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如果我們有數字孿生城市,那會是一副怎樣的情景

2019-04-06 08:03 來源: 中國信息通信研究院
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  全球物聯網、5G、人工智能、無人駕駛、虛擬現實、深度學習等技術研發和產業化加速突破,掀起數字化網絡化智能化新一輪浪潮。同時,智慧城市實施進程不斷加快,實施內容持續深入,其發展理念、推進模式和技術體系不斷更新和演進,建設虛擬服務現實、數據驅動治理、智能定義一切的數字孿生城市將成為智慧城市的重要趨勢。

  一、 數字孿生城市的建設條件日益成熟

  1、信息通信技術(ICT)在城市中成熟應用

  近年來,云計算平臺已成城市重要基礎設施,政府、企業乃至個人廣泛使用;大數據成為城市重要資產、戰略資源,基于大數據分析的智能決策應用不斷涌現;物聯網推動萬物互聯成為現實,廣泛應用于城市治理領域的感知監測、數據采集等;(移動)互聯網成為公眾獲取城市生活服務的重要優先渠道,也是延伸服務的重要手段;基于深度學習的人工智能應用可精準預測城市問題,極大提升市民體驗。

  2、數字孿生(DT)技術應用向城市廣泛滲透

  數字孿生技術應用最早起源于工業領域,尤其飛機、火車發動機等高端制造領域,對產品、生產線和工藝等進行數字仿真、實時跟蹤,研發周期大幅縮減,生產成本大幅降低,形成多設備互聯、協同和優化的建設模式。當前,數字孿生技術應用已逐步向建筑、醫療、城市管理等領域滲透,依托BIM模型完成建筑物的龍骨、結構以及風水電等設計,實現建筑物各類資源的優化、應急方案預演以及建筑群間資源優化配置;達索公司開發3DEXPERIENCity平臺實現城市規劃布局、管網以及氣象的數字孿生,使得城市應急處置效率提升30%,城市擁堵率降低25%。

  3、技術融合與數據積淀不斷推動城市創新發展

  分布式計算、4G/5G通信、大規模數據并行處理、深度學習等技術與3D建模、高精度地圖、模擬仿真、虛擬現實、智能控制等數字孿生相關技術有機耦合加快集成,推動在數字空間中建設同步運行的數字孿生城市成為可能。此外,經過近十年智慧城市建設,城市傳感器隨處可見,城市智能終端廣泛部署,城市體征運行數據大量匯聚積淀,城市畫像日益清晰,跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的數據資源加速有序融合,基于海量多維數據分析的智能應用不斷涌現,智慧城市建設正處于量變到質變關鍵時期。

  二、數字孿生城市是深度學習自我優化的城市

  數字孿生城市的核心要義是,在網絡數字空間,再造一個與現實物理城市匹配對應的數字城市,通過構建物理城市與數字城市一一對應、協同交互、智能操控的復雜系統,使其與物理城市平行運轉,通過虛擬服務現實,數據驅動治理,智能定義一切等運行機制,實現城市全要素數字化和虛擬化、全狀態實時化和可視化、城市運行管理協同化智能化,形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發展新模式,是具有深度學習、自我優化能力的城市。

圖1  數字孿生城市運行機理.jpg

圖1  數字孿生城市運行機理

  1、全域感知,實現由實到虛

  通過部署全域感知體系和各行業領域信息系統平臺,采集匯集城市所有靜態數據、業務數據、對象數據等表征城市運行的全量數據,在數字空間建立一一映射的數字孿生城市模型平臺,并加載城市全量靜態和動態數據。

  2、深度學習,實現自我優化

  基于不斷匯集的海量數據和數字孿生城市模型平臺,運用多維數據分析、機器學習、神經網絡、深度學習等算法或技術,運算得出城市資源配置優化方案、城市災害預測預警模型、城市應急指揮策略等,實現自我優化。

  3、智能操控,實現由虛控實

  基于以上數字空間得出的優化方案、預警模型、指揮策略等深度學習結論,在數字孿生城市模型平臺中,通過傳感器遠程控制、信息系統功能優化修正等操作,反向作用于物理世界運行的城市,實現動態決策、快速響應和智能操控。

  4、更新迭代,實現流程再造

  通過深度學習、自我優化后的城市在新的運行流程、運行規則、運行機制下不斷產生和積累新的數據,同時,新智能設備、新技術應用不斷更替出現,進而啟動新一輪的數字孿生更新迭代,實現城市不斷進化的“自生長”發展模式。

  三、數字孿生城市是技術和數據深度融合的新模式

  數字孿生城市,是與物理城市一一映射、協同交互、智能操控的虛擬城市,其技術體系框架包含智能終端、泛在網絡、支撐平臺、應用系統等必要組成要素,并貫穿城市數據的采集、匯聚、整合、分析、應用等全過程環節,是一個技術融合、業務融合和數據融合的復雜巨系統。

圖2  數字孿生城市技術體系框架.jpg

圖2  數字孿生城市技術體系框架

  1、全域智能終端的數據采集是數字孿生城市前提

  全域智能終端的數據采集主要涵蓋四大基礎要素,即數字標識、智能終端、三維模型、地理信息等。其中,數字標識作為城市人、事、物在數字空間的唯一索引,表征城市人、事物身份信息,用于數字信息和實體之間的精準匹配、建立連接和管理控制;智能終端作為城市運行的信息采集器,用于采集城市所有靜態和動態信息;三維模型作為數字空間的信息載體,用于展現城市空間形態;地理信息表征城市人、事、物的位置和位移,主要包括GIS、RS、GPS等。

  2、極速泛在的城市信息網絡是數字孿生城市保障

  極速泛在的城市信息網絡主要包括三大接入方式,即城市極速專網、4G/5G移動寬帶、NB-IoT/eMTC/LoRa物聯網等,形成互為補充、極速互聯的網絡接入保障。為滿足城市安全運行、虛實互動毫秒級響應以及千萬級的智能設備的同時接入需求,率先組建城市極速專網,統一集成寬帶無線網、寬帶有線網、視頻網、應急通信網、政務網等,實現極速互聯。針對手機、可穿戴設備等移動智能終端主要以4G、5G接入為主,采集城市中人的信息。針對數以億計的傳感器,可通過NB-IoT、eMTC、LoRa等網絡實現統一接入。

  3、深度思考的城市信息中樞是數字孿生城市核心

  深度思考的城市信息中樞主要包括四類重要平臺,即數據資源管理平臺、數字孿生模型平臺、基于深度學習的人工智能算法平臺、統一智能操控平臺等,共同組成指導數字孿生城市高效運行的信息中樞。數據資源管理平臺用于數據整合、處理、分發等;數字孿生模型平臺作為數字空間集成載體,集成所有數據資源,展現真實世界運行全貌和細節;基于深度學習的人工智能算法平臺用于優化業務流程、資源配置、規劃布局等;統一智能操控平臺主要用于智能決策指揮、自組織運行、遠程操控等。

  4、高效運行的智能應用系統是數字孿生城市表現

  最終,數字孿生城市要作用于城市治理和民生服務的各個業務環節,推動服務體驗智能化、社會治理智慧化。如,通過模擬仿真、動態評估、深度學習城市規劃方案效果,實現規劃不再走彎路;三維呈現水勢、空氣動力、霧霾變化等,為城市治理決策提前部署提供依據;通過深度學習個人教育和知識體系,實現自適應式定制化學習;通過深度學習民眾出行、生活、消費等習慣,制定個人出行路線;通過交通流量預測,智能疏導和優化信號燈時長。

  總之,數字孿生城市建設是一個長期而艱巨的任務,隨著實施不斷深入,其技術體系框架和解決方案將更加清晰,將有力推動城市的高質量發展。

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責任編輯:xuxiangnan
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