數(shù)字孿生應(yīng)用前景廣闊

　　作者：李德仁（中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、武漢大學(xué)教授）

　　城市是人類居住的主要場所，也是人類文明的結(jié)晶，是社會政治、經(jīng)濟(jì)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(shè)智慧城市的必由之路，前景廣闊。

　　一般認(rèn)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(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實(shí)體對象全生命周期過程。物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。因此，數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、動態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵途徑，為觀察、認(rèn)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(gòu)建物理城市世界、網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的一一對應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之匹配、對應(yīng)的“孿生城市”，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化，城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化，城市管理決策協(xié)同智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的城市發(fā)展新格局。

　　建設(shè)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(shí)體維度，實(shí)現(xiàn)城市多源異構(gòu)物理實(shí)體的智能感知與互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)獲取物理實(shí)體對象多維度數(shù)據(jù)，從而深入認(rèn)識和發(fā)掘相關(guān)規(guī)律和現(xiàn)象；二是在虛擬模型維度，構(gòu)建城市動態(tài)多維多時(shí)空尺度高保真模型，保證模型與物理實(shí)體的一致性、真實(shí)性、有效性和可靠性，實(shí)現(xiàn)多源多學(xué)科多維模型的組裝與集成；三是在孿生數(shù)據(jù)維度，實(shí)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(shí)現(xiàn)全要素、全業(yè)務(wù)、全流程多源異構(gòu)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(shí)體、虛擬模型、服務(wù)應(yīng)用的精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互；四是在連接與交互維度，實(shí)現(xiàn)城市跨協(xié)議、跨接口、跨平臺的實(shí)時(shí)交互，以及數(shù)據(jù)—模型—應(yīng)用的迭代交互與動態(tài)演化；五是在服務(wù)與應(yīng)用維度，基于多維模型和孿生數(shù)據(jù)，提供滿足不同領(lǐng)域、不同層次用戶、不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的服務(wù)。

　　通過解決上述科學(xué)問題，基于數(shù)字孿生的智慧城市將具備以下特征：精準(zhǔn)映射，通過空中、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設(shè)，實(shí)現(xiàn)對城市道路、橋梁、井蓋、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字化建模，以及對城市運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測；虛實(shí)交互，在城市實(shí)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(yīng)的虛擬模型，以軟件的方式模擬城市人、事、物在真實(shí)環(huán)境下的行為；智能反饋，通過在孿生城市上規(guī)劃設(shè)計(jì)、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(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警，并提供合理可行的對策建議。

　　數(shù)字孿生城市應(yīng)用前景廣闊。智能電網(wǎng)數(shù)字孿生服務(wù)，利用電力系統(tǒng)物理模型、先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)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(yùn)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(shù)，可實(shí)現(xiàn)疫情常態(tài)化下的精準(zhǔn)防控，避免大規(guī)模防控造成的經(jīng)濟(jì)損失，相關(guān)技術(shù)還能應(yīng)用于公共安全領(lǐng)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(shí)城市存在的基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境建設(shè)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(shù)解決。在建設(shè)智慧城市道路上，需要積極推進(jìn)物理空間和網(wǎng)絡(luò)空間共同建設(shè)，在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中，要加強(qiáng)對物理空間的城市研究，做好城市規(guī)劃、改造升級和科學(xué)管理，讓我國智慧城市建設(shè)沿著真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的智慧城市方向闊步前進(jìn)。