数字孪生城市 助力新型智慧城市建设

2019-08-01

来源:中国建设报

    作者:孙喜庆

信息爆发时代的当今社会,从来不缺乏科技新概念。每年都有新热点推出,云计算、大数据、物联网、VR(虚拟现实)、AR(增强现实)、区块链、人工智能、数字孪生、5G(第五代移动通信技术)等新名词层出不穷。科技创新不仅给社会发展带来巨大推动力,也对人类社会乃至人类本身的演进产生了深远影响。

VR行业经过2015年至2016年的暴热、2017年至2018年的冷静,其浮躁的泡沫已被挤压干净,留下来一批坚定务实的企业,扎实推进VR技术产业化发展。VR不仅是指头盔式眼镜,而是泛指基于3D(三维)技术实现的虚拟场景或应用内容的全新交互体验方式。VR代表了虚拟现实、增强现实、混合现实、3D视觉等丰富的产品及应用形态。5G作为可期待的新一代通信技术,其基础设施正加速建设,商用化进程已日益逼近,也为IOT(物联网)、VR应用普及起到了推波助澜的作用。

每一次媒介革新都将使内容产业进行重构,也将对IT产业、信息消费、社会生活产生深刻影响。继报刊、电视、互联网、智能手机作为主流媒介之后,VR是又一次媒介的重大革新。这次革新绝不止于VR技术的孤立使用,而是与云计算、大数据、IOT、人工智能以及5G等下一代ICT(信息和通信技术)实现融合。

每一次人类社会组织形式的升级和变革,也将反过来拉动科技创新发展,以有效解决新问题。从部落、村镇、城邦发展到现代都市,进一步演进到数字城市、智慧城市,城市规模越来越大,大城市病日益严重,快速发展的新一代ICT,正在铺就一条更加有效的城市治理之路。

数字孪生

智慧城市发展必然趋势

2008年,IBM公司提出智慧地球理念,触发了各国政府智慧城市建设,积极探索可持续发展的城市治理模式。自2010年以来,我国在住房和城乡建设部、国家发改委、工信部、科技部等多个部委进行试点的城市已超过500个。这些试点城市主要以IT(信息技术)基础设施、信息化平台建设为主,取得了一些阶段性成果,但并未形成质的跃升。

2016年,国务院发布了《关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》。城镇化建设作为重大创新和投资的驱动力,已成为重要的国家战略。

建设智慧城市,首先要把城市的数字模型构建出来,以实现物理城市与数字城市之间虚实映射和实时交互的融合机制,即为数字孪生城市。

数字孪生是建设智慧城市的前提条件。运用云计算、大数据、区块链、人工智能、智能硬件、AR/VR等新技术,可建立起全域感知、万物互联、泛在计算、数据驱动、算法辅助决策的强大管理支撑平台,惟此才能实现《国家新型城镇化规划(2014~2020年)》确立的新型智慧城市建设目标——

信息网络宽带化:推进光纤到户和“光进铜退”,实现光纤网络基本覆盖城市家庭,加快4G/5G在城市公共区域的网络覆盖,提升网络接入水平。

规划管理信息化:发展数字化城市管理,建立城市统一的地理空间信息平台和公共信息平台,统筹推进城市规划、国土利用、城市管网、园林绿化、环境保护等市政基础设施管理的数字化和精准化。

基础设施智能化:发展智能交通、智能电网、智能水务、智能管网、智能建筑,实现城市秩序、应急处理、绿色节能的智能化管控。

公共服务便捷化:建立跨部门跨地区业务协同、共建共享的信息服务体系,创新发展教育、就业、社保、养老、医疗以及文化的服务模式。

产业发展现代化:加快传统产业信息化改造,推进制造业向数字化、网络化、智能化转变,积极发展信息服务业、电商和物流业信息化集成发展,创新培育新型业态。

社会治理精细化:在市场监督、环境监管、信用服务、应急保障、治安防控、公共安全等领域,深化信息应用及服务体系,创新社会治理方式。

目前,智慧城市建设虽在全国各地积极推进,但提出以数字孪生为基础构建智慧城市的政府仍凤毛麟角,多数地方注重宽带网络、IDC(数据中心)、IOT等基础设施建设,只是触及了智慧城市的“皮毛”。针对数字孪生城市新范式,产业界已做出一些研究及应用探索,逐渐形成了成功的标杆案例,后续将会迅速推广。

CIM模型将是

智慧城市核心资产

智慧城市建设过程中,信息共享与流程打通是关键也是难点,必须成为“一把手”工程,才能切实做到位。

国家层面为推进智慧城市进程,于2015年成立了由国家发改委、中央网信办、教育部、住房和城乡建设部等25个部门参加的新型智慧城市建设部际协调工作组,充分说明了工作难度和重要性。

如何提高智慧城市建设标准化也很重要。2016年,《新型智慧城市评价指标GB/T33356-2016》正式发布,此后每年都有相关细化标准制订并出台,为智慧城市建设提供了必要依据和规范。

城市时空信息平台是数字孪生城市的信息化底座。依托GIS(地理信息系统)+BIM(建筑信息模型)+IOT等技术,对城市地上地下空间规划数据、城市二三维GIS数据、城市建筑BIM数据、市政设施BIM数据、城市IOT感知数据以及产业经济、社会民生、政务服务、交通出行等应用数据进行多元异构集成,形成基于统一标准和规范的CIM(City Information Modeling,即城市信息模型),积累完整的城市大数据资产,为智慧城市规划、建设、运行管理提供统一的云平台基础支撑。

基于CIM的智慧城市与新区规建管一体化云平台,可为城市规划、建设、运行管理全过程赋能,全面提升城市规划、建设、运行管理一体化运作水平,从而真正实现城市“一张蓝图绘到底、建到底、管到底”。

在规划阶段,在CIM模型中全面整合导入城乡、土地、环境、水系、市政、交通、能源、通信、产业等规划数据,实现城市规划一张图,为多规合一的动态监管、集成可视和冲突检测提供自动化、信息化技术手段支撑,有效解决空间规划的冲突问题。

在建设阶段,以CIM模型为基础,对工程项目从深化设计、建造施工到竣工交付全过程的项目进度、成本、质量、安全、绿色施工、劳务进行数字化综合监管,实现多个建造参与方实时沟通与协同协作,确保重大工程项目按时、高质、安全交付。

在运管阶段,结合城市现场布设的各种传感器和智能终端,基于CIM模型,可实现对城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一呈现,实现设备的预测性维护、基于模拟仿真的决策推演以及综合防灾的快速响应和应急处置能力,让城市运行更稳定、安全、高效。

事实上,智慧城市规建管一体化方案与平台已从概念走向成果落地阶段,目前在雄安新区、北京新机场临空经济区、北京城市副中心、福州滨海新城、青岛中央商务区、北京未来科学城等进行了实践,形成了很好的创新示范效应和社会价值。

3D交互UI

新一代应用基本特征

到目前为止,互联网应用及IT应用系统的UI(用户界面)仍多以传统方式进行呈现。这既受限于目前终端计算能力和互联网带宽等因素,也因为思维惯性所致。

3D建模及交互应用在影视CG(计算机动画)、游戏、高端装备、工业设计等领域已成为主流形式。VR发展的浪潮冲破了许多藩篱,教育、军事、医疗、文旅、地产等细分领域都已开始引入3D交互UI。随着CG、Game(游戏)、GIS、BIM进一步交叉融合,3D交互UI在智慧城市、融合媒体等领域将进一步释放出更大的创新活力,成为新一代应用系统的基本特征。

数字孪生智慧城市建设是异常复杂的系统工程,但决策者乃至具体业务管理人员对IT系统操作能力大多不高。对智慧城市规划建设管理云平台的人机界面创新,采用新一代3D交互图形界面,将大大降低用户使用门槛、提升沟通和执行效率。

在规划阶段,对各种规划方案提供三维方案审批核查、竣工审查、区域控高审查、日照指标审查、通视审查、视域审查、城市天际线审查、沿街立面审查、规划推演和拆迁规模分析等辅助功能以及为规划方案审查和决策提供3D可视化全新界面。同时,可实现包括城市总体规划、控制性详细规划、各专项规划、项目BIM设计方案的3D交互展示,广泛应用于接待展示、汇报演示、宣传推广、招商推介等场景。

在建设阶段,基于3D建模场景与工程现场视频监控、物联网传感数据的有机结合,可实现对大规模建造项目的可视化智能监管,对技术、进度、质量、安全进行有效管理。对于重大投资建设项目,若发现进度滞后,平台可自动分析原因,及时采取对应处置措施,将管理信息传递效率提高15%~20%、决策效率提升10%以上,实时获取安全报警信息,及时处理设备故障及违章操作,为工地提供安全保障。

在运管阶段,基于3D建模场景与视频监控、物联网传感数据有机结合,可实现对城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况实时监测和统一可视化呈现,通过指挥中心大屏、电脑、智能手机等终端,让城市和园区管理者随时掌握生态环境、市政设施、城市部件以及车流、人流、企业、经济运行态势,让工作人员进行现场和远程相结合的巡检维护,对故障报警、异常状况进行及时处理。

随着5G技术实现规模化商用,其高带宽、大连接、低时延的特性,将进一步实现3D交互UI广泛普及,不断演进的VR设备也将使日常佩戴成为可能。互联网应用新一轮更新迭代不可避免,数字孪生城市应用将成为新一代互联网核心应用。

Cybercity将成为

智慧城市自然延伸

2018年4月上映斯皮尔伯格导演的电影作品《头号玩家》,描述了一个名为OASIS(绿洲)的虚拟世界。人们可以在这里娱乐、交友、学习、工作、赚钱、购物,无所不能。

目前,绝大多数游戏仍是脱离现实的虚幻题材。以数字孪生城市为基础的新一代3D互联网,将打造出全新的虚拟空间,可称其为Cybercity(数字城市)。

Cybercity将推动虚拟世界和现实世界高度融合,打通真实人生与游戏体验,为大众提供超越现实的全新感受和选择机会。场景、人物、物品的3D视觉访问,打破现有互联网页面的访问模式。虚拟世界与现实世界紧密结合,融入高度社会化网络人际关系。对待虚拟世界和现实世界的态度,需要同样认真,而不仅是逃避。

Cybercity将是数字孪生智慧城市的自然延伸。OASIS也将不仅是电影,而是即将到来的现实。


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