基于数字孪生技术的明珠湾智慧城市信息平台建设实践

陈若飞，李江川，马 燕，何金龙

（北京超图软件股份有限公司，北京 100015）

0 引言

“孪生体/双胞胎（twins）”概念最早应用在制造领域，由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在阿波罗项目中提出[1]。2003年，数字孪生概念被正式提出，密歇根大学的Michael Grieves教授在产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）课程中提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”这一概念[2]。随着该项技术的不断发展与探索，数字孪生技术已应用至城市空间领域，对城市的规划、建设与运营管理工作具有重大的积极影响。数字孪生城市概念则是数字孪生技术在智慧城市建设中的广泛应用，数字孪生城市基于数据驱动、虚实交互、先知先觉和共生共智的城市信息模型（CIM），旨在构建数字城市与现实城市的同步规划、同步建设，从而实现全生命周期、全城市要素的数字化管理，做到城市全域全时的智慧化管理。

明珠湾区位于南沙新区的中心地带，规划总面积约103平方千米。明珠湾起步区是明珠湾区开发建设的先行启动区域，是粤港澳大湾区对外开放与经济深度融合的高端产业城市，也是打造粤港澳大湾区的重要引擎先行区。

为落实国家粤港澳大湾区的发展战略，承接广州新型城市化的重要载体，贯彻国家打造珠三角世界级城市群的总体要求，明珠湾开发建设管理局（以下简称明珠湾管理局）构建了明珠湾智慧城市总体规划蓝图，基于SuperMap GIS软件，利用数字孪生技术开发建设了明珠湾智慧城市信息平台，提升明珠湾起步区的城市规划、建设、运营的管理管理水平和对外宣传能力。

数字孪生（Digital Twin）技术，通过信息世界对物理世界进行刻画、仿真、模拟，实现物理世界的三维可视化与城市优化。为实现数字化转型、智能化（如智慧城市、智慧制造）、服务化、绿色可持续等全球工业和社会发展提供了有效途径。目前，数字孪生技术也被学术界和工业界广泛关注，并进行了大量的研究[3]。明珠湾智慧城市信息平台是数字孪生技术在智慧城市中应用的前沿探索与实践。

1 总体架构

明珠湾智慧城市信息平台是基于数字孪生技术，为明珠湾智慧城市发展建设而构建的基础平台，具有城市空间可视化和城市数据管理与共享交换两大功能。以城市信息平台为基础，明珠湾管理局建设了城市规划、城市运维、城市名片三个典型业务应用，集成了局内政务办公、工程项目管理、智能驾驶等多种应用，共享了智慧工地、智慧水务、城市运营等多源数据和服务，实现城市开发建设与城市综合管理协同发展、信息共享共用，落实“低碳节能、绿色生态、智慧城市、岭南特色”的四大建设理念。从物理实体、虚拟模型、孪生数据、服务和连接5个维度共同构成了数字孪生综合体[4]，从而在多层次、多级别应用中实现对物理世界动态信息的监控传输，模拟物理世界未来运行的趋势，优化与控制物理世界的运行[5]。

整个平台采用“平台+应用”模式进行建设。平台建设采用了微服务架构，构建的应用由一系列服务组成，不同的进程对每个服务进行单独部署，服务之间不但可以通过轻量级的交互机制进行通信，还可实现独立的扩展伸缩，保障了系统的高并发使用。同时，通过对原始数据进行采集、处理、汇聚，构建了明珠湾时空数据仓库，依据时空数据仓库提供了数据共享交换、在线编辑、服务中心等相关业务功能。通过技术中台、数据中台与业务中台共同构建了明珠湾智慧城市信息平台，平台总体架构如图1所示。

图1 智慧城市信息平台总体架构

1.1 城市空间可视化平台

近年来，地理信息系统理论体系逐步丰富与完善，尤其IT技术与GIS技术实现融合后，GIS技术及软件得到了飞速发展。GIS领域提出了许多新技术与新概念，逐步形成大数据GIS、人工智能GIS、新一代三维GIS、分布式GIS、跨平台GIS五大技术体系[6]。以GIS技术为基础，整合建筑信息模型（Building Information Modeling）、5G 及物联网（Internet of Things）技术，是数字孪生城市构建的技术基础，也是未来智慧城市发展与探索的方向。

明珠湾智慧城市信息平台作为城市空间可视化平台，在GIS技术基础上，整合BIM技术实现实体明珠湾向数字明珠湾的实体映射，通过物联网技术实现实体明珠湾向数字明珠湾的物联感知映射，通过数字化的业务规则实现实体明珠湾向数字明珠湾的规律映射，最终形成动态可视化的城市空间模型，构建了明珠湾数字孪生城市的整体框架。

基于此智慧城市信息平台，明珠湾城市空间模型可实现明珠湾智慧化的规划与管理。通过在城市空间模型中进行规划设计、仿真模拟，实现数字明珠湾向实体明珠湾的信息反馈，以此指导实体明珠湾的城市设计、建筑设计和景观设计，实现明珠湾的规划设计更加合理、开发建设更加高效、运营服务更加便民利民。

1.2 城市数据管理与共享平台

近年来，政府部门开始了信息管理系统的建设工作，但由于缺少顶层设计，各信息系统独立开发、管理、使用。数据难以流通，重复建设率较高。各种业务数据最终成为信息孤岛。各部门协同工作时往往出现办事效率较低的情况，难免出现一些管理漏洞[7]。随着信息化时代的到来，数据种类及数量大幅增长，“信息孤岛”问题进一步加剧，如何有效利用资源，打破信息孤岛是智慧城市建设的一个难题。

明珠湾智慧城市信息平台作为城市数据管理与共享平台，体现了明珠湾在城市大数据分析挖掘方面的创新。为实现城市数据的汇聚融合，北京超图软件股份有限公司协同明珠湾管理局建设了一套具有明珠湾特色的标准规范与管理机制，包括数据整合建库标准规范、BIM数据交换标准规范、数据共享接口标准规范、仿真模拟规范、系统集成接口标准及数据共享交换办法。明珠湾辖区内的多源数据均需符合标准规范，保障平台的可用性与流动性。

基于一套统一的标准规范与管理机制，明珠湾管理局构建的时空大数据中心整合了城市的规划、设计、建设、管理全生命周期的信息资源，推动城市公共基础数据、业务数据汇聚于时空大数据中心。各部门依据制定的数据共享交换办法进行数据共享交换，实现信息资源在不同机构部门之间无障碍交流和共享，为城市的建设、管理、运营提供数据支撑和决策支撑。

2 业务应用建设

明珠湾智慧城市信息平台作为明珠湾智慧城市建设基础平台，实现了明珠湾管理局内外部系统的统一门户，完成了重要信息提取、统计和分析，辅助管理人员掌握明珠湾区内的建设现状和运营服务现状，共享了明珠湾区域的空间数据和实时数据，为明珠湾管理局实现城市的“规、建、管、宣”一体化管理提供了重要的技术载体。同时，从智慧城市长远发展的角度考虑，秉承明珠湾智慧城市信息平台“核心性、扩展性和可持续性”的特点，明珠湾管理局还构建了城市规划、城市运维和城市名片三个应用系统，支撑起明珠湾起区的城市规划建设、运营服务管理和招商宣传的城市全生命周期智慧化。

2.1 城市规划系统

中国已正式迈入“城市时代”，加快了社会经济发展的转型，但同时城市规划出现了许多不适应的情况；城市社会经济结构、城市发展方式及社会治理方式等方面都发生了翻天覆地的变化，城市规划也必须进行变革[8]。随着智慧城市的不断发展，城市规划也被赋予了新的生命力，如何通过智慧化手段实现城市的规划设计更加合理，也是智慧城市建设的重要环节。

明珠湾城市规划系统则是在明珠湾智慧城市信息平台基础上搭建的典型应用。以“GIS+BIM”为技术创新点，BIM模型数据精度高、对象复杂，明珠湾起步区建筑大多为高层建筑和复杂地下工程，涉及大量的BIM信息模型展示。出于性能需求考虑，GIS平台需采用结合LOD结构与实例化技术，解决BS端系统性能不足的问题。其中LOD技术通过场景展示，距离展示对应精度模型方式，降低显卡的渲染压力；通过实例化技术实现模型处理，能够极大提高显卡的渲染效率。同时，系统采用“云处理+端展示”的一体化技术方案集约高效、友好安全、实用有效实现BIM运维模型在Web端进行更简单浏览、分享及协作。

整个系统以建筑方案审查为主要落脚点，实现了从宏观到中观、微观的全方位应用，如图2所示。在宏观层面，系统将不同的概念方案放置于宏观场景，同时辅以天际线、可视域等分析功能，比较各概念方案在宏观场景下的视觉效果。在中观和微观层面，对不同设计方案进行KPI指标审查，通过三维立体的交互效果直观查看该方案的各项指标情况，例如，绿化率、容积率等指标是否满足设计要求，并可将审查结果实时上报，实现城市的管理者与设计者高效互动。

图2 宏观、中观、微观多层次辅助决策

明珠湾城市规划系统从宏观、中观、微观层面为明珠湾管理局提供规划设计辅助支撑，为明珠湾管理局审查地块开发单位提交的建筑方案提供辅助决策，提高了管理部门决策的科学性和时效性。

2.2 城市运维系统

明珠湾城市运维系统主要提高明珠湾管理局运营服务工作效率，共包括8个子模块，从基础设施资源管理、服务资源管理、施工工地围蔽、施工占道管理、无人机记录、运营服务集成和综合展示多个维度辅助城市管理工作。在占道施工方面，通过三维空间立体的交互效果，模拟各区域占道施工的场景及对周边道路的影响，为管理人员审批道路施工提供辅助依据。在运营服务方面，通过网格化管理手段，将城市空间进行无缝切分，实现权责到人，让每一个网格管理员都能清晰掌握管理和服务的城市区片范围，达到管理无死角的目的。同时，通过集成运营管理人员与车辆物联网信息，实现对管理辖区运营管养人员工作状态及工作成果的审核，为人员的绩效考核提供智慧化的管理手段。

城市运维系统运营了物联网，而物联网技术的主要核心技术是传感器、FRID和嵌入式系统技术。主要在平台数据感知层实现与重大工程的视频监控、大型设备监控、人员监控、劳务监控、环境监控等对接。通过对明珠湾辖区内的开发建设、城市运行情况以及辖区资源、服务情况的汇聚统计管理实现明珠湾运营服务的高效化、智慧化。

2.3 城市名片系统

如何做好城市宣传，提高城市知名度，也越来越成为各大城市发展建设的重要工作之一。明珠湾管理局构建了明珠湾城市名片系统，该系统是明珠湾对外宣传的窗口，整个系统以由大到小方式通过辐射图、地块高亮、弹出框等多种表现形式介绍明珠湾起步区的背景概况、区域优势、产业布局、建设理念和远期规划等内容，让公众直观、快捷地了解明珠湾区的城市背景及发展历程，辅助管理部门做好百姓置业、产业导入的工作。

该系统同样基于明珠湾智慧城市信息平台建设，城市的三维模型会随着平台的更新同步更新变化。整个系统采用了WebGL三维技术路线，用户只需打开浏览器即可直接访问使用，不需额外安装任何软件与插件。该系统随着明珠湾城市建设的不断完善，城市的业务信息也会同步更新，为人们展示一个动态变化的城市。

3 积累城市业务数据

明珠湾管理局通过明珠湾智慧城市信息平台建设，完成了智慧城市基础框架的搭建，构建了明珠湾数字孪生城市，实现了数据的集成与共享，打破了数据孤岛，为未来明珠湾智慧城市建设提供了数据基底，同时也为明珠湾积累了宝贵的城市数据资产。3个业务应用建设实现了明珠湾城市规划设计的科学化，城市服务和运营的精细化以及城市宣传的可视化，基于明珠湾数字孪生城市实现了对明珠湾规划设计、建设管理、运营服务、招商宣传的全流程一体化闭环管理。同时，通过不断积累城市业务数据，不断壮大时空大数据中心，为明珠湾智慧城市信息平台大数据分析与挖掘提供了有力支撑。明珠湾智慧城市信息平台也被中国互联网协会数字孪生技术应用工作委员会评为2021年数字孪生城市潜力案例。

4 未来展望

未来，明珠湾管理局将扩大数字孪生城市建设规模，挖掘数字资产价值，深化业务应用，从规范标准、统一数据、夯实平台、创新功能和推广应用等方面不断设定新目标，建设更加智慧的“明珠未来”，助力明珠湾成为粤港澳大湾区的数字孪生智慧城市建设运营引领者。