数字孪生城市的应用

高波 孙宜昌 朱勇

摘要：随着大数据、人工智能、无人驾驶等科学技术的不断发展，不断创新，数字孪生城市成为当前时代发展现代化数字城市的一种新方式。数字孪生城市可以对城市的布局、街道、社区、娱乐、商业，甚至是电力线、变电站、污水系统、供水排水系统等进行模拟，从而使城市的建设能够满足人们更好的需求，使实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置。因此，在数字孪生技术的不断完善，将会在现代化的智慧城市建设中取得飞跃的发展，使城市的建设发展成为新型智慧城市。

关键词：数字孪生；模拟；智慧城市

一、数字孪生的概念

首次提出数字孪生概念的是美国国防部，它是在数字空间中建立真实飞机的模型，并通过传感器所采集到的数据，实现与飞机实际飞行状态的完全同步。当飞行结束后，根据现有情况和过去的负荷情况，及时分析和评估是否需要维护，是否能承受下一个任务负荷等。由此提出了数字孪生技术。

数字孪生是充分利用物理模型，通过传感器采集到的运行、操作历史以及更新等数据，集成多学科，多物理，多尺度，多概率模拟过程，完成虚拟空间映射和反映，进而可以使相应的真实的设备得到全生命周期的過程的真实映射和反映。

二、数字孪生城市的内涵

或许有很多人会对数字孪生城市提出疑问，为什么要建设数字孪生城市？数字孪生城市是通过数字孪生技术在城市层面的广泛应用建立起来的。数字孪生城市的建立可以通过仿真工具、物联网、虚拟现实等科技手段，将物理物理世界映射到虚拟空间中，形成数字镜像，然后可以对其不足的地方进行修改。总之，数字孪生城市就是通过构建城市的物理世界和网络虚拟空间的复杂系统，一对一的通信，相互映射和协作交互，在网络空间中创建匹配和对应的模型。

数字孪生城市的本质是虚拟空间中对城市的映射，也是支持新型智能城市建设的复杂综合技术体系和信息维度中虚拟城市在物理维度和虚拟城市中的共存，虚拟和真实集成。总之，数字孪生城市是通过结合城市的目标，然后通过城市的数据进行动态监测。最后基于现代互联网的实时传输及通信，根据软件模型进行实时分析，对建设现代化数字孪生城市进行科学模拟，解决城市规划，设计，建设，管理和服务闭环过程。这样的过程可以解决现代化的数字孪生城市总体因素的数字化和虚拟化，使城市全部状态达到实时性和可视化，以及城市管理决策的协同和智能，提升数字城市物质资源，智力资源，信息资源配置效率和运行状况，实现数字化智慧城市最大化建设的发展。

三、数字孪生城市的关键技术

数字孪生城市建设依托云计算、大数据、通信网络、数据处理、模拟仿真为主要构成的技术体系。

首先，数字孪生城市的建设对信息通信技术中的云计算以及大数据有较高的要求是因为在建设现代化的数字孪生城市中必然对城市中的某些数据进行监测与采集，然后根据所采集的数据进行分析，使其能够精准的模拟城市的原貌。其次，如何使设备的进行互联，数字孪生城市在进行数字仿真、实时跟踪，需要形成多设备互联、协同。最后，技术融合与数据是最关键的环节，4G/5G通信、大规模数据并行处理等技术与3D建模、模拟仿真、虚拟现实等数字孪生相关技术的快速集成，极大地推动了在数字空间中建设同步运行的数字孪生城市建设。

四、数字孪生城市的应用

数字孪生技术在现代化的智慧城市建设的应用场景非常庞大，在未来，它会在多个方面改变我们的工作和生活，应用场景涉及各个方面。

当前智慧城市规划和设计，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。数字孪生通过在智慧城市的空中，地面，地下和河道中部署传感器，以提供城市道路，桥梁，井盖，灯罩，建筑物和其他基础设施的布局进行建模，并且对智慧城市进行感知和动态监控，可以快速的“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。

数字孪生为实体城市的建立是一一对应的虚拟模型，它是通过软件模拟真实的城市环境中的人，物体和真实环境中的一切，然后再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、重大项目的基础设施的选址等各维度城市数据，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。

对于基础设施建设，通过基于标识、各类传感器、监控设备的部署、二维码、RFID、5G等通信技术和识别技术，对城市地下管网，多功能信息杆，充电桩，智能井盖，智能垃圾桶，无人机，摄像机等城市设施实现全部感知，共享，实时建模，全过程控制等来实现城市规划协同化、建设运行可视化和完善城市水利，能源，交通，天气，生态和环境的监测水平和维护控制功能。

对于城市交通调度，社会管理和应急指挥等关键场景，全部是通过基于大数据模型仿真，精细数据的挖掘和科学的决策以及指挥调度指令和公共决策，实现动态，科学，高效、安全的城市管理。任何社会活动，城市部件和基础设施运营都将以实时，多维的方式呈现在数字孪生系统中。对于重大公共安全事故，火灾，洪水和其他紧急情况，依靠数字孪生系统，这些问题发现和指挥决策在几秒钟内完成，实现“一点触发，多方联动，有序调度，合理划分劳动和反馈”。

对于城市的建设是基于数字技术的智能系统，这样可以快速感知，判断和反应，实现城市土地勘探，空间规划，项目建设，运营和维护的协同创新。在勘测阶段，基于数值模拟，空间分析和视觉表达，构建工程测量信息数据库，实现工程测量信息的有效传递和共享。在规划阶段，通过仿真分析和相关程序及结果的可视化显示，通过“同步整合”充分实现对接时空信息智能服务平台。在设计阶段，应用建筑信息模型等技术来模拟和优化设计的性能和功能，提供结果，并集成协同设计，以提高质量和效率。在建设阶段，基于信息模型，有效监控进度管理，投资管理和劳动力管理等关键流程，实现动态，综合，可视化的施工管理。在维护阶段，依托识别系统，传感系统和各种智能设施，实时监控城市整体运行情况，统一显示，快速响应和预测性维护，提高运维水平。

城市中，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。总之，把数字孪生技术应用到智慧城市管理上，会让城市更安全。街道、社区、娱乐、商业，甚至是电力线、变电站、污水系统、供水排水系统、城市应急系统、Wi-Fi网络，高速公路，交通控制系统等，都会有数字孪生体，从而可以更轻松便捷地监控管理城市的每个地方。

五、总结

目前，数字孪生虽然在现代化的智慧城市建设中没有得到广泛的普及，但随着数字孪生技术的不段进步与发展，将在现代化的城市建设中的各个方面得以应用，使现代化的智慧城市向着更加数字化、智慧化的方向发展。