数字孪生助力未来智慧城市新基建

张卓雷

数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局

现代工程越来越复杂，系统组件越来越多，状态特性随着时间快速变化，存在着众多的不确定因素。在这种情况下，继续用传统设计维护策略，即“安全余量设计+周期性维护”，会使结构设计笨重、效率不高;复杂系统在高度不确定性环境下遭受意外损伤概率的增加，使得安全系数方法既不经济、又难以彻底、完全保证系统可靠性。而且，周期性维护在面临复杂系统时，缺乏对系统当前状态的准确预估，容易出现过于频繁的检测与维修，或未及时维护而引发系统提前失效的情况，导致维护成本高且可靠性不足。

由此，数字孪生概念的诞生，为解决上述问题提供了新的思路。

概念：认识数字孪生和数字孪生体

数字孪生是一个技术体系，旨在为物理系统创造一个表达其所有知识的集合体或数字模型（也称为数字孪生体）。通过实时监测系统状态，动态更新数字模型，能够提升数字孪生体的诊断、评估与预测能力;同时在线优化实际系统的操作、运行与维护，减少结构设计冗余、避免频繁的周期性检修与维护并保证系统的安全性。

数字孪生最早的概念模型由PLM咨询顾问Micheal Grieves博士于2002年10月在美国制造工程协会管理论坛上提出。Grieves博士在向工业界展示如何进行产品生命周期管理时提出的两个系统，即真实系统和虚拟系统。虚拟系统接收从真实空间传来的数据，镜像（Mirroring）真实系统的状态;真实系统接收虚拟空间传来的指导信息，并相应做出响应。这一理念中提及的真实空间、虚拟空间、从真实空间到虚拟空间的数据流和从虚拟空间到真实空间的信息流被认为是数字孪生的三个基本要素。

数字孪生体（Digital Twin）这一名称最早出现在美国空军实验室2009年提出的“机身数字孪生体（Airframe Digital Twin）”概念中。2010年，NASA在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生体（Digital Twin）”这一名称，认为数字孪生体是：“一个集成多物理场、多尺度的非确定性分析框架，能够联合高精度物理模型、传感器测量数据、飞行历史数据等，镜像相应孪生飞行器的生命历程”。这一愿景对NASA和美国空军具有重要意义。因为两者拥有大量的机队需要周期性检测和维护，不仅耗费巨大成本，而且面临针对性不强、响应速度慢等问题。数字孪生利用模型指导决策的思想，正好能够弥补这一能力短缺。通过真实数据驱动数字孪生体更新，响应实际飞行器结构变化，并对实际飞行器的操作、运维进行优化，从而降低维护成本、延长使用寿命。

回望人类历史的历次工业革命，选取工业化的视角，引入技术经济学中的“通用目的技术（GPT）”这一概念，来分析数字孪生体技术在即将到来的第四次工业革命中的地位和作用。目前普遍认为，蒸汽机、电和内燃机、计算机分别是前三次工业革命的GPT。而数字孪生技术满足GPT的充分必要条件，将成为第四次工业革命的GPT。

发展：数字孪生技术在城市层面的应用

2019年7月，Garter公司发布数字政府技术成熟度曲线，“政府的数字孪生体”出现在曲线的起点;同年9月，美国召开首次智慧城市和数字孪生体融合研讨会。这些事件标志着数字孪生体技术开始进入深度开发和大规模扩展应用期。

中国以“智慧城市”和“新基建”为代表的建设模式虽然起步较晚，但爆发速度前所未有。目前全球近1000个提出智慧化发展的城市中，有近500个中国城市，占全球数量的48%。这为中国下一阶段的城市和基础设施发展奠定了基础。

数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。数字孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射状态，也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，它支撑并推进城市规划、建设、管理，确保城市安全、有序运行。

数字孪生城市主要有新型基础设施、智能运行中枢、智慧應用体系三大横向的分层。

城市新型基础设施包括全域感知设施（ 包括泛智能化的市政设施和城市部件）、网络连接设施和智能计算设施。与传统智慧城市不同的是，数字孪生城市的基础设施还包括激光扫描、航空摄影、移动测绘等新型测绘设施，旨在采集和更新城市地理信息和实景三维数据，确保两个世界的实时镜像和同步运行。

智能运行中枢是数字孪生城市的能力中台，由五个核心平台承载。一是泛在感知与智能设施管理平台，对城市感知体系和智能化设施进行统一接入、设备管理和反向操控;二是城市大数据平台，汇聚全域全量政务和社会数据，与城市信息模型平台整合，展现城市全貌和运行状态，成为数据驱动治理模式的强大基础;三是城市信息模型平台，与城市大数据平台融合，成为城市的数字底座，是数字孪生城市精准映射虚实互动的核心;四是共性技术赋能与应用支撑平台，汇聚人工智能、大数据、区块链、AR/VR等新技术基础服务能力，以及数字孪生城市特有的场景服务、数据服务、仿真服务等能力，为上层应用提供技术赋能与统一开发服务支撑;五是泛在网络与计算资源调度平台，主要是基于未来软件定义网络（SDN）、云边协同计算等技术，满足数字孪生城市高效调度使用云网资源。

应用服务层是面向政府、行业的业务支撑和智慧应用，基于数字孪生城市的应用服务包含城市大数据画像、人口大数据画像、城市规划仿真模拟、城市综合治理模拟仿真等智能应用，社区网格化治理、道路交通治理、生态环境治理、产业优化治理等行业专题应用。

展望：数字孪生体将在未来世界无限复制

数字孪生由5G网络、物联网、边缘计算、XR（AR/VR/MR）、大数据、区块链、云计算、人工智能等计算机技术作为物理实体、虚拟实体、孪生数据的来源并提供连接和服务。这样组成的数字孪生体相对于原物理实体，不仅是原物理实体的数字映射，而且因为有了数字预判和分析能力，已经成为新的数字有机体，其未来发展方向不仅是对物理实体做出正向反馈，还因为有数据挖掘（Data Mining）和数据融合（Data Fusion）能力，使其从一个信息处理平台跃迁为知识处理平台。也就是说，数字有机体将作为生产知识的驱动，使自身拥有进化和复制的能力。

富有生命力的数字孪生体用封装好的代码作为其基因，将在未来的世界无限复制。着眼当下，谁能创造出优秀基因的数字孪生体，将成为掌握未来的技术密码，无论是发展五维模型中的哪一個维度，都是从实质上推进数字孪生技术的发展;而如果能将其有机结合起来，才是所有计算机新技术的征途大海。                       （作者单位：杭州炽橙数字科技有限公司）

数字孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射状态，也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，它支撑并推进城市规划、建设、管理，确保城市安全、有序运行。

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数字孪生平台案例：云啸平台·南站枢纽智慧系统

2020年7月1日正式开通的杭州火车南站，也有一套相同框架体系下建设的数字孪生兄弟：云啸平台·南站枢纽智慧系统。该系统的规划目标是在一个可视化数字孪生系统中实时掌控南站运营状况并对紧急事件作出预判和快速反应，具体达到一标三实三维呈现、客流班次统计、人员设备管理、警情多维分析、安全隐患跟踪、信息报送流转、重点人员管控、空间叠加分析、实时经理态势、可视指挥调度等功能。

三维可视化实时指挥功能：基于三维建模，通过渲染技术实现火车南站真实物理场景的三维数字化重现，同时搭载和融合警务数据、监控数据和辅助实时物联网数据，实现警力分布、警情处置在三维地图上的可视化指挥。

即时信息调度指挥功能：包括当日值班、站内流量监控、当日班次。

警务、警情大数据管理、指挥功能：包含在线任务、隐患追踪、战果、备查量、办案区、触控报警功能模块。

设备状态管理功能：包括设备运行情况、监控影像管理模块。

云啸平台·南站枢纽智慧系统是杭州炽橙数字科技有限公司与杭州南站枢纽管理委员会，联合开发的一套面向智慧政务管理的数字孪生系统，结合公安、交通、消防、医疗市政等多部门实时数据，实现管辖区域内“人、车、地、事、建筑”的全面监控，辅助公安部门综合掌控大范围城市治安态势，形成统一高效、互联互通、协同共享的智慧监管体系。