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我国数字孪生城市发展概况
时间:2019-10-28    评论:0
    来源:中国信息通信研究院

    数字孪生城市理念自提出以来,在国内政产学研用各界引起广泛关注,掀起研究和建设热潮。数字孪生城市已成为各地政府推进智慧城市建设的主流模式选择,产业界也将其视为技术创新的风向标、发展的新机遇,数字孪生应用已在部分领域率先展开。

    (一)理念引领,各地纷纷提出建设数字孪生城市

    雄安新区率先推进数字孪生城市建设。2018 年《河北雄安新区规划纲要》中指出:坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。目前,新区正推进 BIM 管理平台(一期)建设,这是一个具有国家自主产权的数字城市规建管智能审批平台,通过创新城市“规、建、管”的新型标准体系、政策体系和流程体系,探索以数字城市的预建、预判、预防来支撑现实城市高质量发展的模式,打造展现多维城市空间的数字平台。平台将建立不同阶段的城市空间信息模型和循环迭代规则,采取 GIS 和 BIM 融合的数字技术记录新区成长的每一个瞬间,结合 5G、物联网、人工智能等新型基础设施的建设,逐步建成一个与实体城市完全镜像的虚拟世界。


    全国各地抢抓先机,开展数字孪生城市规划和建设。数字孪生城市为各地智慧城市建设提供了新思路、新模式,让城市治理者看到城市现代化治理体系以及高质量发展的曙光,让城市居民憧憬随需而动、无处不在的智能化服务。2019 年 5 月,在第二届数字中国建设峰会数字经济分论坛上,贵阳副市长徐昊发表了“数字孪生城市的贵阳探索”主题演讲。在实践上,贵阳提出从花果园超大型社区治理、数博大道等小型城市生态系统入手打造数字孪生城市。南京江北新区着力推动城市发展向智能化高级形态迈进,提出力争到2025 年率先建成“全国数字孪生第一城”。浙江省发布未来社区建设试点实施方案,制定“未来社区”九大场景,提出构建现实和数字孪生社区要求。舟山市、西咸新区、重庆市、长三角一体化示范区等地纷纷采用数字孪生城市的建设理念和模式,先后制定智慧城市顶层设计和规划,以数字孪生城市为导向推进智慧城市建设。

    (二)产业响应,各类企业抢抓商机激活 ICT 产业链

    数字孪生城市正在激活庞大的信息技术产业链。数字孪生城市自提出以来,吸引产业界广泛关注,成为技术创新和业务拓展的重要方向。多地学术机构开展关于“数字孪生”的专题研讨,探索数字孪生技术对于城市治理、工业制造等领域的应用和价值。以 BIM、CIM(City Information Model)、VR/AR、AI 等先进技术为主攻方向的科技公司发力“数字孪生”方案研发,并已应用到多个行业。数字孪生城市涉及技术门类较多,诸如新型测绘、地理信息、物联感知、三维建模、图像渲染、虚拟现实、仿真推演、深度学习、智能控制等,几乎涉及信息产业所有链条,无论是传统的智慧城市龙头企业,还是新入局的创新型中小企业,对数字孪生城市均给予了高度重视,各类企业依托自身优势加紧布局,抢占市场先机,同时推动技术方案不断完善。

    传统智慧城市厂商顺势而为推出数字孪生城市解决方案。科大讯飞打造数字孪生城市的“城市超脑”,基于互联网、物联网等基础设施,汇聚城市时间与空间数据,运用人工智能算法,挖掘城市发展与运行轨迹,进行即时分析和仿真建模,促进物理城市公共资源最优化。软通动力与华为合作,发布支持数字孪生城市的 aPaaS平台,为多个场景提供 API 服务,涵盖交通、环保、安全等各种领域。阿里巴巴联合千方科技、银江股份、浙大中控、数源科技、海康威视等众企业,基于阿里云平台,共同打造数字孪生城市大脑,提升杭州市交通系统和城管系统的智能化水平。紫光云集成数字孪生底座,推出“1+4+N”智慧城市应用体系,重点打造安全生产“大数据”分析预测能力和“物联网”动态感知能力,有效防范和遏制重特大事故发生。


    空间信息产业纷纷入局,成为数字孪生城市建设中坚力量。数字孪生和空间信息产业密切相关,需要空间信息采集、建模、开发、服务、应用全产业链的深度参与,同时空间信息产业通过数字孪生在智慧城市中找到了新的支点,多年的技术积累在巨大的市场空间得以释放活力,并造就独特的竞争优势。国内 GIS 领头企业超图公司在新推出的新一代三维 GIS 技术体系中,全方位支持倾斜摄影建模、激光点云、BIM 等多源异构的三维模型数据,并推出国内首个三维空间数据规范标准 Spatial 3D Model(S3M),该标准融合了倾斜摄影模型、BIM、精模、激光点云、矢量、地下管线、地形、动态水面、三维栅格等多源数据,突破了大规模三维数据传输和解析的技术瓶颈,进一步促进了数字孪生的广泛应用。泰瑞数创提供了涵盖高端航测传感器、数据采集、处理服务到应用开发的数字孪生城市建模全产业链服务,还发布实景世界云平台 SmartEarth,利用结构化语义模型整合了 BIM/CAD 和地理测绘等技术,高效自动地构建城市信息模型,已经成功应用于智慧城市、智慧工业和自动驾驶等领域。51VR 公司运用 GIS、高程、无人机斜拍点云、卫星图、街景图等技术和数据,能够快速自动化构建大规模数字孪生城市模型,复原城市的每个细节,并进行大场景动态实时渲染,在数据可视化和场景可视化基础上,实现城市运营管理的可视化和精细化。

    (三)资本助力,数字孪生城市板块崛起倍受市场关注

    智慧城市相关投资持续保持高速稳定增长。IDC 预计,中国智慧城市技术相关投资在 2016-2021 年间将保持年复合增长率 19.3%的稳定增长。根据 IDC《全球半年度智慧城市支出指南》发布的数据,2018 年中国智慧城市技术相关投资达到 208 亿美元,相比 2017年的 173 亿美元增长了 20.2%,成为全球第二大的智慧城市技术相关支出市场(仅次于美国)。数字孪生城市的提出,无疑为新型智慧城市建设注入了新的活力,不仅带动相关产业的技术研发投入,而且促进地方政府加大对智慧城市的建设投资。


    数字孪生相关企业获得资本青睐,斩获融资。2017 年 5 月,英国虚拟仿真初创公司 Improbable 完成了 5.02 亿美元的 B 轮融资,由软银国际领投,公司估值突破 10 亿美金。该公司基于 Google 的计算平台“SpatialOS 平台”,构建了一个基于蜂窝云服务的“超级虚拟世界”。2019 年以来,我国以数字孪生为概念的多只股票出现涨停,数字孪生城市的价值被资本市场初步认同。看好数字孪生创新发展前景,资本巨头积极投资数字孪生相关企业,如阿里巴巴入股银江股份,超图公司获得中国人寿与光大银行的定向增发融资。

    51VR 完成 B 轮 2.1 亿元融资,泰瑞数创获得启迪金控和中信建投等机构过亿元投资。

    (四)场景先行,数字孪生部分应用先行先试初显成效

    数字孪生技术重新定义智慧园区。据预测,到 2022 年,85%的物联网平台将使用数字孪生技术进行监控,产业园区有望率先利用数字孪生技术,重塑园区管理与服务模式。在华为和 51VR 联合研发数字孪生的深圳坂田园区及东莞松山湖园区,通过实时接入园区IOT 设备、资产、能源、设施及环境等信息,建立基于园区实时运行状况的数字孪生场景,实现园区运营的可视分析、园区业务的闭环联动、园区决策的仿真模拟以及园区数据的全量集成,开创新一代园区的立体多维管理新模式。华为在廊坊经济技术开发区,利用GIS 空间信息平台,构建虚拟城市数字资源体系,一方面支撑 IOC运营,同时为各个政务部门提供全空间的地理信息服务。


    大型工业生产制造数字孪生风行。通过数字孪生模型与仿真技术,对高成本高复杂性大型设备产品进行设计、生产、装配全流程的数字化,并借助传感器实时数据与运行数据,实现对设备产品的远程监控和预测性维护,已成为大型工业制造企业的共识。西门子建立了贯穿于产品生命周期各环节间的数据模型,仿真模拟一些工厂的实际操作空间;通用电气与 ANSYS 公司借助数字孪生概念,提出物理机械和分析技术融合的实现途径,让每个引擎,每个涡轮,每台核磁共振都拥有一个数字化的“双胞胎”;德国软件公司 SAP利用数字孪生概念,在产品试验阶段采集设备的运行状况,通过分析后得出产品的实际性能,再与需求设计的目标比较,从而形成产品研发的闭环体系。波音 737 MAX8 不到半年发生两次重大事故,而数字孪生技术可用于航空飞机的维护与保障。美国空军已经和波音合作构建了机体数字孪生模型。波音公司在最新的 NMA 项目上,已经率先使用数字孪生技术进行研发。泰瑞数创在能源电力行业,利用数字孪生技术建立了电厂规划设计和运营服务的一体化系统,目前已经在国家能源集团和中石油等企业投入使用。

    数字孪生提升智能驾驶试验精度。通过搭建真实世界 1:1 数字孪生场景,还原物理世界运行规律,满足智能驾驶场景下人工智能算法的训练需求,大幅提升训练效率和安全度。如通过采集激光点云数据,建立高精度地图,构建自动驾驶数字孪生模型,完成厘米级道路还原,同时对道路数据进行结构化处理,变现为机器可理解的信息,通过生成大量实际交通事故案例,训练自动驾驶算法处理突发场景的能力,最终实现高精度自动驾驶的算法测试和检测验证。

    数字孪生在医疗领域获得突破性进展。数字孪生给予健康医疗新的视角和手段,通过对身体器官、血液循环、神经系统、肌体骨骼、心率脉搏等进行“镜象映射”,建立人体的数字孪生体,进而通过人体标准数据库,记录人体每个细节特征,进行人体健康的实时动态管理。通过引进小型化的穿戴式设备,实时对人体进行数据收集。孪生数据还可来源于 CT、核磁、心电图、彩超等医疗检测和扫描仪器检测的数据,血常规、尿检、生物酶等生化数据,医疗机构基于人体数字孪生综合数据,可对患者提供健康状况预测与及时干预,同时人体的数字孪生还将大大提高诊断的准确性和手术的成功率。

    数字孪生为智慧校园经济管理赋能。数字孪生将学校物理空间与数字空间有机衔接,全面感知校园物理环境,建立智能舒适的生活与教育环境,实现二维三维一体、虚实一体的校园精细化管理。我国多所大学已建立三维数字校园信息系统,在地上地下一体化、室内室外一体化的全三维校园空间信息中整合地下管理、能源、安全等多种传感器信息,实现对校园后勤资源、教学教育设施、能源管控、校园安全等多种管理功能。
    
标签:数字城市GIS地理孪生
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