数字孪生城市全域感知体系研究

数字孪生城市全域感知体系研究

王文跃1  李婷婷1  刘晓娟2  樊可欣1  白银姗1  李青松1

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.中国联合网络通信有限公司北京市分公司，北京 100052）

摘要：数字孪生城市是技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设发展的一种新理念、新途径、新思路，其实现的基础是构建城市全域感知体系。本文重点分析了数字孪生城市全域感知体系的逻辑架构、关键支撑要素组成，探索并分析了支撑要素布局方案，以期对我国数字孪生城市建设有所借鉴。

关键词：逻辑架构；关键支撑要素；布局方案

1   引言

一般认为“数字孪生”的概念是由美国学者Michael W. Grieves在2014年提出的，其将数字孪生（Digital Twin）定义为：物理产品或资产的虚拟复制，且此复制可实时更新或尽可能定期更新，以尽可能地匹配其真实世界。国外其他研究机构对“数字孪生”也有不同的定义。如德勤将“数字孪生”定义为以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现；而美国国防采办大学则将“数字孪生”描述为充分利用物理模型、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。此外，国内学者对“数字孪生”也有不同的定义，如有学者将“数字孪生”定义为将物理对象以数字化方式在虚拟空间呈现，模拟其在现实环境中的行为特征；也有学者将“数字孪生”描述为在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系等。

根据国内外专家学者的定义分析可知，“数字孪生”概念有两种不同的侧重，一种强调仿真、建模特征，看重管理现场的重现；另一种则将数字孪生体看成降本增效的工具，不特别强调建模载体本身。综合这两种观点可以认为“数字孪生”是指综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射，是一种实现物理空间在赛博空间交互映射的通用使能技术。

2   数字孪生城市的特征

2.1  数字孪生城市的本质特征

当前，互联网、通信、安防、AI、大数据、AR/VR等行业企业均在各自领域布局数字孪生城市方案、相关技术，以及应用模块等。如阿里的城市大脑、华为的“5G+AI”、科大讯飞的数字超脑、51VR的51City OS等。分析各企业的数字孪生城市解决方案的特点，数字孪生城市解决方案理念有两种侧重：一种侧重“仿真”，另一种则更看重“数据”，这与“数字孪生”概念中两个理念一致。

两种侧重虽具有明显的不同特征，但其共同理念均为通过城市全域数据的实时可视化，在互联网数字空间中形成物理世界的映射，从而挖掘数据的价值，即数字孪生城市的本质是城市级数据闭环赋能体系，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态，实现智慧城市的内生发展动力。

2.2  我国数字孪生城市的通用功能特征

一般认为，我国“数字孪生城市”概念由中国信通院的研究人员提出，并在2018年被写入雄安新区规划纲要中，其是在雄安项目的需求下，将工业领域的“数字孪生”概念运用到城市治理领域中。目前，我国数字孪生部分应用先行先试也取得了初显成效，如智慧园区、数字工厂、自动驾驶、智慧医疗等场景。综合分析各类应用场景可知，基于多源数据融合的城市信息模型是数字孪生城市的核心，城市全域部署的智能设施和感知体系是前提，支撑孪生城市高效运行的智能专网是保障，实现智能操控的城市大脑是重点。结合我国数字孪生城市应用场景现状，可将数字孪生城市归结为三大通用功能：一是全息动态感知功能。即将特定区域和行业中的数据采集到统一平台中，从而实现可视化，使特定人员“看得更全”以及“看得更及时”；二是实时诊断功能。通过大数据、AI等技术手段，对采集数据进行数据分析，可实时研判城市特定区域出现的异常情况，实现实时报警等；三是决策建议功能。通过知识图谱等技术手段，解决方案可模拟城市的运行状况，对城市日常运行以及突发事件可以采取必要的预防措施，并可预测未来城市的面貌。

3   数字孪生城市全域感知体系分析研究

3.1  数字孪生城市全域感知体系逻辑架构分析

根据前述数字孪生城市的本质特征可知，数字孪生城市是对城市实体和居民行为全面数字化的过程，是在网络空间再造一个与物理城市相对应的“虚拟城市”，其目标位通过虚拟服务现实，以数据分析驱动决策 。

图1所示的逻辑架构可知，数字孪生城市依然遵循智慧城市的逻辑架构，以云、网、端为主要元素构成技术生态体系。端侧形成城市全域感知，深度刻画城市运行体征状态；网侧形成泛在高速网络，提供毫秒级时延的双向数据传输，奠定智能交互基础；云侧形成普惠智能计算，以大范围、多尺度、长周期、智能化地实现城市的决策、操控。

图1  数字孪生城市逻辑架构（来源：中国信息通信研究院）

3.2  数字孪生城市全域感知体系关键支撑要素分析

数字孪生城市全域感知体系可分为三大支撑要素：一是以城市全域感知设备设施建设为基础而形成的端侧群智感知能力。一方面，以城市感知设施、智能终端等为基础，形成大范围、大规模、协同化普适计算的群智感知，最终采集生成全域全量全时的多源异构数据；另一方面，通过基于标识和感知体系，全面提升传统基础设施智能化水平。二是以异构网络协同为基础而形成的网侧高速、泛在的网络接入环境。通过天空地一体综合信息网络实现城市的无缝接入，实现大数据量、大链接数等多种人与人、物与物的连接，适配不同应用场景。三是群智协同计算+云计算等为基础形成的云侧数据存储、处理和分析能力。如边缘计算及量子计算设施提供高速信息处理能力；人工智能及区块链设施提供泛在智能嵌入城市运行与合约执行；云计算及大数据等设施为数字孪生城市与现实城市平行发展提供算力支撑，保证两者如影随形、相互作用等。

3.3  数字孪生城市三大关键支撑要素布局方案研究

3.3.1  智能化基础设施全域空间布局方案

数字孪生城市的智能化设施空间布局方案，需针对不同的应用场景，结合实际使用需求与信息采集方式，构建全域覆盖、动静结合、三维立体的智能化设施和感知体系。空间维度上，可将感知载体和设施体系分为地上、地下、空中、水域感知体系进行布局。

一是地上部分。需在道路中布设多功能杆柱、智能垃圾桶、智能井盖等综合感知载体；需在建筑中布设水务、燃气、热力、电力、安防、消防等智能终端；此外，需在全域布设温湿度、空气、噪声、辐射、土壤等环境监测设备。

二是地下部分。需在地下综合管廊、地下交通、地下防空等地下空间，以及水务、燃气、热力、电力、通信等其余地下管线部署传感器等感知设备。

三是空域部分。可利用低空无人机或浮空平台等载体，搭载传感器、摄像头等任务载荷设备，对特殊复杂环境和重点区域进行增强补充、定期巡检和应急保障。

四是水域部分，需在水下布设水底观测网，在水面通过锚泊站、无人监测船等，进行水文、生态、环境等监测。

此外，考虑到数字孪生城市映射关系，需对城市全部实体进行数字化标识使得终端设备具备唯一的全局身份标识，作为数字孪生城市的唯一索引，便于数据实时采集、反馈，并方便对终端的远程操控。因此，面对海量的物联网设备，有必要建立设备的统一编码标识，规范物联网标识体系。如可探索将IMSI（国际移动用户识别码）延续至物联网领域的可行性；又如对非蜂窝网接入的设备应该建立异构兼容的城市级物联标识解析体系，可参照Ecode对“物”的唯一编码等。

3.3.2  数字孪生城市泛在网络布局方案

在数字孪生城市建设过程中，需针对不同感知载体和设施的空间布局，采用无线或有线的传输方式。有线传输是通过搭载物联网关、边缘设备等的信息箱进行小区域覆盖，主要支持需要大带宽有线连接或需要持续供电的终端设备；无线传输是利用无线技术进行数据传输，无线技术又分为长距无线技术和短距无线技术两种，其中长距无线技术包括4G/5G等蜂窝网络、无线专网等，短距无线技术则包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术。

为支撑数字孪生城市的高效运行，满足城市各类智能化运行场景需求，保障城市全域空间布局的智能化设施感知信息流动，可按需推进5G、WLAN、NB-IoT、eMTC、LTE以及城市专网等多网协同高速、泛在的网络接入环境建设，以便形成天空地一体化综合信息网络，进而满足城市的无缝接入，以及大数据量、大链接数等多种人与人、物与物的连接，适配不同数字孪生城市应用场景。

3.3.3  云边协同的互联方案

在数字孪生城市解决方案中，边缘侧聚焦业务的处理，在边缘侧实现对端侧的设备、应用、视频数据的连接，并按需承载物联感知、AI推理、应用集成、近场计算等业务能力，实现数据的预处理或本地服务闭环；云侧负责企业客户所涉及的边缘节点资源和业务能力的统一管理，实现边缘节点的注册发现、配置管理、业务下发、运维信息上报等。数字孪生城市边云协同解决方案参考架构如图2所示。

图 2   数字孪生城市边云协同解决方案参考架构

由于数字孪生城市遵循循序渐进的发展路径，是功能不断完善和扩展的过程，一般情况下，数字孪生城市建设过程可分为建设前期、建设中期以及建设后期3个阶段，不同阶段的业务类型以及业务流量不同。其中，前期边缘互联流量较小，但业务种类多样；中期业务种类继续多样化，业务流量也开始逐渐增大；后期业务种类趋于稳定，但业务流量呈现爆发式增长。因此，云边协同的互联解决方案的选择应充分考虑数字孪生城市建设进程，参照当前国内外数字孪生城市建设经验以及相关学术研究。建议云边协同的互联方案初期可充分利用现有的分组增强型OTN网络；中期可在分组增强型OTN互联的基础上，结合光层ROADM进行边缘DC之间Mesh互联；后期可采用高纬度ROADM互联 。

4   结束语

当前，智慧城市在全国范围内正如火如荼地建设，由于城市级物联网平台建设仍处于起步探索阶段，在技术功能、领域覆盖、建设模式等方面有待完善。此外，在感知业务领域，我国城市各系统大多处于各自为政、条块分割、烟囱林立、信息孤岛的状态，数字孪生城市需针对不同的应用场景，统筹感知体系建设，统一采集汇聚，实现城市动态数据整合与共享，形成全域覆盖、动静结合、三维立体的规范化、智能化、全联接的感知布局。但目前产业界对数字孪生城市全域感知体系建设尚没有深刻的认识，亟待业界加大研究力度。

参考文献

[1] 中国信息通信研究院. 数字孪生城市研究报告(2019年). 2019.

[2] 杨春志, 韦颜秋. 基于立体感知的数字孪生城市发展: 内涵与架构[J]. 建设科技, 2019(06):61-66.

[3] 黄智国, 李宏杰, 等. 一种云边协同的工业应用云化方案[J]. 电信科技, 2019(S2): 84-88.

Research on the universe perception system of digital twin city

WANG Wenyue1, LI Tingting1, LIU Xiaojuan2, FAN Kexin1, BAI Yinshan1, LI Qingsong1

(1.China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China; 2. China United Network Communications Co., Ltd. Beijing Branch, Beijing 100052, China)

Abstract: The digital twin city is a new concept, new way and new idea of the construction and development of new smart city, which is driven by technological evolution and demand upgrading. Its realization is based on the construction of a city universe perception system. This paper focuses on the analysis of the logical structure, key supporting elements of the digital twin city universe perception system, and explored and analyzed the layout scheme of the key supporting elements, in order to provide reference for the construction of digital twin city in China.

Key words: logical architecture; key supporting elements; layout scheme

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第3期

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