中国信通院产业与规划研究所信息化应用研究部副主任 陈才:数字孪生城市

2019年6月6日18:50:00 发表评论 5 浏览

中国信通院产业与规划研究所信息化应用研究部副主任 陈才:数字孪生城市

尊敬的各位嘉宾大家上午好。今天我跟大家交流的话题是数字孪生城市,提出这个理念,是中国信通院智慧城市的团队,在承担雄安新区相应的新型智慧城市发展重大的课题和规划过程中的集体的结晶。中国信通院在2017年就开始围绕此主题进行了研究,当时就提出了以孪生城市推进新型智慧城市建设发展的理念。2018年,我们联合了业内的很多的孪生城市企业发布了数字孪生城市白皮书,也是业内第一本关于孪生城市系统性的阐述。今年我们还在进一步深入的研究,我们也希望产业界的更多力量加入,一起把这个理念、概念进一步落地,能够在智慧趁势发展中生根发芽。

首先讲讲什么是数字孪生技术,今天企业界的朋友比较多,关于孪生技术大家也比较了解。数字孪生技术Digital Twin,最早是从制造业,飞机制造、模具制造领域发展起来的,通过物理模型、感知数据的收集更新,以及历史数据的采集分析,并对未来预测,它集成了包括物理、材料、信息等多学科、多物理量、多尺度的仿真闭环,在物理空间、虚拟空间上形成虚实交相辉映,物理和实体空间相对应的产品,全生命周期的过程这么一个技术。

首先数字孪生是一个技术,在过去在八九十代已经有萌芽和发展,当时为什么取得了大的爆发或者是在不同的领域,在制造、医疗包括城市领域能够得到爆发呢?实际上也是跟当前新一轮的数字化的浪潮,数字转型的发展和信息技术的大集中、大集成的应用是息息相关的。因此,数字孪生从一个局部的领域,现在慢慢逐渐扩展到行业、扩展到城市的层级,这个是数字化浪潮的必然产物和结果。

同时我们可以看到,物理世界的万物,无论是我们的桌椅、建筑,建筑早期就并入了这样的理念,到我们当前的一些动态的城市的街区、动态的人的行为,实际上在虚拟的空间都可以形成孪生共生体,虚实交相辉映,这是未来对于数字世界的愿景和发展方向。因此可以看到,现在以虚拟服务于现实,更加帮助现实去增强它的操控能力,增加运行的安全、效率,这成为了一个从数字化、城市化、工业化等等几大进程相互教会的核心的重大点。所以无论是Gartner、麦肯锡等国际知名的机构都把数字孪生技术作为未来前沿发展的方向。

什么是数字孪生城市呢?数字孪生城市也是数字孪生的技术和理念在城市领域进一步的应用,把城市作为核心的载体,是在网络空间上形成与物理城市、钢筋水泥的城市能够有效的刻画、有效的诊断和对未来历史发展的预测,以及最终形成一个对当前钢筋水泥城市的一个智能的反馈。

所以数字孪生城市提出了基本的内涵概念,它的技术支撑能力包括全域的数字化标识,因为数字孪生必须要将物理空间的一花一木,相应的人以及包括社交的行为,包括动态的行为,物理的静态的物理量、动态的物理量全部刻画,数字化标识非常重要。自动化感知、网络化连接,当前我们进入到5G的创新时代,物联网万物互联,万物智能的赋能,为未来打开了一个非常大的想象空间。

普惠化计算,未来重要的节点,在未来整个信息化、数字化发展的过程中,普适的计算,无所不在的计算,能够被各行各业所应用,这是在数字孪生城市里很基础的技术元素。包括智能化控制,在机械论,在智能控制力、平台化服务等。

数字孪生城市是可以集中到我们当前在信息化、在ICT领域的大部分的技术,是一个集大成者。因此数字孪生城市我们提出一个重要的概念是,通过构建与物理城市与数字城市一一对应、协同交互、智能操作的复杂巨系统,它不是一个单独的产品,也不是一个基本的元素,而是在人、空间、物等各方面的一个复杂交互的巨系统。

通过在网络空间与物理空间的相互的平行的运行,使得虚拟服务于现实、数据驱动治理、智能定义一切等运行机制。这里面我们看到几个大的关键词,包括数据驱动,智能,原来叫软件定义一切,软件现在逐步进入到了智能操控、智能化的发展的方向,因此未来是智能定义硬件、定义运行、定义一切,实现城市全要素的数字化和虚拟化,实现全状态的实时化和可视化、可供决策,城市管理协同化智能化,达到更高更优的水平。从事实现实体世界和虚拟世界形成孪生体的共生共存。这里面有当前的理念,也有未来的发展方向。

进一步看什么是数字孪生城市?我们进一步拆解,不光是从技术的角度,我们首先是讲,它是复杂的综合的技术体系,现在很多的单点技术在过去几年,包括像云计算大数据、人工智能等单点技术,实际上是交相呼应在突破,技术已经进入集中融合大集成、大发展的阶段,数字孪生城市就是技术化融合复杂体系的核心承载。第二数字孪生城市是城市职能运行的新的运营模式。第三数字孪生城市核心就是形成了一套数据的闭环能力,通过我们对城市理念相应元素的模拟,把它数字化,诊断出当前城市发生了一些什么问题,有一些什么样的存在的瓶颈,然后去实时的监控,然后对未来的发展作出一定的预测、仿真,再在网络空间上进行对实体空间进行反向的操控和反向的对接,最终形成这样一个数据核心的闭环。

在城市最初的优化前,我们可能实现首先镜像的再现,把这个城市由实到虚,再弄到数字空间做全域的感知。在全域的数字空间里面,对城市发展的运行状态提前预测、洞察,做推演、模拟,最终把推演模拟相应的结论、相应的结果由虚控实,再反推到实体的物理城市,反向作用、智能操控,最终形成优化后的城市发展的模式,最终形成一个四阶段的循环。

提出数字孪生城市,智慧城市经历了从2008年IBM提出的理念,经历了很多,但是智慧城市存在碎片化的发展,缺乏集成创新的方案。很多的技术应用都还是局限在行业内部,政务的、医疗的等相互有所割裂。

未来智慧城市,新型智慧城市要实现城市治理一盘棋、惠民服务一站式,统筹集约协同,这是未来新型智慧城市的趋势时机成熟,一方面是在技术方面有所准备,另一方面其实我们整个的管理的机制、业务协同的模式、流程,现在在最近几年都在开始慢慢的发生变化。所以在这个时间节点,数字孪生城市提出正契合了当今业界大的发展。

我们讲数字孪生新的模式,它是要实现城市未来全领域、大规模、集成化、协同化、均衡化、同步化的大发展。有一个比喻实际上是可以站在一个更高的层面,或者是类似有人比喻说,上帝的视角,能够对我们当前发展的状况做一个提前的推演和预盼。

数字孪生城市与智慧城市的关系,一方面数字孪生城市它是智慧城市的一种发展的新兴的技术路径,这是其中的一条路径而已。数字孪生城市它是一个新的方向、新的理念,因此需要集合更多的产业力量、智力资源共同参与,形成城市集的创新平台,这也是我们在前期跟我们包括地方政府、包括产业界在沟通的时候,发现通过数字孪生城市这么一个大的方向理念去发展和落地,能够激活拉动我们整个ICT很多产业链的资源在这上面有所发展。

数字孪生城市是新型智慧城市的基本的手段和支撑,但并不是全部,这是我们看到的新型智慧城市的其中一个面,是从上帝的视角或者说从一个全局的视角对城市的整体运行发展,做了一个勾勒。我们也提出,数字孪生城市可以说是狭义的数字城市,真正未来的智能城市要实现大智慧、智慧城市的起点。数字孪生城市也可以看作是新型智慧城市在基础能力、基础赋能、基础设施方面的核心的支撑,是基础设施的升级版。

在数字孪生城市里面,有四个大的特点:第一个精准映射。第二个就是虚实交互,提出之数字孪生城市和现实城市能够形成一个有效的互动。第三个软件定义,或者是智能定义,就是通过我们基本的模型的建立,形成软性的指引和记录城市发生的各种的情况,实现我们以软碰硬,以软件定义城市范围的发展。第四就是智能干预,可以在城市产生一些不良影响、矛盾冲突的情况下,提前实现应急方案,进一步去干预,以更长远、未来的视角对当前进行互动和干预,同步互动可追溯和可预测,是我们讲到数字孪生城市的四个大的特点。

一些典型的场景,数字孪生城市从城市的规划、建设、管理,形成一体化的规建管,现在来讲比较成熟,而且也是比较容易突破的一个领域。因为早期其实我们从建筑的模型,已经建立起来在建筑内部一整套的孪生互动的体系。但是光是建筑还不够,要从城市规划的前端、前沿开始,从规划到建设建造,到我们后期的整个城市的运行管理,要形成一个全套的一个完整的闭环一体化的发展方式。我们认为是规、建、管一体化是当前数字孪生城市相对容易突破的重要的场景。

第二大类场景,是通过以虚控实实现全域城市一盘棋的治理。这方面我们可以看到,有一些产业界的以城市智脑、中枢的方式,实现了数据的大集中、大汇聚,然后在此基础上进行一个推演、研判和资源的优化配置。这一块是城市治理一盘棋、统筹化布局的大的场景。

当前来看,相对难实现的场景是未来的智能孪生服务,尤其是基于位置信息和个人喜好的关联服务。比如我们可以通过生物特征,在孪生城市里也形成相应的数字表达,那么这个数字孪生体,在不同的位置将享受不同的服务。比如,我们进入图书馆之后,和在虚拟的数字空间里面,个体过去的借阅历史信息,偏好信息,与图书馆的馆藏信息、对应主题发生碰撞和交互,可以实现数字空间里的信息交互和交换,同时反馈到现实中来,个体可以更便捷、更高效和安全地享受图书借阅服务。但数字孪生服务的情景交融是比较远期的场景。

除了美好的未来愿景,我们再看看数字孪生城市的主要技术架构,以及未来可能的发展路径。首先,技术架构分三层,底层实现城市全域空间布局的智能化感知设施和监测感知体系的全域覆盖,这个是对物理空间、物理世界真实的表达。中间一层,要形成智能城市或者是未来数字孪生城市高速、低时延、高可靠的虚拟专网或专用网络,实现对数字孪生体以及虚实交互的毫秒级响应,这样才能实现精准操控、实时互动。

最上面一层,也是我们的核心,实际上是城市的一个大脑,或者是城市的信息中枢,信息的中枢实际上实现了资源的核心的调配,实现了我们模型的构建,还有我们一些相应的赋能、开放环境的打造。所以在城市中枢里面,我们提出来有三部分:一部分是数据资源的体系,跟数据息息相关,这里面数据的轨迹、数据的治理等数据的资源体系非常重要。第二部分是在城市信息中枢大脑里面赋能的这样一个基本的平台,比方说把我们的区块链的分布式时序存储能力、人工智能的普惠计算能力、大数据的资源分析与挖掘等基础核心能力,把它抽象出来,形成一个各类孪生应用服务的赋能支撑,这一块是可以形成系统平台级的。最重要的是从建筑信息模型BIM衍生而来的城市信息模型CIM,它是城市大脑或者是数字孪生城市里面最关键的一部分,是对历史发展规律的归纳与提炼,对当前城市状态和社会行为的显性表达,也是对城市规划、建设、运营、服务等各个环节重要知识的沉淀与建模。

总结来看,基于多元融合数据的城市信息模型,是未来数字孪生城市的难点和突破点。城市全域部署的智能设施和感知体系是前提,没有这套体系数字孪生城市是无法建立的。支撑城市高效运行的智能专网是基本的保障。实现智能操控的城市大脑是我们数字孪生城市的重点,简化归结为模型+数据+软件,构成我们数字孪生城市的核心要素。

接下来,对这几部分做一个稍微详细的阐述。 第一个看到我们刚才讲到的核心就是高精度城市的信息模型。这里举了一些例子,包括地面高精度3D模型,包括空中3D模型,这个在虚拟新加坡目前正在做,他们投资做三年,几千万美元,新加坡不大,跟我们的一个地级市差不多,六七百万的人口。城市信息模型里不光是有实体的相应的模型建立,还有一系列的元数据,以及城市中具有具体语义化的描述数据,再叠加上各行各业城市里的一些具体的数据,将构成城市信息模型的内核。

其次,我们将数字孪生城市基本前提,实际上就是全域部署了智能感知设施或者是监测的一套体系。物联网在过去发展了这么多年,实际上在城市里面已经从概念进入落实实施。近期上海发布了全市物联网专网部署的政策文件,其感知能力一直延伸到社区,初步形成数字孪生的基本前提。

再次,专网将成为支撑数字孪生城市的基本支撑,这块为什么成立一个虚拟的专网有几方面考虑,一是安全可控的角度,因为数字孪生城市实现了数据的大汇聚、大融合和智能决策,安全问题是重中之重。第二个就是毫秒级极速的传输。此外还可以节省一些重复传输、重复租用的成本,节省带宽。

最后讲数字孪生城市智能操控的大脑。第一部分它的资源要素,就是城市的一个数据资产的管理体系,这一套包含了整个数据的沉淀,实现了多元数据的融合。第二是城市的基础的模型,刚提到了这是我们数字孪生的核心载体。第三实际上是可以讲是一个城市的操作系统,或者是一个调度指挥中心,能够提供一些基于城市感知决策反馈、具备深度学习能力的城市的操作系统。三方面进行融合后,最终构成数字孪生城市的的关键要素。

后面因为时间关系,简单再看看实际案例与发展建议。

首先,新加坡正在推动虚拟新加坡,现在已经开始在做相应的工作。雄安新区,当时我们是最早提出了这个理念,目前也是在数字城市和实体城市同步规划、同步建设过程中,逐步的在落地在发展。  

数字孪生城市推进的建议,发展的路径是非常曲折的,所以在基础理论、技术方案方面,其实还有很多欠缺,所以要进一步去发展。此外数字孪生城市不是一个大而广全面的推广,而是提出要分领域、优先落地,分步骤的推进。分领域我们认为在城市的规划、建筑、交通、能源几个方面,可以有效的突破。那么在分步骤,首先我们更多的还是要城市的打基础,建立模型,强化数字孪生的应用。

最后,尤其是对于绿地型新区,跟我们接触的新区很多,新区最初的时候数字城市和实体城市同步规划、同步建设的层面要全面植入,对于已建成的棕地型的城市,可以先基于时空信息平台和城市大脑进行扩展,增强物联网的感知部署,在重点领域开展融合应用。

这就是我汇报的内容,非常感谢大家,谢谢!

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