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国际欧亚科学院院士、北京大学教授邬伦:数字孪生智慧城市概念

2022-04-10 22:08

专家报告 | 国际欧亚科学院院士、北京大学教授邬伦:数字孪生智慧城市概念与建设要点探讨

2022-04-10 00:00 来源: 手机天下知多少

原标题:专家报告 | 国际欧亚科学院院士、北京大学教授邬伦:数字孪生智慧城市概念与建设要点探讨

文章转载自微信公众号CSUS智慧城市领航,来源:北京大学公共政策研究中心,版权归原作者及刊载媒体所有。

国际欧亚科学院院士、北京大学教授邬伦通过《数字孪生智慧城市理念与建设重点》演讲,深入分析了新时代、新背景下,数字孪生技术的发展趋势。以下为邬院士演讲实录,以文字+PPT的形式呈现。

关于数字孪生和数字孪生城市,目前非常火热。最早由美国航空航天局提出,数字孪生就是指充分运用物理模型、传感器、运作历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的模拟仿真全过程,在虚拟空间中完成映射,进而反映相对应的实体设备的生命周期全过程。简而言之,数字孪生就是将现实世界的物理体、系统及其流程等复制到赛博空间,形成一个“克隆体”,两者最终构成一个“数字双胞胎”。

目前数字孪生已经在很多领域进行了应用。前不久发布的《中国信通院的数字孪生城市白皮书》,指出数字孪生就是数字孪生城市在城市层面的广泛应用,由此可见,数字孪生已经成为新型智慧城市发展的必由之路和未来的选择,它已经由概念培养期进入到建设的探索期。

李德仁院士也指出数字孪生城市就是通过对物理城市的人、物、事等数字化制造一个与之对应的虚拟城市,物理维度上的实体城市和信息维度上数字城市同生共存、虚实交融。数字孪生城市是数字城市的目标,也是智慧城市建设的新高度。

发展沿革与技术脉络

数字孪生相关的概念,包含很多领域。比如CIM领域,对数字孪生技术也很重要。刚好今天上午参加了智慧城市工委会举办的《CIM应用与发展》白皮书的研讨会。下面我们回顾一下数字孪生的发展和技术脉络。

90年代我和几位专家参加编写《城市地理信息系统指南》,那时还没有数字城市这个概念。当时就是用GIS把城市多个图层、各个方面进行管理来服务城市。90年代末,出现数字地球理念,衍生出了数字城市,通过地理空间坐标,把各种各样的信息集中在一起。实际上当时也已经提出了数字地球的三个目标,数字化、网络化、智能化。

后来由于AI、物联感知等互联互通技术的发展更加智慧,开始提出强调智能化的智慧地球,由此衍生了智慧城市。再后来,大家在做的过程中,很多人对把数字城市改成智慧城市有意见,又提出新型智慧,强调新一代信息技术应用。在数字城市建设过程中,地理信息实际上是起到了非常关键的作用,此前,测绘地理信息局专门做了数字城市的地理空间框架试点建设,发展到智慧城市变成了工业平台,到现在叫做数字孪生城市。数字孪生城市,按照李院士指出的观点,他是智慧城市的一个新的、更高的阶段,显然,它不光具有智慧城市特点,更多的是数字孪生技术,映射虚拟仿真,虚实共存

智慧城市理念与特征

周成虎院士倡导全空间地理信息如何结合区块链,这与我们地理信息相关的是CIM空间信息基础设施平台。2011年,北大数字中国研究院的一个发展报告中,探讨了相关的智慧城市理念。当时数字城市刚刚向智慧城市转型,但是怎样才算智慧?万物之间人是最智慧的,城市要达到智慧,应该与人相比。那人怎样才算智慧呢?首先能够眼观六路耳听八方,如果这个人什么都感觉不到,显然算不上智慧;第二,人能感受到的信息,是海量的,人身上不仅有五官,还有皮肤等遍布全身的各种感知器官,通过各种感知,就形成大数据,需要大脑加工处理。和数字城市阶段不一样,数字阶段都是处理的数据库没有知识,而我们人脑不光有数据,还有知识储备,同时这些信息通过各种神经网络快速传输,带动我们身体产生智慧敏捷的反应。

由此可见,智慧城市的特点有通过立体感知,物联网、互联网及智联网汇聚大众智慧,实现数字城市的升级。物联感知使数字孪生实现虚实之间的映射、动态交互成为可能。因此智慧城市在感知方面,需要新一代感知和神经网络。而且虚拟现实要有依据,需要区块链保障数据可靠性。不仅需要物理感知,还需要遥感传感器、社会感知等全空间、多维度、多物理量监测。

中枢大脑建立知识图谱,进行态势感知和决策分析,如同人的左右脑结合。实际上人类大脑处理最为重要和比较高级的活动。人动一下手的时候,涉及到了骨骼、肌肉等很多部位相互协调,不是大脑控制的,而是一个复杂的协同机制,可能是大小脑协同,或者是肌肉的记忆等,这就是所谓的云边端的结合。就像人需要强健的骨骼将人体组织联系一样,原来的城市地理信息系统到地理空间框架,再到施工云平台,也需要新一代的骨骼支撑融合,也就是所谓的CIM加BIM的数字底座。

数字孪生智慧城市建设重点

面对数字孪生的发展需求和功能等特点,我们需要建立数字孪生城市,这是一个非常复杂的系统工程。其中有几方面建设重点,首先需要新一代信息技术融合赋能创新驱动,实现空天地一体化泛在感知与实时监测能力,铺设立体化全方位广义时空感知网;第二虚实结合双向映射与数据挖掘知识发现能力,依靠CIM城市信息基础设施构建数字底座与信息聚合大数据中台;第三数字孪生强调全空间、全生命周期模拟仿真与预测能力,建立强大的知识库与模型库;第四综合态势研判与智慧决策能力,实现智慧城市运行大脑。

其中,建设广义时空感知网包括空天地一体化的遥感感知网、物联网等,还需要增加社会感知,截止到目前,遥感在全面发展,空天地海一体化的遥感网已初步建成,在宏观尺度建立全覆盖城市的连续空间感知。但是这些感知主要侧重在物理、地貌、自然、地理等层面,而对城市人文和经济要素的感知较为欠缺。而数字孪生,不能光是山川、河流、地貌这些东西,而是要以人作为最小粒度的感知单元,以各类手机定位、社交媒体、出租车轨迹、公交刷卡等地理空间大数据为数据源,基于并扩展GIS空间模型和分析方法,通过数据融合、机器学习等手段,提取人的时空行为模式,反演人文及社会经济要素的地理空间特征,从而为定量刻画和揭示人地关系等学科发展提供新的技术支撑,为智慧城市等应用提供新的数据依据。例如,我所在的实验室一个学生的毕业论文,研究北京蚁族村,蚁族村通过卫星看人类居住特别密集,而隔壁的别墅区人员分布特别稀疏。我的学生利用这个数据,结合人们不同时段的变化出行等情况,分析人们的出行需求,改善了这个区域相关的状况。可见,物联感知强化了对城市各种精细化的感知,如城管事件、pm2.5等。