數(shù)字孿生應用前景廣闊

　　作者：李德仁（中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授）

　　城市是人類居住的主要場所，也是人類文明的結晶，是社會政治、經(jīng)濟和文化的載體和中心。從信息化到智能化再到智慧化，是建設智慧城市的必由之路，前景廣闊。

　　一般認為，數(shù)字孿生是充分利用物理模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的全生命周期的運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成映射，從而反映相對應的實體對象全生命周期過程。物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務是數(shù)字孿生的核心要素。因此，數(shù)字孿生作為實現(xiàn)虛實之間雙向映射、動態(tài)交互、實時連接的關鍵途徑，為觀察、認識、理解、控制和改造物理世界提供了一種新的有效手段。

　　基于數(shù)字孿生的智慧城市，就是通過構建物理城市世界、網(wǎng)絡虛擬空間的一一對應、相互映射、協(xié)同交互的復雜系統(tǒng)，在網(wǎng)絡空間再造一個與之匹配、對應的“孿生城市”，實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化和虛擬化，城市全狀態(tài)實時可視化，城市管理決策協(xié)同智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發(fā)展新格局。

　　建設基于數(shù)字孿生的智慧城市，要解決五大問題。一是在物理實體維度，實現(xiàn)城市多源異構物理實體的智能感知與互聯(lián)互通，實時獲取物理實體對象多維度數(shù)據(jù)，從而深入認識和發(fā)掘相關規(guī)律和現(xiàn)象；二是在虛擬模型維度，構建城市動態(tài)多維多時空尺度高保真模型，保證模型與物理實體的一致性、真實性、有效性和可靠性，實現(xiàn)多源多學科多維模型的組裝與集成；三是在孿生數(shù)據(jù)維度，實現(xiàn)城市海量大數(shù)據(jù)和異常小數(shù)據(jù)的變頻采集，實現(xiàn)全要素、全業(yè)務、全流程多源異構數(shù)據(jù)高效傳輸，以及信息物理數(shù)據(jù)的深度融合與綜合處理，孿生數(shù)據(jù)與物理實體、虛擬模型、服務應用的精準映射與實時交互；四是在連接與交互維度，實現(xiàn)城市跨協(xié)議、跨接口、跨平臺的實時交互，以及數(shù)據(jù)—模型—應用的迭代交互與動態(tài)演化；五是在服務與應用維度，基于多維模型和孿生數(shù)據(jù)，提供滿足不同領域、不同層次用戶、不同業(yè)務應用需求的服務。

　　通過解決上述科學問題，基于數(shù)字孿生的智慧城市將具備以下特征：精準映射，通過空中、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設，實現(xiàn)對城市道路、橋梁、井蓋、建筑等基礎設施的全面數(shù)字化建模，以及對城市運行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測；虛實交互，在城市實體空間可觀察各類痕跡，在城市虛擬空間可搜索各類信息；軟件定義，針對物理城市建立相對應的虛擬模型，以軟件的方式模擬城市人、事、物在真實環(huán)境下的行為；智能反饋，通過在孿生城市上規(guī)劃設計、模擬仿真等，將城市可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險進行智能預警，并提供合理可行的對策建議。

　　數(shù)字孿生城市應用前景廣闊。智能電網(wǎng)數(shù)字孿生服務，利用電力系統(tǒng)物理模型、先進計量基礎設施和電力系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，反映智能電網(wǎng)的全生命周期過程；城市智慧交通運營大腦，能優(yōu)化交通突發(fā)事件處理流程，降低城市擁堵；基于室內(nèi)外一體化的多元高精度定位技術，可實現(xiàn)疫情常態(tài)化下的精準防控，避免大規(guī)模防控造成的經(jīng)濟損失，相關技術還能應用于公共安全領域和大健康產(chǎn)業(yè)。

　　數(shù)字孿生城市也不是萬能的�，F(xiàn)實城市存在的基礎設施、生態(tài)環(huán)境建設以及教育、養(yǎng)老、醫(yī)療等民生問題，不能僅依賴數(shù)字孿生技術解決。在建設智慧城市道路上，需要積極推進物理空間和網(wǎng)絡空間共同建設，在新型城鎮(zhèn)化建設中，要加強對物理空間的城市研究，做好城市規(guī)劃、改造升級和科學管理，讓我國智慧城市建設沿著真正實現(xiàn)數(shù)字孿生的智慧城市方向闊步前進。