應(yīng)用場景驅(qū)動下的數(shù)字孿生城市

文｜萬碧玉

我國數(shù)字孿生城市發(fā)展，將從局部走向全域、從感知走向可控。

中國城市科學(xué)研究會智慧城市聯(lián)合實驗室首席科學(xué)家 萬碧玉

數(shù)字孿生的研究歷程

1969年7月16日，巨大的“土星5號”火箭載著“阿波羅11號”飛船從美國卡納維拉爾角肯尼迪航天中心點(diǎn)火升空，美國NASA在阿波羅登月項目中制造首次使用數(shù)字孿生概念，并且制造兩個完全相同的實驗室/實體空間飛行器。2003年Michael Grieves(美國密歇根大學(xué))教授提出“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。2019年波音737 MAX在不到五個月內(nèi)發(fā)生了兩起嚴(yán)重的墜機(jī)空難，將人們的關(guān)注度集中到了如何讓飛機(jī)在制造、維修和飛行過程中更加安全可控，提出“數(shù)字孿生”（Digital Twin）技術(shù)方案。Gartner在2017-2019將數(shù)字孿生作為十大戰(zhàn)略科技趨勢，定義為以數(shù)字化方式再現(xiàn)真實的實體或系統(tǒng)。

目前，數(shù)字孿生在11個領(lǐng)域中擁有45個細(xì)分類的應(yīng)用。具體領(lǐng)域包括：安全急救、環(huán)境保護(hù)、航空航天、電力領(lǐng)域、汽車制造、油氣行業(yè)、健康醫(yī)療、船舶航運(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)和建筑建設(shè)等。

數(shù)字孿生與城市仿真技術(shù)

城市仿真通過數(shù)字化的方式真實再現(xiàn)城市現(xiàn)實，并基于城市運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用人口、交通、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等理論，分析城市實際問題，預(yù)測城市發(fā)展，為城市規(guī)劃、管理、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)的一種手段。城市仿真從2000年開始到2018年已走過三個階段，從BIM（建筑信息模型)時代、CIM（城市信息模型）時代到現(xiàn)在的DSM（數(shù)字地表模型）時代。基于計算流體力學(xué)（CFD）的嚴(yán)密理論，利用有關(guān)數(shù)據(jù)建立精確城市模型，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)設(shè)定準(zhǔn)確的邊界條件，綜合考慮地形、氣象、水文、建筑物、污染源等因素對現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢的影響，真實再現(xiàn)城市各種復(fù)雜現(xiàn)象，提供各種現(xiàn)象細(xì)節(jié)的有關(guān)數(shù)據(jù)；實現(xiàn)實時三維可視化，形成城市環(huán)境“診斷書”“疾病預(yù)防報告”，提供決策支持，檢驗及優(yōu)化方案，為城市規(guī)劃、管理服務(wù)。

國內(nèi)一些城市已經(jīng)啟動城市仿真建設(shè)工作，比如汶川、廣州、佛山等數(shù)字城市仿真建設(shè)實踐，提出實體城市空間與虛擬城市空間和社會空間共融互動，從人、物理世界的感知同步搭建智慧設(shè)施，以“大平臺、大數(shù)據(jù)、大應(yīng)用”構(gòu)建數(shù)字孿生的虛擬空間支撐智慧發(fā)展。

《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》雄安新區(qū)率先推進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)。2018 年《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中指出：堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市。

應(yīng)用場景驅(qū)動下數(shù)字孿生城市

目前，國內(nèi)建設(shè)數(shù)字孿生城市，主要是在感知端通過對城市構(gòu)筑物的感知數(shù)據(jù)，在基于CFD的技術(shù)下構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)城市“全時全域全空間”環(huán)境的感知。

在數(shù)字孿生城市場景中，以地理信息服務(wù)精細(xì)化、精確化、真實化、智能化為目標(biāo)，從較為單一的GIS數(shù)據(jù)升級為融合多源、異構(gòu)、多時態(tài)空間數(shù)據(jù)，以滿足應(yīng)用和分析的需求，從多源異構(gòu)數(shù)據(jù)無縫融合、時空數(shù)據(jù)庫建立和空間數(shù)據(jù)快速更新等方面入手，實現(xiàn)城市民生管理和服務(wù)。

在數(shù)字孿生城市場景中可實現(xiàn)城市精細(xì)化管理，數(shù)字孿生城市立足城市運(yùn)行監(jiān)測、管理、處理、決策等要求，完善城市精細(xì)化管理體系，不斷提升人民生活質(zhì)量和城市競爭力，不斷提升市民對城市管理的滿意度。

數(shù)字孿生城市未來發(fā)展

黨的十九大報告明確提出要加快建設(shè)制造強(qiáng)國，《中國制造 2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。

圖1數(shù)字孿生城市技術(shù)架構(gòu)

圖2南方某省會城市風(fēng)環(huán)境仿真感知圖

圖3城市精細(xì)化管理模型

在此背景下，我國數(shù)字孿生城市發(fā)展，將從局部走向全域、從感知走向可控。受管理難度和技術(shù)成本影響，數(shù)字孿生將從社區(qū)、園區(qū)、校園、港口等小范圍的封閉區(qū)域開始，逐步向城市全域、孿生空間過渡。