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数字孪生城市:新型城市治理模式探索

华为政企中国区智慧城市咨询顾问 邓强胜 李景松 武鑫/文

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智慧城市是城市发展的一个科技愿景。在城市不断进化的过程中,从数字化到智能化再到智慧化,数字孪生是通往智慧城市的一个重要技术路径。数字孪生城市是物理城市与数字城市的虚实融合,是以数据驱动业务、业务融合智能、智能服务场景、场景交互系统、系统虚实管控的新型城市治理模式。数字孪生让城市向着更高级的智能转变,从而引领城市高质量发展,提升政务效率,提振经济运行,创新城市治理,优化公共服务,促进生态文明,实现城市智慧化的可持续发展。

数字孪生城市是多维技术融合的综合应用

数字孪生城市不是一项技术,而是多维技术融合的综合应用。数字孪生能让城市从感知走向认知,构建出城市智能体的数字思维,极大提升城市的智慧化水平。结合5G和AI等技术,以及对城市地上与地下、室内与室外、物理与逻辑等全域数据的充分采集,数字孪生将构建一个数字化的“虚拟城市”。在“虚拟城市”中,首先让城市知道自己是“谁”,并通过仿真模拟、回溯推演等方式,审视城市发展中决策与结果之间的各种可能,从而以最优的方式发展城市、治理城市。

• 全域联接:数字孪生城市建设的重要基础

2019年,华为发布的全球产业展望报告GIV预测,到2025年全球联接数量将会超过1000亿。一方面,随着5G、Wi-Fi 6、IoT、RFID等技术的日益普及,体验和业务驱动联接与计算无处不在;另一方面,随着卫星定位及通信技术不断发展,以高精度定位和卫星通信为主的时空联接,将在经济社会各领域中得到广泛应用。基于标识的全域联接打通了云、AI、边缘计算、物联网、高精度定位、高清视频等新技术之间的壁垒,使行业数据采集、传送、存储、计算、分析及反馈实现了闭环,实现“端、边、网、云”贯通的自治化分布式体系,成为数字孪生城市建设的重要基础。

• 三维模型:数字孪生城市可视化的主要载体

随着国家自然资源部对“实景三维中国”“三维立体自然资源一张图”建设的全面推进,测绘地理信息在经济社会各领域得到广泛应用。在数字孪生时代,测绘地理信息行业从传统的地图产品制作转型为面向城市治理、社会经济、专业建设和大众民生应用的服务行业。数字孪生城市更加需要新型测绘的强力支撑,在时空大数据管理、地理监测、高精度实体化测绘等方面提出更高要求,基于新型测绘构建的城市三维模型是数字孪生城市运行的主要载体。

• 实时监测:数字孪生城市运行的基本诉求

数字孪生城市的本质是城市级信息模型赋能体系,通过建立基于立体感知的数据闭环赋能新体系,利用物联网、大数据、云计算、视频感知、数字化仿真、AR/VR、区块链等关键技术,以积木式组装拼接,生成城市全域数字虚拟镜像空间,实现对物理世界的实时监测。为了让数字孪生城市能够动态、及时地模拟出真实世界的运行,需要内置强大的计算能力。边缘计算和云计算能够为数字孪生城市与物理城市的平行发展提供算力支撑,保证两者如影随形,相互作用。运用模拟仿真技术,可进行自然现象的仿真、物理力学规律的仿真、人群活动的仿真、自然灾害的仿真等,为城市规划、管理、应急救援等制定科学决策,促进城市资源公平、快速调配,支撑建立更加高效智能的城市现代化治理体系。城市运行态势的多维度、多层次精准监测是建设数字孪生城市的基本诉求。

• 智能预测:数字孪生城市发展的高阶智慧

数字孪生城市对人工智能领域进行数据挖掘、深度学习、自我优化技术的应用,可使城市从以往单域智能、被动响应的模式逐步转变为全域协同治理、智能响应、趋势预判的模式,构建起高效、智慧的城市运行规则。深度学习核心应用技术包括计算机视觉、自然语言处理、生物特征识别、知识图谱等,从已有城市数据中挖掘出新的数据,并将数据联系起来,形成决策的基础模型。经过不断地试错,推动系统不断自优化,实现数字孪生城市内生迭代发展,最终为城市提供智能预测,呈现数字孪生城市发展的高阶智慧。

数字孪生城市参考架构

数字孪生城市具有多学科交叉融合的特征,因此,需要建立一套科学的架构,并在实践中不断地总结、优化,从而指导数字孪生城市的运用(数字孪生城市参考架构如下页图所示)。在数字孪生世界中存在一个虚实镜像的介质,我们将它定义为“数字孪生镜像平面”(以下简称孪生平面)。平面一侧是物理世界的属性,另一侧是镜像的数字表达。孪生平面自下而上包括:智能终端、联接网络和数字孪生平台,分别归属于传统IT架构划分的感知层、传输层和平台层。数字孪生平台的核心架构以云为基础,联结无处不在的智能终端,以AI为驱动,融合了大数据、物联网、视频、地理信息等多种ICT技术。因此,平台应具备以下特性。

图 数字孪生城市参考架构

▪ 基础服务特性:数字孪生平台是城市大数据汇聚、应用的载体,是数字孪生城市的基础支撑平台,为相关应用提供丰富的信息服务和开发接口,支撑智慧城市应用的建设与运行。

▪ 专业服务特性:数字孪生平台应具备城市基础地理信息、三维模型和BIM汇聚、清洗、转换、模型轻量化、模型抽取、多模集成、模型浏览、多场景融合与可视化表达、支撑各类应用的开放接口等基本功能,提供工程建设项目各阶段模型汇聚、物联监测和模拟仿真等专业功能。

▪ 集成服务特性:集成服务特性包括两类,一类是新技术集成及服务能力。数字孪生平台在不断整合现有技术的同时,持续纳入新技术,并将新技术和现有技术做全面的融合,封装在平台内,为上层业务应用提供技术服务支撑。另一类是孪生应用集成能力。数字孪生平台可与城市已建成的城市建设、城市管理、城市体检、城市安全、住房、管线、交通、水务、规划、自然资源、工地管理、绿色建筑、社区管理、医疗卫生、应急指挥等领域的应用集成,并基于孪生数据服务、孪生业务服务和孪生集成服务开展城市运营监测和城市仿真预测预警两大类应用的建设与运行。

华为数字孪生城市典型实践

2020年6月,南京江北新区联合华为发布“孪生计划”,全面规划了“数字孪生第一城”的发展蓝图,提出了“城市要素数字化和虚拟化、城市运行状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化”的“六化发展”。双方将共同推进全国“数字孪生第一城”的建设,通过“虚实对应、相互映射、协同交互、推演进化”,实现感知新区、发展新区。基于数字孪生底座,江北新区建设了“智慧城建”“智慧城管”等数字孪生城市场景应用,全面提升了城市全生命周期的管理和服务能力。

初步建成的CBD数字孪生城市运行管理系统,实现了城市全生命周期的“空天地”统一数字化管理,对中央商务区25.4平方公里大场景进行全局俯瞰,并运用BIM模型展示在建项目的形象和进度,使整体项目管理一目了然。其中,“5G+无人机的巡航功能”作为中央商务区的数字孪生“空中之眼”,实现制定线路巡航和应急突发事件响应,对建设中工地进行监控,对裸土覆盖、违章搭建等情况进行判别,精准执法。另外,平台还通过末端物联传感器数据接入,经由后台管理系统进行业务判定后,生成相关的业务事件,并进行智能分拨,解决社会治理和城市治理的效能问题。

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第31期 数字政府特辑

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