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中国信通院:数字孪生城市研究报告(2018)(65页).pdf

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    国信 数字 孪生 城市 研究 报告 2018 65
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    1、 数字孪生城市数字孪生城市研究报告研究报告 (2012018 8 年)年) 中国信息通信研究院中国信息通信研究院 2012018 8年年1212月月 版权声明版权声明 本本研究报告研究报告版权属于版权属于中国信息通信研究院中国信息通信研究院及数字孪生及数字孪生 城市研究合作伙伴城市研究合作伙伴,并受法律保护,并受法律保护。转载、摘编或利用其转载、摘编或利用其 它方式使用它方式使用本本研究报告研究报告文字或者观点的,应文字或者观点的,应注明来源。违注明来源。违 反上述声明者,本反上述声明者,本院院将追究其相关法律责任。将追究其相关法律责任。 致致 谢谢 2017 年,中国信息通信研究院在长期从事。

    2、智慧城市顶层设计实 践基础上,提出“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新 理念,在业内引起强烈反响。2018 年,为推动“数字孪生城市”落 地实施,中国信息通信研究院联合数字经济推进方阵,组织业内知 名企业,围绕数字孪生城市的理念内涵、技术方案与实施路径,进 行多次研讨交流,形成研究报告合作成果。编制过程中各家企业提 供了大量素材并直接参与了部分章节的撰写,在此致以衷心感谢。 限于编写时间、项目组知识积累以及产业尚未完全定型等方面的因 素,内容恐有疏漏,烦请不吝指正。 牵头单位:中国信息通信研究院 支持单位:中国电信、中国移动、中国联通、百度、广联达、 腾讯、华为、神州数码、中兴、阿里 。

    3、编写指导:王爱华、胡坚波、徐志发 编写小组(排名不分先后) :高艳丽、陈才、张育雄、王思博、 崔颖、张竞涛、刘泰、郭靓、李欣、郭中梅、马伟强、刘刚、陈守 双、姚健奎、刘旭晶、李文东、郝景然等。 前前 言言 当前,以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪 潮席卷全球,物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行 发展、相互作用。数字世界为了服务物理世界而存在,物理世界因 为数字世界变得高效有序,数字孪生技术应运而生,从制造业逐步 延伸拓展至城市空间,深刻影响着城市规划、建设与发展。 数字孪生因感知控制技术而起,因综合技术集成创新而兴。数 字孪生城市是在城市累积数据从量变到质变,在感知建。

    4、模、人工智 能等信息技术取得重大突破的背景下,建设新型智慧城市的一条新 兴技术路径,是城市智能化、运营可持续化的前沿先进模式,也是 一个吸引高端智力资源共同参与,从局部应用到全局优化,持续迭 代更新的城市级创新平台。 从技术角度看,数字孪生城市涵盖“云-网-端”三大层次,成 为数据驱动决策、技术综合集成的智慧城市综合技术支撑体系。端 侧实现群智感知、可视可控;网侧实现泛在高速、天地一体;云测 实现随需调度,迭代学习。其本质是通过数据全域标识、状态精准 感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行,构建城市级 数据闭环赋能体系,实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制, 解决城市规划、建设、运行。

    5、、管理、服务的复杂性和不确定性。 从城市发展看,数字孪生城市是未来实体城市的虚拟映射对象 和智能操控体, 形成虚实对应、 相互映射、 协同交互的复杂巨系统, 实现孪生城市的 “六化发展” , 即支撑城市全要素数字化和虚拟化、 城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化,实现 三类应用场景,城市规划建设一张蓝图管到底、城市治理虚实融合 一盘棋、城市服务情景交融个性主动一站式,驱动城市智能运行、 迭代创新。 从建设重点看,基于多源数据融合的城市信息模型是核心,城 市全域部署的智能设施和感知体系是前提,支撑孪生城市高效运行 的智能专网是保障,实现智能操控的城市大脑是重点。 未来,数字孪生城。

    6、市可在数字化水平相对较高、需要运行机理 建模、实现虚实空间协同优化、彰显多维智能决策支撑等方向,如 城市规划、建筑、交通、能源等领域优先落地实施,以数字孪生城 市为代表的新型智慧城市发展新理念和新模式或将变为现实,成为 未来绿地型新城新区高水平建设的必由之路,棕地型城市数字化转 型的重要参考。 目目 录录 一、数字孪生城市出现的背景一、数字孪生城市出现的背景 . 1 (一)传统条块化智慧城市建设方式已现疲态 . 1 (二)信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点 . 2 (三)数字孪生成为城市智能化升级的重要方向 . 3 (四)部分城市率先探索实践数字孪生理念 . 4 (五)我国智慧城市建设升级具。

    7、备现实基础 . 10 二、数字孪生城市二、数字孪生城市的内涵特征的内涵特征 . 12 (一)数字孪生城市的内涵 . 12 (二)与新型智慧城市的关系 . 13 (三)数字孪生城市的特征 . 14 (四)数字孪生城市的价值 . 15 三、数字孪生城市的总体架构三、数字孪生城市的总体架构 . 17 (一)技术框架 . 17 (二)运行机理 . 20 四、数字孪生城市的典型场景四、数字孪生城市的典型场景 . 26 (一) “规建管”协同管控,助力一张蓝图干到底 . 26 (二)虚实互动以虚控实,支撑城市一盘棋治理 . 28 (三)情景交融以人为本,升级个性主动服务体验 . 30 五、数字孪生城市核心。

    8、:高精度城市信息模型五、数字孪生城市核心:高精度城市信息模型 . 32 (一)城市初始建模的方法 . 33 (二)城市信息模型的构成 . 34 (三)模型与数据的协同运行 . 35 六、数字孪生城市前提:全域布局的智能设施六、数字孪生城市前提:全域布局的智能设施 . 36 (一)智能设施空间布局 . 36 (二)标识体系和编码设计 . 38 (三)物联设备连接管理平台 . 39 七、数字孪生城市支撑:高效运行的智能专网七、数字孪生城市支撑:高效运行的智能专网 . 40 (一)数字孪生城市提出网络新需求 . 40 (二)万物互联综合接入智能专网 . 42 (三)智能专网对已有网络延伸增强 . 4。

    9、3 八、数字孪生城市重点:智能操控的城市大脑八、数字孪生城市重点:智能操控的城市大脑 . 46 (一)大脑凸显自主学习与集中调度 . 46 (二)一体三翼构建数字孪生城市大脑 . 47 (三)创新全景全要素城市治理新模式 . 49 九、推进数字孪生城市的建议九、推进数字孪生城市的建议 . 50 (一)正视面临的挑战 . 50 (二)分领域优先落地 . 52 (三)分步骤务实推进 . 53 (四)分类别有序引导 . 54 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 1 一、数字孪生城市出现的背景一、数字孪生城市出现的背景 (一)(一)传统传统条块化条块化智慧城市建设方式已现疲态智慧。

    10、城市建设方式已现疲态 当前全球已启动或在建的智慧城市已达 1000 多个,我国提出 智慧城市规划的城市有 300 多个,各类型试点城市高达 500 多个, 成为全球智慧城市建设规模最大的国家。随着理念层出不穷,技术 推陈出新,大中城市智慧城市建设不断向纵深推进,区县级智慧城 市依托后发优势,也不甘落后。从特点看,国际上智慧城市建设集 中在能源、交通和循环经济方面,注重绿色低碳、节能环保,项目 比较单一,缺乏城市级的整体性、系统性的设计和建设。国内倡导 新型智慧城市建设,基础设施、在线政府、信息经济、城市治理、 惠民服务全面展开,属于规模化全方位系统工程。建设模式上,大 部分城市走的是边补齐行业。

    11、和领域信息化短板,边进行资源整合和 业务协同的路子,少数城市完成资源整合后率先进入了数据驱动治 理的阶段。 建设智慧城市,对加快工业化、信息化、城镇化、农业现代化 融合,提升城市可持续发展能力具有重要意义。智慧城市建设发展 已近十年, 至今却无一个城市自我标榜已建成了智慧城市。 事实上, 智慧城市面临技术和非技术两大瓶颈难以突破,可谓举步维艰。所 谓技术瓶颈,是指基于云计算和互联网的聚合式的模式创新比较成 功,而基于物联网、大数据、人工智能、区块链、量子通信等技术 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 2 的原始创新极度缺乏,未出现杀手级应用,各功能模块有机融合的 ONE 。

    12、ICT 架构未能实现,造成创新只停留在表面,城市运行和治理的 水平有量的提升,但没有质的改变。所谓非技术瓶颈,表现在智慧 城市建设所需的庞大资金问题一直没有找到解决之道,政府和市场 边界不好划分,工程周期长投入大充满变数,企业盈利和资本回报 前景模糊,观望踯躅之下,推进效果可想而知。此外,彰显智慧所 必须的资源共享与业务协同机制也一直没有建立起来,信息打通仍 困难,协同共治难实现。两大瓶颈悬而未决导致智慧城市疲态尽显 停滞不前,现有的建设发展模式亟待突破。 (二)信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点(二)信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点 智慧城市是信息技术驱动下的城市创新发展的一种新模式,。

    13、是 信息技术综合运用和集成创新的大平台,但纵观多年来智慧城市中 的技术应用,基本上是单点的、割裂的,集成的、融合的少,比如 云计算技术用于政务云建设,物联网技术用于城市管理的感知监测 和数据采集,互联网技术用于电子政务和公共服务的交互渠道,大 数据用于城市治理的决策分析,人工智能则是用于提升各种应用的 智能化体验。这些技术对提升智慧能力的作用毋庸置疑,但技术间 缺乏系统架构级的融会贯通,造成应用离散化,信息孤岛化,平台 多元化,集成创新的乘数效应尚未释放出来。 形势已随日新月异的技术演进悄然变化,物联网、5G、人工智 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 3 能、 无人驾驶。

    14、、 虚拟现实、 深度学习等技术研发和产业化加速突破, 掀起数字化网络化智能化新一轮浪潮,深刻影响着智慧城市的规划 建设与运行发展。此外,跨领域技术间的融合创新已成主流趋势, 信息通信技术与 3D 建模、高精度地图、全球定位系统、模拟仿真、 虚拟现实、 智能控制等技术有机耦合, 集成应用驱动创新出现拐点, 智慧城市面临的技术瓶颈很大程度上得以破解, 数字孪生城市-数 字城市与物理城市虚实融合孪生并行,虚拟服务现实,数据驱动治 理,一种全新的智慧城市建设路径和实践模式呼之欲出,将引发城 市治理规则的重大变革,为非技术瓶颈的破解也带来了曙光,城市 信息化或从量变迎来质变。 (三)数字孪生成为城市智能。

    15、化升级的重要方向(三)数字孪生成为城市智能化升级的重要方向 数字孪生是指通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字 化,在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”,形成物理维度 上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、 虚实交融的格局。 数字孪生最早由密西根大学教授 Grieves 提出, 后来 NASA 用于 对飞行器的真实运行活动进行镜像仿真。最先用于工业领域,尤其 是大型装备制造业。通过搭建数字孪生生产系统,能够实现从产品 设计、生产计划到制造执行的全过程数字化。据统计,全球 40%的大 型生产商都将应用虚拟仿真技术来为他们的生产过程进行建模。 数字孪生的出现根本在于感知、网络、大数据。

    16、、人工智能、控 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 4 制、建模等技术的集中爆发。尤其是传感器和低功耗广域网技术的 发展,将物理世界的动态,通过传感器精准、实时地反馈到数字世 界。数字化、网络化实现由实入虚,网络化智能化实现由虚入实, 通过虚实互动,持续迭代,实现物理世界的最佳有序运行。数字孪 生现象是数字化浪潮的必然趋势,是数字化的理想状态,数字孪生 城市也成为智慧城市建设发展的必经之路。 数字孪生城市是技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设 发展的一种新理念、新途径、新思路。虽然数字城市的提出由来已 久,但全域数字化一直未能实现,这与技术发展的局限性和成熟度 有关,。

    17、如今数字孪生城市的理念,才真正体现了数字城市意图达到 的理想愿景。数字孪生城市作为狭义数字城市的终点,却是智慧城 市建设的起点,它是城市实现智慧的重要设施和基础能力,是城市 信息化从量变走向质变的一个里程碑。 (四)部分城市率先探索实践数字孪生理念(四)部分城市率先探索实践数字孪生理念 世界各国当前在数字孪生城市的实践上,已初步完成城市静态 建模,主要用于指导城市规划工作。未来,城市运行的动态数据与 静态模型的融合,将成为数字孪生城市构想落地,并发挥重要意义 的关键与挑战。随着 5G、物联网产业的快速发展,数字孪生城市的 理念,正在坚定的向现实迈进。 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(。

    18、2018 年) 5 1.雄安新区数字城市 雄安新区在规划纲要中指出,坚持数字城市与现实城市同步规 划、同步建设,推动全域智能化应用服务实时可控,打造具有深度 学习能力、全球领先的数字城市。借助大数据深度挖掘技术、人工 智能、物联网技术和互联网平台等新一代信息技术,从数字呈现、 网络互联到智能体验进行全方位谋划,实现数字城市与物理城市同 步规划同步建设,对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化, 生成全数字化城市。 物理城市与数字城市孪生并存, 精准映射, 实现虚拟服务现实, 数据驱动决策,智能定义一切,促进管理一盘棋,服务一站式,扁 平化、前后端打通,以高度智能化替代传统的网格化管理,虚实融 。

    19、合蕴含无限应用创新空间,将引发城市智能化管理和服务模式的重 大颠覆性创新。 图 1 数字孪生城市:智能新区 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 6 2.虚拟新加坡平台 2015 年,新加坡政府与法国达索系统等多家公司、研究机构签 订协议,启动“虚拟新加坡”项目。该项目计划完全依照真实物理 世界中的新加坡,创建数字孪生城市信息模型。 模型内置海量静态、动态数据,并可根据目的需求,实时显示 城市运营状态。模型的关键在于真实世界与虚拟世界的精准映射。 模型既是物理世界运行动态的展示,满足城市管理的需求,也能够 指导城市未来的建设与运行优化。 “虚拟新加坡”平台计划于 2018 。

    20、年,面向政府、市民、企业和研究机构开放,可广泛应用于城市环 境模拟仿真、城市服务分析、规划与管理决策、科学研究等领域。 新加坡政府在 3 年时间内,累计投入 7300 万美元,积累了 50TB 数 据。 图 2 数字孪生城市:虚拟新加坡 新加坡政府正在同时打造“智慧国家传感平台” ,并计划设立国 家官方网站。该平台部署了西门子公司基于云的开放式物联网操作 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 7 系统,将统一负责新加坡境内的传感网络设备管理、数据交换、数 据融合与理解。 2017 年,新加坡政府财政投入 2.16 亿新加坡元用于平台建设, 占总预算比例 9%,比 2016 。

    21、年增长 7.7 倍。其中,新加坡政府将部分 预算用于信息杆的建设。 新加坡政府将11万路灯互联, 以集群的方式部署无线网络设备、 各类传感器设备。新加坡政府既建立了安全、高速、经济且具有扩 展性的全国通讯基础设施,又建立了遍布全国的传感器网络,采集 实时数据(如环境、人口密度、交通、天气、能耗和废物回收等) , 并对重要数据匿名化保护、管理以及适当共享。 图 3 新加坡“智慧国家传感平台”构想 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 8 3.法国雷恩 3D 城市 法国城市雷恩与达索系统公司签订协议, 计划在2017-2019年, 建立城市的数字模型,用于城市规划、决策、管理和。

    22、服务市民。在 3D 上绘制城市图形,是他们构建数字孪生城市的想法。城市规模、 治理结构以及城市的交通、能源和环境等问题是他们考虑的重要因 素。他们通过设计与仿真的方法开发整个城市的 3D 模型,根据不同 用户群的需求对 3D 模型进行测试与评估, 来支持城市的决策过程与 调解工作。雷恩和达索系统公司构建的 3D 平台是一个协作环境,允 许各方进行沟通协作,共同设计创新项目、产品和服务。它提供了 可视化设计,可模拟贸易环境,还原城市及其居民的市场,最充分 地和现实贴合。雷恩和达索系统公司继续在先进的理念进行研究探 索,为我们的城市提供了一个更好的未来。 图 4 数字孪生城市:法国雷恩 中国信息通。

    23、信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 9 4.多伦多高科技社区 多伦多邀请了谷歌公司的 Sidewalk Labs 对其滨海的部分区域 开发,计划建成高科技社区(Quayside) 。Sidewalk Labs 的应用程 序可记录公共区域中每一个物件的位置(如道路、建筑等) 。安装的 多类别传感器设备,可用于收集多样化信息(如车流密度,噪音, 空气质量,能耗,出行方式及垃圾处理等) 。模型与数据的融合,将 助力数据专家生成深刻洞察,优化城市运营;并采用复杂的建模技 术模拟极端情景,寻找解决方案。 该项目目前处于早期规划和咨询阶段,并以精美的设计插图为 吸引点,充分地体现滨水区的特点。。

    24、此项目将结合前瞻性的城市设 计和新的数字技术,以实现可持续性、可负担性、流动性和经济机 会等方面的领先水平。 图 5 多伦多城市虚拟模型 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 10 (五)我国智慧城市建设升级具备现实基础(五)我国智慧城市建设升级具备现实基础 1.智慧城市态势良好,基础设施不断升级 从2012年我国中央政府首次提出的关于智慧城市建设的指导性 文件国家智慧城市试点暂行管理办法 国家智慧城市(区、镇)试 点指标体系(运行)肇始,到2017年“智慧社会”被正式写进十九 大报告中,指导智慧城市合理发展的指导性文件逐年增加,且指导 内容更加规范,新型智慧城市已进入国家。

    25、战略规划政策制定当中, 正逐渐被广大社会群体认可。 数字孪生城市建设的前提是具有完善的基础设施,即感知层、 连接层和计算层均具备开展数字孪生城市的能力,公共基础设施的 智能化是实现智慧城市有效发展的必然要求。我国智慧城市建设已 近十年,大部分城市在高速宽带网络、政务云、核心平台、基础数 据库等基础设施建设方面取得长足进展,城市治理、便民惠民等应 用成效显著,并基于城市一张图在多规合一、并联审批和决策仿真 方面开展积极探索, 这一切为数字孪生城市建设奠定了扎实的基础。 随着新型智慧城市的发展,我国基础设施智能化转型的范围在 不断扩大,功能也在不断提升。目前,通过移动通信技术、物联网 技术、Wi-。

    26、Fi技术等,城市建筑、桥梁、道路、管网、灯杆等公共基 础设施可实现“被感知” 。在市政环卫设施中安装智能化传感器,实 现对环卫设施的远程可控制和资源可调度;在公共交通设施中安装 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 11 的感知监控设备可智能化支持不同移动状态,确保城市的智能交通 系统良好运行。通过物联网总控和智慧城市运营管理中心,利用大 数据技术对海量的城市基础设施状态数据和运行数据进行数据挖掘 和分析,并结合边缘计算和深度学习技术让城市基础设施真正实现 “智能化” ,实现城市运行状态的智能感知和智能决策。 2.政策环境有力保障,技术产业强力支撑 在国家战略和政策推动下,。

    27、物联网、云计算、大数据、人工智 能、车联网、5G、虚拟现实、深度学习等技术创新突飞猛进,实际 应用日益显著,为数字孪生城市建设提供强有力支撑。在国务院 关于促进云计算创新发展培育信息产业新业态的意见 关于积极推 进 “互联网+” 行动的指导意见 云计算综合标准化体系建设指南 等利好政策作用下,我国云计算产业已经走过培育与成长阶段,现 已进入成熟发展期,产业格局基本稳定。近两年我国大数据发展政 策陆续出台,国务院发布促进大数据发展行动纲要 ,聚焦大数据 发展中的三个关键环节,即政务数据应用、产业应用和应用安全。 物联网产业自2009年起就一直作为国家战略在推动发展,政府和产 业界高度重视,产业能。

    28、级和技术实力在不断提升。尤其近年来在物 联网领域,传感和低功耗广域网技术取得突破,产品和服务成本不 断下降,使城市级大规模的感知设施部署和万物互联成为可能。 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 12 二、数字孪生城市的内涵特征二、数字孪生城市的内涵特征 (一)数字孪生城市的内涵(一)数字孪生城市的内涵 数字孪生城市是支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系, 是城市智能运行持续创新的前沿先进模式,是物理维度上的实体城 市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市未来发展形 态。 数字孪生城市的本质是城市级数据闭环赋能体系,通过数据全 域标识、状态精准感知、数据实时分析、。

    29、模型科学决策、智能精准 执行,实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制,解决城市规划、 设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题,全 面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态, 实现智慧城市的内生发展动力。 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 13 图 6 数字孪生城市虚实融合迭代优化 数字孪生城市基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普 惠化计算、智能化控制、平台化服务的信息技术体系和城市信息空 间模型,在数字空间再造一个与物理城市匹配对应的数字城市,全 息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境 中的状态,推动城市全要素数。

    30、字化和虚拟化、全状态实时化和可视 化、城市运行管理协同化智能化,实现物理城市与数字城市协同交 互、平行运转。 (二)与新型智慧城市的关系(二)与新型智慧城市的关系 新型智慧城市建设以提升城市治理和服务水平为目标,以为人 民服务为核心,以推动新一代信息技术与城市治理和公共服务深度 融合为途径,包括无处不在的惠民服务、透明高效的在线政府、精 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 14 细精准的城市治理、融合创新的数字经济、自主可控的安全体系等 五大核心要素,分级分类、标杆引领、标准统筹、改革创新、安全 护航,注重城乡一体,打破信息藩篱。 数字孪生因感知控制技术而起,因综合技术集。

    31、成创新而兴。数 字孪生城市一方面准确反映物理实体城市状态, 另一方面精准操控、 智能优化现实城市,将极大改变城市面貌,重塑城市基础设施,形 成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。 数字孪生城市是在城市累积数据从量变到质变,在感知建模、 人工智能等信息技术取得重大突破的背景下,新型智慧城市建设的 一条新兴技术路径, 是城市智能化、 运营可持续化的前沿先进模式, 也是一个吸引高端智力资源共同参与,从局部应用到全局优化,持 续迭代更新的城市级创新平台。 (三)数字孪生城市的特征(三)数字孪生城市的特征 数字孪生城市有四大特点:精准映射、虚实交互、软件定义、 智能干预。 精准映射:数字孪生城市通过空天。

    32、、地面、地下、河道等各层 面的传感器布设,实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基 础设施的全面数字化建模,以及对城市运行状态的充分感知、动态 监测,形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映 射。 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 15 虚实交互: 城市基础设施、 各类部件建设即有痕迹, 城市居民、 来访人员上网联系即有信息。未来数字孪生城市中,在城市实体空 间可观察各类痕迹,在城市虚拟空间可搜索各类信息,城市规划、 建设以及民众的各类活动,不仅在实体空间,而且在虚拟空间得到 极大扩充,虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。 软件定义:孪生城市针对物。

    33、理城市建立相对应的虚拟模型,并 以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为,通过云端 和边缘计算, 软性指引和操控城市的交通信号控制、 电热能源调度、 重大项目周期管理、基础设施选址建设。 智能干预: 通过在 “数字孪生城市” 上规划设计、 模拟仿真等, 将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警, 并提供合理可行的对策建议,以未来视角智能干预城市原有发展轨 迹和运行,进而指引和优化实体城市的规划、管理、改善市民服务 供给,赋予城市生活“智慧” 。 (四)数字孪生城市的价值(四)数字孪生城市的价值 数字孪生城市的核心价值,在于通过建立基于高度集成的数据 闭环赋能新体系,生成。

    34、城市全域数字虚拟映像空间,并利用数字化 仿真,虚拟化交互,积木式组装拼接,形成软件定义城市,数据驱 动决策,虚实充分融合交织的数字孪生城市体,使得城市运行、管 理、服务由实入虚,可以在虚拟空间的建模,仿真,演化,操控, 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 16 同时由虚入实,改变、促进物理空间中城市资源要素的优化配置, 开辟新型智慧城市的建设和治理新模式。 在建设方面,对一张白纸零起步的城区,与物理城市同步规划 建设数字城市,规划阶段即开始建模,建设阶段不断导入数据,运 营阶段则依托数字城市模型和全量数据管理物理城市。对已建成并 运行多年的城市,通过后天物联网设施的全面部。

    35、署和对城市进行数 字建模,同样可以构建数字孪生城市。数字孪生模式不仅大大提升 城市规划建设的效率、质量,大幅降低时间、人工和物料成本,最 重要的,它能够使城市规划建设少走弯路、不留遗憾。 在治理方面,数字城市与物理城市两个主体虚实互动,孪生并 行,以虚控实。通过物联感知和泛在网络实现由实入虚,再通过科 学决策和智能控制由虚入实,实现对物理城市的最优管理。优化后 的物理城市再通过物联感知和泛在网络实现由实入虚,数字城市仿 真决策后再一次由虚入实, 这样在虚拟世界仿真, 在现实世界执行, 虚实迭代, 持续优化, 逐步形成深度学习自我优化的内生发展模式, 大大提升城市的治理能力和水平。此外数字孪生模。

    36、式下,通过数字 空间的信息关联,可增进现实世界的实体交互,实现情景交融式服 务,真正做到信息随心至、万物触手及。 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 17 三、数字孪生城市的总体架构三、数字孪生城市的总体架构 (一)技术框架(一)技术框架 数字孪生城市建设依托以云、网、端为主要构成的技术生态体 系,端侧形成城市全域感知,深度刻画城市运行体征状态。网侧形 成泛在高速网络,提供毫秒级时延的双向数据传输,奠定智能交互 基础。云侧形成普惠智能计算,以大范围、多尺度、长周期、智能 化地实现城市的决策、操控。 图 7 数字孪生城市运行机理 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信。

    37、息通信研究院 18 图 8 数字孪生城市总体框架 1.端侧群智感知、可视可控 城市感知终端“成群结队”形成群智感知能力。感知设施将从 单一的 RFID、 传感器节点向更强感知、 通信、 计算能力的智能硬件、 智能杆柱、智能无人车等迅速发展。同时,个人持有的智能手机、 智能终端将集成越来越多的精密传感能力,拥有日益强大的感知、 计算、存储和通信能力,成为感知城市周边环境以及居民的“强” 节点,形成大范围、大规模、协同化普适计算的群智感知。 基于标识和感知体系全面提升传统基础设施智能化水平。通过 建立基于智能标识和监测的城市综合管廊,实现管廊规划协同化、 建设运行可视化、过程数据全留存。通过建立智。

    38、能路网实现路网、 围栏、桥梁等设施智能化的监测、养护和双向操控管理。多功能信 息杆柱等新型智能设施全域部署,实现智能照明、信息交互、无线 服务、机车充电、紧急呼叫、环境监测等智能化能力。 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 19 2.网侧泛在高速、天地一体 提供泛在高速、 多网协同的接入服务。 全面推进 4G、 5G、 WLAN、 NB-IoT、eMTC 等多网协同部署,实现基于虚拟化、云化技术的立体 无缝覆盖,提供无线感知、移动宽带和万物互联的接入服务,支撑 新一代移动通信网络在垂直行业的融合应用。 形成天地一体综合信息网络支撑云端服务。综合利用新型信息 网络技术,充分。

    39、发挥空、天、地信息技术的各自优势,通过空、天、 地、海等多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚,以及资源的统 筹处理、任务的分发、动作的组织和管理,实现时空复杂网络的一 体化综合处理和最大有效利用,为各类不同用户提供实时、可靠、 按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策 支持系统。 3.云侧随需调度、普惠便民 边缘计算及量子计算设施提供高速信息处理能力。在城市的工 厂、道路、交接箱等地,构建具备周边环境感应、随需分配和智能 反馈回应的边缘计算节点。部署以原子、离子、超导电路和光量子 等为基础的各类量子计算设施,为实现超大规模的数据检索、城市 精准的天气预报、计算优化的交通指挥、。

    40、人工智能科研探索等海量 信息处理提供支撑。 人工智能及区块链设施提供泛在智能嵌入城市运行与合约执行。 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 20 搭建支持知识推理、概率统计、深度学习等人工智能统一计算平台 和设施,形成具有知识计算、认知推理、运动执行、人机交互能力 的智能支撑能力。建立定制化强、个性化部署的区块链服务设施, 支撑各类应用的身份验证、电子证据保全、供应链管理、产品追溯 等领域商业智能合约的自动化执行。 部署云计算及大数据设施。建立虚拟一体化云计算服务平台和 大数据分析中心,基于 SDN 技术实现跨地域服务器、网络、存储资 源的调度能力,满足智慧政务办公和公共服。

    41、务、综合治理、产业发 展等各类业务存储和计算需求。 (二)运行机理(二)运行机理 与工业领域数字孪生体构建模式类似,数字孪生城市是在更大 范围、更多场景下,整合全域感知、历史积累、运行监测等多元异 构数据,集成多学科、多尺度的仿真过程,集成指挥调度、运行决 策、民生服务等智慧应用,共同构建与现实城市同生共存、虚实交 融的复杂巨系统,反映现实城市运行全过程。 数字孪生城市,以全域数字化标识和一体化感知监测为数字孪 生基础, 以全域全量的数据资源 (数据) 、 高性能的协同计算 (算力) 、 深度学习的机器智能平台(算法)为城市信息中枢,以数字孪生模 型平台为城市运行信息集成展示载体,操控城市治理。

    42、、民生服务、 产业发展等各系统协同运转,形成一种自我优化的智能运行模式, 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 21 实现“全域立体感知、万物可信互联、泛在普惠计算、智能定义一 切、数据驱动决策” 。 图 9 数字孪生城市总体框架运行机理 1.全域终端数字化标识 数字化标识是万物互联的基础,是数字孪生城市构建的前提条 件,是数字空间中用于区分实体身份的基础信息。数字孪生城市模 式下,是一个实现物理世界与数字世界完全对应、融合和演进,并 驱动整个世界数字化、智能化的过程,为了给城市构建准确的数字 孪生模型(CIM) ,实现数字信息和实体之间的精准匹配、建立连接 和管理控制,数。

    43、字化标识城市的每一个实体是必然趋势,在城市范 围内所有智能终端具备唯一的全局身份标识,类似人的身份证号, 作为数字孪生城市的唯一索引,记录智能终端所有身份信息,便于 数据实时采集、反馈,终端的远程操控。 数字孪生城市研究报告(2018 年) 中国信息通信研究院 22 2.一体化感知监测体系 一体化感知监测体系是万物感知、 万物互联、 万物智能的通道、 入口和“神经系统” ,是数字孪生城市实现物理世界到虚拟世界转化 的“连接器” 。一体化感知监测体系主要包括感知设备、感知网络、 感知平台等,设备层提供各类智能终端具有物联网感知模块,成为 设备数据源;网络层建立极速传输网络,为城市各类传感设备提供。

    44、 更深更广的网络覆盖、更可靠更大量的并行连接,使得感知数据从 设备层高速传输到平台层;平台层汇聚所有感知数据,为城市大数 据分析洞察提供支撑,进而为城市治理、民生服务、产业发展等提 供综合数据服务。一体化感知监测体系在全域终端数字化标识体系 下,通过感知器件和互联互通设施,感知和传送城市环境和城市部 件等监控对象的状态信息,并实现受控的反向的远程控制,最终实 现物理空间和数字空间的双向映射,达到万物互联、虚实交融的效 果。 3.全域全量的数据资源 全域全量的城市数据是数字孪生城市构建的基础,为深度学习 自我优化功能提供“数据”要素(人工智能三要素之一) 。在数字化 标识和一体化感知监测体系下,整合政府信息系统、行业领域信息 系统、第三方社会机构信息系统等多元数据,形成城市全域数据, 如基于统一物联网感知平台的智能终端数据、基于卫星遥感的城市 中国信息通信研究院 数字孪生城市研究报告(2018 年) 23 地理信息、基于各种传感设施的设备运行数据、面向手机和车辆等 移动设备的动态数据、基于政府信息系统的业务数据、基于公用事 业单位信息系统的业务数据、基于通信运营商和互联网服务提供商 等商业信息系统的数据等。搭建统一的数据管理平台,实现数据的 采集、汇。

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    本文标题:中国信通院:数字孪生城市研究报告(2018)(65页).pdf
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