用四層架構，分為基礎設施層、數據層、平臺層、應用層及相關管理系統、標準規范、保障體系，總體架構見下圖：

圖2 總體建設架構圖

（1）基礎設施層。基礎設施層包括立體感知體系、網絡連接層、中心機房及邊緣計算相關軟硬件等內容，其為各個系統提供信息傳輸通道、安全基礎設施、運行環境（包括網絡環境）等，同時可根據前端業務需求按需自動擴容，實現故障轉移、運維自動監控等。其中網絡連接層主要是政務外網、運營線VPN 網、無線網（2G/3G/GPRS/NB-IoT）等，用于感知數據傳輸，業務應用網絡，視頻數據傳輸等。平臺層主要是區政務云，其為本系統提供所有存儲資源、計算資源以及網絡安全資源等。

（2）數據層。數據層包括鯤鵬數字底座、時空大數據、數據湖及基礎大數據子平臺等內容，主要提供數據接入、存儲、管理、應用分析和共享等能力，通過對平臺層各類應用庫數據標準化清洗過濾以及大數據分析技術，構建以基礎數據庫、監測數據庫、專題庫以及時空大數據分析為主的數字孿生數據中心。支持與氣象、國土、交通、公安等部門的數據交換共享。其中時空大數據主要面向地圖標記、二維矢量、傾斜攝影、BIM 數據及基礎設施層泵入的IoT 數據等。

（3）平臺層。平臺層屬于CIM 數字孿生中樞的建設核心，為應用層提供底層時空、業務數據的匯聚、管理、分發服務，其中包括基礎功能組件、CIM 輕量化引擎、可視化與仿真組件、部件數據化子平臺、數據分析子平臺、應用集成智能子平臺、智能連接子平臺等。利用城市骨架數據（CIM）、感知數據、視頻監控聯網數據，結合鯤鵬數字底座的強大云計算能力、大數據分析能力、人工智能能力，實現對新區城市規劃建設、運行監測、運營管理、應急調度等一體化管理與服務的綜合支撐。

圖3 微服務架構圖

（4）應用層。提供用戶交互截面，通過平臺層支撐，涵蓋了數字規劃、虛擬仿真兩大場景12 項功能，提供城市建設、運行指揮可視化展示集成框架，根據用戶的場景需求，動態可擴展支撐可視化的多屏開發。

（5）運維管理體系。為確保平臺應用的協調性和連續性，數字孿生平臺構建以信息安全保障和系統運行保障為基礎的規范化運維服務保障體系，建立運維管理機制，明確以事件管理、問題管理、變更管理和配置管理等環節為基礎的運維服務流程。

（6）標準規范體系。標準規范是保障系統的各個組成部分能夠協調一致的工作，是保障各類信息互聯互通，是保障項目建設過程和運維管理的規范、有序、高效的重要基礎。通過充分利用已有國標和行標、參考國際上的先進標準、建設必要的標準規范，形成CIM 相關標準規范體系。

3 數字孿生平臺關鍵技術研究

3.1 數字孿生底板搭建

數字孿生平臺采用以BIM ＋GIS 為核心的城市級三維模型創建整合與深化應用的總體方案，解決片區內的多源異構、多專業協同應用等重難點問題。根據外業航飛及地質、規劃及工程資料進行，實景、地質、規劃三大模型創建整合及工程三維模型整合等技術手段，先在主流BIM 軟件平臺對模型進行整合，再發布至主流GIS 平臺生成三維電子沙盤。基于電子沙盤開展城市級模型應用，并最終將城市電子沙盤發布至同步開發的數字孿生平臺，為北站的規劃、建設提供可靠的數據資產。

3.2 空間數據融合技術

空間和地理信息技術已發展多年，涉及空間和GIS相關的數據標準、格式和應用軟件多種多樣，在進行數字孿生平臺建設的過程中，不可避免地要對各種空間數據以及需要和空間關聯上的所有數據進行再組織、再關聯，空間數據融合技術就此出現。

（1）空間主數據：指進行空間數據組織和關聯時的統一標識技術系列，如地理編碼、BIM 編碼技術等，以及依此衍生的坐標轉換技術、空間地址匹配技術等。

（2）空間數據格式轉換：多種三維模型文件格式、GIS 文件格式、傾斜攝影格式等進行轉換，放入統一的數據格式下進行再組織的技術，支持的文件格式包括：ifc、rvt、dgn、catia、fbx、osgb、osg、ive、obj、3ds、x、ply、dwg、ac、dae、gltf、lwo、lxo、scn、mdl、md3、md5、smd、m3、3d、q3d、ms3d 等。

（3）BIM+GIS 數據融合：基于GIS 的地理坐標系將三維BIM 模型按空間屬性和業務屬性進行多數據集地再組織過程。

（4）IoT 空間數據融合：基于BIM 模型坐標體系將IoT 物聯設備進行空間關聯和數據關聯，以實現基于空間的傳感數據的調取和可視化應用；同時，在大尺度空間體系下，需要將IoT 物聯點位和BIM 坐標與地理坐標系進行融合關聯。

圖4 片區多源數據匯聚效果

3.3 基于WebGL 的三維可視化技術

WebGL（Web Graphics Library）是一種3D 繪圖協議，能夠在網頁上實現三維圖形圖像渲染的技術，使得瀏覽器擺脫了需要插件的麻煩，通過網頁渲染直接調用顯卡GPU 來實現，大大加快了網頁顯示的速度。

WebGL 技術使得三維地圖可在瀏覽器端以網頁形式訪問和呈現。三維地圖應用系統可以B/S 的方式建設，用戶能夠以更加便捷的方式使用系統，對于三維地圖在各行各業的應用有著巨大的推進作用。

3.4 空間計算技術

數據分析系統用于為城市數字空間可視化平臺提供基于空間大數據的計算分析能力。其數據來源于數據接入系統與數據融合系統。采用成熟先進的分布式大數據計算處理框架構建，提供基于空間的分析算法，支持多種數據源格式輸入。空間分析技術系統為用戶構建深度查詢、通用空間分析、專題空間分析模擬、視頻空間分析四大類常見的空間分析工具，幫助用戶從空間、時間、屬性等多個維度了解和認知時空大數據，為不同顆粒度的數據提供強大深入的分析性能，挖掘更多信息的價值。

4 結語

目前南京北站樞紐經濟區建設正穩步推進，片區內的相關規劃以及站房方案也逐漸優化穩定，作為北站樞紐經濟區智慧城市大腦的——南京北站樞紐經濟區數字孿生平臺也實質性應用于片區建設實際工作，助力片區規劃設計：

（1）平臺匯聚片區內各項多源異構數據：現狀傾斜攝影數據、片區行政規劃、片區用地規劃、片區市政交通規劃、POI 數據以及兩版站房方案過程稿等多源異構數據；

（2）同時結合平臺定制開發的測量標繪、分屏對比、空間分析、剖切查看等專業工具；

（3）基于數字底板及定制開發的各類分析工具，線上即可進行項目方案分析，減少項目間碰撞，提高溝通效率。通過數字孿生技術的應用，提高南京北站樞紐經濟區智慧城市建設的數字化建設水平。