基于数字孪生的智慧城市建设研究

文/佟林杰 牛朝文(..燕山大学 河北秦皇岛 066004)

内容提要:数字孪生智慧城市是智慧城市物理实体在数字虚拟空间的数字化映射。在应用上,可以将数字孪生智慧城市面向用户、面向管理者以及面向服务的应用场景。推进数字孪生智慧城市的建设,需要从顶层设计、资金保障、人才队伍以及技术攻关四个方面构建起保障体系。

一、数字孪生智慧城市建设的必要性

数字孪生智慧城市是智慧城市物理实体精准在数字虚拟空间的数字化映射。是通过数字化的方式来表达和描述城市中物理对象的全要素(人员、资源、设备、结构、空间、行为、活动等)。通过建模、仿真、模拟等数字技术手段构建智慧城市孪生模型,并对智慧城市中物理对象的全业务流程、全要素以及全生命周期进行数据融合,最终实现数字化表达以及可视化操控。在数字化映射的帮助下,智慧城市可以在数字信息空间最大程度地应用城市大数据,实现智慧城市管理及服务业务流程的优化闭环。在数据驱动下利用相关信息技术,在信息空间中完成对图书馆的数字化映射,可视化反映相对应实体的全生命周期过程的同时,实现业务流程的闭环优化,对智慧城市的全要素建构数字孪生体系。[1]建设数字孪生智慧城市,以推动智慧城市向更高智慧阶段演进,在实践和理论维度得到了必要性确认。

在实践维度上。2012年,住建部就开展了智慧城市的试点和申报工作。2014年发改委联合其他七个部委共同印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》,强调智慧城市的顶层设计以及发展规划。2015年,国家互联网信息办、中央网信办提出“新型智慧城市”,指出新型智慧城市的主要目标在于全程全时为民服务、城市治理有序高效、数据开放共享、经济发展可持续以及网络空间安全清朗。2016年中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《国家信息化发展战略纲要》提出新型智慧城市建设的遵循原则和具体要求,同年国务院印发《“十三五”国家信息化规划》。数字孪生在2020年国家发改委、中央网信办联合印发《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》中被多次提到,地方各级政府在推进智慧城市建设过程中,也将数字孪生技术纳入智慧城市的规划建设中,如上海临港“虚拟城市”、天津滨海的数字孪生城市运营中心、雄安新区的“数字孪生城市”等。

在理论维度上。国内外学者在数字孪生智慧城市方面取得了一定的进展。Mohammadi和Taylor[2]提出数字孪生智慧城市基础设施的数字表征,通过增强智慧城市的可视化表达能力,提升智慧城市数据的高度交互来改进城市治理和城市监控。Soe[3]强调数字建模对于智慧城市建设的重要作用,认为应对物理数据和虚拟交换的数据融合进行深入研究。Ruohomaki等[4]提出通过物联网来构建“My Smart Life”的数字孪生框架,使用数字孪生来监视和比较基于环境和人类影响的能源消耗。WHITE等[5]认为通过更开放及透明的模型构建,将公民参与、公众反馈纳入智慧城市的建设和转型中。国内学者张艳丰[6]基于数字空间研究了智慧城市的数字全景画像,并通过K-means聚类分析方法得出4组具有显著差异的智慧城市全景数据画像群体结构。徐辉[7]认为我国需要在数字化技术、精细快捷化服务、智能交互场景等方面加强实践和理论探索。因此,需要基于“数字孪生”技术和理念建构新型智慧城市。陈奕延等[8]探讨数字孪生技术在制度、组织、市场、文化、技术及战略六个创新领域上的拓展,以及数字孪生驱动下的新机制,并提出数字孪生驱动的全面智慧创新管理新范式以及模型。

通过文献检索可知,目前学者们主要关注于数字孪生在智慧城市中的拓展。不过,数字孪生理念和技术如何嵌入智慧城市的建设中,并进行有效融合?本研究通过以数字孪生+智慧城市作为研究基础,对数字孪生智慧城市的建设模式、应用场景以及保障策略进行探析,以期为我国智慧城市的建设发展提供建议。

二、数字孪生智慧城市的建设模式

数字孪生理念和技术融合了数字传感、信息通讯、仿真建模和系统控制等多个领域的技术成果。[9]在智能传感、微型收发器、射频识别的支持下,数字孪生技术可以对城市可独立寻址的物理对象进行跟踪、监测、记录,通过建模仿真、3R技术等对智慧城市中物理空间的要素、过程、行动进行数字化表征,在数字虚拟空间中模拟和还原物理空间,实现智慧城市中物理空间的全要素在数字虚拟空间的精准平行映射和信息表达,进而获得城市物理空间在虚拟空间中全过程、全要素、全生命周期的运行状况,并以数字操作界面的方式呈现出来。最后将仿真模拟结果应用在智慧城市的运行调控,实现对物理实体的运作状态、性能、活动、数字治理结构、服务流程、运行智能设备等的调节、预测、诊断、监测及控制,智慧城市物理空间与数字虚拟空间进行实时交互,在不断的交互中实现共同优化和迭代。[10]由此,可以将数字孪生智慧城市体系架构划分为物理层、交互层、中间件层与应用层。

图1 基于数字孪生的智慧城市体系框架

物理层是整个数字孪生智慧城市体系架构的基础支撑,包括各类城市物理实体和智能感知设备,主要完成城市数据与信息的感知、监测与收集。如城市交通状况、空气质量、光线、湿度、温度、土壤酸碱度、用电量、用水量、设备实施及其工作状态等城市运行的基本状况。智能传感器将城市物理对象的信号和现象转换为数字参数,根据这些参数在边缘计算设备的支持下就可以通过驱动电路以基于算法进行操作,并将这些信号进行移位、缩放、从而使其与周围的边缘计算设备的数字模拟和串行通信端口兼容。

交互层也叫通信层,主要负责将智能传感设备所收集的数据安全有效地进行传输,以进行下一步的分析和处理,从而建构起连接城市物理空间和数字网络虚拟空间的“桥梁”。由于虚拟空间云和物理空间并不一定处于同一位置,且数量众多的传感器实时收集的大数据需要更为强大的网络运输能力作为保障。因此,数字孪生智慧城市特别需要为其通信系统使用部署大量安全、可靠、高宽带、高速率、低延时、且可用的传输网络。

中间件层由资源层、虚拟化层、对象层、数据层以及仿真层五个子层组成。其中,资源层主要为数字孪生智慧城市系统的系统管理人员和开发人员提供云资源自动化的配置和部署方案,并自动完成所有云资源在多个不同地域以及多个账户中的部署和配置,把云上资源和服务的整套环境抽象成模版,实现基础设施即代码。虚拟化层用于构建分布式应用程序的体系结构设计,将应用程序分解为独立的、松耦合的、可单独部署的服务,允许使用服务代理的部署来扩展或更新每个服务,而不会中断应用程序中的其他服务,并能够快速且可靠地交付大型、复杂的应用程序。对象层可以根据对象来开发软件系统的静态结构,通过标识对象,将对象分组到的类以及对象之间的关系,实现城市物理空间的过程、要素、生命周期的数字化。数据层可以访问数据存储库以挖掘数据并将结果报告给智慧城市系统管理人员,并评估物理对象或系统的状况,预测未来可能发生的故障和维护要求。而仿真层通过仿真工具、设计工具实现对物理对象的仿真,实现对数字孪生(DT)的可视化。

应用层是数字孪生技术及理念的应用和体验阶段,它提供了与物理空间完全相同的模拟环境。应用层可以提供面向城市的规划管理、运行调控、故障诊断以及服务运营等功能。以及面向公众的智慧操控、人机互动、情景感知和体验等智能服务。将城市物理运行系统转变为数字自治系统,通过记录、备份过去的信息、实时监控当前状况,以支持未来的分析决策和城市运营管理。并通过移动智能终端、PC、AR、VR、MR、人机协作、闭环仿真、互操作性界面等应用方案和技术手段,建构出多维感知、泛在智慧、多感官全息交互的城市虚拟空间,以营造城市新场景,为公众提供个性化、优质、智慧化的城市服务。

三、数字孪生智慧城市的应用场景设计

智慧城市依托仿真虚拟、生物识别、数字孪生、人工智能等技术,实现智慧城市的立体动态展示和智慧管理及服务。在应用上,可以将数字孪生智慧城市面向用户、面向管理者、以及面向服务的应用场景。

(一)面向用户的应用场景设计

智慧城市的建设在于为公民营造宜居城市环境,为公众提供智慧化、便捷化、优质化、高效化的城市服务。在城市用户需求的驱动下,通过发掘大数据的价值,开发和整合数字资源满足用户对于智慧业务和智慧服务的需求。在智慧城市中,公众用户主要是指Anyone,因为城市是动态开放的,所对应的城市服务也是泛在服务。在数字孪生技术、信息技术的支持下,城市服务的辐射范围更大,破除了实践和空间的限制,其服务的受众更加多元、基数更大。智慧城市在“数字孪生”技术支持下,可以对城市公众用户构建数字孪生体、画像其需求领域、需求事项以及需求深度,并对城市资源配置、服务供给进行仿真模拟,以检验与用户服务需求之间的适配度,并通过个性化定制、优化迭代、人机交互等为公众提供精品内容和优质服务。

图2 面向用户的数字孪生智慧城市应用场景

1.精准化的用户需求画像。用户画像是真实用户的虚拟模型,是用户状况的数字表征。用户需求画像包括用户基本状况、生活和工作习惯、行为模式等。概括来说,用户画像技术通过对用户属性信息、行为痕迹、生活习惯等信息和数据进行处理,提取并精炼用户信息,并勾画出用户的数字图像,充分了解用户属性和用户需求。通过信息识别技术实现对用户需求特征的精确、完整记录、提炼和组合,获得针对用户需求领域、需求事项以及需求深度的信息与数据,并形成对用户生活习惯的识别和用户需求的预判。并对用户画像与智慧城市数字资源深层语义标签的关联映射,结合情景设置、用户特征,不断升级推荐和推送系统,从而为用户推荐符合其需求的相关信息,智能地为用户提供优质的城市服务。

2.个性化的用户定制。基于数字孪生的智慧城市可以依据大数据、全景镜象将用户需求信息和数据进行标签化,通过对用户需求进行数字化、可视化处理,以更好把握用户的需求状态及其规律。对单个用户的服务需求进行析出(聚类、合并以及提炼等处理)并生成个体用户的个性化需求数据库。在服务供给端不断完善和优化城市信息资源建设流程,对城市资源进行归类、整合、提炼,获取城市资源的关联数据信息与标识特征。通过将用户需求标签映射到对应的资源列表中,并与类似的资源信息集合完成匹配为用户群组建立个性化信息资源数据库,加深对用户行为的认知和理解。因此,基于数字孪生的智慧城市可以有效满足不同用户的信息化和服务需求,依靠丰富的智能感知应用、可靠且强大的网络、集成化的服务终端,构建起“云—管—端”的服务模式,并为用户提供便捷、综合及全面的集成式、一站式、定制式的城市服务。

3.集成化的用户服务。在人工智能、大数据、数字孪生技术的支持下,通过用户画像、用户需求画像、资源画像、市政规划/城市模块化/协作活动的模拟,对多元主体、多种资源、多种功能进行整合,实现服务供给的协同化。数字孪生智慧城市要打破依靠智能感知、可靠网络、边缘计算、数据累计、数据抽象等技术来打破信息孤岛、信息延迟以及信息不对称的局面,实现信息的集成和开放共享。以信息集成为前提,通过组织、权力与资源的多重集成,清晰地将“集成式”服务响应模式的组织关系构建出来。从而提高公共服务相应的顺畅性、及时性和有效性。

(二)面向管理者的应用场景设计

在数字孪生技术的背景下,智慧城市依靠生物识别、模拟仿真以及人工智能等技术,可以分析并整合城市中的各模块、各要素、各种资源及其功能,赋能和优化城市管理活动。通过城市物理空间在虚拟空间的关联映射及交互融合,建立城市物理实体在虚拟数字孪生体共生融合的智慧管理模式。虚拟数字孪生体可以对城市物理空间及其运行状态进行仿真模拟,如城市交通、资源及能源消耗、工程进度等项目。在对比城市物理空间的实时运行状态和数字虚拟空间及其相关虚拟实体之间的模拟与仿真,可以预判城市物理空间和物理实体的运行状态是否存在异常,并对城市基础实施、智能设备进行监控、故障监测、排查、维护及远程控制。有效提升城市管理水平,健全城市管理体系。

图3 面向管理的数字孪生智慧城市应用设计

(1)数字化管理。数字孪生可以优化智慧城市的管理流程,推动城市信息数字化、分析决策数字化、应用办公等方面的数字化,依靠城市的大数据搭建起智慧城市管理的数据信息流,应用现有的智能感知设备、网络运输技术、遥感定位技术、射频识别以及终端办公及应用程序构建起智慧城市的数字化管理体系。这包括数字化辅助分析决策系统、数字化监控系统、数字化服务系统以及数字化交流及发布系统、城市设施管理信息系统等,从而通过数字化理念和技术赋能城市物理空间的调度、运营、智慧、服务等诸多管理活动。通过有效海量大数据的收集、聚类、储存、处理以及交互,推进具备高分辨率的、虚拟现实相结合的城市化数字管理建设,进一步推进数字化管理水平。

(2)智慧化管理。通过协同应用智能传感技术、射频识别、物联网以及5G技术等,对城市物理空间、物理实体进行全面实时的数据采集、状态监控以及数据传输和交互。结合云服务、边缘计算、数据抽象等对城市大数据同步传输至数据存储层和数据处理层,实现海量、多源、异构数据的储存、分析、整合与集成,最后发掘出大数据价值应用于城市管理及运行。通过对城市运行状况的实时全面感知,畅通城市各部门之间的数据信息交互共享、互通互联、协同合作、智能决策、服务一体化等的城市综合智慧管理体系,构建起数据信息管理、综合全面监管、协同一体化办公、辅助分析决策、城市服务供给等智慧管理平台。

(3)可视化管理。城市可视化管理在一系列技术手段和系统方法的支持下,能够让城市管理人员通过形象生动、立体直观、色彩适宜的操作界面和管理系统就能全面了解城市数字虚拟空间和物理空间的实时运行状态,有效实现城市管理的可视化、透明化以及便捷化。面对着城市复杂且海量的城市管理数据,这就包括异构数据、结构化、半结构化以及非结构化数据,通过可视化管理可以实现城市将海量大数据转化为视觉资源、更迅速、更清晰、更高效地呈现出城市数据信息所承载的价值,提升城市数据信息价值的利用程度。

(三)面向服务的应用场景设计

智慧城市可以实时、全面及智能获取城市运行和发展相关的各项数据,因此,它不仅重塑城市管理生态,也在不断推动城市公共服务供给的智慧转型。在智能穿戴设备、数字孪生技术、移动智能终端的应用下,城市能够广泛地采集城市物理空间及对象的静态和动态数据,了解城市运行发展特征,并自动对城市运行进行评估诊断,构建起以大数据驱动决策为出发点,以城市用户需求感知为导向,以自动供给相应为起点的城市服务体系框架,为城市用户,为公众提供定制化、个性化、智慧化的城市服务。

图4 面向服务的数字孪生智慧城市应用设计

1.构建“用户为中心”的城市服务。基于数字孪生的智慧城市服务通过城市大数据收集、聚类、组织、分析及组合,在数据挖掘基础上实现知识产品及知识服务的开发。因此,其服务范式是围绕用户所展开的,将大数据挖掘应用于针对城市用户的服务中。它可以将基于数字孪生技术构建的城市用户画像,对用户行为数据、情景信息等的实时、全过程、全方位的连续采集,并对所采集的数据进行加工处理,抽象聚类及标签化,并制定出用户画像。以用户体验和用户满意为出发点和落脚点,将城市用户需求画像与城市资源画像进行精准匹配,并通过个性化、定制化以及智慧化的城市服务供给,有效增强城市用户交互式、沉浸式的城市服务体验,提高用户对于智慧城市的接受度和满意度。

2.创新城市服务供给。将数字孪生应用在智慧城市建设中,可以将城市空间结构、特征、状态及动态等物理属性进行数字化表达,能够实现城市服务的创新供给。通过大数据驱动+仿真模拟的服务范式,有力推动城市在新技术环境下城市服务能力的提升和服务方式的创新,在对城市大数据进行语义化描述、碎片化挖掘、关联化连接的基础上,深度把握城市用户基本属性、行为及习惯等内容,并结合城市资源供给的相关性特征、情景特征、协同特征,不断升级城市服务供给系统,并设计出服务反馈机制,不断改进城市服务。

3.推进智慧化的城市服务平台建设。基于数字孪生的智慧城市服务平台具有数字化、可视化以及集成化等特征,相比于传统城市管理服务,数字孪生智慧服务平台可以有效破解信息孤岛、信息延迟以及信息不对称的现象,避免城市服务供给过程中的“碎片化”现象。通过构建整体的城市服务框架体系和服务中心,优化整合城市服务资源,形成城市服务的“一号申请”“一窗办理”以及“一站式服务”的城市服务平台,增强城市服务的拓展性、开放型与交互性。

四、基于数字孪生的智慧城市建设保障机制

(一)加强顶层设计,推进数字孪生智慧城市制度体系建设

伴随着数字孪生技术在智慧城市的建设过程中的应用,各地推出城市大脑、城市数字孪生体等项目建设。然而,由于采用的技术路径、技术标准以及技术设备不尽相同,应用的形式各有差异,兼容性、安全性及可靠性制约数字孪生技术在智慧城市建设中的应用。这需要在宏观上加强顶层设计,不断推进数字孪生智慧城市的制度体系和配套设施的建设。在顶层设计方面,国家层面上要加强政策支持,明确数字孪生智慧城市建设的原则、性质、路径及职能等,加强先进技术在智慧城市建设过程中的应用部署,与此同时,制定数字孪生的技术、市场、质量以及安全等标准,促进数字孪生在智慧城市的标准化应用和建设。在制度体系方面,要构建起协同统一机制统筹智慧城市的规划设计与统筹建设,包括认识管理制度、经费管理制度、风险管理机制以及绩效管理机制等。将城市物理空间、管理服务活动更好融入数字孪生体中,了解城市运行底盘,把城市的运行动态和大数据结合起来,做好数字孪生智慧城市的配套设施建设,建立健全数字孪生智慧城市建设的制度保障体系。

(二)拓宽资金注入渠道,形成数字孪生智慧城市建设的资金保障体系

稳定且可持续的资金支持是数字孪生智慧城市建设的重要保障。因此,除了依靠公共补款和转移支付,还要不断推动数字孪生智慧城市建设的市场化,通过与科技巨头、资本融资机构、基金会、慈善机构甚至国际机构展开合作,并优化数字孪生智慧城市融资方案,支持建立融资部门,与基金会、国际机构、慈善机构和科技巨头展开密切合作,开发融资解决方案以支持智慧城市关键项目的建设。还可以通过与私营部门、科技巨头建立起综合及合作项目团队,打造公私合作伙伴关系(PPP)、创新投资方式、建立智慧城市优惠贷款机制等多种渠道确保数字孪生智慧城市项目能够以长期资产的形式存在,进而刺激这些项目的投入能够产生直接的财务收益,保障智慧城市建设的持续性。此外,要更系统地考虑数字孪生智慧城市建设的成本收益,以经济目标确立数字孪生智慧城市项目投资的优先级,量力而行推进数字基础设施建设,规避“摊大饼”“盲目扩张”以及“一哄而上”等问题,避免智慧城市建设过程中所面临着赤字风险、有效性与活力丧失风险。

(三)重视人才队伍建设,建立数字孪生智慧城市建设的人才保障体系

数字孪生智慧城市建设离不开人才资源的保障,伴随着数字孪生在智慧城市的部署和应用,先进信息技术、智能设备以及移动终端,对城市管理人员、工作人员及服务人员提出了更高的要求。要求城市管理人员了解数字孪生的技术和应用理念,熟悉掌握数字孪生智慧城市的规划和统筹建设工作。除了专业知识支撑,还需要较强的学习能力作为保障,从而推进数字孪生智慧城市的建设落实及高效运行。要重视数字孪生智慧城市建设的人才培养工作推进,不断创新人才培养机制,努力提升现有人才的信息科学素养、智能设备操作以及综合管理能力,打造数字孪生智慧城市建设的人才库和专家库,为数字孪生智慧城市建设提供人才和智力支持。

(四)攻关核心技术,深化数字孪生智慧城市建设的技术保障体系

将数字孪生大规模地应用于智慧城市建设仍面临着诸多技术挑战,包括对城市物理空间及实体的全域智慧感知技术、针对数字孪生体的精准模拟和建模仿真技术、深度机器学习、边缘计算、协同计算技术等尚不成熟,仍存在改进和优化的空间,面向数字孪生技术与城市管理和服务实践融合有待深化。因此,面对数字孪生智慧城市部署和建设过程中的技术瓶颈和技术短板,应加强技术攻关,有针对性地进行科学研究和实验。与此同时,推动数字孪生与城市管理及服务实践的融合,利用论坛、会议、辩论会、交流会、指导会等让城市管理及服务人员参与到数字孪生技术的研究和开发中去,促进数字孪生理论+技术+应用的结合。通过多主体、资源等的协同共同推动数字孪生智慧城市落地。