数字孪生十问:推动城市空间治理的迭代演进

|数字社会 作者:腾讯研究院 2024-01-02

关于数字孪生十问:

数字经济大潮下,数字孪生技术作为数字化转型的重要工具,已被纳入国家关键技术战略,进入产业应用深水区。在交通、汽车、工业、文旅、建筑等众多行业,数字孪生的应用,正在从“可看”,向“可算”、“好用”发展,通过数字世界的计算推演,为物理世界的优化提供更多的决策指导,实现数字世界与物理世界的双向衔接。

腾讯研究院与腾讯数字孪生产品部联合发起《数字孪生十问》系列,每期聚焦一个应用领域,探讨技术创新,挖掘应用价值。

2023 年末,自然资源部部署开展试点,探索国土空间治理数字化转型,推动构建美丽中国数字化治理体系和建设绿色智慧的数字生态文明。利用数字技术提升城市空间治理是加速城市发展和经济建设的重要基础,产学研正在协同,推动技术、产业和制度的系统性创新发展。
数字孪生作为一项“虚实结合”的数字化转型技术,正在国土空间治理数字化转型领域加速落地。产业互联网高速发展的时代浪潮,更是推动了它的价值爆发。未来,以数字孪生为代表的虚拟空间技术,将是最为重要的工具和场景之一。

 

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数字城市迎来了新的发展机遇,数字孪生正进入爆发期?

今年,中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》(以下简称《规划》),《规划》指出,建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎,是构筑国家竞争新优势的有力支撑。加快数字中国建设,对全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴具有重要意义和深远影响。数字城市高质量建设是数字中国的有效抓手,在重大政策利好下,数字城市迎来了新的发展机遇,将迈入蓬勃发展新时期。

此外地方政府数字城市布局也加速落地,今年6月发布的《深圳市数字孪生先锋城市建设行动计划(2023)》,提出建设一个一体协同的数字孪生底座、构建不少于十类数据相融合的孪生数据底板、上线承载超百个场景、超千项指标的数字孪生应用、打造万亿级核心产业增加值数字经济高地,建设国内领先、世界一流的智慧城市和数字政府。

 

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智慧城市建设给数字孪生提出哪些要求

数字城市的发展也会对数字孪生提出更高的要求。首先,全景感知能力是数字孪生的基础,它要求在非完备或不完整的状态下也能进行有效的实景感知。这种能力对于研究和应用数字孪生至关重要,尤其是在处理不完全或不确定的信息时。

其次,数字孪生的一个重要价值在于增强研究方法的可信性和可解释性。这在当前以人工智能为基础的研究领域尤为重要,因为AI系统往往面临着解释性和可信性的挑战。通过真实化的实景孪生,数字孪生能够更有效地展示这些特性,从而提高研究的准确性和可靠性。

第三,数字孪生还需具备认知能力,特别是迭代和进化的认知能力。这种认知孪生是近期基于生成式AI技术的发展而出现的概念。生成式AI之所以关键,是因为它提供了一种涌现能力,能够增强数字世界的认知能力。这使得数字孪生不仅能与物理空间和社会空间相结合,还能在整个研究框架体系中实现不断的演进和相互迭代,从而增强整体的研究和应用效果。这些价值指向了数字孪生技术未来的发展方向,预示着其在多个领域的深入应用和影响。

 

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数字孪生如何在城市规划与改造中发挥作用?

城市建设是长链条的过程,管理主体多样、结构多元,基于统一底座的数字孪生应用建设,实现数据打通、一屏统筹,推动各管理单元互联互通,打造了一种全流程、协作化的新型管理模式,助力城市从规划到落地形成闭环,实现宏观中观和微观一体化还原。值得关注的是城市信息模型(City Information Modeling,CIM)的发展,融合了BIM、GIS、IoT等技术,整合室内室外、地上地下、历史与现在等多维度数据,成为管理和表达城市立体空间、基础设施等的数字模型,成为城市数字孪生的重要组成部分,在城市更新、城管、执法、监督等业务中作用巨大。

比如在规划阶段,可以将城市各项数据进行感知和汇聚,通过可视呈现的方式帮助规划部门看见看不见的城市未来空间,推断各类变化等,实现更科学的决策。在改造阶段,可以在城市的孪生体中提前预演改造可能带来的风险与收益,与众多关联因素的数据进行计算分析,支持试错,确保能合理评估改造带来的各种影响。

 

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交通优化、物流升级,如何完成数字孪生体的搭建?

交通运输系统是极为复杂的。在交通运输网里,有不计其数的交通基础设施、运载工具、出行者,还有交织密布的附属设施网络(能源、通信、供电等),造价昂贵、试错成本极高。因此,直接在交通运输网里做试验,或者复制一个物理交通运输网来做试验几乎是不可行的。所以,需要借助数字孪生技术,构建一个数字空间的虚拟交通运输网,进行仿真、试验和试错,提升交通运输的管理和运营效率。

腾讯数字孪生平台首先完成交通数字孪生体的搭建。利用城市级三维重建技术,基于腾讯高精度地图数据,真实还原公路、桥梁、隧道、收费站等主体要素,以及绿植、场站、标志标线等。

其次通过路测雷达、摄像头等感知设备,实时检测和感知各个目标(车辆、行车等),然后将车辆、行人等动态元素“提取”出来,模型化之后,同步融入到数字孪生环境中,从而真正实现真实路面交通和虚拟环境的深度融合。实时交通流大数据,在数字空间被真实还原。交通数字孪生体搭建完成之后,就可以从上帝视角观察整个交通运输网。

对于驾驶员来说,腾讯交通数字孪生技术具备准确率达到95%的精准感知能力,以及百毫秒端到端时延的通信能力。它可以将异常事件告警以视觉和声音的方式,发送到驾驶员的孪生终端上,提高驾驶员的安全通行能力。尤其是在恶劣天气(例如大雾、暴雨等)以及黑夜情况下,驾驶员的视线受阻,可以通过孪生驾驶员端获取实时精准的周边路况情况。

交通数字孪生技术的另外一个显著特点,是可计算能力。它主要体现在仿真预测的道路交通可计算和空间可计算能力。通过仿真预测,可以预知未来短、中、长期的交通流状况,支撑不同交通管理场景的应急预案仿真,为决策者提供科学量化的决策依据和数据支撑。

 

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未来的应急体系会是可视化、可仿真、可预测的吗?

数字孪生可以接入大量的城市交通、人口、建筑、气象等数据,通过构建应急事件实现方案的制定和潜在风险预判,为应急事件发生时的实际干预提供了关键载体。城市消防应急涉及到的场景主要包括火灾应急、地震等自然灾害应对、异常气候应对、危化品管理等,借助数字孪生技术搭建一套可视化、可仿真、可预测的应急体系,可以对管理部门调度指挥提供助力。

比如,根据各类模型搭建的数字孪生系统可以对建筑体内、园区、建筑周围道路的最佳逃生路线进行设计和管理,同时对于各类传感器、消防点位、视频监控等全部实现联网。在灾害发生前实现及时预警干预、灾害发生时的救援调度、灾后重建的溯源分析等。在应对危化品泄漏危机时,借助物联网等能力实现危化品工厂或者车辆的仿真,对危化品泄漏进行动态呈现,同时计算出有害气体、液体等扩散路径和影响范围,分析最优疏散路线。当然,还可以与无人机系统进行打通,实现快速干预及时止损。

 

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低空经济大火,各地纷纷布局,数字孪生在其中扮演什么角色?

低空经济的核心思路,是把低空空域从自然资源,通过数字化和先进技术手段变成可计算、可运营的经济资源。无论是国家顶层设计还是地方政策,都认为低空经济是未来十年的三维立体新交通、智慧城市新基建、数字经济新引擎。

目前,我国无人机产业呈现出高速发展的态势。在技术突破和应用需求的双轮驱动下,无人机越来越多地被用于快速物流、应急救援、农林植保、航空测绘等领域,无人机产业的重点正在从生产制造向专业化应用服务发展,而这也意味着对智能化技术的运用要求高,需要能支撑以“异构、高密度、高频次、高复杂性”为属性特征的大容量融合飞行,融合不同种类、功能、性能的飞行器,兼容数倍的飞行密度和起降架次,并面对极为复杂的飞行、地面和信息环境。

数字孪生技术核⼼提供空间感知、空间计算、空间解析、空间搜索等能⼒,可⽀持在⽆⼈机⻜⾏等⾼速动态变化场景下的毫秒级时空计算,通过⾃动化语义解析、空间⾃动化抽壳、空间索引等算法,可⽀持PB 级⼤规模静态空间场景数据的计算,并⽀持秒级计算结果输出。同时,仿真平台可以实现飞行前或飞行中的可视化、可仿真、可预测,通过获得相关数据作为飞行决策参考,确保飞行全周期的安全与高效。

这一背景下,腾讯与粤港澳大湾区数字经济研究院(IDEA)正在联合探索,借助数字孪生等技术,探索数字化空域设计的前沿能力,未来能够帮助即时配送、物流、应急服务、城市巡检、载客空中飞行等管理方和运营方实现空域高效设计、航道合理规划、城市空间避障、仿真测试预演等功能,确保低空飞行器安全、有序飞行,实现民生服务体验升级,进一步推动低空经济的发展。

 

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数字孪生技术在能源与环境管理方面的应用价值?

美丽中国建设,包含了污染防治、绿色低碳、生态系统保护、碳达峰碳中和及守护生态安全等重要内容,与能源和环境息息相关。据自然资源部信息中心孙雪东介绍,在当前自然资源信息化顶层设计中,重点考虑到数字孪生场景驱动,借助数据和算法模型工具辅助认知、判断和决策。重点应用的场景包括,底线守护、格局优化、绿色低碳和全域维护。

其中,能源和矿产资源安全是关乎到国家发展的重要命脉,绿色低碳与环境保护又是社会可持续发展的关键基础。数字孪生技术,目前也在能源与环境管理中发挥重要作用。一方面,在政府和监管部门来看,通过数据的汇聚打通、实时孪生的展示和计算,能够高效、科学的进行综合性管理,促进能源、企业、用户及生态体系的动态协同。另一方面,我国大量的能源企业正在加速转型综合能源服务商,用户侧分布式能源管理需求急剧提升,也正在利用云计算和数字化工具,优化生产和供需服务。以腾讯 Enertwin为代表的数字化方案,正在将数字孪生技术、行业大模型等能力嵌入到能源行业的生产和服务中,为各环节的精细化管理和优化提升提供决策依据,同时实现节能减排。

网天津市电力公司电力设备运营基地生产可视化平台

在绿色低碳方面,以北京生态环境治理工作为例,针对面积大、人口多、环境污染成因复杂、信息多元异构等问题,北京生态环境部门采用了人工智能与区块链技术的生态环境新型治理体系,运用数字孪生技术,集成了物联网、大数据、人工智能、建模仿真等多项前沿技术,将现实城市中的生态环境治理全程映射在虚拟的数字孪生世界。首先通过感知设备实时采集污染源数据、气象数据等真实世界的环境数据,通过数字孪生系统对环境管理的各个实体要素进行动态监测、动态描述、动态预测等,便于管理部门实时掌握生态环境的现状、异常和趋势,发现环境变化过程中的关系、规律,以支撑相关部门的环境决策管理。在大力推进技术创新的同时,北京市还与腾讯等公司,开展了“场地土壤污染成因与治理技术”重点专项,加速生态环境治理工程。

腾讯基于数字孪生技术打造的碳排放管理平台

 

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数字化技术如何助力城市重大基础设施保障?

城市人居服务,包含电力、水利、通信、能源、安防等众多基础设施体系,基础设施高效、安全的运转,是城市高效治理与提升人居幸福指数的基础指标。数字化的技术已经深度应用在此领域,如暴雨等极端天气下的防灾应急,电力通信设施设备的安全保障等,通过计算、推演、预判等能力,强化预防和保障能力。

粤港澳大湾区是我国受到台风侵袭最为集中的区域,在海洋灾害预警方面,南方海洋实验室正在利用数字孪生技术,实现更加精准的灾害天气的分析和预测。2023 年 9 月,由南方海洋实验室和腾讯及生态伙伴联合打造的全球首个海洋数字孪生引擎 DTO Engine 发布,目前已应用在台风、风暴潮等海洋灾害的预测及应对工作中,数字孪生系统结合海水水位、波浪等数据,可以模拟海岸带海浪实况,对海水涨退潮对近岸的影响进行预判和模拟,辅助城市应急管理工作。

与此同时,当前中国约70%的现代化城市都处在水资源极度紧缺的地区。水利工程关乎到地方经济发展和城市生活。珠三角水资源配置工程,从佛山西江打通广深,能够解决广州、深圳、东莞生活生产缺水问题,同时也为香港、番禺、顺德等地提供应急备用水源,是粤港澳大湾区发展的重要战略支撑,这也是是世界上输水压力最大、盾构隧洞最长的调水工程。

由于珠三角地区地势差小,浅层地下空间资源遍布市政、电力、通信、煤气管网及地铁等线路,水利工程选址地下 40-60 米空间。面对巨大的施工难题,该项目运用了物联网、数字孪生等多项数字化技术,将工地、工人、设备的数据实时汇总,形成了建设管理、安全监管、调度应急等等智慧化的应用,工程整体优良率保持 97% 以上,形成了可复制可借鉴的经验。

腾讯云参与建设的珠三角水资源调配项目数字孪生工程

 

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如何在大型城市活动中实现安全保障的升级与体验?

在国土空间规划编制过程中,“人”作为城市研究的核心要素,在区域协调、用地布局、设施配置等方面都要以人为中心,此外在城市活动中,人流带来的相关安全保障工作也越来越受到关注。在跨年、庙会等重大活动的安保,也可用于演唱会、体育赛事等场景的人员疏散监测中,已经充分利用了LBS位置大数据服务、车辆GPS等动态数据,叠加空间时间维度信息进行人流量的监控、测算和安全防护工作。

例如,近年来全国各大城市纷纷组织马拉松等大型国际赛事,以深圳为例,2023 年深圳马拉松升级为“全马”国际赛事,也在数字化管理平台的基础上,升级了深圳马拉松赛事可视化管理平台,汇聚了天气信息、赛事信息、保障点、计时点位置等实时信息,形成赛事计时系统、医疗救援系统、视频传输系统、AI智能分析实时分析决策等体系,以数字化技术确保赛事高效运营。

 

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数字孪生城市的演进将发生哪些变化?

首先,我们必须认识到,尽管数字孪生城市提供了实体城市的详尽映射,但它们永远无法完全捕捉到现实世界的所有细节和复杂性。这种局限性部分源于构建这样的系统时所面临的无法解决的抽象问题,以及人类在不同发展阶段对城市构建的不断变化的能力和目标需求。为了最大化数字孪生城市的潜力,当前的重点应该是提高数据处理的效率,促进城市社会经济系统在仿真过程中的整合,并推动数字孪生城市中各个系统之间的相互融合。这意味着我们需要增强数字模型的操作性,提供更高级的可视化体验,并提高物理空间与信息空间的整合度,以扩展数字孪生城市的功能性和应用范围。

从技术角度来看,数字孪生城市的演进将经历从纯粹的数字化到可计算性、从静态到动态表示、从低频更新到高频交互、以及从仅关注物理空间到包含社会空间的转变。这一进程将实现城市要素全过程的管理、决策支持和动态匹配,以时空作为主要的载体和约束条件。总体而言,这些趋势并非按照严格的先后顺序发生,而是同步进行。数字孪生城市的最终演化方向是朝向一个更加数字原生和虚实相生的元宇宙,实现一个更为全面、动态且互联的城市管理和生活体验。

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