數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市規(guī)劃中的發(fā)展影響及其應(yīng)用

    引言

    近年來，城市化的發(fā)展一直是人類社會的焦點(diǎn)話題。作為人口載體的城市給人民的生活帶來了極大的便利。但與此同時，城市化發(fā)展也帶來了許多問題。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題。

    2020年以來，由于全球新型冠狀病毒的爆發(fā)，也突出了當(dāng)前城市對于人口流動、信息互聯(lián)互通等方面管理運(yùn)營的不足。傳統(tǒng)上對于城市的管理是被動的，通過對城市實(shí)體中已經(jīng)發(fā)生的事件進(jìn)行收集和處理來管理。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�？萍嫉陌l(fā)展也帶來了新的解決方法，對城市的主動化管理也成為了可能。

    放眼全球，諸多國家已經(jīng)對數(shù)字孿生技術(shù)提出了國家級的戰(zhàn)略政策。中國發(fā)布《國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二零三五年遠(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。與此同時，國內(nèi)已經(jīng)有多個省發(fā)布了未來幾年數(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研究的重點(diǎn)方向。對于城市問題的下一步解決，數(shù)字孿生城市也將起重要作用。

    數(shù)字孿生城市概念

    根據(jù)美國宇航局的權(quán)威定義，數(shù)字城鎮(zhèn)結(jié)對是指充分利用物理模型、傳感器、使用標(biāo)記和其他數(shù)據(jù)，以整合整個多學(xué)科多層面的模擬，簡言之，數(shù)字孿生就是復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界中的物理身體、系統(tǒng)和過程在網(wǎng)絡(luò)空間中形成一個“克隆體”，二者最終形成一個“數(shù)字孿生體”。

    數(shù)字孿生城市的一個重要應(yīng)用價值是對虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)字系統(tǒng)和物理系統(tǒng)進(jìn)行相互作用和反饋，以確保整個信息資源收集過程中物理系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和適應(yīng)。數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，有效地促進(jìn)了生產(chǎn)和設(shè)計(jì)之間的有效合作。一些研究人員將雙數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用從產(chǎn)品延伸到車間和整個企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了全要素、全過程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、要素管理、生產(chǎn)計(jì)劃的集成和復(fù)制。這些雙重?cái)?shù)字應(yīng)用為雙數(shù)字化城市的提出提供了有價值的啟示和參考。

    數(shù)字孿生城市應(yīng)用場景

    交通場景應(yīng)用

    交通系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，但人車混流、機(jī)動車占道以及車輛龜速行駛等問題仍然困擾著我國的交通系統(tǒng)。我國交通系統(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)。通過孿生的道路系統(tǒng)平臺實(shí)時監(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，在不同的日期或時間段，可以通過不同的車流量負(fù)載來調(diào)節(jié)信號燈的時常，平均道路的車流負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)對擁堵等道路問題的提前解決和規(guī)劃。在構(gòu)建的孿生系統(tǒng)平臺中，通過調(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)知識優(yōu)化交通參數(shù)，提高交通系統(tǒng)的表現(xiàn)水平。

    而在無人駕駛方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)將發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。數(shù)字孿生道路中進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬可以避免無人駕駛在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的意外事件。

    安全預(yù)警場景應(yīng)用

    城市中各種系統(tǒng)錯綜復(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�，供電問題等。傳統(tǒng)上對于這些事件是通過人工通知的方式進(jìn)行信息的傳遞，這種方式效率低下，并且對于事件的反饋并不準(zhǔn)確。

    因此，對于安全事件的預(yù)警和及時反映通過傳感器等前端設(shè)備構(gòu)建的數(shù)字孿生平臺可以很好的對突發(fā)事件做出及時的判斷。通過傳感器的感應(yīng)和相關(guān)專業(yè)的計(jì)算，孿生平臺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，借助人工智能等技術(shù)，可以在數(shù)字孿生系統(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)劃場景應(yīng)用

    智慧城市的發(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)。這種以虛擬平臺進(jìn)行多種方案的模型建設(shè)，并用來指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中建設(shè)的方式，可以對城市的規(guī)劃進(jìn)行推演。

    CIM平臺的建設(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)。通過設(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。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。而對于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，需要在全時空的維度上記錄全要素。通過建設(shè)數(shù)字孿生城市平臺，可以提升城市的感知能力和決策能力，也給未來的規(guī)劃發(fā)展帶來更寬廣的視野。

    數(shù)字孿生城市的典型特征室全局視野、精確地圖、模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)交互和智能干預(yù)，加快城市治理和各部門應(yīng)用能力的發(fā)展，特別是在智能城市治理領(lǐng)域，它從全球角度形成了若干超級應(yīng)用，如城市規(guī)劃的空間分析和影響模擬，城市發(fā)展項(xiàng)目的交互式規(guī)劃和模擬，城市場景描述，用于監(jiān)控城市的正常運(yùn)行，根據(jù)城市區(qū)域的時間和區(qū)域發(fā)展得出未來發(fā)展趨勢，了解城市發(fā)展規(guī)律，支持政府嚴(yán)格執(zhí)行，城市交通流和信號模擬使道路通行能力最大化，在公共服務(wù)領(lǐng)域，雙數(shù)字模擬和三維互動體驗(yàn)將重新定義教育，醫(yī)療和其他服務(wù)的重要性和手段。同時，數(shù)字孿生城市以個人為基礎(chǔ)，開啟個人服務(wù)的新時代。