數(shù)字孿生城市的智能中樞

三橫兩縱總體架構(gòu)

數(shù)字孿生城市是面向新型智慧城市的一套復(fù)雜技術(shù)和應(yīng)用體系，多門類技術(shù)的集成、多源數(shù)據(jù)的整合和各類平臺功能的打通是數(shù)字孿生城市成功的關(guān)鍵要素。

因此，數(shù)字孿生城市并沒有脫離智慧城市的總體架構(gòu)布局，由新型基礎(chǔ)設(shè)施、智能運(yùn)行中樞、智慧應(yīng)用體系三大橫向?qū)樱约俺鞘邪踩谰€和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范兩大縱向?qū)訕?gòu)成。

區(qū)別在于延展與增強(qiáng)。技術(shù)體系內(nèi)涵延展，新增強(qiáng)化了新型測繪、標(biāo)識感知、三維建模、仿真模擬等技術(shù)應(yīng)用，核心平臺能力增強(qiáng)，強(qiáng)化了全要素數(shù)字表達(dá)、大數(shù)據(jù)模型驅(qū)動與反向智能控制，應(yīng)用體系更強(qiáng)調(diào)集約一體，突出跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、全域視角的超級應(yīng)用地位。

城市新型基礎(chǔ)設(shè)施包括全域感知設(shè)施(包括泛智能化的市政設(shè)施和城市部件)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施和智能計算設(shè)施。與傳統(tǒng)智慧城市不同的是，數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)設(shè)施還包括激光掃描、航空攝影、移動測繪等新型測繪設(shè)施，旨在采集和更新城市地理信息和實(shí)景三維數(shù)據(jù)，確保兩個世界的實(shí)時鏡像和同步運(yùn)行。

智能運(yùn)行中樞是數(shù)字孿生城市的能力中臺，也是城市大腦，由五個核心平臺承載，一是泛在感知與智能設(shè)施管理平臺，對城市感知體系和智能化設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一接入、設(shè)備管理和反向操控；二是城市大數(shù)據(jù)平臺，匯聚全域全量政務(wù)和社會數(shù)據(jù)，與城市信息模型平臺整合，展現(xiàn)城市全貌和運(yùn)行狀態(tài)，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動治理模式的強(qiáng)大基礎(chǔ)。三是城市信息模型平臺，與城市大數(shù)據(jù)平臺融合，成為城市的數(shù)字底座，是數(shù)字孿生城市精準(zhǔn)映射虛實(shí)互動的核心。四是共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺，匯聚人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AR/VR 等新技術(shù)基礎(chǔ)服務(wù)能力，以及數(shù)字孿生城市特有的場景服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、仿真服務(wù)等能力，為上層應(yīng)用提供技術(shù)賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務(wù)支撐。五是泛在網(wǎng)絡(luò)與計算資源調(diào)度平臺，主要是基于未來軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、云邊協(xié)同計算等技術(shù)，滿足數(shù)字孿生城市高效調(diào)度使用云網(wǎng)資源。

圖1 數(shù)字孿生城市總體架構(gòu)

圖2 數(shù)字孿生城市核心平臺與傳統(tǒng)智慧城市平臺關(guān)系

智慧應(yīng)用體系不僅包括基于數(shù)字孿生內(nèi)核的各行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，如城管、應(yīng)急、醫(yī)療等，更包括凸顯數(shù)字孿生“一盤棋”管理特征的超級應(yīng)用，如城市畫像、人口畫像、虛擬服務(wù)、決策仿真等。

隨著城市數(shù)據(jù)的不斷匯聚累積，各類新技術(shù)交叉集成創(chuàng)新賦能，以及共性應(yīng)用支撐能力加大封裝力度，數(shù)字孿生城市的智能中樞作為連接底層終端設(shè)施、驅(qū)動上層行業(yè)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)智慧城市重大平臺的建設(shè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成泛在感知與智能設(shè)施管理平臺、城市大數(shù)據(jù)平臺、城市信息模型平臺、共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺等核心平臺。

泛在感知與智能設(shè)施管理平臺

泛在感知與智能設(shè)施管理平臺，是終端設(shè)備與智能應(yīng)用之間的紐帶。是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)性支撐平臺，以全域物聯(lián)感知和智能化設(shè)施接入為基礎(chǔ)，以統(tǒng)籌建設(shè)運(yùn)維服務(wù)為核心，以開放共享業(yè)務(wù)賦能為理念，服務(wù)于設(shè)備開發(fā)者、應(yīng)用開發(fā)者、業(yè)務(wù)管理者、運(yùn)維服務(wù)者等各參與者，向下接入設(shè)備，兼容適配各類協(xié)議接口，提供感知數(shù)據(jù)的接入和匯聚，支持多級分布式部署，推進(jìn)信息基礎(chǔ)設(shè)施集約化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)籌管理和協(xié)同聯(lián)動；向上開放共享數(shù)據(jù)，為各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用賦能，支撐物聯(lián)數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用的培育。物聯(lián)感知平臺是數(shù)字孿生城市與真實(shí)世界的連接入口，泛在感知粒度決定數(shù)字孿生城市的精細(xì)化程度。

城市大數(shù)據(jù)平臺

數(shù)字孿生城市的數(shù)據(jù)資源體系具備三個特征：一是從政務(wù)信息資源到城市大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)更加多元多源，從政府業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)從封閉自用的政務(wù)信息資源到多方共建共享共用的城市大數(shù)據(jù)的跨越。二是與物理世界動態(tài)連續(xù)映射。所有主體數(shù)據(jù)都將疊加時空信息，每個物理實(shí)體任何時間、任何地點(diǎn)的狀態(tài)，均可以映射到數(shù)字孿生世界，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在時空上的連續(xù)精準(zhǔn)映射。三是從封閉割裂到有機(jī)整體的跨越。以往每一條獨(dú)立的空間地理數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)如今均可關(guān)聯(lián)到實(shí)體上，形成該實(shí)體的全量屬性數(shù)據(jù)，并以實(shí)體為基礎(chǔ)形成城市知識圖譜。

圖3 泛在感知與智能設(shè)施管理平臺功能架構(gòu)

圖4 城市大數(shù)據(jù)平臺的功能架構(gòu)

數(shù)字孿生城市以城市信息模型為底座，以物理實(shí)體映射的一個個數(shù)字孿生體為對象，將城市大數(shù)據(jù)作為對象的屬性進(jìn)行疊加。與傳統(tǒng)智慧城市相比，數(shù)字孿生城市不僅包括傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)、新型測繪數(shù)據(jù)等常規(guī)GIS 數(shù)據(jù)類型，也包括基于傾斜攝影、BIM、激光點(diǎn)云的三維模型數(shù)據(jù)，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的地理位置數(shù)據(jù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時感知數(shù)據(jù)等，以及非結(jié)構(gòu)化的視頻、圖片、文檔等。城市大數(shù)據(jù)平臺以城市BIM 數(shù)據(jù)為骨架，整合城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等數(shù)據(jù)，同時不斷融入物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證城市數(shù)據(jù)的實(shí)時性，展示城市真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。除此之外，通過對接已建政務(wù)系統(tǒng)、行業(yè)系統(tǒng)的政務(wù)數(shù)據(jù)和行業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市數(shù)據(jù)的協(xié)同共享。

城市信息模型的數(shù)據(jù)組織應(yīng)基于開放共享的城市信息模型和三維傳輸交換標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建。城市信息模型可參照國際標(biāo)準(zhǔn)組織OGC 框架下的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。CityGML 核心模塊定義了CityGML 數(shù)據(jù)模型的基本概念和組件。基于CityGML 核心模塊，每個模塊包含一個邏輯上獨(dú)立的主題組成的CityGML 數(shù)據(jù)模型。具有十三個專題擴(kuò)展模塊包括外觀、橋、建筑、城市部件、城市目標(biāo)組類、泛型、土地利用、救援物資、交通、隧道、植被、水體以及紋理面。CityGML 數(shù)據(jù)模型的主題分解可以實(shí)現(xiàn)支持任何組合的擴(kuò)展模塊與核心模塊。擴(kuò)展模塊可以根據(jù)應(yīng)用程序或應(yīng)用領(lǐng)域的信息需求任意組合。城市三維信息的傳輸和交換，國際上最常用的有開源的3D Tiles 格式，國內(nèi)可采用中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會審查批準(zhǔn)的《空間三維模型數(shù)據(jù)格式》 (T/CAGIS 1—2019)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，這些格式適用于海量、多源異構(gòu)三維地理空間數(shù)據(jù)和Web 環(huán)境下的傳輸與解析，為多源空間數(shù)據(jù)在不同終端(移動設(shè)備、瀏覽器、桌面電腦)地理信息平臺中的存儲、高效繪制、共享與互操作等問題提供了解決方案。

城市信息模型平臺

實(shí)時映射的城市信息模型平臺是數(shù)字孿生城市建設(shè)的核心，是刻畫城市細(xì)節(jié)、呈現(xiàn)城市趨勢、推演未來趨勢的綜合信息載體。城市信息模型平臺是指具有城市語義信息的三維模型，是語義建模的數(shù)據(jù)成果，其核心功能主要由模型數(shù)據(jù)源采集、模型平臺構(gòu)建、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染三大部分組成。

多源模型數(shù)據(jù)采集是模型平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)。目前廣泛應(yīng)用于建筑物、構(gòu)筑物、道路、地下管線、地質(zhì)、水體和地表高程屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的采集方法有傳統(tǒng)三維建模軟件、三維激光掃描、航空攝影測量、移動測繪系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)類型主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、BIM/CAD建筑模型數(shù)據(jù)、城市街景數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)的三維數(shù)據(jù)。

模型平臺是數(shù)字孿生城市運(yùn)行“骨架”（信息載體）。主要是基于城市GIS 地圖，利用影像多視匹配技術(shù)、點(diǎn)云構(gòu)TIN 技術(shù)、紋理映射技術(shù)、三維模型存儲優(yōu)化技術(shù)等建模技術(shù)，按照地形層、道路層、建筑層、綠化層、水域?qū)拥软樞蛑饘訌某鞘写髷?shù)據(jù)平臺加載數(shù)據(jù)組建而成，并對建筑物、橋梁、停車場、綠地等城市部件進(jìn)行單體化處理。在模型單體化的基礎(chǔ)上，利用語義化技術(shù)，可以形成一個量化并可索引的城市單體信息模型（類似于傳統(tǒng)的BIM），同步可以接入人口、房屋、公司法人、安防設(shè)施、公安警務(wù)數(shù)據(jù)、住戶水電燃?xì)庑畔ⅰ⒔煌ㄐ畔ⅰ⒐册t(yī)療等諸多城市公共系統(tǒng)的信息資源。

圖5 城市信息模型平臺的三層架構(gòu)

實(shí)時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染是模型賦能業(yè)務(wù)應(yīng)用的核心基礎(chǔ)。第一方面是物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)實(shí)時在模型平臺上快速加載、融合和實(shí)時呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化，如實(shí)時視頻圖像、空氣污染指數(shù)、交通流量、行人軌跡等；第二方面是根據(jù)城市地理信息數(shù)據(jù)源、模型精度、業(yè)務(wù)場景需求，不同精度標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場景，如城市管理應(yīng)用場景可以按百米級或十米級呈現(xiàn)，交通、應(yīng)急等特殊場景的模擬仿真和AI 訓(xùn)練可以按照米級或厘米級呈現(xiàn)；第三方面是對數(shù)據(jù)模擬和真實(shí)場景效果渲染，比如通過圖形學(xué)技術(shù)，對光源、聚光燈、天光等多種光源類型的實(shí)時模擬；根據(jù)天氣動態(tài)數(shù)據(jù)如云層高度、風(fēng)向、邊緣噪波尺寸等，對陰、晴、雨、雪等多種真實(shí)天氣的模擬；運(yùn)用動態(tài)光追蹤距離場陰影技術(shù)，實(shí)時計算陰影狀態(tài)，最終模擬還原物理世界的運(yùn)行情況。

圖6 共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺功能架構(gòu)

模型平臺全面激活數(shù)據(jù)資源價值，助力模擬仿真城市運(yùn)行狀態(tài)。城市信息模型平臺源于智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺，是時空大數(shù)據(jù)平臺的演進(jìn)和再發(fā)展。在數(shù)據(jù)集成范疇，模型平臺集成了與城市經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)行的各類數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，不僅僅局限于城市靜態(tài)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)；在城市運(yùn)行模擬上，模型平臺運(yùn)用模擬仿真、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，仿真推演城市發(fā)展態(tài)勢；在實(shí)時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上，模型平臺集成了智能終端運(yùn)行數(shù)據(jù)，可視化展示城市運(yùn)行狀態(tài)，可動態(tài)預(yù)警城市問題；在支撐政府決策上，模型平臺可快速模擬管理者決策效果，支撐城市管理者制定全局最優(yōu)化決策方案。

共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺

共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺是城市關(guān)鍵共性技術(shù)、應(yīng)用開發(fā)組件和城市模型服務(wù)組件的模塊化封裝集成平臺，是整個數(shù)字孿生城市的“決策大腦”。

從核心功能來看，平臺為上層的數(shù)字孿生應(yīng)用提供底層技術(shù)支撐、元數(shù)據(jù)集、城市元部件模型等資源，實(shí)行自定義分析與調(diào)用、靈活配置和高效開發(fā)利用。功能架構(gòu)包括三大類：第一類是核心使能共性技術(shù)，包括大數(shù)據(jù)、人工智能（深度學(xué)習(xí)）、區(qū)塊鏈技術(shù)等；第二類是面向應(yīng)用場景的信息模型服務(wù)，包括城市場景服務(wù)、數(shù)據(jù)更新和追蹤服務(wù)、事件模擬仿真推演服務(wù)、自定義渲染服務(wù)；第三類是基于底層數(shù)據(jù)的共性應(yīng)用服務(wù)能力，包括信用服務(wù)、身份認(rèn)證、電子證照、非稅支付等。

圖7 百度智能云+應(yīng)用支撐賦能平臺架構(gòu)

與智慧城市賦能平臺相比，數(shù)字孿生城市的信息模型賦能服務(wù)體現(xiàn)出四大優(yōu)勢。一是場景服務(wù)，提供建筑物、城市部件等基礎(chǔ)設(shè)施的空間地理信息服務(wù)。二是數(shù)據(jù)服務(wù)，可獲取移動物體的實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)及更新服務(wù)，以及提供位置追溯、軌跡跟蹤等歷史數(shù)據(jù)管理服務(wù)。三是仿真服務(wù)，提供事件、場景、決策預(yù)案的過程模擬服務(wù)，模擬發(fā)展變化過程，實(shí)現(xiàn)事件、場景、決策預(yù)案數(shù)字孿生。四是渲染服務(wù)，根據(jù)城市地理信息數(shù)據(jù)源、模型精度和制作預(yù)算，按照不同精度要求實(shí)施渲染效果。

業(yè)界企業(yè)依托自身優(yōu)勢，探索多樣化的共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺構(gòu)建模式。由于應(yīng)用需求分散和企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢不同，業(yè)界獨(dú)立開發(fā)三大要素齊全的共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺的實(shí)踐較少，多數(shù)共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺采取與底層大數(shù)據(jù)平臺、數(shù)字孿生模型平臺等核心平臺一體化建設(shè)。如泰瑞數(shù)創(chuàng)SmartEarth 數(shù)字孿生底座系統(tǒng)集成了時空信息云、語義平臺、城市模擬仿真計算平臺等模塊；51CityOS 城市可視化平臺整合了城市感知數(shù)據(jù)體系、大數(shù)據(jù)分析平臺、CIM 以及部分上層業(yè)務(wù)應(yīng)用；阿里、百度智慧城市大腦則綜合集成了城市大數(shù)據(jù)資源體系、大數(shù)據(jù)分析平臺、上層大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和交通、安防等特定領(lǐng)域信息模型。

總體上看，共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺的底層核心技術(shù)使能實(shí)力較強(qiáng)，但面向城市部件、事件、業(yè)務(wù)流等實(shí)時要素的模型服務(wù)仍是最大短板。如目前各大主流互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)模型服務(wù)重點(diǎn)聚焦少數(shù)行業(yè)領(lǐng)域，例如對交通服務(wù)涉及的車輛特征識別、行為軌跡分析等應(yīng)用模型服務(wù)發(fā)展較好，但面向城市全量基礎(chǔ)模型的綜合服務(wù)較少，如模型關(guān)聯(lián)分析、基于模型的仿真推演、自定義渲染等；同時對面向超級應(yīng)用的共性功能組件考慮不足，是共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺未來需要進(jìn)一步關(guān)注和提升的方向。