数字孪生城市概念分析及建设方案详解

数字孪生城市概念分析及建设方案详细说明

一、数字孪生城市的内涵
(一)数字孪生
据美国航空航天局介绍（NASA）权威定义，数字双胞胎是指充分利用物理模型、传感器、操作历史等数据，整合多学科、多物理量、多规模、多概率的模拟过程，在虚拟空间中完成映射，反映相应物理设备的整个生命周期过程。简而言之，数字双胞胎是将物理、系统及其现实世界的过程复制到博客空间，形成一个克隆体，最终形成一个数字双胞胎。
数字双胞胎在虚拟和现实之间具有双向映射、动态交互和实时联系的特点。双向映射是数字双胞胎的核心特征，即本体向双胞胎输出数据和构建模型。同时，双胞胎向本体反馈信息和输出解。动态交互是根据传感器的实际数据、历史数据和物理本体附近的场景数据进行模拟和分析，为物理实体的后期运行提供改进和优化，并辐射到物理实体生命周期的整个过程中。克隆体或数字模型，实时联系数字双胞胎，及时创建与物理实体等价。
数字双胞胎技术架构可分为物理层、数据层、模型层、功能层和应用层。物理实体、数据、虚拟模型、连接和应用是数字双胞胎的核心要素。目前，数字双胞胎广泛应用于智能城市、工业互联网、汽车互联网等新兴场景。

(二)数字孪生城市
数字双城市是城市物理世界和网络虚拟空间相互对应、相互映射、协作交互的复杂系统，在网络空间中形成匹配、相应的双城市，实现城市数字和虚拟化、城市状态实时和可视化、城市管理决策协调和智能，形成实体世界和虚拟世界的物理维度和信息维度共存、虚拟城市发展模式。
数字双城市的核心价值在于建立基于高度集成的数据闭环授权系统，形成城市全球数字博览会空间，利用数字模拟、虚拟交互技术，使城市运营、管理、服务从虚拟空间模拟建模、现象演变、智能控制、智能决策等，开辟新的智慧城市建设和治理模式。
二、数字孪生与城市建设的内部关系
(一)数字孪生促进城市智能化
基于数字识别、自动化感知、网络连接、包容性计算、智能控制、平台服务信息技术系统和城市信息空间模型，有利于促进城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时可视化、城市运营管理协调智能，实现物理城市与数字城市的协调互动和平行运行。
从技术角度来看，依托现代信息技术体系和城市信息空间模型，依托数字识别、自动感知、网络连接、包容性计算、智能控制、平台服务，为城市治理提供数据驱动决策和综合技术集成。
从城市发展的角度来看，数字双城市是支持创新智慧城市建设的复杂综合技术体系，也是物理实体城市和信息虚拟城市的未来发展形式。
1.数字孪生促进城市数据信息的准确表达。
通过城市各方面的传感器布局，实现城市道路、桥梁、人孔盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字建模，充分感知和动态监控城市运行状态，形成虚拟城市在信息层面对实体城市的准确信息表达和映射。
2.数字孪生赋予城市生活智慧。
通过数字双城规划设计、模拟等，智能预警城市可能产生的不利影响、冲突、潜在危险，提供合理有效的对策，智能干预城市原有的发展轨迹和运营，指导和优化实体城市规划、管理，改善公共服务供应，赋予城市生活智慧。
(二)新基础设施加快数字孪生城市建设
大力推进新基础设施建设，将继续融入传统城市基础设施建设，推动城市向更智能、更快捷、更高效、更智能的方向发展。全面推进城市海量数据跨领域整合应用，创造安全有序的数据开放生态，充分释放数据资源价值，打造集城市灾害预警、应急管理、公共服务于一体的智能城市管理服务模式。促进城市运营的全方位数字化、智能化，使城市居民生活更加舒适、方便。
随着新基础设施建设的大规模推进，数字孪生城市的建设成本将大大降低，为数字孪生城市的虚拟现实交互提供基本的支持环境。数字孪生城市的精确映射将从物联网扩展到新基础设施的所有领域，包括5G、物联网、边缘计算、数据中心、市政设施、工业设施和公共服务设施的智能化，实现万物互联和智能化定义。
三、数字孪生城市建设路径
(一)全球智能设施布局建设
数字孪生城市通过布置天空、地面、地下、河流等传感器，对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑物等基础设施进行数字化建模。为支持数字双胞胎城市的高效运行，满足城市各类智能运行场景的需求，促进5G、WLAN、eMTC、NB-IoT、LTE与城市网络等多网络合作，生成天地一体化综合信息网络，满足城市数据之间的无缝接入，适应不同数字双胞胎城市的应用场景。
(二)创建高精度城市信息模型
数字双胞胎城市可以根据城市各主体的适应性变化，预测城市的人员和事物，实现城市的优化运行。数字双胞胎城市预测技术的核心内容是高精度、多耦合的城市信息模型，即通过输入全区域数据，收集和整合城市系统，实现城市规律的识别，为城市系统的改进和优化提供有效的指导。
(3)塑造城市脑智能化治理
数字双城市通过城市大脑，收集和整合不同来源的数据，如实记录城市动态，更预见当前政策干预对不同子系统的影响，充分考虑各种避免行为、时间延迟和信息损失，自学习、优化功能进入城市治理过程，最终实现提高城市系统整体福利的理想效果。通过建立城市大脑协作平台，对接城市管理、生态治理、交通治理、市场监督、应急管理、公共安全等不同领域的系统，以重大事件和特殊场景需求为驱动，基于数字双城市模型平台，制定闭环流程和应急预案，根据需要调用相关子系统业务能力，实现城市治理协调联动和网络管理。城市大脑是城市治理的主要载体。数字双胞胎城市平台是城市大脑的核心平台。基于此，基于数据驱动的城市治理和城市运营将在未来启动。
传统城市治理以现实城市的物理空间为重点，按照现场指示从事执法、研究、检查等相关工作。数字双胞胎城市利用数据优化城市治理和公共服务功能，收集数据进行数据分析，实时判断定区域的异常情况，利用虚拟服务现实。数字双胞胎城市的建设和运营将优化未来的城市治理，提供更准确的服务，推动业务流程再造和管理模式改革