数字孪生城市建设关键技术与应用探索

数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,实现物理空间与虚拟空间的实时连接、双向映射、动态交互,从而反映相对应的物理实体的全生命周期过程 [1] 。数字孪生技术是工业 4.0 时代一项关键核心技术[2]，目前国内外提出了数字孪生城市，将数字孪生技术应用到城市规划、建设与管理中。

1 国内外现状分析

国外数字孪生城市最早起步于新加坡的虚拟城市计划，将数字孪生作为建设数字城市和新型智慧城市的新方法。从 2017 年开始，国内高度重视城市数字孪生的发展。在国家和地方层面，相继出台了一系列的指导文件来推动数字孪生建设。在国家政策及下游需求的带动下，中国数字孪生技术市场规模出现了非常大的增长。我国在 2018 年雄安新区规划纲要中就提出了数字孪生城市的概念，而后“十四五”规划纲要中明确提出完善城市信息模型平台，探索建设数字孪生城市，为数字孪生城市营造了良好的发展环境。2020 年5 月，上海市政府发布了《上海市推进新型基础设施建设行动方案（2020 年 -2022 年）》，提出要探索建设数字孪生城市，数字化模拟城市全要素生态资源。2021 年上海先后发布了《关于全面推进上海城市数字化转型的意见》，《上海市全面推进城市数字化转型“十四五”规划》，进一步将数字孪生城市将成为赋能城市实现精明增长、提升长期竞争力的核心抓手。

总体来说，国内外相关都在积极推进数字孪生城市建设，但目前国内数字孪生城市建设仍处于单场景、部分功能实现的起步探索阶段，容易产生各数字孪生城市场景数据与功能的重复建设，缺乏有效的数据更新机制，在具体业务场景中的应用价值还有待进一步提升。

2 数字孪生城市建设关键技术

本文结合具体项目探索数字孪生城市建设的关键技术，提出了建立统一标准数字孪生城市底座，实现面向城市管理单元的虚实映射方法，业务驱动的数字孪生城市动态更新机制三项关键技术。

2.1 统一标准数字孪生城市底座

结合新型基础测绘、实景三维中国以及城市信息化基础设施建设项目，可在城市现有二三维基础地理信息的基础上，建立多层级数字孪 数 设施、 构筑物、道路、感知设备等全息数字孪生城市，真实还原城市现状 观视角下的区县、街镇级应用场景，以及面向建筑、地面的微观低空视角 利用时空大数据、时空信息云平台、物联网等技术构建数字孪生城市底座， 标准、多层级数据场景、真实准确的数据服务能力，在云端通过服务的方式数 城市数据的共建共享，避免重复建设。

2.2 面向城市管理单元的虚实映射方法

数字孪生城市不仅是城市形态的仿真还原，更需要将城市运行管理所需的信息、状态和事件在动态映射到虚拟世界中。以往由于空间数据与管理对象之间存在一定的差异，本文提出通过构建城市管理单元来实现孪生城市与显示城市之间的动态映射。

所谓城市管理单元就是城市管理中的一个具体对象，可以是一栋建筑，也可以是摄像头、路灯、路牌，甚至小到一个垃圾桶。

在城市管理中，住宅类建筑都是以门牌幢来进行管理的，因此需要按照门栋对建筑数据进行实体化。此外对于建筑底层商铺而言，在城市管理中与建筑主楼管理模式也存在一定的差别，因此也需要对建筑底层商铺进行实体化。

此外，行道树、灯杆、路牌、摄像头、车牌、垃圾桶等城市部件也都是城市运行管理中不可或缺的重要元素，在数字孪生城市建设过程中需要结合具体需求完成各类城市部件进行实体化建设工作。

在对每个城市管理单元建立实体后，并赋予其唯一的身份证号码，即城市管理单元编码，通过这个编码将空间数据（点、线面、三维模型、影像）与业务数据（感知设备、业务系统运行数据）进行有机挂接，最终达

到孪生城市与现实城市之间的虚实映射。

2.3 业务驱动的数字孪生城市动态更新机制

城市是一个有机更新体[2]，它在不断地更新、不断地生长，传统的数据更新方式都是定期由测绘部门通过城市变化监测，数据采集更新手段进行孪生城市数据更新。这种方式因为存在城市更新与数据更新之间的时间差，始终难以有效保障孪生城市与现实世界数据的同步生长。对此，本文提出建立一套业务驱动的数字孪生城市动态数据更新机制，结合多测合一、城市网格化管理等业务流程触发数据更新，通过业务报检数据实现数据的动态更新。

3 数字孪生城市应用探索

本文结合在花木街道城市管理需求， 数字孪生城市在城市精细化管理中的应用。花木数字孪生项目首先通过全息测绘采集方法，对街 、每棵行道树、每个道路部件等进行测绘采集，并进行三维精细建模和多源模 56405 个全息道路部件模型、9000余个建筑分栋模型，成为与实 之外 还对小区、树、路、灯杆、广告牌、垃圾桶等总共10 大类，10 万多 在政务云环境中搭建了数字孪生城市空空间数字底座，城市运行管理中的每一 个对象都能在数字孪生城市中找到对应的实体。

在此基础上，面向街道民生管理工作需求，梳理形成了11 大类、67 中类、221 个小类，共510 项的居民身份标签体系，把在花木街道的每一个居民按照标签、按照每个身份进行管理，将每一个人都“落”到具体的房屋中，实现了人与房有机关联，形成了一人一档、一房一档，并且通过对接各业务系统，将“人、房、业、物、事” 业务数据融入数字底座。

街道城市运行管理中心，基于数字孪生城市建立了四大板块 20 多个应用场景，在街道日常巡查与疫情防控相关工作中，起到了重要支持作用。在日常巡查工作中，街道管理人员可以通过视频与数字孪生城市融合技术，在孪生城市中进行巡检，解决了以往跑现场所需的大量人力。在疫情防控工作中，街道管理人员利用本项目成果将防控最小的单元定位到“户”和“人”，形成“一街道一图”、“一小区一图”、“一楼一图”、“一房一图”，街道管理人员可以快速调取相关小区的范围、出入口、楼栋以及人的信息，基于小区的总户数和人数等底数信息，第一时间预判出首次核酸检测人员数量。同时，把每栋每户人口数据打印出来，作为核查底数，从而最大程度消除闭环管理风险点，在进行精准管控中发挥了重要作用。同时每个层级的数据管理和维护权限也开放给相应的工作人员，使用中可以对数据的准确性进行核实，保证数据的更新与维护。除此之外，花木街道数字孪生城市在人口管理、基层党建、志愿者工作、社区养老、物业管理等多方面工作也提供了有力的技术支持，取得了较好的反响。

4 总结

数字孪生是城市数字化转型的关键基础技术之一，也将为新的经济增长提供巨大动力。在此背景下，我们一定要保持“打基础、利长远”的战略定力，坚持需求导向、问题导向、效果导向，持续数字孪生城市的顶层设计和总体设计，从而推动数字孪生应用建设的有序发展。

参考文献

[1]智能制造术语解读[M].人民邮电出版社,中国电子信息产业发展研究院,2018

[2] Kasey Panetta,Gartner’s,Gartner Top 10 Strategic Technology Trends for 2019[EB/OL],2019,https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology -trends-for-2019

[3]居德华.数字孪生技术在城市管理中的应用[J].城市管理研究, 2019-04-30

[4]伍江.城市有机更新与精细化管理[J].时代建筑,2021(04):6-11.