文/佟林杰 牛朝文(..燕山大學 河北秦皇島 066004)

內容提要:數字孿生智慧城市是智慧城市物理實體在數字虛擬空間的數字化映射。在應用上,可以將數字孿生智慧城市面向用戶、面向管理者以及面向服務的應用場景。推進數字孿生智慧城市的建設,需要從頂層設計、資金保障、人才隊伍以及技術攻關四個方面構建起保障體系。

一、數字孿生智慧城市建設的必要性

數字孿生智慧城市是智慧城市物理實體精準在數字虛擬空間的數字化映射。是通過數字化的方式來表達和描述城市中物理對象的全要素(人員、資源、設備、結構、空間、行為、活動等)。通過建模、仿真、模擬等數字技術手段構建智慧城市孿生模型,并對智慧城市中物理對象的全業(yè)務流程、全要素以及全生命周期進行數據融合,最終實現數字化表達以及可視化操控。在數字化映射的幫助下,智慧城市可以在數字信息空間最大程度地應用城市大數據,實現智慧城市管理及服務業(yè)務流程的優(yōu)化閉環(huán)。在數據驅動下利用相關信息技術,在信息空間中完成對圖書館的數字化映射,可視化反映相對應實體的全生命周期過程的同時,實現業(yè)務流程的閉環(huán)優(yōu)化,對智慧城市的全要素建構數字孿生體系。[1]建設數字孿生智慧城市,以推動智慧城市向更高智慧階段演進,在實踐和理論維度得到了必要性確認。

在實踐維度上。2012年,住建部就開展了智慧城市的試點和申報工作。2014年發(fā)改委聯合其他七個部委共同印發(fā)了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》,強調智慧城市的頂層設計以及發(fā)展規(guī)劃。2015年,國家互聯網信息辦、中央網信辦提出“新型智慧城市”,指出新型智慧城市的主要目標在于全程全時為民服務、城市治理有序高效、數據開放共享、經濟發(fā)展可持續(xù)以及網絡空間安全清朗。2016年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)的《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》提出新型智慧城市建設的遵循原則和具體要求,同年國務院印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》。數字孿生在2020年國家發(fā)改委、中央網信辦聯合印發(fā)《關于推進“上云用數賦智”行動培育新經濟發(fā)展實施方案》中被多次提到,地方各級政府在推進智慧城市建設過程中,也將數字孿生技術納入智慧城市的規(guī)劃建設中,如上海臨港“虛擬城市”、天津濱海的數字孿生城市運營中心、雄安新區(qū)的“數字孿生城市”等。

在理論維度上。國內外學者在數字孿生智慧城市方面取得了一定的進展。Mohammadi和Taylor[2]提出數字孿生智慧城市基礎設施的數字表征,通過增強智慧城市的可視化表達能力,提升智慧城市數據的高度交互來改進城市治理和城市監(jiān)控。Soe[3]強調數字建模對于智慧城市建設的重要作用,認為應對物理數據和虛擬交換的數據融合進行深入研究。Ruohomaki等[4]提出通過物聯網來構建“My Smart Life”的數字孿生框架,使用數字孿生來監(jiān)視和比較基于環(huán)境和人類影響的能源消耗。WHITE等[5]認為通過更開放及透明的模型構建,將公民參與、公眾反饋納入智慧城市的建設和轉型中。國內學者張艷豐[6]基于數字空間研究了智慧城市的數字全景畫像,并通過K-means聚類分析方法得出4組具有顯著差異的智慧城市全景數據畫像群體結構。徐輝[7]認為我國需要在數字化技術、精細快捷化服務、智能交互場景等方面加強實踐和理論探索。因此,需要基于“數字孿生”技術和理念建構新型智慧城市。陳奕延等[8]探討數字孿生技術在制度、組織、市場、文化、技術及戰(zhàn)略六個創(chuàng)新領域上的拓展,以及數字孿生驅動下的新機制,并提出數字孿生驅動的全面智慧創(chuàng)新管理新范式以及模型。

通過文獻檢索可知,目前學者們主要關注于數字孿生在智慧城市中的拓展。不過,數字孿生理念和技術如何嵌入智慧城市的建設中,并進行有效融合?本研究通過以數字孿生+智慧城市作為研究基礎,對數字孿生智慧城市的建設模式、應用場景以及保障策略進行探析,以期為我國智慧城市的建設發(fā)展提供建議。

二、數字孿生智慧城市的建設模式

數字孿生理念和技術融合了數字傳感、信息通訊、仿真建模和系統(tǒng)控制等多個領域的技術成果。[9]在智能傳感、微型收發(fā)器、射頻識別的支持下,數字孿生技術可以對城市可獨立尋址的物理對象進行跟蹤、監(jiān)測、記錄,通過建模仿真、3R技術等對智慧城市中物理空間的要素、過程、行動進行數字化表征,在數字虛擬空間中模擬和還原物理空間,實現智慧城市中物理空間的全要素在數字虛擬空間的精準平行映射和信息表達,進而獲得城市物理空間在虛擬空間中全過程、全要素、全生命周期的運行狀況,并以數字操作界面的方式呈現出來。最后將仿真模擬結果應用在智慧城市的運行調控,實現對物理實體的運作狀態(tài)、性能、活動、數字治理結構、服務流程、運行智能設備等的調節(jié)、預測、診斷、監(jiān)測及控制,智慧城市物理空間與數字虛擬空間進行實時交互,在不斷的交互中實現共同優(yōu)化和迭代。[10]由此,可以將數字孿生智慧城市體系架構劃分為物理層、交互層、中間件層與應用層。

圖1 基于數字孿生的智慧城市體系框架

物理層是整個數字孿生智慧城市體系架構的基礎支撐,包括各類城市物理實體和智能感知設備,主要完成城市數據與信息的感知、監(jiān)測與收集。如城市交通狀況、空氣質量、光線、濕度、溫度、土壤酸堿度、用電量、用水量、設備實施及其工作狀態(tài)等城市運行的基本狀況。智能傳感器將城市物理對象的信號和現象轉換為數字參數,根據這些參數在邊緣計算設備的支持下就可以通過驅動電路以基于算法進行操作,并將這些信號進行移位、縮放、從而使其與周圍的邊緣計算設備的數字模擬和串行通信端口兼容。

交互層也叫通信層,主要負責將智能傳感設備所收集的數據安全有效地進行傳輸,以進行下一步的分析和處理,從而建構起連接城市物理空間和數字網絡虛擬空間的“橋梁”。由于虛擬空間云和物理空間并不一定處于同一位置,且數量眾多的傳感器實時收集的大數據需要更為強大的網絡運輸能力作為保障。因此,數字孿生智慧城市特別需要為其通信系統(tǒng)使用部署大量安全、可靠、高寬帶、高速率、低延時、且可用的傳輸網絡。

中間件層由資源層、虛擬化層、對象層、數據層以及仿真層五個子層組成。其中,資源層主要為數字孿生智慧城市系統(tǒng)的系統(tǒng)管理人員和開發(fā)人員提供云資源自動化的配置和部署方案,并自動完成所有云資源在多個不同地域以及多個賬戶中的部署和配置,把云上資源和服務的整套環(huán)境抽象成模版,實現基礎設施即代碼。虛擬化層用于構建分布式應用程序的體系結構設計,將應用程序分解為獨立的、松耦合的、可單獨部署的服務,允許使用服務代理的部署來擴展或更新每個服務,而不會中斷應用程序中的其他服務,并能夠快速且可靠地交付大型、復雜的應用程序。對象層可以根據對象來開發(fā)軟件系統(tǒng)的靜態(tài)結構,通過標識對象,將對象分組到的類以及對象之間的關系,實現城市物理空間的過程、要素、生命周期的數字化。數據層可以訪問數據存儲庫以挖掘數據并將結果報告給智慧城市系統(tǒng)管理人員,并評估物理對象或系統(tǒng)的狀況,預測未來可能發(fā)生的故障和維護要求。而仿真層通過仿真工具、設計工具實現對物理對象的仿真,實現對數字孿生(DT)的可視化。

應用層是數字孿生技術及理念的應用和體驗階段,它提供了與物理空間完全相同的模擬環(huán)境。應用層可以提供面向城市的規(guī)劃管理、運行調控、故障診斷以及服務運營等功能。以及面向公眾的智慧操控、人機互動、情景感知和體驗等智能服務。將城市物理運行系統(tǒng)轉變?yōu)閿底肿灾蜗到y(tǒng),通過記錄、備份過去的信息、實時監(jiān)控當前狀況,以支持未來的分析決策和城市運營管理。并通過移動智能終端、PC、AR、VR、MR、人機協(xié)作、閉環(huán)仿真、互操作性界面等應用方案和技術手段,建構出多維感知、泛在智慧、多感官全息交互的城市虛擬空間,以營造城市新場景,為公眾提供個性化、優(yōu)質、智慧化的城市服務。

三、數字孿生智慧城市的應用場景設計

智慧城市依托仿真虛擬、生物識別、數字孿生、人工智能等技術,實現智慧城市的立體動態(tài)展示和智慧管理及服務。在應用上,可以將數字孿生智慧城市面向用戶、面向管理者、以及面向服務的應用場景。

(一)面向用戶的應用場景設計

智慧城市的建設在于為公民營造宜居城市環(huán)境,為公眾提供智慧化、便捷化、優(yōu)質化、高效化的城市服務。在城市用戶需求的驅動下,通過發(fā)掘大數據的價值,開發(fā)和整合數字資源滿足用戶對于智慧業(yè)務和智慧服務的需求。在智慧城市中,公眾用戶主要是指Anyone,因為城市是動態(tài)開放的,所對應的城市服務也是泛在服務。在數字孿生技術、信息技術的支持下,城市服務的輻射范圍更大,破除了實踐和空間的限制,其服務的受眾更加多元、基數更大。智慧城市在“數字孿生”技術支持下,可以對城市公眾用戶構建數字孿生體、畫像其需求領域、需求事項以及需求深度,并對城市資源配置、服務供給進行仿真模擬,以檢驗與用戶服務需求之間的適配度,并通過個性化定制、優(yōu)化迭代、人機交互等為公眾提供精品內容和優(yōu)質服務。

圖2 面向用戶的數字孿生智慧城市應用場景

1.精準化的用戶需求畫像。用戶畫像是真實用戶的虛擬模型,是用戶狀況的數字表征。用戶需求畫像包括用戶基本狀況、生活和工作習慣、行為模式等。概括來說,用戶畫像技術通過對用戶屬性信息、行為痕跡、生活習慣等信息和數據進行處理,提取并精煉用戶信息,并勾畫出用戶的數字圖像,充分了解用戶屬性和用戶需求。通過信息識別技術實現對用戶需求特征的精確、完整記錄、提煉和組合,獲得針對用戶需求領域、需求事項以及需求深度的信息與數據,并形成對用戶生活習慣的識別和用戶需求的預判。并對用戶畫像與智慧城市數字資源深層語義標簽的關聯映射,結合情景設置、用戶特征,不斷升級推薦和推送系統(tǒng),從而為用戶推薦符合其需求的相關信息,智能地為用戶提供優(yōu)質的城市服務。

2.個性化的用戶定制。基于數字孿生的智慧城市可以依據大數據、全景鏡象將用戶需求信息和數據進行標簽化,通過對用戶需求進行數字化、可視化處理,以更好把握用戶的需求狀態(tài)及其規(guī)律。對單個用戶的服務需求進行析出(聚類、合并以及提煉等處理)并生成個體用戶的個性化需求數據庫。在服務供給端不斷完善和優(yōu)化城市信息資源建設流程,對城市資源進行歸類、整合、提煉,獲取城市資源的關聯數據信息與標識特征。通過將用戶需求標簽映射到對應的資源列表中,并與類似的資源信息集合完成匹配為用戶群組建立個性化信息資源數據庫,加深對用戶行為的認知和理解。因此,基于數字孿生的智慧城市可以有效滿足不同用戶的信息化和服務需求,依靠豐富的智能感知應用、可靠且強大的網絡、集成化的服務終端,構建起“云—管—端”的服務模式,并為用戶提供便捷、綜合及全面的集成式、一站式、定制式的城市服務。

3.集成化的用戶服務。在人工智能、大數據、數字孿生技術的支持下,通過用戶畫像、用戶需求畫像、資源畫像、市政規(guī)劃/城市模塊化/協(xié)作活動的模擬,對多元主體、多種資源、多種功能進行整合,實現服務供給的協(xié)同化。數字孿生智慧城市要打破依靠智能感知、可靠網絡、邊緣計算、數據累計、數據抽象等技術來打破信息孤島、信息延遲以及信息不對稱的局面,實現信息的集成和開放共享。以信息集成為前提,通過組織、權力與資源的多重集成,清晰地將“集成式”服務響應模式的組織關系構建出來。從而提高公共服務相應的順暢性、及時性和有效性。

(二)面向管理者的應用場景設計

在數字孿生技術的背景下,智慧城市依靠生物識別、模擬仿真以及人工智能等技術,可以分析并整合城市中的各模塊、各要素、各種資源及其功能,賦能和優(yōu)化城市管理活動。通過城市物理空間在虛擬空間的關聯映射及交互融合,建立城市物理實體在虛擬數字孿生體共生融合的智慧管理模式。虛擬數字孿生體可以對城市物理空間及其運行狀態(tài)進行仿真模擬,如城市交通、資源及能源消耗、工程進度等項目。在對比城市物理空間的實時運行狀態(tài)和數字虛擬空間及其相關虛擬實體之間的模擬與仿真,可以預判城市物理空間和物理實體的運行狀態(tài)是否存在異常,并對城市基礎實施、智能設備進行監(jiān)控、故障監(jiān)測、排查、維護及遠程控制。有效提升城市管理水平,健全城市管理體系。

圖3 面向管理的數字孿生智慧城市應用設計

(1)數字化管理。數字孿生可以優(yōu)化智慧城市的管理流程,推動城市信息數字化、分析決策數字化、應用辦公等方面的數字化,依靠城市的大數據搭建起智慧城市管理的數據信息流,應用現有的智能感知設備、網絡運輸技術、遙感定位技術、射頻識別以及終端辦公及應用程序構建起智慧城市的數字化管理體系。這包括數字化輔助分析決策系統(tǒng)、數字化監(jiān)控系統(tǒng)、數字化服務系統(tǒng)以及數字化交流及發(fā)布系統(tǒng)、城市設施管理信息系統(tǒng)等,從而通過數字化理念和技術賦能城市物理空間的調度、運營、智慧、服務等諸多管理活動。通過有效海量大數據的收集、聚類、儲存、處理以及交互,推進具備高分辨率的、虛擬現實相結合的城市化數字管理建設,進一步推進數字化管理水平。

(2)智慧化管理。通過協(xié)同應用智能傳感技術、射頻識別、物聯網以及5G技術等,對城市物理空間、物理實體進行全面實時的數據采集、狀態(tài)監(jiān)控以及數據傳輸和交互。結合云服務、邊緣計算、數據抽象等對城市大數據同步傳輸至數據存儲層和數據處理層,實現海量、多源、異構數據的儲存、分析、整合與集成,最后發(fā)掘出大數據價值應用于城市管理及運行。通過對城市運行狀況的實時全面感知,暢通城市各部門之間的數據信息交互共享、互通互聯、協(xié)同合作、智能決策、服務一體化等的城市綜合智慧管理體系,構建起數據信息管理、綜合全面監(jiān)管、協(xié)同一體化辦公、輔助分析決策、城市服務供給等智慧管理平臺。

(3)可視化管理。城市可視化管理在一系列技術手段和系統(tǒng)方法的支持下,能夠讓城市管理人員通過形象生動、立體直觀、色彩適宜的操作界面和管理系統(tǒng)就能全面了解城市數字虛擬空間和物理空間的實時運行狀態(tài),有效實現城市管理的可視化、透明化以及便捷化。面對著城市復雜且海量的城市管理數據,這就包括異構數據、結構化、半結構化以及非結構化數據,通過可視化管理可以實現城市將海量大數據轉化為視覺資源、更迅速、更清晰、更高效地呈現出城市數據信息所承載的價值,提升城市數據信息價值的利用程度。

(三)面向服務的應用場景設計

智慧城市可以實時、全面及智能獲取城市運行和發(fā)展相關的各項數據,因此,它不僅重塑城市管理生態(tài),也在不斷推動城市公共服務供給的智慧轉型。在智能穿戴設備、數字孿生技術、移動智能終端的應用下,城市能夠廣泛地采集城市物理空間及對象的靜態(tài)和動態(tài)數據,了解城市運行發(fā)展特征,并自動對城市運行進行評估診斷,構建起以大數據驅動決策為出發(fā)點,以城市用戶需求感知為導向,以自動供給相應為起點的城市服務體系框架,為城市用戶,為公眾提供定制化、個性化、智慧化的城市服務。

圖4 面向服務的數字孿生智慧城市應用設計

1.構建“用戶為中心”的城市服務?；跀底謱\生的智慧城市服務通過城市大數據收集、聚類、組織、分析及組合,在數據挖掘基礎上實現知識產品及知識服務的開發(fā)。因此,其服務范式是圍繞用戶所展開的,將大數據挖掘應用于針對城市用戶的服務中。它可以將基于數字孿生技術構建的城市用戶畫像,對用戶行為數據、情景信息等的實時、全過程、全方位的連續(xù)采集,并對所采集的數據進行加工處理,抽象聚類及標簽化,并制定出用戶畫像。以用戶體驗和用戶滿意為出發(fā)點和落腳點,將城市用戶需求畫像與城市資源畫像進行精準匹配,并通過個性化、定制化以及智慧化的城市服務供給,有效增強城市用戶交互式、沉浸式的城市服務體驗,提高用戶對于智慧城市的接受度和滿意度。

2.創(chuàng)新城市服務供給。將數字孿生應用在智慧城市建設中,可以將城市空間結構、特征、狀態(tài)及動態(tài)等物理屬性進行數字化表達,能夠實現城市服務的創(chuàng)新供給。通過大數據驅動+仿真模擬的服務范式,有力推動城市在新技術環(huán)境下城市服務能力的提升和服務方式的創(chuàng)新,在對城市大數據進行語義化描述、碎片化挖掘、關聯化連接的基礎上,深度把握城市用戶基本屬性、行為及習慣等內容,并結合城市資源供給的相關性特征、情景特征、協(xié)同特征,不斷升級城市服務供給系統(tǒng),并設計出服務反饋機制,不斷改進城市服務。

3.推進智慧化的城市服務平臺建設。基于數字孿生的智慧城市服務平臺具有數字化、可視化以及集成化等特征,相比于傳統(tǒng)城市管理服務,數字孿生智慧服務平臺可以有效破解信息孤島、信息延遲以及信息不對稱的現象,避免城市服務供給過程中的“碎片化”現象。通過構建整體的城市服務框架體系和服務中心,優(yōu)化整合城市服務資源,形成城市服務的“一號申請”“一窗辦理”以及“一站式服務”的城市服務平臺,增強城市服務的拓展性、開放型與交互性。

四、基于數字孿生的智慧城市建設保障機制

(一)加強頂層設計,推進數字孿生智慧城市制度體系建設

伴隨著數字孿生技術在智慧城市的建設過程中的應用,各地推出城市大腦、城市數字孿生體等項目建設。然而,由于采用的技術路徑、技術標準以及技術設備不盡相同,應用的形式各有差異,兼容性、安全性及可靠性制約數字孿生技術在智慧城市建設中的應用。這需要在宏觀上加強頂層設計,不斷推進數字孿生智慧城市的制度體系和配套設施的建設。在頂層設計方面,國家層面上要加強政策支持,明確數字孿生智慧城市建設的原則、性質、路徑及職能等,加強先進技術在智慧城市建設過程中的應用部署,與此同時,制定數字孿生的技術、市場、質量以及安全等標準,促進數字孿生在智慧城市的標準化應用和建設。在制度體系方面,要構建起協(xié)同統(tǒng)一機制統(tǒng)籌智慧城市的規(guī)劃設計與統(tǒng)籌建設,包括認識管理制度、經費管理制度、風險管理機制以及績效管理機制等。將城市物理空間、管理服務活動更好融入數字孿生體中,了解城市運行底盤,把城市的運行動態(tài)和大數據結合起來,做好數字孿生智慧城市的配套設施建設,建立健全數字孿生智慧城市建設的制度保障體系。

(二)拓寬資金注入渠道,形成數字孿生智慧城市建設的資金保障體系

穩(wěn)定且可持續(xù)的資金支持是數字孿生智慧城市建設的重要保障。因此,除了依靠公共補款和轉移支付,還要不斷推動數字孿生智慧城市建設的市場化,通過與科技巨頭、資本融資機構、基金會、慈善機構甚至國際機構展開合作,并優(yōu)化數字孿生智慧城市融資方案,支持建立融資部門,與基金會、國際機構、慈善機構和科技巨頭展開密切合作,開發(fā)融資解決方案以支持智慧城市關鍵項目的建設。還可以通過與私營部門、科技巨頭建立起綜合及合作項目團隊,打造公私合作伙伴關系(PPP)、創(chuàng)新投資方式、建立智慧城市優(yōu)惠貸款機制等多種渠道確保數字孿生智慧城市項目能夠以長期資產的形式存在,進而刺激這些項目的投入能夠產生直接的財務收益,保障智慧城市建設的持續(xù)性。此外,要更系統(tǒng)地考慮數字孿生智慧城市建設的成本收益,以經濟目標確立數字孿生智慧城市項目投資的優(yōu)先級,量力而行推進數字基礎設施建設,規(guī)避“攤大餅”“盲目擴張”以及“一哄而上”等問題,避免智慧城市建設過程中所面臨著赤字風險、有效性與活力喪失風險。

(三)重視人才隊伍建設,建立數字孿生智慧城市建設的人才保障體系

數字孿生智慧城市建設離不開人才資源的保障,伴隨著數字孿生在智慧城市的部署和應用,先進信息技術、智能設備以及移動終端,對城市管理人員、工作人員及服務人員提出了更高的要求。要求城市管理人員了解數字孿生的技術和應用理念,熟悉掌握數字孿生智慧城市的規(guī)劃和統(tǒng)籌建設工作。除了專業(yè)知識支撐,還需要較強的學習能力作為保障,從而推進數字孿生智慧城市的建設落實及高效運行。要重視數字孿生智慧城市建設的人才培養(yǎng)工作推進,不斷創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制,努力提升現有人才的信息科學素養(yǎng)、智能設備操作以及綜合管理能力,打造數字孿生智慧城市建設的人才庫和專家?guī)?為數字孿生智慧城市建設提供人才和智力支持。

(四)攻關核心技術,深化數字孿生智慧城市建設的技術保障體系

將數字孿生大規(guī)模地應用于智慧城市建設仍面臨著諸多技術挑戰(zhàn),包括對城市物理空間及實體的全域智慧感知技術、針對數字孿生體的精準模擬和建模仿真技術、深度機器學習、邊緣計算、協(xié)同計算技術等尚不成熟,仍存在改進和優(yōu)化的空間,面向數字孿生技術與城市管理和服務實踐融合有待深化。因此,面對數字孿生智慧城市部署和建設過程中的技術瓶頸和技術短板,應加強技術攻關,有針對性地進行科學研究和實驗。與此同時,推動數字孿生與城市管理及服務實踐的融合,利用論壇、會議、辯論會、交流會、指導會等讓城市管理及服務人員參與到數字孿生技術的研究和開發(fā)中去,促進數字孿生理論+技術+應用的結合。通過多主體、資源等的協(xié)同共同推動數字孿生智慧城市落地。