李 強

(中國航天科工飛航技術(shù)研究院， 北京 100074)

數(shù)字孿生技術(shù)是由物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和信息物理系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展而來的一種系統(tǒng)分析技術(shù)，其通過建立實體系統(tǒng)的多維、多時空、多尺度、多物理量的動態(tài)虛擬模型，利用傳感系統(tǒng)實時感知實體運行狀態(tài)，并利用仿真手段模擬實體模型在不同環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則[1-5]，實現(xiàn)對物理世界運行狀態(tài)的映射并達到事故預警、資源優(yōu)化、決策指揮等[6]功能. 城市具有系統(tǒng)復雜度高、子系統(tǒng)耦合性強的特點，城市的物理要素、社會要素和網(wǎng)絡要素共同支撐城市的各種應用與服務[7]，其中由建筑、道路、自然景觀等模塊組成的物理要素是城市的基礎，由政府、組織和居民等層級關(guān)系組成的社會要素影響著城市運行，而網(wǎng)絡要素利用信息流實現(xiàn)城市互聯(lián)互通. 數(shù)字孿生技術(shù)在城市中的應用將涉及城市頂層設計、規(guī)劃、建設、運營、安全、民生等各個方面[8]. 數(shù)字孿生技術(shù)是物理世界的真實映射，是未來城市數(shù)字化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其在城市洪澇災害評估與預警中的應用能夠?qū)崿F(xiàn)城市洪澇災害監(jiān)測、預警與應急決策的互動，提升城市洪澇災害防治水平.

將數(shù)字孿生技術(shù)應用于城市洪澇災害防治中，研究利用三維動態(tài)建模、仿真推演等技術(shù)構(gòu)建具備城市洪澇災害評估、預演與防治能力的城市洪澇災害防治數(shù)字孿生體，可以為城市洪澇災害的評估與防治提出理論基礎與解決方案，指導建設集雨情監(jiān)測、洪澇災害評估、災害防治模擬及預警于一體的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng).

1 數(shù)字孿生技術(shù)及城市數(shù)字孿生體模型

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生最初是Grieves等[9]于2003年在美國密歇根大學產(chǎn)品生命周期管理課上提出的，他們使用“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”表述數(shù)字孿生的思想，并在隨后逐步演變?yōu)椤扮R像的空間模型”(2003—2005年)和“信息鏡像模型”(2006—2010年)等，這些思想被認為是數(shù)字孿生的雛形[5]. 2011年，美國空軍研究實驗室第1次明確提出了數(shù)字孿生體的概念；2012年，Glaessgen等[10]提出了數(shù)字孿生的三維模型，其使用物理實體、虛擬實體、信息交互接口三部分來鏡像物理空間與數(shù)字空間的孿生關(guān)系，強調(diào)數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)組成；其后，陶飛等[11-14]提出了五維模型，其使用物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層來描述系統(tǒng)在物理空間與數(shù)字空間的孿生與相互作用關(guān)系，更加注重其應用與服務. 數(shù)字孿生五維模型將物理空間環(huán)境與人物、人際、人機關(guān)系等實體空間全要素信息融合，體現(xiàn)了物理空間與數(shù)字空間之間的界限和聯(lián)系，反映虛實融合、以虛控實的控制過程. 因此，五維數(shù)字孿生模型注重應用與服務的特性使其更加符合數(shù)字化發(fā)展的未來技術(shù)方向.

當前，數(shù)字孿生技術(shù)正被應用到工業(yè)產(chǎn)品與流程設計、制造、服務與運維等各個階段[2, 4, 14-15]，大幅度推動工業(yè)產(chǎn)品全生命周期管理、生產(chǎn)效率提升與產(chǎn)品質(zhì)量改進的技術(shù)變革. 然而，不可否認，目前的數(shù)字孿生技術(shù)應用尚處于起步階段，并且絕大部分工作集中于系統(tǒng)簡單、流程規(guī)則、模式固定的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[16].

1.2 城市數(shù)字孿生體

城市數(shù)字孿生體的底層邏輯是對城市本質(zhì)的深層次認知[8]. 通過梳理城市的物理、社會、網(wǎng)絡要素關(guān)系，城市數(shù)字孿生體可以將城市要素匯聚，支撐城市各種服務應用. 基于數(shù)字孿生五維模型，本文提出了城市數(shù)字孿生體模型，如圖1所示.

圖1 城市數(shù)字孿生體模型

城市數(shù)字孿生體是由物理城市、虛擬城市、智能服務、孿生數(shù)據(jù)、虛實交互五維模型組成. 物理城市是城市數(shù)字孿生模型準確分析與有效維護的基礎，根據(jù)功能及結(jié)構(gòu)，可以分為單元級、系統(tǒng)級和復雜系統(tǒng)級3個層次；虛擬城市包括幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型等，這些模型能從多時間尺度、多空間尺度對不同層次的物理實體進行精準映射；孿生數(shù)據(jù)包含物理城市、虛擬城市、虛實交互、智能服務所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)集合；虛實交互通過嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)融合等實現(xiàn)城市數(shù)字孿生各組成部分信息的互聯(lián)互通；智能服務是指對數(shù)字孿生應用所需各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進行封裝形成的洪澇災害評估與預警、公共安全服務、交通管理等城市應用與服務.

1.3 城市數(shù)字孿生體建設及應用

城市數(shù)字孿生體的應用可延伸到城市規(guī)劃、建設、運營的方方面面，進而實現(xiàn)城市運行效率與管理質(zhì)量的大幅度提升. 具體而言，在規(guī)劃階段，城市數(shù)字孿生體整合城鄉(xiāng)、土地、環(huán)境、水系、市政、交通、能源、通信、產(chǎn)業(yè)等規(guī)劃數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市總體規(guī)劃、控制性詳細規(guī)劃、各專項規(guī)劃的動態(tài)監(jiān)管、集成可視和沖突檢測；在建設階段，城市數(shù)字孿生體可實現(xiàn)對工程項目設計、施工到竣工全過程的項目進度、成本、質(zhì)量、安全、綠色施工、勞務的數(shù)字化綜合監(jiān)管，確保重大工程項目按時、高質(zhì)、安全交付；在運營階段，城市數(shù)字孿生體可實現(xiàn)對城市基礎設施、地下空間、能源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境、道路交通等運行狀況的實時監(jiān)測與預測性維護、決策推演及綜合防災的快速響應和應急處置能力，讓城市運行更穩(wěn)定、安全、高效[17].

城市數(shù)字孿生體的建設可依托地理信息系統(tǒng)、建筑信息模型、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立城市數(shù)字信息模型，實現(xiàn)對城市地理實體數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、城市建筑數(shù)據(jù)、市政設施數(shù)據(jù)、城市物聯(lián)感知數(shù)據(jù)以及產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟、社會民生、政務服務、交通出行等應用數(shù)據(jù)的多元異構(gòu)集成，滿足城市精準映射和虛實交互的功能. 由此導致城市數(shù)字孿生體的建設存在城市全空間信息獲取難、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)精準融合難、地理實體要素智能化提取難、按需結(jié)構(gòu)化模型重建難等技術(shù)瓶頸，需要發(fā)展空- 天- 地- 地下立體化城市空間全息數(shù)據(jù)采集、多源異構(gòu)城市空間信息高精度融合、城市全息要素結(jié)構(gòu)與語義信息智能提取、城市場景結(jié)構(gòu)化語義模型按需重建等多項核心技術(shù)[18].

有研究者提出，城市數(shù)字孿生體建設分為4個階段[19]：1) 對城市現(xiàn)狀進行精準、全面、動態(tài)映射的現(xiàn)狀孿生；2) 從歷史數(shù)據(jù)中學習、分析、識別、總結(jié)并發(fā)現(xiàn)城市運行規(guī)律的學習孿生；3) 人工監(jiān)督下模擬不同環(huán)境背景下發(fā)展情景的模擬孿生；4) 最終通過實時數(shù)據(jù)接入與人工智能自動決策的自主孿生. 現(xiàn)階段，數(shù)字孿生技術(shù)在城市規(guī)劃、建設、管理、運營領(lǐng)域的開發(fā)與應用還處于模擬孿生階段，尚無法實現(xiàn)城市數(shù)字孿生的自主孿生. 值得一提的是，英國國家基礎設施委員會于2017年12月發(fā)布了《數(shù)據(jù)的公共利益報告》，提出創(chuàng)建一個國家基礎設施數(shù)字孿生體. 受該計劃支持，Lu等[20]對劍橋大學的西劍橋區(qū)構(gòu)建了含有數(shù)據(jù)獲取層、傳輸層、數(shù)字建模和數(shù)據(jù)補充層、數(shù)據(jù)/模型整合層、應用層的五維結(jié)構(gòu)模型的城市數(shù)字孿生體動態(tài)演示系統(tǒng)和動態(tài)決策支持系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，將建筑信息模型、建筑管理數(shù)據(jù)、空間管理數(shù)據(jù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的實時傳感器數(shù)據(jù)、資產(chǎn)注冊數(shù)據(jù)與資產(chǎn)標簽平臺的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了城市數(shù)字孿生體的智能數(shù)據(jù)查詢、智能優(yōu)化決策等功能. 該案例對物理城市感知、虛擬城市建模、數(shù)據(jù)集成及服務進行了描述，仍然沒有涉及仿真模擬相關(guān)工作，但是，在目前數(shù)字孿生應用尚處于理論階段的背景下，上述相關(guān)工作屬于城市數(shù)字孿生的現(xiàn)狀孿生階段.

當前，城市建設領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)尚處于探索階段，以城市信息模型(city information model, CIM)為應用形式的城市數(shù)字孿生產(chǎn)品平臺逐步被推廣，主要包括Skyline[21-30]、Smart World Pro[31]、World Wind[32]、Virtualcity SYSTEM[33]、City Eye[34]、鴻城CIM平臺[35]等. 然而，值得注意的是，CIM是數(shù)字孿生技術(shù)的初級應用，在物理城市與虛擬城市之間的虛實雙向交互仍不能達到數(shù)字孿生城市的應用需求[36].

城市是由不同功能和結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)組成的有機整體，構(gòu)建面向單元級、系統(tǒng)級和復雜系統(tǒng)級的分層明晰、系統(tǒng)聯(lián)動的城市數(shù)字孿生體，可以從不同角度反映城市運行狀態(tài)，符合現(xiàn)階段城市數(shù)字孿生體的建設現(xiàn)狀. 與城市數(shù)字孿生體的建設相比，城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設無須形成復雜的全空間城市信息模型，其精度相對低、層次簡單的地理實體數(shù)據(jù)集成在現(xiàn)階段具有更好的技術(shù)可行性.

2 城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)分析

城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬城市模型是以物理城市的數(shù)字化模型為基礎，利用物理城市中信息采集終端和信息傳輸介質(zhì)，將城市洪澇災害相關(guān)信息實時反饋到虛擬城市，并利用虛擬城市中的數(shù)據(jù)處理、模擬分析等系統(tǒng)，實現(xiàn)對物理城市中災害的評估與預警，達到物理城市與虛擬城市間的精準映射和虛實交互. 本文梳理和總結(jié)面向城市洪澇災害評估與預警的城市數(shù)字孿生體研究與建設典型案例，提出基于數(shù)字孿生的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)構(gòu)建方案.

2.1 研究現(xiàn)狀

針對城市洪澇災害評估與預警，美國、日本等國家先后建立了基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)、暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)[37-43]；國內(nèi)，上海[42]、北京[43]、南京[44]等城市也都建立了包含氣象仿真、雨水監(jiān)測和防汛預警決策支持等功能的系統(tǒng). 然而，由于氣象仿真、洪澇模擬和基礎設施數(shù)據(jù)孤立分布，共享效率低，并且缺乏有效的應急預案與動態(tài)分析手段，現(xiàn)有的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)效果有限，存在感知與動態(tài)響應能力不足、決策實時性差等問題[45]. 目前，針對基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災害評估與預警，許多研究者做了大量的基礎性工作. Zaalberg等[46]利用三維模擬方法，對城市洪澇災害效果進行仿真，探討了基于三維可視化技術(shù)的洪澇災害模擬方法對提高居民應對洪澇風險能力的效果. Qiu等[47]開發(fā)了一套涵蓋城市洪澇災害全過程管理的災害管理系統(tǒng)，將環(huán)境模型與災難相關(guān)的數(shù)據(jù)組合，構(gòu)建合適的工作流模型，并在系統(tǒng)中自動載入合適的數(shù)據(jù)集，以三維可視化和數(shù)據(jù)挖掘的方法提高災害數(shù)據(jù)的可解釋性和災害防治決策過程的有效性，有效減少傳統(tǒng)管理技術(shù)中耗時長、操作不可靠的問題. Van Ackere等[48]開發(fā)了一種基于WebGIS方法的洪澇災害評估方法，利用三維可視化方法動態(tài)展示洪澇災害演變過程及基礎設施破壞過程，由此實現(xiàn)了城市基礎設施災害的預警功能. Macchione等[49]利用虛擬和增強現(xiàn)實技術(shù)，采用一維或二維水力建模方法對城市洪澇災害進行三維模擬和仿真，編制洪水災害和洪水風險圖，構(gòu)建了在三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中表示二維水力模擬結(jié)果的工作流程，實現(xiàn)了城市洪澇災害的系統(tǒng)評估. 此外，基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)，Lai等[50]、Zhang等[51]、Liang等[52]、Liu等[53]、Leskens等[54]、Breuer等[55]也都對洪澇災害進行了分析，以此實現(xiàn)洪澇災害評估與預警. 但是，必須指出的是，上述研究工作僅僅是利用三維展示技術(shù)展示城市洪澇災害，并基于人的經(jīng)驗實現(xiàn)城市洪澇災害的評估與預警，嚴格來講尚不屬于城市數(shù)字孿生體的應用范疇.

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

作為城市數(shù)字孿生體的子系統(tǒng)，城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)亦包含物理城市、虛擬城市、智能服務、孿生數(shù)據(jù)、虛實交互5個維度[13]. 圖2展示了城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)的模型組成.

圖2 城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)組成模型

1) 物理城市

作為物理城市的子系統(tǒng)，洪澇災害評估與預警系統(tǒng)是一個包含城市氣象環(huán)境、城市基礎設施、城市洪澇災害防治系統(tǒng)等的集成系統(tǒng). 通過在城市天空、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設，建設針對雨情、建筑物、河道、地下管線等的單元級感知體系，實現(xiàn)對城市基礎設施要素信息的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測. 在此基礎上，打通城市洪澇相關(guān)氣象、基礎設施、洪澇防治相關(guān)要素的界限，建立涵蓋城市洪澇全要素的系統(tǒng)級感知體系，實現(xiàn)對城市洪澇災害狀態(tài)的充分感知和動態(tài)監(jiān)測. 在城市數(shù)字孿生體構(gòu)建過程中，城市信息模型的構(gòu)建及實時運行數(shù)據(jù)獲取是構(gòu)建高精度數(shù)字孿生體的基礎，城市資產(chǎn)管理系統(tǒng)(包含實景三維建模、建筑信息模型等)及全域部署的智能感知體系(包含傳感器、通信、計算、電源單元組成的傳感器網(wǎng)絡)是該過程的前提.

2) 虛擬城市

針對城市洪澇災害評估與預警，參照物理城市分層模型，建立涵蓋幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型和模擬結(jié)果等的多時間尺度、多空間尺度的城市洪澇災害評估與預警孿生模型；將城市不同要素分解為不同的數(shù)據(jù)組織，并構(gòu)建統(tǒng)一的邏輯結(jié)構(gòu)，降低數(shù)據(jù)組織的難度；通過數(shù)據(jù)可視化綜合、關(guān)聯(lián)各要素數(shù)據(jù)，將與城市洪澇安全相關(guān)的數(shù)據(jù)進行剖析，從城市要素的幾何參數(shù)、組合關(guān)系、物理屬性、內(nèi)部運行機制、歷史規(guī)律等角度對物理城市進行描述，生成一個綜合的城市概況，滿足城市洪澇災害評估與預警的信息需求；綜合城市洪澇災害相關(guān)全域數(shù)據(jù)信息，并采用數(shù)值模擬方法，如計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)仿真，實現(xiàn)孿生模型的自增長、自學習、自演化，并具備實時判斷、評估、優(yōu)化及預測能力. 虛擬城市的運行及孿生模型演化需要物理城市實時感知數(shù)據(jù)的驅(qū)動及強大的快速數(shù)值模擬系統(tǒng)支撐，這對城市數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)治理和虛擬交互性能及數(shù)值模擬系統(tǒng)提出了嚴峻的挑戰(zhàn).

3) 智能服務

在城市洪澇災害評估與預警中，城市數(shù)字孿生體將物理城市、虛擬城市、孿生數(shù)據(jù)、虛實交互融合成為虛實交互的有機體，并提供全景信息支持；通過持續(xù)收集、組織和分析物理城市和虛擬城市中的數(shù)據(jù)，利用智能分析手段預測城市洪澇災害發(fā)生發(fā)展趨勢.

4) 孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)是驅(qū)動數(shù)字孿生體運行的基礎. 在城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)中，物理城市數(shù)據(jù)、虛擬城市數(shù)據(jù)、智能服務數(shù)據(jù)、虛實交互數(shù)據(jù)等匯聚成為孿生數(shù)據(jù)，驅(qū)動數(shù)字孿生城市發(fā)展和優(yōu)化. 城市孿生數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)據(jù)增長迅速的特點，數(shù)據(jù)標準化采集、數(shù)據(jù)治理、高通量計算存儲是支撐城市數(shù)字孿生體運行，實現(xiàn)城市洪澇災害實時評估與預警的關(guān)鍵.

5) 虛實交互

利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對物理實體的實時動作、行為和狀態(tài)進行采集，實現(xiàn)物理城市在數(shù)字空間的精準映射與可視化，虛擬城市中洪澇模擬程序的快速啟動，數(shù)字空間中各種數(shù)字模型的實時更新、信息反饋，以及物理城市的服務功能，都需要依托物理城市與虛擬城市間的虛實交互. 保證虛實交互的雙向通信、互聯(lián)互通，不同模塊間的通信協(xié)議規(guī)范，數(shù)據(jù)庫接口的標準化與模塊化是城市數(shù)字孿生體建設的關(guān)鍵.

基于城市數(shù)字孿生體模型的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市洪澇災害的監(jiān)測預警、應急響應、指揮調(diào)度、風險管理等服務功能的自主運行. 然而，數(shù)字孿生技術(shù)遠未成熟，面向城市洪澇災害評估與預警的城市數(shù)字孿生體建設尚處于初級階段，還有許多問題需要解決，包括缺乏系統(tǒng)的數(shù)字孿生理論/技術(shù)支撐和應用準則指導[13]、沒有成熟的數(shù)字孿生軟件支撐其深度應用[56]、數(shù)字孿生應用優(yōu)勢尚未凸顯[12]等.

2.3 技術(shù)架構(gòu)

在分析數(shù)字孿生城市五維模型系統(tǒng)框架的基礎上，本文綜合現(xiàn)有城市數(shù)字孿生體建設案例，總結(jié)了基于數(shù)字孿生的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)建設的技術(shù)架構(gòu)，如圖3所示.

圖3 城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)建設技術(shù)架構(gòu)

在基于數(shù)字孿生的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)建設的技術(shù)架構(gòu)中，物理城市模塊主要涉及實時感知技術(shù)，高精度物理城市三維幾何建模技術(shù)，實時接入與協(xié)同測量技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時智能監(jiān)測與優(yōu)化控制技術(shù)等；虛擬城市模塊主要涉及建模與可視化技術(shù)，數(shù)據(jù)清洗、融合與管理技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲、組織、交換、共享、挖掘和應用技術(shù)，多維多尺度數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)，城市運行與服務功能建模、仿真運行及驗證技術(shù)等；城市智能服務模塊主要涉及城市資產(chǎn)管理與運維技術(shù)，面向洪澇、交通等各項公共服務的城市運維數(shù)值模擬技術(shù)，異構(gòu)多源數(shù)據(jù)通信與發(fā)布技術(shù)，人工智能技術(shù)，城市運維優(yōu)化技術(shù)，智能決策與優(yōu)化控制技術(shù)，平臺系統(tǒng)運維技術(shù)，業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺構(gòu)建技術(shù)等；孿生數(shù)據(jù)模塊主要涉及物理城市、虛擬城市、城市智能服務、虛實交互等業(yè)務中產(chǎn)生的多源、異構(gòu)、多模態(tài)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲與封裝技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)，服務器遠程管理技術(shù)等；虛擬交互模塊主要涉及物理城市、虛擬城市、城市智能服務、孿生數(shù)據(jù)之間的多源、異構(gòu)、多模態(tài)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化集群存儲與管理技術(shù)，GIS空間技術(shù)，仿真技術(shù)，人臉、語音、生物識別技術(shù)，人機界面交互技術(shù)等.

城市數(shù)字孿生體通過三維建模、物聯(lián)感知、仿真模擬等技術(shù)的聯(lián)合應用，實現(xiàn)了城市要素的可視化表達、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型及虛實交互的智能閉環(huán)控制應用模式，為建設具備城市洪澇災害預測預警、應急響應、實時指揮調(diào)度決策和風險管理功能的信息化綜合平臺，建立城市暴雨、洪澇立體監(jiān)測技術(shù)體系，提高城市洪澇安全評估與預警能力，提供理論與技術(shù)基礎.

2.4 建設方法

基于三維動態(tài)建模、仿真推演等技術(shù)的聯(lián)合應用，構(gòu)建在真實環(huán)境下具備城市洪澇災害評估與防治模型預演能力的全域數(shù)字虛擬映像的城市洪澇災害防治數(shù)字孿生體，將城市洪澇災害防治技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)深度融合，可以提出城市洪澇災害評估與防治解決方案.

具體而言，基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)是通過建立面向城市洪澇災害相關(guān)的城市空間實體數(shù)據(jù)模型，融合集成以攝像頭和雨情監(jiān)測器等相關(guān)多源異構(gòu)實時數(shù)據(jù)，智能化提取城市洪澇災害特征信息并驅(qū)動城市洪澇災害場景模擬分析決策系統(tǒng)，通過信息系統(tǒng)自動提供城市洪澇災害預警服務.

其具體過程包含：

1) 在面向城市洪澇災害相關(guān)的城市空間實體數(shù)據(jù)模型建設中，主要建設實景三維數(shù)字模型，包括利用無人機航測、激光雷達、傾斜攝影等測繪信息技術(shù)刻畫空間幾何模型、拓撲圖和語義等特征，實現(xiàn)城市三維地圖的精細化表達.

2) 在融合集成以攝像頭和雨情監(jiān)測器等相關(guān)多源異構(gòu)實時數(shù)據(jù)中，依托城市三維實景模型，匹配城市物聯(lián)感知層實時感測城市洪澇災害監(jiān)測數(shù)據(jù)，包含雨量、排水、車流量等信息，實現(xiàn)全景細節(jié)追蹤和態(tài)勢感知.

3) 在智能化提取城市洪澇災害特征信息并驅(qū)動城市洪澇災害場景模擬分析決策系統(tǒng)中，利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)特征信息驅(qū)動災害模擬分析系統(tǒng)，通過物理城市的實時數(shù)據(jù)接入，驅(qū)動智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)物理城市和虛擬城市間的統(tǒng)一聯(lián)動、快速分析、模型科學決策、智能精準執(zhí)行，形成虛實對應、相互映射、協(xié)同交互的衍生系統(tǒng).

4) 基于上述過程，利用信息系統(tǒng)自動提供城市洪澇災害預警服務，能夠?qū)Τ鞘泻闈碁暮Φ陌l(fā)生與突變做到及時有效控制，實現(xiàn)對城市洪澇災害的預警與災害預防聯(lián)動指揮.

因此，城市數(shù)字孿生體的建設與應用需要全域感知、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)通信、數(shù)值模擬等技術(shù)的全面提升. 可以預見，城市數(shù)字孿生體的建設是一項實現(xiàn)周期長、技術(shù)瓶頸多、協(xié)同范圍大的跨專業(yè)、跨行業(yè)、復雜度極高的系統(tǒng)工程.

3 結(jié)論

1) 數(shù)字孿生技術(shù)是城市數(shù)字化、智能化建設的重要支撐之一. 城市數(shù)字孿生體通過數(shù)據(jù)全域標識、狀態(tài)精準感知、數(shù)據(jù)實時分析、模型科學決策、智能精準執(zhí)行，形成虛實對應、相互映射、協(xié)同交互的衍生系統(tǒng)，支撐城市實體全要素的數(shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)的實時化和可視化、城市管理的決策協(xié)同化和智能化，實現(xiàn)城市的模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制，解決城市規(guī)劃、建設、運行、管理、服務的復雜性和不確定性.

2) 基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)，將物理城市進行分層分析，建立涵蓋物理城市、虛擬城市、智能服務、孿生數(shù)據(jù)、虛實交互5個維度的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)，可以推動城市數(shù)字孿生體在洪澇災害評估與預警中的綜合應用. 然而，由于城市數(shù)字孿生體復雜性高、軟硬件及計算能力不足，面向城市洪澇災害評估與預警的城市數(shù)字孿生體建設遠未成熟.

3) 與城市數(shù)字孿生體的建設相比，城市洪澇災害評估與預警數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設在現(xiàn)階段具有更好的技術(shù)可行性. 基于數(shù)字孿生技術(shù)，本文提出了城市數(shù)字孿生體模型，并分析了基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和建設路徑，研究成果可作為未來城市洪澇災害評估與預警系統(tǒng)建設的理論基礎.