建設數字孿生城市的邏輯與創新思考
張新長1，李少英1，周啟鳴2，孫穎1
（1。廣州大學地理科學與遙感學院， 廣州 510006；
2。香港浸會大學地理系，香港 046000）
摘
要：
介紹了數字孿生城市的提出背景以及基本概念，分析了數字孿生城市與智慧城市之間的關係，並介紹了構建數字孿生城市的主要支撐技術，最後總結了數字孿生城市的應用現狀及發展趨勢。作者認為，數字孿生技術要在智慧城市建設中得以更廣泛的應用還將面臨資料、基礎知識庫、系統融合以及人才問題等方面的挑戰，並從宏觀與微觀層面提出解決這些問題的制度路徑和技術路徑。
0 引言
數字孿生是指充分運用物理模型、感測器、運作歷史等資料，整合多學科、多物理量、多尺度、多機率的模擬模擬全過程，在虛擬空間中完成對映，進而反映相對應實體裝置的生命週期全過程。數字孿生最早是由美國國防部提出來的技術，用於航空航天飛行器維護保障。其過程主要是在數字空間建立真實飛機的模型，再透過感測器實時感知飛機的狀態，及時分析和評估該飛機是否需要維修、能否承受下次的任務載荷等（圖1）。
數字孿生城市便起源於工業領域的數字孿生。數字孿生中的“孿生”，一個指真實的物理實體，一個是虛擬的數字模型。例如物理世界的飛行器對應虛擬世界的數字模型，該模型是數字孿生飛行器；若將飛行器替換成一個城市，那麼物理世界的城市對應虛擬世界的數字模型便是數字孿生城市。利用數字孿生技術，將現實世界的物理體、系統及其流程等複製到賽博空間，形成一個“克隆體”，兩者最終構成一個“數字雙胞胎”，並將該技術應用到智慧城市建設中，就形成了我們所說的數字孿生智慧城市。李德仁院士提出，數字孿生城市是在建築資訊模型和城市三維地理資訊系統的基礎上，利用物聯網技術把物理城市的人、物、事件和水、電、氣等所有要素進行數字化，然後在網路空間上構造一個與之完全對應的“虛擬城市”，形成物理維度上的實體城市和資訊維度上的數字城市同生共存、虛實交融的局面。研究數字孿生城市的創新建設具有重要的理論價值和應用價值。本文擬從數字孿生城市建設的主要支撐技術、應用現狀及發展趨勢幾個方面展開討論，並對建設過程中存在的問題提出相關建議。
圖1 數字孿生在航空航天中的應用示意圖
1從數字城市到智慧城市到數字孿生城市
隨著大資料時代的到來以及網際網路、雲計算、物聯網、人工智慧技術等新一代先進資訊科技的發展，近年來陸續誕生了數字城市、智慧城市以及數字孿生城市等各種“新型城市”概念。數字城市是隨著1998年美國前副總統阿爾。戈爾提出“數字地球”之後而產生的概念。數字地球是一個三維的資訊化地球模型，其核心思想是透過數字化的手段對地球上的自然、人文和社會等資訊進行數字化、網路化、智慧化和視覺化，以支撐社會的可持續發展決策。而數字城市則是指透過空間資訊科技、虛擬現實技術、資料庫管理技術以及計算機網路技術，數字化、網路化技術，對城市中的地理資源、生態資源、人文社會等各種資訊進行數字化，形成綜合資料庫和城市虛擬服務平臺等。數字城市也就是把現實世界中的城市變為計算機中的城市，從而指導城市的規劃、管理和建設以及居民的日常生活。
智慧城市起源於“智慧地球”的概念，是“智慧地球”的重要組成部分。2008年，國際商業機器公司 IBM 提出智慧城市的新理念，2009年奧巴馬就任美國總統之後，與美國的工商業領袖舉行了一場“圓桌會議”。在這個會議中， IBM執行長彭明盛建議新的美國政府可以去投資新一代的智慧基礎設施，以打破當時的金融危機。“智慧地球”的主要理念是將透過物聯網和雲計算等技術結合，實現數字地球與人類物理系統的整合，從而使地球達到“智慧”的狀態。2010年，IBM正式提出 “智慧城市”建設的願景，隨後便掀起了智慧城市建設的熱潮。智慧城市建設過程中涉及眾多技術，總結起來可以理解為：數字城市+物聯網+雲計算+人工智慧。物聯網透過感測器讓萬物互聯，我們在網上可以獲取實時的資料並將其傳到雲端，透過雲計算技術可對獲取的資料進行儲存、分析、控制、反饋等，進而透過人工智慧技術對資料隱含的規則、知識進行挖掘。透過綜合運用這些先進的技術，讓計算機如同人腦一樣擁有“智慧”，打造人性化的智慧城市，應用於城市的各方各面，形成智慧政務、智慧交通、智慧醫療、智慧園區等等。
在我國，“數字孿生城市”的概念最早是由中國資訊通訊研究院的研究人員提出，相關的概念和要求在2018年被寫入《河北雄安新區規劃綱要》。數字孿生城市實際上就是將工業領域所用的“數字孿生”概念運用到整個城市的治理中。數字孿生城市利用各類先進技術，使得物理世界的動態資訊能夠透過感測器被實時地、精準地反饋到數字世界中，使得數字孿生城市具有實時性以及保真性。利用數字化、網路化技術，實現城市的由實入虛，再利用網路化、智慧化技術，實現城市的由虛入實，透過利用物理城市和數字孿生城市之間不斷的虛實互動、持續迭代，最終實現物理世界的最佳有序執行狀態。由此看出，數字孿生城市還具有互操作性、可拓展性以及閉環性。數字孿生城市將推動新型智慧城市建設，在資訊空間上構建的虛擬城市映像與現實中物理城市空間相互疊加，將有利於完善城市基礎設施，改變城市面貌，形成虛實相映、孿生互動的城市發展新形態。
從各種“新型城市”的發展歷程看（圖2），從數字城市到智慧城市，再到數字孿生城市，是一個進階的過程。李德仁院士對數字城市、智慧城市以及數字孿生城市之間的關係進行了高度總結。他認為，數字孿生城市是數字城市的目標，也是智慧城市建設的新高度，數字孿生賦予城市實現智慧化的重要設施和基礎能力，將引領智慧城市進入新的發展階段。
圖2 “新型城市”的發展歷程
2 數字孿生城市的主要支撐技術
數字孿生城市是基於3S空間資訊科技，物聯網技術，人工智慧技術，三維模型，建築資訊模型（BIM）以及城市智慧模型（CIM）等多種技術構建起來的新型智慧城市（圖3）。數字孿生城市需要透過這些技術來建立一個虛擬的智慧城市，進而對城市中各個要素（比如建築、交通、能源、醫療等）進行監測、模擬模擬、分析和預測等，從而提出符合智慧城市建設的規劃以及智慧城市應用的各種解決方案。如果將數字孿生城市比喻為人類生命體，則這個生命體可以透過3S空間資訊科技獲取的城市自然、人文、生態等基底模型作為骨架。利用三維建模技術、BIM和CIM等技術，可以將城市的實體建築數字化成計算機上的建築，生成生命體的血肉。進而透過物聯網感知技術生成神經網路，最後結合人工智慧技術，塑造成一個成熟的大腦，最終將城市真正打造成一個可感知，可判斷，快速反應，會學習的城市生命體。因此，數字孿生城市的實現需要3S空間資訊科技、三維建模技術、物聯標識感知技術以及人工智慧與深度學習等支撐技術。以下就這4大類支撐技術分別進行介紹。
圖3 數字孿生城市構建需要的支撐技術
2。1 3S空間資訊科技
數字孿生城市的建設離不開城市內部的資訊化，3S（RS、GIS、GNSS）空間資訊科技為城市資訊化提供了有效手段。數字城市是以城市資訊基礎設施為支撐，採用3S技術及計算機技術將城市“自然”“社會”“經濟”等城市資訊視覺化到計算機中，並利用技術和手段在計算機中實現對城市的規劃、建設和管理。可以將數字城市理解成一個城市資訊管理平臺和體系。數字孿生城市是數字城市的目標，在數字孿生城市建設中，我們同樣需要藉助3S技術來實現城市資訊化，例如利用遙感技術RS技術來採集遙感資料，利用全球導航衛星系統GNSS採集城市實景、社會軌跡等資料，再利用地理資訊系統GIS等技術來對這些資料進行整合和分析等。我們不僅要資訊化地球表層的自然、生態等要素，還要測量和感知城市的人文、經濟資訊，同時還需要管理和分析這些城市資訊的有效技術手段。隨著技術進步，現在已經發明瞭許多有效的感測器，為獲取城市的人文、經濟資訊提供了有效的手段，但針對如何挖掘和分析社會感測網的資訊，我們還需要做大量的研究工作。3S空間資訊科技為數字孿生城市建設所需的自然、人文、生態等資訊的挖掘和分析提供了有效的技術支援，是數字孿生城市建設必不可缺的技術之一。
2。2 三維建模技術
傳統的智慧城市建設在空間規劃上已經實現系統化管理，海量二維GIS資料以及瓦片式地形景觀資料的高效組織管理技術已經相對成熟，促進了虛擬地球的應用服務，但二維平面遠達不到智慧城市智慧化建設的要求。三維空間的有效感知與實景視覺化日益成為城市建設管理的重要問題，也是數字孿生城市建設的關鍵內容。三維GIS技術可實現城市實景視覺化，為城市三維實景提供了有效的技術支撐。與傳統的二維GIS平臺相比，三維GIS平臺視覺化最突出的特徵是具有更強的真實感， 這種真實感一方面源自於逼真的模型，另一方面也得益於高效的人機互動體驗。同時三維實景建模的過程中，還可以透過“影像+模型”的方式，使得計算機中的城市實景資訊更加精細和豐富，更便於去實現對目標的實景視覺化查詢以及對數字孿生城市進行更智慧的規劃管理，其中所用的影像主要是由無人機航測、鐳射雷達、傾斜攝影等新一代測繪資訊科技方法來獲取。
隨著三維GIS在設施規劃設計、建設與執行維護等全生命週期中的深化應用，三維CAD模型、三維建築資訊模型（building information modeling，BIM）與三維GIS模型的整合與融合成為新的前沿技術，其中三維建築資訊模型（BIM）也是數字孿生城市建設的關鍵技術之一。BIM的概念是多重的，既可以指建設專案 （及其中的設施和功能特性） 的數字化模型， 又可以指透過建立和利用數字模型在設計—施工—運營的全生命週期內進行協同工作和整合管理的過程。BIM是具有豐富且智慧建築資訊的資料儲存庫，使用面向物件的方法來描述每個建築的特徵（語義和幾何形狀）、行為及其關係，可以在交通、水利、市政、電力、裝飾等多方面滲透，具有視覺化、協調性、模擬性、最佳化性、可出圖性這5個特點，可以幫助實現建築的全生命週期的資訊管理，貢獻於智慧城市的可持續發展。資訊化建設是智慧城市建設重要的一環，BIM技術的全開放資料視覺化、開放共享性恰為智慧城市的吻合點，為綠色建築、智慧城市的應用等創造了有利的條件。
城市不僅有建築，還有基礎設施和地理資訊，把這三者模型化疊加起來就是城市資訊模型（City Information Modeling，CIM）。CIM是城市的全要素資訊模型，包括對地上（城市建築及基礎設施）、地表（交通、能源、資源等）、地下（如地下管廊）的城市各類資源進行語義定義，能對二、三維資料、BIM資料，高效管理、釋出與視覺化分析。與BIM概念相對應，CIM就是將作用物件從單個建築物或專案群擴大到整個城市，是對城市各要素及其時間、空間資訊的數字化表達。CIM的關鍵技術是建立一個集設計、計算、管理、評估於一體的平臺，其重點和難點就在於城市資訊資料的融合，而利用BIM+GIS將有助於這個平臺的搭建，使得整合BIM與GIS建立CIM成為當下數字孿生城市建設中一個重要的趨勢。CIM是智慧城市以及數字孿生城市建設的重要模型基礎，需完成貫穿城市的全生命週期的全要素迭代，以推進數字孿生城市的建設和發展。
2。3 物聯感知技術
物聯網（Internet of things ， IoT）的定義是：透過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、鐳射掃描器等資訊感測裝置， 按約定的協議， 把任何物品與網際網路連線起來， 進行資訊交換和通訊， 以實現智慧化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網路。物聯網可以利用網際網路來提供和訪問所有真實世界物體的資訊，是感知城市資訊的主要技術手段。構成城市運作的基本要素包括物流、製造、電網、交通、環保、市政、商業活動、醫療等，物聯網技術透過各種資訊感測裝置及系統，將物與物、人與物、人與人連線起來，構成一個智慧化的城市資訊網路。依託物聯網技術，可以實現對城市各種資訊的全面感知和度量、泛在接入和互聯，讓計算機可實時“讀寫”真實城市，使各物件可以透過網路與其他物件進行通訊、互動和遠端監控等聯絡。通俗的講，物聯網就像是智慧城市的神經網路，使城市具有快速反應、最佳化調控以及智慧感知的能力，有利於實現城市各領域的智慧化建設。
2。4 人工智慧與深度學習技術
人工智慧（artificial intelligence，AI）是指製造能像人類一樣思考、甚至超越人類思考能力的機器，數字孿生城市中的人工智慧技術就如同城市的大腦，賦予城市思考、學習、分析和判斷等各方面的能力。隨著技術的進步與成熟，人工智慧產品不斷擴充，型別不斷豐富，智慧計算的場景也越來越多樣化，所產生的海量資料使得智慧城市對智慧計算的需求也越來越大，人工智慧技術成為數字孿生城市構建過程中必不可缺的技術之一。人工智慧技術在數字孿生城市中發揮的作用一方面是利用人工智慧演算法，可以建立物件模擬、智慧模擬、分佈互動模擬、虛擬現實模擬等模型，實現對城市執行態勢的推演以及對不同環境背景和決策下的城市發展情景模擬，以供城市規劃和管理決策參考；另一方面，利用人工智慧技術和深度學習技術，可以從海量實時資料中進行自主實習，從而實現自動決策以及對物理世界的反向智慧控制，以推動城市自主學習和智慧成長。
3 數字孿生城市現狀及發展趨勢
數字孿生作為推動實現企業數字化轉型、促進數字經濟發展的重要抓手，已具備普遍適應的理論技術體系，並在產品設計製造、工程建設和其他學科分析等領域有較為深入的應用。在當前我國各產業領域強調技術自主和數字安全的發展階段，數字孿生本身具有的高效決策、深度分析等特點，將有力推動數字產業化和產業數字化程序，加快實現數字經濟的國家戰略。
作為數字經濟當中一項關鍵技術和高效能工具，數字孿生可以有效發揮其在模型設計、資料採集、分析預測、模擬模擬等方面的作用，助力推進產業數字化，促進數字經濟與實體經濟融合發展。從發展態勢來看它不僅是全新資訊科技發展的新焦點，也是各國實現數字化轉型的新抓手，還是眾多企業業務佈局的新方向。
隨著物聯網、大資料、人工智慧等新一代資訊科技的發展，在模擬、新資料來源、互操作性、視覺化、儀器、平臺等多個方面的共同推動下，數字孿生及相關係統實現了快速發展，數字孿生城市的落地實施也逐漸成為可能。當前，數字孿生技術在國內的有許多的應用場景，如智慧園區、智慧政府、智慧學校等，又或者是某領域的應用，如智慧醫療、智慧電網、智慧交通、智慧物流等（圖4）。2020年成為數字孿生技術應用的元年，相信很快，隨著人工智慧+三維數字化自動建模等技術的研發與應用，數字孿生的實現效率將大大提高，進而實現智慧城市視覺化作業系統，並賦能產業網際網路由2D內容升級到3D，及至未來4D實景的提升，賦予人類視覺從2D到4D數字萬物的跨越。
圖4 數字孿生城市的應用場景示意圖
4 結束語
當前，數字孿生的行業應用層出不窮。然而，數字孿生的大規模應用場景還比較有限，涉及的行業也有待繼續拓展。尤其，數字孿生技術要在智慧城市建設中得以更廣泛的應用，還將面臨資料、基礎知識庫、系統融合以及人才等方面的挑戰。
1
）資料方面。
資料是數字孿生城市建設的關鍵，現階段數字孿生城市建設在資料方面主要面臨以下幾個方面的挑戰：1。 資料的採集能力參差不齊，底層關鍵資料無法得到有效感知；2。多維度、多尺度資料採集不一致；3。資料傳輸的穩定性不足；4。受多源資料獲取方式的影響，資料的準確性難以保障；5。海量資料的儲存與協同計算能力欠缺；6。通訊介面協議及相關資料標準不統一；7。資料的分享與開放機制不完善；8。多源異構多模資料較難實現整合、融合和統一；9。 資料管理、資料儲存方面可能存在安全隱患。
2
）基礎知識庫問題
。在系統層級方面，存在著數字化、標準化、平臺化的缺失，主要體現在各層級的自身基礎知識庫匱乏，現有層級之間的基礎知識庫互聯互通障礙以及基礎知識庫的整體架構不完善；在生命週期方面，存在著結構化、傳承性、規劃性缺失的問題；在價值鏈方面，則存在著現有應用價值不足、相容性差、盈利模式不明等問題。
3）
多系統融合問題。
數字孿生是一個多維繫統的融合，在資料、模型和互動各環節均涉及融合應用，而目前無論是資料採集、資料傳輸、模型構建還是互動協同的環節，與數字孿生構架均未深度結合。
4
）人才問題。
現階段數字孿生核心軟體技術仍由國外人才主導，國內市場缺少數字孿生標準化研究相關的專業人才。
要解決以上問題，需要從兩個層面上著手。首先，宏觀層面上，需要從以下幾個方向努力：加強數字孿生標準化頂層設計與統籌推進機制；加強重點領域標準研製和應用示範；探索數字孿生產業資料模型共享機制等；以推出優質培訓課程等方式加強數字孿生優秀平臺或產品的展示與推廣；加強數字孿生產業開放與交流平臺建設，促進產學研協同創新，讓需求和技術得以落地；加強數字孿生相關人才培養，尤其加強培養具備數字孿生與其他領域知識儲備的交叉複合型人才。其次，微觀層面，需要針對數字孿生城市涉及的關鍵技術的研究加大力量，具體包括：以演算法為核心，以資料和硬體為基礎，以大規模知識庫、模型庫、演算法庫的構建與應用為導向，重點提升資訊建模、資訊同步、資訊強化、資訊分析、智慧決策、資訊保安等多種數字孿生關鍵技術；加快孿生公共服務平臺建設；加強數字孿生與其他技術的創新融合，探索和研究更符合數字孿生相關業務的基礎理論、整合融合技術及方法。
從長遠來看，要釋放數字孿生的全部潛力，有賴於從底層向上層資料的有效貫通，並需要整合整個生態系統中的所有系統與資料。隨著新一代資訊科技、先進製造技術、新材料技術等系列新興技術的共同發展，各項要素得以持續最佳化，數字孿生的發展需要不斷地探索和嘗試，以及不斷地最佳化和完善。
引用格式：
張新長，李少英，周啟鳴，孫穎。建設數字孿生城市的邏輯與創新思考［J］。測繪科學，2021，46（3）：147-152，168。