物聯網大數據賦能數字孿生城市建設技術

摘要：隨著當今網絡信息技術的不斷發展，數字孿生城市的建設技術開始備受關注。尤其是在物聯網大數據的賦能作用下，數字孿生城市更是得到了良好的建設、應用與發展。為實現數字孿生城市的良好建設，文章分析了物聯網大數據賦能下的數字孿生城市建設技術，包括物聯網大數據模塊能力架構與數字孿生城市介紹，以及基于物聯網大數據賦能的數字孿生城市建設主要技術應用，希望為物聯網大數據技術的良好應用與數字孿生城市的建設提供科學參考。

關鍵詞：物聯網；大數據賦能；數字孿生城市；建設技術

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.026

中圖分類號：TN 92，TP 391.44" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-00-03

Internet of Things Big Data Enabling Digital Twin City Construction Technology

XIE Yanzhang， YU Puxing

（Wuhan Fenghuo Information Integration Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China）

Abstract： With the continuous development of today's network information technology， the construction technology of the digital twin city has attracted much attention. Especially under the enabling role of the big data of the Internet of Things， the digital twin cities have been well constructed， applied and developed. In order to realize the good construction of digital twin cities， this paper analyzes the construction technology of digital twin cities under the Internet of Things big data enabling， including the capability architecture of the Internet of Things big data module and the introduction of digital twin cities， as well as the application analysis of the main technologies for the construction of digital twin cities based on the Internet of Things big data enabling. It is hoped that this analysis can provide scientific reference for the good application of Internet of Things big data technology and the construction of digital twin cities.

Key words： IoT; big data enabling; digital twin city; construction technology

所謂數字孿生城市，就是借助運作歷史、傳感器和物理模型等來實現多概率、多尺度、多物理量和多學科的虛擬空間集成，反映真實空間里的實體設備生命周期。在數字孿生城市的建設中，物聯網大數據賦能發揮著至關重要的作用。因此，在具體建設中一定要對物聯網大數據賦能足夠重視，然后通過合理的技術形式來進行數字孿生城市的科學建設。

1" 物聯網大數據模塊能力架構與數字孿生城市結構介紹

1.1 物聯網大數據模塊能力架構

在物聯網大數據模塊中，其能力架構主要包括數據采集層、數據計算調度與交換層、數據資產儲存層和數據服務應用層。物聯網大數據模塊能力架構主要組成及其功能如表1所示。

1.2 數字孿生城市結構

在數字孿生城市的建設中，一項核心內容就是構建一個與物理城市高度相似的數字城市空間，通過用孿生體中的數據資源來替代物理城市中的物理資源，讓城市中的各類應用信息得以有效實現。在數字孿生城市的主要組成部分有三個：一是數據，二是模型，三是服務[1]。其中，數據主要按照基礎數據、業務數據、行業數據進行劃分；模型主要按照三維城市模型、共性算法模型和行業算法模型進行劃分；服務主要按照城市治理服務、民生服務和產業發展服務進行劃分。圖1為數字孿生城市的總體結構示意圖。

2" 物聯網大數據賦能基礎上的數字孿生城市建設主要技術應用分析

在以物聯網大數據賦能為基礎的數字孿生城市建設中，主要應用的技術包括3S空間信息技術、三維建模技術、物聯網感知技術、人工智能和深度學習技術等。以下對這幾種主要技術在數字孿生城市建設中的具體應用進行分析。

2.1 3S空間信息技術的應用

在數字孿生城市的具體建設中，城市內部信息化是一項重要內容，而3S空間信息技術則是十分有效的城市信息化手段。3S空間信息技術是GNSS技術、GIS技術和RS技術的總稱。因為數字孿生城市的建設需要以物理城市中的信息基礎設施作為支撐，所以通過應用3S空間信息技術以及計算機技術，可將“經濟”“社會”“自然”等城市信息以可視化的形式載入計算機系統，并通過合理的技術措施來進行數字孿生城市的建設、規劃與管理[2]。

對于當今的數字孿生城市建設而言，3S空間信息技術已經成為必不可少的技術形式。在具體應用中，借助GNSS技術，可對城市實景以及社會軌跡等數據進行科學采集；借助GIS技術，可對采集到的數據進行分析與整合；借助RS技術，可實現遙感數據的科學采集。通過這樣的方式，不僅可實現地球表層生態、自然等要素的信息化處理，同時也可以對城市中的經濟和人文等各方面信息進行敏銳感知。

2.2 三維建模技術的應用

由于二維平面并不能滿足數字孿生城市的智慧化建設需求，因此在具體建設中，還需要合理應用今先進的三維建模技術。與傳統的二維GIS技術相比，三維GIS技術最突出的一個可視化特征就是真實感更強。之所以會達到這樣的效果，首先是因為其模型更加逼真，其次是因為其人機交互體驗更加高效。同時，在對三維實景模型進行構建的過程中，通過合理應用影像與模型相結合的方式，讓更加豐富且精細的城市實景信息體現在計算機中，為目標實景的可視化查詢和數字孿生城市的智能規劃提供足夠的便利。借助新一代傾斜攝影技術、激光雷達技術以及無人機航測技術等，可實現數字孿生城市建設中各種所需影像的精確獲取。

對于數字孿生城市的建設而言，三維GIS中的BIM（三維建筑信息模型）技術是一項最為關鍵的技術形式，該技術中涵蓋了豐富的智能建筑信息數據儲存庫，可通過面向對象的形式來實現各個建筑特征、行為與關系的描述。其主要的特征有5個：可出圖性、優化性、模擬性、協調性、可視化。憑借著這些特點，該技術在數字孿生城市的裝飾、電力、市政、水利及交通等各個方面的建設中都非常適用。該技術的合理應用，不僅可實現數字孿生城市整個生命周期內的所有信息管理，而且可為其可持續發展提供重要支撐[3]。

在數字孿生城市的建設中，不是只需要對城市中的建筑進行建設，而是需要將建筑、地理信息及基礎設施進行模型化的疊加，從而實現城市全要素信息模型（CIM）的科學構建。在這個信息模型中，不僅有城市地上的建筑和基礎設施，也有地表的資源、能源和交通等信息，以及地下的管廊等信息。通過這個模型，可進行所有信息的語義定義，并進行二維數據、三維數據、BIM數據等的高效管理、發布以及可視化分析。相對于BIM的概念而言，CIM是將單個的作用對象或項目群擴大，使其成為整個一座城市，并通過數字化的形式來表達城市中的時間、空間信息及其各種要素。在通過CIM技術進行數字孿生城市的建設中，最重要的一項內容是構建一個評估、管理、計算與設計等一體化的數字平臺，對城市中各種信息數據進行融合是該平臺建設的重點與難點。在此過程中，BIM和GIS的有機結合，將會為該數字平臺的構建提供足夠的技術支撐。基于此，在目前的數字孿生城市建設中，通過BIM和GIS的集成來實現CIM建立已經成為一個重要的發展趨勢。作為數字孿生城市與智慧城市建設過程中的一個重要模型基礎，在CIM的具體構建中，需要完成整個城市生命周期內的所有要素迭代，以此來為數字孿生城市的科學建設及其發展提供支撐。圖2為CIM平臺示意圖。

2.3 物聯網感知技術的應用

所謂物聯網，就是借助于激光掃描器、全球定位系統、紅外感應器、射頻識別等多種信息傳感技術與設備，以約定好的協議作為依據來實現互聯網與各種物品之間的連接，并達到良好的通信與信息交換效果，從而實現智能化的定位、識別、監控、跟蹤與管理的一種網絡形式。在具體應用中，物聯網可借助互聯網的方式來實現真實世界中所有物體信息的訪問和獲取，逐漸成為了一種主要的城市信息感知技術手段。在城市的運作過程中，醫療、商業、市政、環保、交通、電網、制造、物流等是最為基本的要素，而物聯網借助各種信息傳感系統和設備來實現人與人、人與物、物與物之間的有效連接，從而形成一個城市信息智能化網絡[4]。

在通過物聯網感知技術進行數字孿生城市的建設中，一項重要的任務是全域空間布局方案的合理制定。在此過程中，需要以數字孿生城市的實際應用場景為依據，結合實際的信息采集方式與應用需求，構建一個三維立體、動靜結合、全域覆蓋的智慧化感知體系。就空間維度而言，可按照地上、地下、空中以及水域來進行數字孿生城市物聯網感知體系的布局。一是地上。在布局中，需要將智能井蓋、智能垃圾桶、多功能桿柱等綜合感知載體布設在道路中，將消防、安防、電力、熱力、煤氣、水務等智能終端布設在建筑中，將土壤、輻射、噪聲、空氣、溫濕度等環境監測設施布設在城市全域。二是地下。在布設中，需要將地下防空、地下交通、綜合管廊等布設在地下空間內，做好地下通信、電力、熱力、燃氣和水務等各種感知設備的部署。三是空中。在布局中，可將浮空平臺或低空無人機等作為載體，搭載攝像頭、傳感器等各種任務荷載設備，從而實現復雜、特殊環境以及重點區域的定期巡檢、增強補充以及應急保障。四是水域，在布局中，需要將水底觀測網布設在水下，將無人監測船、錨泊站等布設在水面，從而實現水文、環境及水生態等的科學監測。

另外，出于數字孿生城市自身映射關系的考慮，在具體建設中，需要做好所有城市實體的數字化標識，這樣便可讓物聯網感知終端設備的全局身份標識具有唯一性，將其用作數字孿生城市中的唯一索引，為實時數據采集、反饋以及遠程終端操控等提供足夠的便利。基于此，對于海量物聯網設備，一定要建立一個統一的編碼標識，以此來實現物聯網標識體系的良好規范。在此過程中，可對國際移動用戶識別碼（IMSI）在物聯網領域中的延續進行探索，對非蜂窩網絡接入設備的城市級異構兼容物聯網標識解析體系進行研究，從而實現唯一編碼的設置。

3" 結束語

綜上所述，在物聯網大數據賦能條件下的數字孿生城市建設中，相關單位、研究者與技術人員首先應充分了解物聯網大數據模塊能力架構以及數字孿生城市結構，然后以數字孿生城市的實際建設需求為依據，采取合理的技術措施來進行建設，包括3S空間信息技術、三維建模技術、物聯網感知技術、人工智能技術等。只有通過這樣的方式，才能完成數字孿生城市的科學構建，從而為城市的智慧化、智能化發展提供足夠的技術支撐。■

參考文獻

[1] 高鑫磊，楊立功，羅向平．數字孿生城市的建設發展[J]．智能建筑與智慧城市，2022（7）：76-78.

[2] 賀彪，郭仁忠，張琛，等．面向數字孿生城市的自然場景構造方法[J]．測繪通報，2022（7）：87-92.

[3] 李兆才，吳冬梅，高晶，等．數字孿生城市與BIM數字化交付[J]．城市開發，2022（6）：118-119.

[4] 曾大明，張善翔，曾君．5G 700MHz網絡在數字孿生城市中應用研究[J]．通信與信息技術，2022（3）：81-82.