“数字孪生城市”来了，它不止是一场空想乌托邦

近日,阿布扎比市政交通部(DMT)发布了阿布扎比数字孪生项目。该项目集成了最先进的技术,旨在推广智慧城市的基础和概念,提供准确的数据和衡量标准,为城市运行助力。

当今世界,超过半数的人口居住在城镇地区。预计到2050年,全球城市居民还将新增25亿人。数字孪生城市作为未来新型智慧城市演进的重要方向,将给全球城市带来怎样的改变?又将如何改变人们的生活?

阿布扎比马斯达尔城

图源:Smart Cities World

什么是数字孪生城市?

本世纪初,迈克尔·格里夫斯(Michael Grieves)教授在美国密歇根大学的课堂上首次提出“数字孪生”(Digital Twin)的设想。作为一种仿真技术,在理论上不仅要求与物理实体的几何结构保持一致,而且能够在信息系统中镜像复原物理实体的状态和行为,技术上即利用大量的传感器监测物理实体的运行状态,通过数据建模仿真来验证对物理实体的控制效果,最终可以控制物理实体的运行。

数字孪生技术和创新的价值,可以抽象为“过去、现在与未来”三大维度:

对于过去,数字孪生可以沉淀数据,辅助分析提升;

对于现在,数字孪生场景可以实现全局感知、智能运控和实时调度;

对于未来,数字孪生场景则起到了模拟推演、仿真预测和辅助决策的关键作用。

数字孪生城市,是“数字孪生”在城市空间中的应用。城市是由物理空间、社会空间和信息空间相互交叠而成的开放复杂的巨系统。而在“数字孪生城市”中,信息则将成为“物理”和“社会”的载体。换句话说,在“数字孪生城市”中,物理空间和社会空间都将以信息的形式呈现在我们面前。

图源:腾讯网

世界经济论坛和中国信息通信研究院联合发布报告《数字孪生城市:框架与全球实践》,归纳了数字孪生城市的4个典型技术特征:

01 物理城市与数字城市的精准映射

通过利用物联网技术(loT)、地理信息系统技术(GIS)、智能建筑模型技术(BIM) 等,数字孪生城市可以呈现出物理城市运行的全貌,包括城市建筑物、交通道路、植被、水系、城市部件、管线等全要素静态地理实体,以及人、车辆、终端、各类组织等城市动态变化的各类主体。

02 数字城市的深度洞察

在数字空间中,基于物理城市采集数据的汇聚整合,人们可以分析城市拥堵情况、楼宇能耗情况、规划是否合理、地下管线是否需要维修等,洞察城市运行风险,并以数字化模拟的方式呈现出真实场景效果,用户可以通过修改信号灯配时、控制高耗电设施、改变规划选址等,制定策略举措,以改善城市运行状态。

03 数字城市与物理城市的虚实交互

物理城市在数字空间中得以丰富、延展、扩大,例如城市管理者可以基于数字平台界面与物理城市互动,搜索实体和框选统计便城市规划者调节建筑物的位置、高度、形状,为居民创造一个更舒适、更凉爽的环境。此外,平台还可以随时叠加噪声图、能源消耗热力图等,进行分析模拟计算,指定改善环境的措施。

04 数字城市对物理城市的智能干预

在数字空间中,数字孪生城市平台可以实时呈现城市运行状态,一旦物理城市出现事故、灾害等警报,城市管理者可以快速地决策部署相应对策予,此外,也可以通过深度学习、模拟仿真来预测城市可能发生的问题或风险,加以预防,以降低财产损失,保障人民安全。

数字孪生在城市中如何应用?

2020年以来,国际上的一些国家将数字孪生上升为国家战略。英国发布《国家数字孪生体原则》,阐述了构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则及路线图;德国“工业4.0”参考框架也将数字孪生作为重要内容;新加坡率先搭建“虚拟新加坡”平台,用于城市规划、维护和灾害预警项目;法国推进数字孪生巴黎建设,打造数字孪生城市样板;在中国,“探索建设数字孪生城市”已经纳入“十四五”规划和2035年远景目标纲要。

Virtual Singapore(虚拟新加坡)计划

图源:National Research Foundation

回归实际应用领域,数字孪生已在国际范围内被广泛接纳。现阶段,除了航空航天领域,数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业。ABI research数据显示,到2025年,预计将有500多个城市部署数字孪生技术,以改善城市运营、加强韧性规划据预测。也有数据统计,到2030年,数字孪生技术的应用将为城市规划、建设、运营节省成本达到2800 亿美元。

2022年北京冬奥会国家速滑馆数字孪生操作系统

图源:中国青年网

沙特阿拉伯于近期开始采用STC公司的智能窄带物联网(NB-IoT)垃圾管理解决方案,将在涉及垃圾收集和处理的区域内安装智能超声波传感器,以实时监测垃圾数量、状态及垃圾箱温度等数据,并自动对垃圾收集路线、拾取频次和车辆负载等给出优化建议,以达到提高垃圾处理效率、降低碳排放量的目的。

美国迈阿密市宣布,将在全市范围内建立空气质量智能监测网络和环境分析数据库。除了通过安装在各处的智能传感器采集空气质量数据,市民们也可以将自己发现的环境变化情况上传到Algorand区块链上。相关数据将悉数用于检测和锁定空气污染热点,并及时处置,以更好地保护城市环境和市民健康。

在中国,产业园应用智能化系统解决方案,借助智能物联网、数字孪生、AI应用等先进技术,实现了多个场景的数字化管理。比如,作为“中央大脑”的智能控制塔,让管理者可以从信息系统中实时掌控产线和产品状况,从而第一时间做出决策,实现智能制造。

2022年7月,阿里云发布超融合数字孪生平台。这个平台可以将感知、仿真、控制、可视等四域数据进行融合和计算,保障孪生世界中分析推演的速度和准确性,并在相对应的真实世界场景中实现业务价值。目前,该平台已广泛应用于高速管理、城市交通、港口调度、机场运营、车路协同等场景。

图源:中国军网

2022年9月,香港科技大学启动国际交通网络数字孪生协同创新平台建设,助力粤港澳大湾区打造世界级智能交通创新示范。

目前看来,数字孪生作为较新的数字化技术概念,发展空间巨大。数字孪生城市为我们提供了对未来城市生活与城市治理丰富的想象空间,也为发展城市科学提供了基础条件。随着信息技术进步、城市数字化转型需求提升以及政策的持续加持,数字孪生将继续改变城市生活,为我们带来崭新体验。

参考 | 科技日报、世界经济论坛、中国青年网、中国军网、澎湃新闻、新浪新闻、Smart Cities World等