“数字孪生”起源与发展

建立一个孪生体的想法最早诞生于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”,该项目中构建了两个相同的航天飞行器,一个发射到太空,另一个留在地球上用于反应其工作状态并帮助科学家们进行设备等的调试参考。

目前业界普遍认为“数字孪生”的概念由美国密歇根大学的Michael Grieves教授于2002年在产品全生命周期管理课上提出,他将该设想称为Conceptual Ideal for PLM (Product Lifecycle Management),通过在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射,描述物理实体的生命周期。

2010年,NASA在技术报告中首次给出了“Digital Twin”的名称,即“数字孪生”。随后,美国国家航空航天局与美国空军在2012年联合发表了关于数字孪生的论文,将其列为驱动未来发展的关键术之一。

至此数字孪生正式出现在人们的视野里。数字孪生的定义:指充分利用物理模型、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,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程,也被广泛接受。

概念落地各行各业,“数字孪生城市”应运而生

起源于航天、工业领域的数字孪生逐渐在各个行业生根发芽,包括汽车、电力、健康医疗、制造业等。在城市管理方面,基于数字孪生的模拟分析、实时交互等特性,“数字孪生城市”应运而生。目前,关于数字孪生城市并没有一个准确定义,可以广泛理解为通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化,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,实现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。

智慧城市建设催生数字孪生城市

关于智慧城市的建设已有十年已久,但是目前中国并没有哪座城市能够宣称自己完全建成“智慧城市”,因为智慧城市的建设大多是项目式的,虽然解决了某个行业的智慧需要,却没能从城市的整体建设入手,因此只能达到阶段性的城市优化效果,并没有完全达成一个完整的“智慧”城市。

而数字孪生城市的建设正好可以解决这些问题。数字孪生城市以数据驱动为核心的新的城市生活方式,通过数据基础设施构建人与人,人与物,物与物的多元数字化城市镜像,为物理城市创建虚拟模型以模拟现实城市的运行情况,这种方式将完全重构城市建设运营逻辑,将城市场景进行可视化和物联控制,在模拟规划和优化治理方面高效指导城市建设。这种平台化的建设思路也杜绝了子系统的重复建设,将复杂的跨行业、跨部门、跨平台的行业应用通过数字场景和物理场景相融合,协同发展。

数字孪生城市技术架构

数字孪生城市依托城市全域感知,刻画城市运行体征状态。通过智能交互系统实现城市内各类主体的适应性变化和城市最优运作,其核心是高精度、多耦合的城市信息模型,通过城市信息模型上的全域数据,在城市系统内汇集交融,为城市建设、管理、发展提供参考意见。基于城市三维地理信息模型(3D GIS)、建筑信息模型BIM和IoT智能感知数据的城市信息模型(CIM)可感知城市各种公共设施及各类专业传感器的的即时数据,将静态的数字城市升级为可感知的动态数字孪生城市。

政策推动数字孪生城市建设

2020年4月,国家发改委、中央网信办印发的《关于推进“上云用数赋智”行动培育发展实施方案》中,将数字孪生与大数据、人工智能、5G等并列,要求“引导各方参与提出数字孪生解决方案”,住建部、自然资源部分别出台BIM、CIM相应技术应用规范或导则,引导CIM平台规范建设。发改委、科技部、工信部分别设立相应政策或研究课题,鼓励CIM相关产业发展和技术突破。各省市也积极出台相应政策或行动方案,推动数字孪生城市建设。经过2017年“数字孪生城市”概念培育期,和2018、2019年的技术架构期,中国数字孪生城市已于2020年正式进入建设期。

产业布局-新型科技企业加速入局

随着数字孪生城市的建设实施,更多企业正在积极响应,加速布局相关信息技术产业链。在GIS、测绘企业,建模、仿真企业,BIM企业,集成商运营商外基础上,新型科技企业也纷纷跟进,包括互联网企业、大数据公司、人工智能科技公司等,充分发挥地理信息数据、物联网平台、数据可视化、三维图形及空间计算技术优势,加紧构建数字孪生城市能力平台。

各互联网龙头企业,如华为、腾讯、阿里等均推出了完备的数字孪生城市解决方案;一些科技公司,如泰瑞数创、五一视界、埃睿迪、优锘科技、广联达、数字冰雹、云天励飞等,深耕数字孪生领域,能够提供数字孪生城市建设一站式服务。同时,更多公司正在依靠本身的技术优势从不同切入点入局,推出数字孪生解决方案,如科大讯飞、软通动力、紫光云、飞渡科技、超图公司等,为中国数字孪生城市建设注入新力量。

结语

数字孪生城市建设从整体入手,以平台化的建设思路,遵循促进数字、物理场景相融合的核心理念,将复杂的跨行业、跨部门、跨平台的各类应用进行协整,促进城市整体的高效协同发展。在政策大力主导和企业积极响应的情景下,中国数字孪生城市建设发展前景广阔,为建成新型智慧城市提供动力,助推城市智慧化管理和服务进一步升级。

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