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数字孪生城市的理念与特征
来源: 中国信息通信研究院CAICT 发布时间: 2018-02-27

     当前,以云计算、大数据、人工智能、虚拟现实、无人驾驶等新技术为代表信息化浪潮席卷全球,也影响着城市规划、建设与发展。在“比特”空间上,所构建的城市虚拟映像叠加在城市物理空间上,将极大改变城市面貌,重塑城市基础设施,形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。借助更泛在普惠的感知,更快速度的网络、更智能融合的计算,一种更加智能化的新型城市将得以创建。不久的将来,以数字孪生城市为代表的新型智慧城市建设,将让城市生活变得更为美好。


一、 数字孪生城市的理解
    数字孪生(Digital Twin)是一种物理空间与虚拟空间的虚实交融、智能操控的映射关系,通过在实体世界,以及数字虚拟空间中,记录、仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹,实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置。
 
    数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用,通过构建城市物理世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统,在网络空间再造一个与之匹配、对应的“孪生城市”,实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化,形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展格局。
 
    数字孪生城市,既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射和状态,也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系,是推进城市规划、建设、服务,确保城市安全、有序运行的赋能支撑。
 
二、 数字孪生城市的特征
    数字孪生城市存在四大特点:精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。
 
     精准映射:数字孪生城市通过空中、地面、地下、河道等各层面的传感器布设,实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字化建模,以及对城市运行状态的充分感知、动态监测,形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。
 
    虚实交互:城市基础设施、各类部件建设即有痕迹,城市居民、来访人员上网联系即有信息。未来数字孪生城市中,在城市实体空间可观察各类痕迹,在城市虚拟空间可搜索各类信息,城市规划、建设以及民众的各类活动,不仅在实体空间,而且在虚拟空间得到极大扩充,虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。
 
    软件定义:孪生城市针对物理城市建立相对应的虚拟模型,并以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为,通过云端和边缘计算,软性指引和操控城市的交通信号控制、电热能源调度、重大项目周期管理、基础设施选址建设。
 
    智能干预:通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等,将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警,并提供合理可行的对策建议,以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行,进而指引和优化实体城市的规划、管理、改善市民服务供给,赋予城市生活“智慧”。

三、 数字孪生城市的作用
    一是提升城市规划质量和水平。当前智慧城市规划和顶层设计,大部分都属于概念和功能设计,缺乏与实际人流、物流、资金流的交互,也缺乏对新技术引入带来的影响分析。通过在数字孪生城市执行快速的“假设”分析和虚拟规划,摸清城市一花一木、一路一桥的家底、把握城市运行脉搏,推动城市规划有的放矢,提前布局。在规划前期和建设早期了解城市特性、评估规划影响,避免在不切实际的规划设计上浪费时间,防止在验证阶段重新进行设计,以更少的成本和更快的速度推动创新技术支撑的智慧城市顶层设计落地。
 
    二是推动为人为核心的城市设计、建设协同创新。城市居民是新型智慧城市服务的核心,也是城市规划、建设考虑的关键因素。数字孪生城市将以“人”作为核心主线,到对城乡居民每日的出行轨迹、收入水准、家庭结构、日常消费等,动态监测,纳入模型,协同计算。同时,通过在“比特空间”上,预测人口结构和迁徙轨迹、推演未来的设施布局、评估商业项目影响等,对实体城市的设计、建设和实施产生巨大的影响力和重塑力。通过搭建一个可感知、可判断、快速反应的数字孪生城市,支撑实现城市土地空间规划、重大项目建设以及随需响应、触手可及的惠民服务协同指引。
 
    三是优化并评估智慧城市建设成效。基于数字孪生城市体系以及可视化系统,以定量与定性方式,建模分析城市交通路况、人流聚集分布、空气质量、水质指标等各维度城市数据,决策者和评估者可快速直观了解智慧化对城市环境、城市运行等状态的提升效果,评判智慧项目的建设效益,实现城市数据挖掘分析,辅助政府在今后信息化、智慧化建设中的科学决策,避免走弯路和重复建设低效益建设。
 
 

作者简介
 
陈才,现任中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用部副主任,高级工程师,博士。作为主要成员参与了智慧城市、信息化领域的国家政策研究、规划制定和重大项目推进工作,在国内外专业刊物公开发表论文10余篇,牵头完成智慧城市专著两部。
联系方式:chencai@caict.ac.cn









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