鄒鵬 肖澤文 鄒佳芳

(1.五邑大學(xué)，2.吉首大學(xué))

2003 年，Grieves 教授在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品生命周期管理課程上提出了數(shù)字孿生的概念[1]。數(shù)字孿生早期常用于解決軍工產(chǎn)品及航空航天產(chǎn)品的生命周期問(wèn)題,如美國(guó)宇航局開(kāi)展的阿波羅項(xiàng)目中，由于需要查看正執(zhí)行飛行任務(wù)飛行器的狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)并制造了兩個(gè)相同的飛行器，實(shí)際觀察的對(duì)象為地面的飛行器，被稱為“孿生體（twins）”。數(shù)字孿生(Digital Twin)一詞最先出現(xiàn)在正式文獻(xiàn)上，是2010年美國(guó)宇航局發(fā)布的《建模，仿真，信息技術(shù)與處理路線圖》，此文獻(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生描述為：針對(duì)運(yùn)載工具（車輛、火箭等）或系統(tǒng)的集成化的多物理、多尺度、概率仿真，它使用物理特性模型、傳感器更新數(shù)據(jù)和飛行歷史信息，形成飛行中的孿生對(duì)象的全生命周期的鏡像[2]。隨著歐盟工業(yè)5.0 及中國(guó)制造2025 等發(fā)展戰(zhàn)略的提出，數(shù)字孿生技術(shù)在全球得到快速推廣。當(dāng)前數(shù)字孿生主要用于制造業(yè)，著名國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）研究發(fā)現(xiàn)有40%的大型制造企業(yè)都會(huì)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)為生產(chǎn)過(guò)程建模仿真，數(shù)字孿生已發(fā)展成制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)路線[3]。

1.數(shù)字孿生技術(shù)與城市

如圖1，數(shù)字孿生的概念模型主要由三部分組成：①真實(shí)的物理世界；②虛擬空間中的數(shù)字世界；③連接虛實(shí)的數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生技術(shù)需要建立物理實(shí)體的虛擬數(shù)字模型，通過(guò)采集物理實(shí)體的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在虛擬數(shù)字模型中的精確映射、交互與融合。數(shù)字虛擬模型與物理實(shí)體同步運(yùn)轉(zhuǎn)，虛擬模型的數(shù)據(jù)由實(shí)際運(yùn)行的真實(shí)設(shè)備實(shí)時(shí)提供，能對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉分析，并將分析結(jié)果反饋給真實(shí)設(shè)備，從而達(dá)到指導(dǎo)真實(shí)設(shè)備運(yùn)行的目的。

圖1 數(shù)字孿生概念模型

數(shù)字孿生具有實(shí)時(shí)同步、真實(shí)映射、高保真度的特性，為建設(shè)治理科學(xué)化、服務(wù)智慧化的城市提供了新的思路，許多城市開(kāi)始探索基于數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行城市規(guī)劃、建設(shè)和改造、管理與服務(wù)。2018 年，《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》指出，要“堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市”[4]。

數(shù)字孿生城市是基于數(shù)字孿生技術(shù)和先進(jìn)理念在城市建設(shè)中的應(yīng)用實(shí)踐[5]。數(shù)字孿生城市依賴傳感器能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)實(shí)體城市的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知，整合獲得的城市運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，可以科學(xué)預(yù)測(cè)和規(guī)劃實(shí)體城市的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)并對(duì)實(shí)體城市運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行智能干預(yù)，促進(jìn)服務(wù)和管理一盤棋，將給城市智能化治理與服務(wù)帶來(lái)重大創(chuàng)新。

2.數(shù)字孿生城市的應(yīng)用場(chǎng)景

當(dāng)前我國(guó)數(shù)字孿生城市的建設(shè)發(fā)展很快，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了許多應(yīng)用場(chǎng)景，如智慧社區(qū)、智慧政府、智慧交通、智慧物流、智慧電網(wǎng)、智慧校園等，如圖2 所示。在數(shù)字孿生技術(shù)的加持下，城市的運(yùn)轉(zhuǎn)效率得到了極大提升。

圖2 數(shù)字孿生城市應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 智慧社區(qū)與政府

社區(qū)是城市治理與服務(wù)的基本單元，是在政府部門指導(dǎo)下的服務(wù)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)社區(qū)的管理主要以人工管理為主，缺少數(shù)字化治理，效率低、成本高，無(wú)法滿足人口日益增長(zhǎng)的城市社區(qū)。智慧社區(qū)的建設(shè)要以數(shù)字孿生城市的建設(shè)作為切入點(diǎn)，建立統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)、管理與服務(wù)，平臺(tái)基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)全社區(qū)一個(gè)模型，模型上能精確映射社區(qū)樓棟、居民、商戶等社區(qū)全部要素[6]，依托物聯(lián)感知技術(shù)，整合社區(qū)全域得人、物、地、事等信息，為人民提供便利的出行、政商、娛樂(lè)、教育等服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)社區(qū)管理人員對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、突發(fā)事件、反饋的查詢。社區(qū)工作主要從物業(yè)管理、生活服務(wù)、政務(wù)服務(wù)中心這三個(gè)方面進(jìn)行，下面分別介紹其在數(shù)字孿生技術(shù)加持下的特點(diǎn)。

(1)物業(yè)管理。首先對(duì)社區(qū)供水、供電、供氣等系統(tǒng)以及消防、照明、門禁、停車場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)展智能化升級(jí)，引入物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)布置對(duì)應(yīng)的傳感設(shè)備，如智能水表、智能電表、智慧消防、人臉識(shí)別門禁、智能監(jiān)控等，對(duì)社區(qū)內(nèi)各系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行感知監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)形式將各類信息上傳到數(shù)字孿生社區(qū)模型，利用智能算法和大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)社區(qū)的智能化管控和快速響應(yīng)機(jī)制，以信息化技術(shù)手段支撐社區(qū)智能化運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)生活服務(wù)。社區(qū)的生活服務(wù)涉及人民的衣食住行，主要包括旅游出行服務(wù)、文化教育服務(wù)、體育運(yùn)動(dòng)服務(wù)、醫(yī)療服務(wù)、養(yǎng)老托幼服務(wù)、家政清潔服務(wù)、外賣快遞服務(wù)等等?；跀?shù)字化手段，將打車、快遞、外賣等互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)接到社區(qū)數(shù)字平臺(tái)，整合連接社區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、酒店賓館、醫(yī)院藥店、市場(chǎng)超市、學(xué)校、托兒所、養(yǎng)老院等商業(yè)與服務(wù)設(shè)施，構(gòu)建智慧社區(qū)生活圈，為商家提供高效的推廣渠道，為社區(qū)居民提供便利的本地服務(wù)并能夠快速找到所需要的服務(wù)。

(3)政務(wù)服務(wù)中心。政務(wù)服務(wù)中心是人民政府設(shè)立集信息咨詢、審批與收費(fèi)、管理與服務(wù)、投訴與督察于一體的綜合管理服務(wù)平臺(tái)。傳統(tǒng)的政務(wù)服務(wù)存在辦事難、辦事慢的缺點(diǎn)，基于數(shù)字技術(shù)，建立網(wǎng)上政務(wù)服務(wù)平臺(tái)并對(duì)接到社區(qū)數(shù)字平臺(tái)，融合各政務(wù)數(shù)據(jù)，發(fā)展“數(shù)字孿生+政務(wù)服務(wù)”，為人民提供便捷、優(yōu)質(zhì)、高效和智慧的政務(wù)服務(wù)。

2.2 智慧電網(wǎng)

電力是城市運(yùn)轉(zhuǎn)的“血液”，電網(wǎng)由輸配電線路和變電設(shè)備兩部分組成，其任務(wù)分別是傳輸和分派電力。我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模已位居世界第一，電網(wǎng)設(shè)備的規(guī)模與種類逐年增加，對(duì)保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[7]，因此，智慧電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。智慧電網(wǎng)承擔(dān)著城市電網(wǎng)的調(diào)度指揮、管理控制和可視化展示等功能，通過(guò)數(shù)字化設(shè)備監(jiān)控手段和分布式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能分析和可視化管理，故障點(diǎn)還可以在指揮大廳屏幕上高清顯示及復(fù)雜電力網(wǎng)路可視化，還具備預(yù)測(cè)自動(dòng)報(bào)警功能，提前預(yù)測(cè)故障并把處理結(jié)果報(bào)告給相應(yīng)管理維修人員，使故障在導(dǎo)致停電之前就得到搶修解決。

2.3 智慧交通

截至2022 年3 月底公安部交通管理局的數(shù)據(jù)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量高達(dá)4.02 億輛，對(duì)交通運(yùn)輸形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[8]。習(xí)近平總書(shū)記在聯(lián)合國(guó)第二屆全球可持續(xù)交通大會(huì)上指出，要大力發(fā)展智慧交通，利用新興技術(shù)開(kāi)展交通行業(yè)智慧化升級(jí)改造。作為數(shù)字孿生城市建設(shè)的重要分支，智慧交通的建設(shè)要貫穿到數(shù)字孿生城市的建設(shè)中去，基于物聯(lián)感知技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)等，整合城市內(nèi)所有道路交通運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能分析，為出行者提供最優(yōu)交通路線[9]。發(fā)展智慧交通可以極大緩解出行壓力，滿足人民對(duì)于美好出行的需要。

(1)數(shù)據(jù)采集、整合

需要采集完備的交通數(shù)據(jù)，除了要充分采集傳統(tǒng)交通數(shù)據(jù)，如車速、車距、車流量、交通信號(hào)燈等，還應(yīng)完善交通環(huán)境狀況數(shù)據(jù)，如天氣、風(fēng)速、能見(jiàn)度、氣候甚至行人、寵物等會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生影響的因素。采用更加全面精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將交通數(shù)據(jù)映射于數(shù)字孿生城市模型之中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，利用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)挖掘交通數(shù)據(jù)的價(jià)值，還可以對(duì)每天的路況進(jìn)行預(yù)判以提前做好規(guī)劃。

(2)道路監(jiān)視

智慧交通的運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于對(duì)通行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確把握，道路設(shè)施作為交通體系的一部分會(huì)直接影響交通，如道路坑洼、井蓋破壞、路燈故障、標(biāo)線摩損、障礙物等影響交通運(yùn)行的因素，因而需要安裝智能檢測(cè)裝置對(duì)道路設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，保障智慧道路穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)應(yīng)急響應(yīng)

突發(fā)事件如醫(yī)衛(wèi)急救、交通事故、氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等會(huì)嚴(yán)重影響交通運(yùn)行，必須依托智慧交通系統(tǒng)才能快速處理和控制事態(tài)的發(fā)展，將突發(fā)事件的監(jiān)視與智慧交通系統(tǒng)融合。如需要醫(yī)衛(wèi)急救，智慧交通系統(tǒng)通過(guò)分析采集的數(shù)據(jù)和對(duì)道路的監(jiān)視情況，會(huì)立刻響應(yīng)、規(guī)劃路線，并在提示道路上交通參與者及時(shí)讓出供救急車通行的道路，同時(shí)協(xié)調(diào)對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行調(diào)整，保證救急車一路暢通。基于人工智能技術(shù)，智慧交通系統(tǒng)還可以根據(jù)突發(fā)事件的輕重緩急來(lái)協(xié)調(diào)各交通部門，提高報(bào)警、出警的效率，更好地為城市運(yùn)轉(zhuǎn)服務(wù)。

2.4 智慧校園

智慧校園是教育數(shù)字化發(fā)展的新階段。近幾年，已有眾多學(xué)校對(duì)智慧校園進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)，但校園智慧性仍然不足、安全性不夠等問(wèn)題還有待解決[10]。數(shù)字孿生技術(shù)能夠全域精準(zhǔn)映射智慧校園空間，孿生體基于全生命周期的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互和智能干預(yù)，將推動(dòng)校園決策、管理科學(xué)化和智慧化。

數(shù)字孿生可以搭建數(shù)字智慧學(xué)習(xí)空間。數(shù)字孿生能夠?qū)?shí)體校園的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知，實(shí)現(xiàn)實(shí)體校園與數(shù)字校園相互映射，動(dòng)態(tài)交互。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和全息投影等基礎(chǔ)技術(shù)的加持下，數(shù)字學(xué)校的所有要素可以通過(guò)三維可視化的方式展示。基于5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)映射的虛擬模型能夠得到保障，如AI 實(shí)驗(yàn)室、大型虛擬教具及實(shí)驗(yàn)器材等[11]。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以融合物理學(xué)習(xí)空間和虛擬學(xué)習(xí)空間，搭建數(shù)字孿生學(xué)習(xí)空間，例如數(shù)字孿生教室、AI 教師、全息課堂等，能夠精準(zhǔn)指導(dǎo)和干預(yù)學(xué)生，在這種高仿真的學(xué)習(xí)空間可以大大加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專注度，促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)步。

安全方面，校園安全事件往往具有突發(fā)性，難以人為預(yù)測(cè)，一旦發(fā)生可能會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生的安全和教學(xué)質(zhì)量。借助數(shù)字孿生技術(shù)，基于各種傳感設(shè)備，對(duì)校園進(jìn)行感知監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)形式將各類信息上傳到數(shù)字孿生校園模型，利用智能算法和大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)校園的智能化防控和快速響應(yīng)機(jī)制，以信息化技術(shù)手段保障校園安全[12]。同時(shí)，還可以分析學(xué)生的行為，如：上課情況、作業(yè)情況、上網(wǎng)記錄等等，通過(guò)監(jiān)控人臉識(shí)別、學(xué)校一卡通消費(fèi)記錄等方式記錄學(xué)生活動(dòng)軌跡，建立對(duì)應(yīng)的孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，借助于融合數(shù)字孿生模型的智慧校園，基于大數(shù)據(jù)和人工智能，能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別異常者，以便教師能夠及時(shí)介入管理，保障每一個(gè)學(xué)生健康成長(zhǎng)。

2.5 智慧物流

隨著電商的興起，物流行業(yè)諸如包裹、快遞、電商物流、最后一公里等成為熱詞進(jìn)入城市日常生活之中[13]。物流是城市的“動(dòng)脈”，貫穿于城市運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，城市的各種商業(yè)活動(dòng)都離不開(kāi)物流，物流是城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要組成部分，發(fā)展智慧物流能提高城市運(yùn)行質(zhì)量、健全城市現(xiàn)代化功能、拔高城市綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息處理技術(shù)，將物流人員、物流裝配、貨物、運(yùn)輸工具全面接入數(shù)字孿生城市，可以實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的全狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)運(yùn)輸、需求預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)自主決策，促進(jìn)物流智慧化，優(yōu)化資源配置。同時(shí)，可以打破物流行業(yè)的信息不對(duì)稱現(xiàn)象，強(qiáng)化物流透明性，從而可以有效利用社會(huì)閑置資源，減少空車率，降低能源耗費(fèi)。智慧物流能提高城市物流運(yùn)轉(zhuǎn)效率，利于城市發(fā)展。

3.數(shù)字孿生城市框架

基于數(shù)字孿生技術(shù)，科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)，可從根本上實(shí)現(xiàn)城市精準(zhǔn)服務(wù)和治理。本節(jié)從前文數(shù)字孿生城市的應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市框架，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字孿生城市框架

首先基于現(xiàn)實(shí)物理城市，利用3S 空間信息技術(shù)、BIM、CIM 等技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)全域精準(zhǔn)映射的數(shù)字孿生城市，對(duì)城市實(shí)體進(jìn)行整體規(guī)劃、分析。孿生城市與物理城市完全對(duì)應(yīng)，并可實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。其次基于各種傳感器，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知等技術(shù)識(shí)別、收集、處理城市一切物理實(shí)體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如城市交通數(shù)據(jù)、人員流動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)、醫(yī)療數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、環(huán)衛(wèi)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、政務(wù)數(shù)據(jù)、商旅數(shù)據(jù)等[14]。數(shù)字孿生城市依賴傳感器數(shù)據(jù)能夠?qū)?shí)體城市的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知，實(shí)現(xiàn)實(shí)體城市與數(shù)字城市相互映射。最后數(shù)字城市結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能，通過(guò)智能分析決策系統(tǒng)對(duì)實(shí)體城市數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再將決策反饋給物理城市以指導(dǎo)或輔助城市作出真實(shí)決策，基于控制器對(duì)物理城市作出反向快速精準(zhǔn)控制的智能干預(yù)。

數(shù)字孿生技術(shù)賦予城市自感知、自學(xué)習(xí)、自判斷、快速響應(yīng)的治理和服務(wù)能力，并可以科學(xué)預(yù)測(cè)和規(guī)劃物理城市的發(fā)展方向，促進(jìn)服務(wù)和治理一盤棋。在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，對(duì)城市建設(shè)和發(fā)展從頂層設(shè)計(jì)到底層邏輯進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃，可以從根本上實(shí)現(xiàn)城市精準(zhǔn)服務(wù)與治理，促進(jìn)城市健康發(fā)展，提高城市的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

4.結(jié)語(yǔ)

充分利用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠?yàn)楝F(xiàn)代城市智能化治理與服務(wù)帶來(lái)重大創(chuàng)新，推動(dòng)城市運(yùn)轉(zhuǎn)科學(xué)化和智慧化。目前，各個(gè)城市對(duì)數(shù)字孿生城市的建設(shè)還處于初步發(fā)展階段，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與參考對(duì)象，但隨著信息技術(shù)的不斷推進(jìn)，將數(shù)字孿生技術(shù)引入城市是城市數(shù)字化的必然趨勢(shì)，屆時(shí)，希望本文的粗略構(gòu)想能為數(shù)字孿生城市的建設(shè)提供一定的參考價(jià)值。