數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中的方法論及其應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中的方法論及其應(yīng)用摘要近年來(lái)城市化的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了很多便利，但同時(shí)城市問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。2020年新冠疫情的爆發(fā)更突出了城市管理中的問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)給這些問(wèn)題帶來(lái)了可用的解決方案。本文將介紹數(shù)字孿生技術(shù)的起源和當(dāng)前趨勢(shì)，提出數(shù)字孿生技術(shù)的三種模型的介紹和對(duì)比，同時(shí)列舉數(shù)字孿生技術(shù)在交通場(chǎng)景、安全預(yù)警場(chǎng)景和城市規(guī)劃場(chǎng)景的應(yīng)用并給出結(jié)語(yǔ)。關(guān)鍵字?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)智慧城市城市化數(shù)字孿生應(yīng)用引言近年來(lái)，城市化的發(fā)展一直是人類社會(huì)的焦點(diǎn)話題。作為人口載體的城市給人民的生活帶來(lái)了極大的便利。但與此同時(shí)，城市化發(fā)展也帶來(lái)了許多問(wèn)題。城市化的迅速發(fā)展以及不合理的規(guī)劃等，導(dǎo)致了城市人口劇增，資源短缺，環(huán)境污染，交通擁堵等典型的城市問(wèn)題[1]。2020年以來(lái)，由于全球新型冠狀病毒的爆發(fā)，也突出了當(dāng)前城市對(duì)于人口流動(dòng)、信息互聯(lián)互通等方面管理運(yùn)營(yíng)的不足。傳統(tǒng)上對(duì)于城市的管理是被動(dòng)的，通過(guò)對(duì)城市實(shí)體中已經(jīng)發(fā)生的事件進(jìn)行收集和處理來(lái)管理。而隨著新一代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如第五代通信技術(shù)，云計(jì)算，邊緣計(jì)算等，信息化的發(fā)展也開始了新的進(jìn)程[2]?？萍嫉陌l(fā)展也帶來(lái)了新的解決方法，對(duì)城市的主動(dòng)化管理也成為了可能。數(shù)字孿生的概念來(lái)源于美國(guó)密歇根大學(xué)，“實(shí)體產(chǎn)品”，“虛擬產(chǎn)品”及“兩者之間連接”的三維模型由Grieves教授于2003年提出[3]。2011年，NASA提出數(shù)字孿生為一個(gè)可以利用實(shí)體模型、通過(guò)傳感器以及歷史數(shù)據(jù)來(lái)反映于之對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體的當(dāng)前狀態(tài)，演變趨勢(shì)和功能等的仿真模型[3]。如今，數(shù)字孿生技術(shù)的概念依然有多種形式，陶飛等人定義為以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[3]。英國(guó)CDBB對(duì)數(shù)字孿生的定義為對(duì)于自然環(huán)境或建筑的資產(chǎn)，過(guò)程和系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)數(shù)字表現(xiàn)體[4]。放眼全球，諸多國(guó)家已經(jīng)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)提出了國(guó)家級(jí)的戰(zhàn)略政策。中國(guó)發(fā)布《國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出加快數(shù)字化發(fā)展，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市[1]，英國(guó)的數(shù)字化建設(shè)英國(guó)中心提出《數(shù)字孿生原則》用于指導(dǎo)建設(shè)國(guó)家級(jí)數(shù)字孿生體系建設(shè)和其所形成的信息管理框架。新加坡也搭建了‘虛擬新加坡’的平臺(tái)，用于對(duì)城市中部分服務(wù)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字化的討論[5]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)省發(fā)布了未來(lái)幾年數(shù)字孿生發(fā)展規(guī)劃，各研究院也將其作為重點(diǎn)的研究方向之一。隨著GIS、BIM、CIM等平臺(tái)技術(shù)的打造和落地應(yīng)用，數(shù)字孿生城市正在成為人類社會(huì)研究的重點(diǎn)方向。對(duì)于城市問(wèn)題的下一步解決，數(shù)字孿生城市也將起重要作用。然而，由于數(shù)字孿生城市所包含的學(xué)科交叉、建設(shè)理念過(guò)于復(fù)雜，不同領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用構(gòu)架有不同的角度和側(cè)重點(diǎn)，因此如何量化或簡(jiǎn)化數(shù)字孿生技術(shù)的模型極為重要。本文將對(duì)首先對(duì)數(shù)字孿生的模型方法論進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，最后得出結(jié)語(yǔ)。數(shù)字孿生技術(shù)方法論數(shù)字孿生城市五維模型一直以來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)以2003年提出的三維模型為指導(dǎo)基準(zhǔn)。新技術(shù)和新需求的出現(xiàn)也使得數(shù)字孿生技術(shù)三維模型的指導(dǎo)意義變得模糊。為應(yīng)對(duì)新技術(shù)的革新并方便項(xiàng)目落地的實(shí)現(xiàn)，陶飛等人結(jié)合當(dāng)前的需求提出了數(shù)字孿生技術(shù)的五維模型[6]。五維模型可以根據(jù)下式給出：式中，PE和VE與三維模型中的對(duì)應(yīng)，分別代表實(shí)體模型和虛擬模型，Ss代表服務(wù)，DD代表模型中的數(shù)據(jù)，CN則為前面幾個(gè)參數(shù)的連接。五維模型將原三維模型中的‘兩者之間的聯(lián)系’拆分成數(shù)據(jù)，服務(wù)和連接。模型中，PE也有具有子量化結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)體中不同的功能結(jié)構(gòu)耦合成總體PE，VE則通過(guò)幾何，物理，行為參數(shù)的構(gòu)建，并指定規(guī)則模型構(gòu)成對(duì)虛擬實(shí)體的描述。Ss服務(wù)主要面向兩個(gè)方向，作為工具包支撐業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的功能性服務(wù)和面向業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)模型于用戶交互的業(yè)務(wù)性服務(wù)。DD數(shù)據(jù)除了模型所包含的靜態(tài)數(shù)據(jù)，和模型的運(yùn)行數(shù)外，還有通過(guò)于模型交互衍生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。CN連接體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心，以其他三個(gè)模型參數(shù)為頂點(diǎn)的三角形中，相互的數(shù)據(jù)流動(dòng)和協(xié)議規(guī)范。用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)處理及指令的傳輸。映射到數(shù)字孿生城市，PE代表為物理城市，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)構(gòu)建PE，數(shù)字化模型為VE，城市大數(shù)據(jù)作為DD包含各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，虛實(shí)交互作為CN參與其中，將物理事件擴(kuò)充到虛擬實(shí)體，也將虛擬決策融合到物理實(shí)體上。智能服務(wù)用于通過(guò)虛擬實(shí)體對(duì)物理實(shí)體的指引，也參與對(duì)城市人口的服務(wù)?；诔鞘邢到y(tǒng)論的數(shù)字孿生城市框架周瑜等人通過(guò)劉春成提出的城市系統(tǒng)論，對(duì)復(fù)雜的數(shù)字孿生城市系統(tǒng)進(jìn)行了分析[7]。該系統(tǒng)論的基本分析框架為：主體+圍繞主體的4個(gè)特性+3種機(jī)制。該模型中，適應(yīng)性的城市主體為城市中的人和與人的活動(dòng)緊密相關(guān)的物質(zhì)載體[8]，聚集為第一個(gè)圍繞主體的特性，即聚集的概念為由人為小小的主體，聚集為家庭、團(tuán)體，再聚集為組織，城市等的特性。要素流為圍繞主體的第二個(gè)特性。而在信息化如此發(fā)達(dá)的今天，要素流可以理解為信息的傳遞和回應(yīng)。數(shù)字孿生城市部件體現(xiàn)并不是相互獨(dú)立的，非線性是圍繞數(shù)字孿生城市的第三個(gè)特性，但在短時(shí)間內(nèi)，仍然可以使用線性的模型來(lái)對(duì)城市進(jìn)行模擬，以追尋潛在的短期規(guī)律。由于城市系統(tǒng)不斷在適應(yīng)，社會(huì)個(gè)體也由于環(huán)境有不同的發(fā)展，多樣性為城市系統(tǒng)的第四個(gè)特性。城市系統(tǒng)的三個(gè)機(jī)制為：標(biāo)識(shí)，內(nèi)部模型和積木塊。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)技術(shù)來(lái)對(duì)不同的主體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，成為模型中的重要機(jī)制。內(nèi)部模型可以理解為一個(gè)主體狀態(tài)的波動(dòng)范圍或者概率推算。積木塊為該模型中很重要的概念，即從不同的角度出發(fā)，可以將主體系統(tǒng)拆分為可用于分析的各子系統(tǒng)，其要點(diǎn)為各個(gè)子系統(tǒng)有共同的主體[8]。該模型框架從社會(huì)學(xué)的角度提出了數(shù)字孿生城市的建設(shè)思路，并給出了自己的觀點(diǎn)。T-cell模型T-cell是由Raes.L等人提出的數(shù)字孿生框架，可以作為一個(gè)容器來(lái)裝載模型，數(shù)據(jù)和模擬。通過(guò)對(duì)不同時(shí)期靜態(tài)和動(dòng)態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互，該框架可以為決策著提供容易理解的決策建議和洞察力[9]。該體系將數(shù)字孿生城市系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：中心節(jié)點(diǎn)為T-cell的緩存模塊，提供數(shù)據(jù)目錄和知識(shí)圖譜用來(lái)管理數(shù)據(jù)源，管理客戶端，模型，可視化和交互客戶端和模型。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度看，就是中心模塊為一個(gè)消息管理、認(rèn)證、推流的實(shí)體和數(shù)據(jù)代理模塊，該模塊通過(guò)其他模塊（數(shù)據(jù)管理模塊、模型服務(wù)模塊、城市數(shù)據(jù)模塊（物聯(lián)網(wǎng)）、管理模塊（配置、準(zhǔn)入等功能）、可視化交互模塊）的API來(lái)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的交互和管理。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于數(shù)據(jù)管理寄存器，該模塊必須可以處理不可交互的數(shù)據(jù)并映射到規(guī)范化的數(shù)據(jù)目錄中。高效的搜索方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)起關(guān)鍵作用，因此需要對(duì)元數(shù)據(jù)的格式科學(xué)規(guī)范，尤其是多級(jí)元數(shù)據(jù)[9]。該模型已經(jīng)在雅典進(jìn)行三個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)（交通、環(huán)境和健康模塊）。其中健康模塊由環(huán)境噪音大小來(lái)進(jìn)行量化。三種模型的對(duì)比數(shù)字孿生技術(shù)的五維模型為一個(gè)相對(duì)普適的模型概念，在構(gòu)建前期對(duì)建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了分塊，明確每一個(gè)部件的建設(shè)內(nèi)容和功能,但僅僅作為模型的前期構(gòu)建指導(dǎo)。而城市系統(tǒng)論的數(shù)字孿生城市框架則更多的從城市系統(tǒng)論上影響數(shù)字孿生城市的建設(shè)，從遵循城市系統(tǒng)自身的特征考慮建設(shè)，幫助構(gòu)架者真實(shí)的城市有機(jī)體的視角考慮體系搭建所面臨的問(wèn)題。T-cell模型從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度把問(wèn)題拆分成幾個(gè)具體的中心和模塊，給出模塊間相互通信的解決方法，在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定的指導(dǎo)意義。周瑜等人提出數(shù)字孿生城市并不是一次性工程，而需要在一次次迭代中不斷學(xué)習(xí)進(jìn)化[8]。這一點(diǎn)在T-cell模型在雅典數(shù)字孿生城市的建設(shè)中有所體現(xiàn)，T-cell模型提出的對(duì)于物理模型建設(shè)虛擬實(shí)體的顆粒度問(wèn)題，同樣在城市系統(tǒng)論的數(shù)字孿生城市框架中有所提及。三種模型的提出有相對(duì)獨(dú)立的出發(fā)角度，也在思考的過(guò)程中有所重合。數(shù)字孿生城市的應(yīng)用場(chǎng)景交通場(chǎng)景應(yīng)用交通系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，人們每天都要參與交通。但人車混流、機(jī)動(dòng)車占道以及車輛龜速行駛等問(wèn)題仍然困擾著我國(guó)的交通系統(tǒng)[10]。我國(guó)交通系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)比較突出，借助現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)可以構(gòu)建數(shù)字孿生的道路系統(tǒng)。通過(guò)孿生的道路系統(tǒng)，可以通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控城市道路中的突發(fā)事件，做出合理的宏觀調(diào)控，來(lái)優(yōu)化道路的利用效率并提升城市的運(yùn)行效率。此外，在不同的日期或時(shí)間段，可以通過(guò)不同的車流量負(fù)載來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)燈的時(shí)常，平均道路的車流負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擁堵等道路問(wèn)題的提前解決和規(guī)劃。在構(gòu)建的孿生系統(tǒng)平臺(tái)中，通過(guò)調(diào)節(jié)交通系統(tǒng)中的參數(shù)，仿真運(yùn)行道路交通的情況，結(jié)合專業(yè)的交通學(xué)知識(shí)優(yōu)化交通參數(shù)，提高交通系統(tǒng)的表現(xiàn)水平。而在無(wú)人駕駛方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)將發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字孿生道路中進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬可以避免無(wú)人駕駛在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的意外事件。安全預(yù)警場(chǎng)景應(yīng)用城市中各種系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，各不同系統(tǒng)中的出現(xiàn)的突發(fā)事件將嚴(yán)重影響城市的運(yùn)行。如火災(zāi)，燃?xì)庑孤╇妴?wèn)題等。傳統(tǒng)上對(duì)于這些事件是通過(guò)人工通知的方式進(jìn)行信息的傳遞，這種方式效率低下，并且對(duì)于事件的反饋并不準(zhǔn)確。因此，對(duì)于安全事件的預(yù)警和及時(shí)反映是當(dāng)前研究的重要方向。通過(guò)傳感器等前端設(shè)備構(gòu)建的數(shù)字孿生平臺(tái)可以很好的對(duì)突發(fā)事件做出及時(shí)的判斷。通過(guò)傳感器的感應(yīng)和相關(guān)專業(yè)的計(jì)算，孿生平臺(tái)可以給出安全事件發(fā)生的具體地點(diǎn)和其他詳細(xì)信息。同時(shí)，借助人工智能等技術(shù)，可以在孿生系統(tǒng)中演練突發(fā)安全事件的狀況，調(diào)節(jié)事件的處理方式，優(yōu)化事件的響應(yīng)和事件的處理流程，也可以安排演練突發(fā)事件的人員撤離路徑等，在低成本的環(huán)境中做出最優(yōu)的決策。城市規(guī)劃場(chǎng)景應(yīng)用城市化的發(fā)展需要良好的城市規(guī)劃，而由于不合理的城市規(guī)劃所導(dǎo)致的各種城市問(wèn)題依然顯著存在。數(shù)字孿生技術(shù)可以使現(xiàn)實(shí)中成本比較高，很難通過(guò)短期的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的東西在虛擬實(shí)體中快速，低成本，多次的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[11]。這種以虛擬平臺(tái)進(jìn)行多種方案的模型建設(shè)，并用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中建設(shè)的方式，可以對(duì)城市的規(guī)劃進(jìn)行推演。CIM平臺(tái)的建設(shè)與BIM技術(shù)的融合，以及物聯(lián)網(wǎng)所提供的數(shù)據(jù)可以很好的還原現(xiàn)實(shí)中的城市系統(tǒng)。雄安新區(qū)的建設(shè)中，通過(guò)設(shè)置空間上和事件上的閾值，可以判斷城市在發(fā)展中是否與規(guī)劃的目標(biāo)有所差別[12]。因此，在城市規(guī)劃的應(yīng)用中，需要記錄全周期的建設(shè)階段，并在建設(shè)完成后進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。而對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，需要在全時(shí)空的維度上記錄全要素[12]。通過(guò)建設(shè)數(shù)字孿生城市平臺(tái)，可以提升城市的感知能力和決策能力，也給未來(lái)的規(guī)劃發(fā)展帶來(lái)更寬廣的視野。結(jié)語(yǔ)本文對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展、研究現(xiàn)狀和重要性做了簡(jiǎn)單的概述，從三種不同的角度對(duì)數(shù)字孿生城市的模型框架做了簡(jiǎn)單的對(duì)比，并列舉了數(shù)字孿生城市的幾個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的可視化平臺(tái)，而是一個(gè)對(duì)于城市有機(jī)體的綜合運(yùn)營(yíng)和管理。正如3GPP2機(jī)構(gòu)在5G的全球應(yīng)用建設(shè)中所取得的成果一樣，隨著數(shù)字孿生模型的逐漸成熟，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用也會(huì)更加規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。目前，在數(shù)字孿生城市技術(shù)的應(yīng)用方面，仍然以3D建模等單系統(tǒng)的應(yīng)用比較多，而多系統(tǒng)融合的應(yīng)用案例比較少。此外，在技術(shù)還原物理實(shí)體方面，還原的顆粒度大小并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)意見。這兩個(gè)方面將極大的影響數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與落地應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的安全性，個(gè)人信息脫敏等問(wèn)題也需要投入足夠的考慮。通過(guò)結(jié)合人工智能，云計(jì)算，邊緣計(jì)算等技術(shù)，數(shù)字孿生城市依然是解決當(dāng)前城市問(wèn)題的首要考慮途徑。參考胡堅(jiān)波.關(guān)于城市大腦未來(lái)形態(tài)的思考[J].學(xué)術(shù)前沿(9):8.QiQ,ZhaoD,LiaoTW,etal.ModelingofCyber-PhysicalSystemsandDigitalTwinBasedonEdgeComputing,FogComputingandCloudComputingTowardsSmartManufacturing[C]//2018.陶飛,劉蔚然,劉檢華,etal.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2018,24(01):4-21.CenterforDigitalBuiltBritain.TheGeminiPrinciples.中國(guó)信息通信研究院.數(shù)字孿生城市白皮書，2020陶飛，劉蔚然，張萌，etal.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2019,v.25;No.249(01):5-22.劉春成.城市隱秩序:復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的城市應(yīng)用[J].經(jīng)濟(jì)學(xué)動(dòng)態(tài),2017(04):163.周瑜,劉春成.雄安新區(qū)建設(shè)數(shù)字孿生城市的邏輯與創(chuàng)新[J].城市發(fā)展研究,2018,25(10):66-73.RaesL,MichielsP,AdolphiT,etal.DUET