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数字孪生城市典型应用场景
时间:2019-11-22    评论:0
    来源:中国信息通信研究院
    节选:自《数字孪生城市研究报告》

(一)城市规划仿真:形成全局最优决策

    对于城市规划而言,通过在城市信息模型上模拟仿真“假设”分析和虚拟规划,推动城市规划有的放矢提前布局。在规划前期和建设早期了解城市特性、评估规划影响,避免在不切实际的规划设计上浪费时间,防止在验证阶段重新进行设计,以更少的成本和更快的速度推动创新技术支撑的各种规划方案落地。通过城市信息模型以及可视化系统,以定量与定性方式,进行专题分析、模拟仿真、动态评估、深度学习规划方案以及对城市带来的影响,保证规划楼宇、绿地、公路、桥梁、公共设施等每一寸土地时,综合效益实现最优化。

    基于多源数据和多规融合实现规划管控一张图。整合所有基础空间数据(城市现状三维实景、地形地貌、地质等)、现状数据(人口、土地、房屋、交通、产业等)、规划成果(总规、控规、专项、城市设计、限建要素等)、地下空间数据(地下空间、管廊等)等城市规划相关信息资源,形成内容完善、结构合理、规范高效的现状、规划数据统一服务体系,在数字孪生空间实现合并叠加,解决潜在冲突差异,统一空间边界控制,形成规划管控的“一张蓝图”,以此为基础进行规划评估、多方协同、动态优化与实施监督。在充分保证“一张蓝图”实时性和有效性的前提下,通过对各种规划方案及结果进行模拟仿真及可视化展示,实现方案的优化和比选。

规范管控一张图

    基于全量数据分析进行多方案比选。通过建立城市信息模型平台,汇聚更多规划相关数据,如静态信息有人口分布密度、绿地面积布局、地理空间位置、房屋布局、道路分布、停车位等信息,动态信息有交通流量、实时环境检测、空气流动、温度变化、人们社交活动等信息。基于全量数据构建各类模型,如城市风貌模型、控规模型、参数化模型等,实现用地统计、管线统计、面积汇总、拆迁分析等功能,采用 GIS 方式进行展示,如温度变化、水势变化、空气动力变化、雾霾分布情况等,为规划提供决策依据。对城市规划规模、能源系统、通信系统、医疗资源、教育资源、防灾能力、绿地景观、供水及污水处理、文化健身场地建设等方面提供专题分析,支持进行多方案评价对比。建立城市规划评价指标,包括用地、绿化、人口分布、空间结构等,支持指标计算与综合评价和多方案评价对比。

城市风貌建模

    基于城市体检进行规划修正。利用城市信息模型属性信息机器可识别可分析的特性,对城市运行数据进行可视化分析,从城市环境监测反馈、城市建设监测反馈和城市运营监测反馈三个层面进行城市体检,在数字空间分别展示城市生态环境动态(水、大气等)、城市建设管理情况(土地利用、违建执法等)和城市运营(人口、交通、产业等)情况,并分析梳理相关问题,归纳总结规划意图实现程度和缺陷。通过城市体检对照规划目标和规划实施情况,进行规划设定指标的评价、规划实施质量的评价和规划预期的合理性评价,并提出修正目标,如改进规划设计方案以及调整建设时序。

    (二)城市建设管理:项目进度可视化管控

    城市建设项目具有规模大、复杂度高、周期长、涉及面广等特点,项目管理十分困难,整个项目的进度和质量难以科学管控。利用数字孪生技术,不仅可以全要素真实还原复杂多样的施工环境,进行交互设计、模拟施工,还可赋予城市“一砖一瓦”以数据属性,确保信息模型在城市建设全生命周期不同阶段的信息交换。

    设计阶段----交互设计。在城市建设项目的设计阶段,利用数字孪生技术,构建还原设计方案周边环境,一方面可以在可视化化的环境中交互设计,另一方面可以充分考虑设计方案和已有环境的相互影响因子,让原来到施工阶段才能暴露出来的缺陷提前暴露在虚拟设计过程中,方便设计人员及时针对这些缺陷进行优化。同时还可以对施工量提供辅助参考。

    案例 基于数字孪生的铁路选线设计

    中铁勘察设计院集团有限公司设计了一套在数字孪生环境中为铁路设计选线选址的工具。不用于以往作业人员埋头苦画的场景,用户只需通过鼠标在数字孪生场景中一点,即可以开始线路初步走向设计:首先得到一条没有坡度的线路,然后系统会进行自动拉坡设计,形成一组默认变坡点,直接生成线路轨面模型。自动拉坡后还会同时自动生成拉坡方案的各项数据评估报告。通过“由粗入精”的选线模式,方便地实现从宏观到微观的逐步细化选线。同时还利用 VR/AR 设备,在数字孪生模拟环境中,进行交互设计、巡查现场叠加线路模型等直观验证、审查及分析。

铁路选线设计

VR/AR 交互

    施工阶段——全面管控。在施工阶段,可以利用数字孪生技术中对象具有的时空特性,将施工方案和计划进行模拟,分析进度计划的合理性,对施工过程进行全面管控。例如可以事先模拟大型设备吊装方案,在实景三维虚拟环境下检查项目设计和施工能力,通过动态碰撞分析检测物体运动过程中可能潜在的碰撞。

工程模拟与施工现场

施工进度管控场景

    案例 铁三院数字孪生施工模拟,助力阳大铁路科学施工在阳大铁路施工过程中,利用数字孪生技术体系,构建了施工线路两侧的高分辨率实景三维场景,包括地形、道路、植被等要素均被一一还原,真实再现施工作业环境。施工前可以先在数字孪生环境中进行多套方案进行施工模拟、对比,最终选取最优施工方案,进行施工。真实全要素的数字孪生环境,可以让传统方法中到施工阶段才能暴露出来的缺陷提前暴露在虚拟建造过程中,方便管理人员及时针对这些缺陷进行优化调整,从而确保项目如期完工。

模拟施工场景

    运维阶段——数据留存。项目建设完成进入运营维护,其设计、施工数据将全面留存并导入同步建成的数字孪生城市,构建时空数据库,可实时呈现建成物细节,并基于虚拟控制现实,实现远程调控和远程维护。建筑工程项目完成后,设计、施工、装配过程中的所有数据全部留存,生成完整的建筑三维模型,通过在建筑内外部空间部署各类传感器、监控设备,采集建筑环境数据、设备运行数据、构件压力和应变数据、视频监控数据、异常报警数据等并进行智能分析,对可能出现的建筑寿命、设备健康等问题进行预测预警。

    当出现问题隐患和故障报警时,管理人员可借助 VR/AR 设备操控智能巡检机器人进行巡查和维护,在虚拟空间中诊断和解决物理建筑中存在的实际问题。

基于数字孪生的建筑运维管理

    (三)城市常态管理:“一盘棋”综合治理

    数字孪生城市立足城市运行监测、管理、处理、决策等要求,将各行业数据进行有机整合,实时展示城市运行全貌,形成精准监测、主动发现、智能处置的城市“一盘棋”治理体系。城市运行“一张图”管理。利用城市信息模型和叠加在模型上的多元数据集合,打造精准、动态、可视化的数字孪生城市大脑,通过智能分析、模拟仿真,洞悉人类不易发现的城市复杂运行规律、城市问题内在关联、自组织隐性秩序和影响机理,制定全局最优策略,解决城市各类顽疾,形成全局统一调度与协同治理模式。借助智能大屏、城市仪表盘、领导驾驶舱、数字沙盘、立体投影等形式,可一张图全方位展示城市各领域综合运行态势,并根据不同主题分级分类呈现,帮助城市决策者、管理者、普通用户从不同角度观察和体验城市发展现状、分析趋势规律。

    案例:上海临港“虚拟城市”

    上海临港 2017 年启动了“智慧临港 BIM+GIS 城市大数据平台”的建设,通过 BIM+GIS 构建精细化的“虚拟临港”,该平台是首个城市级地理建筑设施融合的数据平台,覆盖整个临港 315 平方公里城市空间,它原样复制城市的建筑地理构造,既包含道路、建筑等重要设施的高度、坐标等地理数据,也包含管委会、滴水湖地铁站等重要建筑的内部结构、房间布局、管线铺设等对象化设施数据,能够实时感知城市人口热力图、实时交通车流、停车库状态、视频实时监控等城市运行态势,也可以通过无人机采集回传到中心的数据进行图像自动识别分析,智能发现识别垃圾倾倒、违章建筑、高密人(车)流等异常问题,并对未来发展进行推演和预测。

上海临港“虚拟城市”

    案例 天津滨海数字孪生城市运营中心,一盘棋综合治理

    天津滨海城市运营中心,运用泰瑞数创数字孪生平台,打造城市交通、安监、规划等常态业务一张图,实现城市运行状态的动态实时感知,实现城市治理由政务服务、产业发展、民生服务、城市管理等经济社会发展评价指标体系,基于数据资源平台,整合功能区各个领域的运行数据,动态监控城市运行状态,实现全面、直观的感知城市运营管理状况;最终实现可视化、科学化、智能化城市综合治理。

数字孪生城市运营中心

    城市部件统一数字化管理。城市部件管理。城市部件管理一直是城市治理的重点和难点。一方面,随着城市的智慧化发展,各类城市部件数量呈现爆发式增长态势,管理复杂度不断上升,另一方面,城市部件广泛部署在地上、地下、水中、建筑物内外等各个角落,空间位置复杂,故障损坏具有突发性和随机性,而传统的城市部件管理手段和方式较为单一,存在信息表述不清晰、传达不准确、处理流程慢等问题。在数字孪生城市中,基于标准统一的城市部件数字编码标识体系和空天地全方位立体部署的物联感知设施,能够为各类城市部件、基础设施甚至是动植物等生命体赋予独一无二的“数字身份证”,实现对城市部件的智能感知、精准定位、故障发现和远程处置。

    案例 无人机城市巡逻,全视角城市管理

    临港城市大脑,有机融合地面语义化单体建筑、一千多个摄像头、传感器及智能算法,实现通过 AI 技术辅助城市治理。采用无人机进行日常路线巡航飞行,进行城市管理,并打造 5 分钟出勤圈,日飞行里程超过 100 公里,巡查发现率提高到 1 分钟。其中 80%以上的城市管理事件应对采取智能派单,准确率超 90%。必要时可在滞留游客头顶绕飞、实时喊话,紧急情况下还可直接报警。城市精细化管理主动发现率提高到了 70%、智能派单率超过90%,案件发现时间从 1 天缩短到了 1 分钟,复杂案件信息员派单时间从 30分钟缩短到了 5 分钟。

无人机现场执法喊话

    (四)交通信号仿真:最大化道路通行效能

    通过将物理世界中复杂的交通系统,使用云计算、物联网、人工智能、大数据、实景三维、语义化等技术进行复制,构建可被机器理解的数字孪生交通环境,融合多源/异构/多模态交通实时数据,构建交通信息知识图谱,对交通时空大数据进行展示、挖掘、分析,从而实现对交通的监测预警、应急处理,以及拥堵治理、联程联运等功能。

数字孪生交通路网

    优化城市交通。通过数字孪生交通环境,可自动计算城市道路网密度、干线网密度、人均道路面积、非直线系数、时间可达性、空间可达性等多项指标,对路网进行分区、分段、总体的空间拓扑评价。基于交通流量数据或者起止点数据,利用交通流理论计算路阻函数、道路路况、交通密度等信息,也可以基于微观仿真将流量转化为宏观参数输入,输出交通运行的仿真结果,对运行效率、路网负荷度等进行分析评价。从公交线网密度、公交专用道比率、信号优先交叉口比率等方面进行公交线网静态评价;结合排班信息、公交客流需求信息,进行公交客流分配计算或者微观仿真,获取客运量,满载率,高峰平均运营速度等结果,对公交动态运行进行评价,实现对城市地面公交系统专项评价。


数字孪生优化交通

    保障交通安全。在很多国家,因为“航路和扇区设计”的不合理、空中交通管理自动化系统设施的不完善等原因,导致局部空域飞机较多,这为空难事故的发生埋下了隐患。新疆空管打造的数字孪生之空中交通管理,创造性的将空中交通管理的各要素如空域范围、空中流量、雷达扇区、航路区间、飞行设备、地勤设备等进行数字镜像制作,集成到一个视图下,为运行管理中心、飞行服务中心、飞行管制中心、设备监控中心提供了更加便捷直观的管理手段,提高了各中心工作人员的管理水平和效率,实现了“保证安全第一、改善服务工作、争取飞行正常”。


数字孪生之空中交通管理

    高精度实景重现,数字孪生加速智能驾驶落地普及。数字孪生具备完整的工具链仿真系统,能够实现道路、地形、交通标志、光线、天气、交通流等的高精度仿真。利用高度逼真、场景丰富的仿真平台,基于真实道路数据、智能模型数据和案例场景数据对自动驾驶车辆进行测试和训练,能够提升智能驾驶的决策执行力和安全稳定性,加速无人驾驶更加安全地落地推广和普及。

    案例 高度自动化仿真系统,推动自动驾驶落地

    51VR 发挥自身仿真技术优势,开发了端到端的完整工具链仿真系统,搭建了超拟真、大场景、可视化的自动驾驶仿真平台。在静态仿真方面,通过高精地图测绘数据,高度自动化“复制”现实世界。同时,针对目前行业仿真软件的功能不足,在已有 51Sim-One 系统中重构上海市嘉定区汽车城的城区道路,并且增加了光线和天气变化功能,达到重现真实路况的效果。在动态仿真方面,通过 AI 驾驶员模型、交通流模型、实际驾驶员案例库、交通案例还原、手动设置交通状况等五种渠道“生产”虚拟交通中的动态互动关系,保证测试场景的丰富度与多样性。公司通过打造自动驾驶仿真平台,开展全场景模拟验证工作,探索自动驾驶的深度验证与检测,加速自动驾驶更安全地走进人们的生活,助力国内汽车产业建立仿真测试标准。

自动驾驶仿真平台

    案例 临港无人驾驶基地和长沙智能网联测试区建设

    在上海临港智能网联汽车综合测试区的建设过程中,利用数字孪生技术体系,通过低空航空摄影测量、实景三维建模、智能识别与分类语义化等技术,提供了快速准确制作低成本、可被机器理解的高精度地图处理技术,为自动驾驶方案商或车厂提供可靠和稳定更新的高精度地图数据支持。同时在临港和长沙智能网联测试区可视化平台等车联网项目中,提供了高精度地图的发布和渲染引擎。


自动驾驶模拟仿真

    (五)应急演练仿真:应急预案更加贴近实战

    突发事件的发生往往措手不及,且事件的演变具有极大的不确定性,人类无法完全预测和消除事件的潜在威胁和现实的破坏,只能在力所能及的范围内尽可能减少突发事件带来的危害。利用数字孪生技术以及虚拟现实技术,可以给用户模拟一个真实发生的突发灾难的场景,例如火灾或暴雪等事件,让用户犹如身临其境,更加生动的体验在紧急事件发生时每个行动所带来的后果。

    应急现场环境快速还原。采用新型测绘技术,快速还原地震、泥石流、滑坡等应急事故现场的环境,是应急指挥的基础条件。真实的直观的现场环境可为相关部门开展灾情研判、灾害分析、地质灾害排查、灾后重建等工作提供测绘级精度的保障,也为应急预案制定提供科学依据。

    案例 受灾现场快速三维重建 为应急救援争分夺秒

    2018 年 10 月 11 日上午 7 时,金沙江流经的川藏交界处西藏昌都市江达县波罗乡宁巴村发生山体滑坡,造成断流,形成堰塞湖,危及人民群众生命财产安全。应急管理部立即启动应急响应,派出由地质灾害、救灾等单位以及专家组成的工作组赶赴现场。借助实景三维技术,以 2 台服务器实现了堰塞湖区域 10cm 分辨率生产周期低于一小时的自动三维建模,灾区现场的数字孪生环境成果,为相关部门开展灾情研判、灾害分析、地质灾害排查、灾后重建等工作提供测绘级精度的保障,也为应急预案制定提供科学依据。

受灾现场三维重建
 
    应急资源可视化管理。数字孪生平台可以通过可视化的界面形象的实时展示各种应急资源的位置、状态,并可基于空间实际地理坐标对可用应急资源进行查询。同时可以根据应急预案仿真的需求,为某一突发事件的应急预案提供底层的应急资源数据支持,以为后续根据应急预案模板生成具体的应急预案提供帮助。需要对重点建筑和重点区域细化场景模型,用来支持后续的应急事件和应急预案仿真流程。例如对可疏散区域,出入口,道路交通路网等进行建模。

室内消防设施信息实时映射

消防救援路线仿真

室内逃生路线仿真

    应急预案科学仿真。按照“情景—应对”模式进行系统化的构建。一方面系统梳理出该类突发事件发生的场景,针对的具体目标与对象,在建立的功能性场景的基础上对应急事件本身进行建模,类别可包括自然灾害、事故、社会安全等。另一方面需要对某种具体的应对措施进行建模,需要包括该处置措施所涉及到的应急资源,对具体突发事件的效果等。建模完成的应急预案模板应存入应急预案数据库。通过在重点场所,重点建筑触发某种应急事件,或者是随机生成应急事件的方式开始应急预案的仿真,随之通过调用具体的应急预案模板,根据相关的应急资源分布的状况生成实际应急预案。通过三维模拟仿真技术对整个应急事件的处置全流程进行仿真,在仿真的过程中通过多种评价方式对每个具体的仿真流程,整体应急资源的准备情况,应急预案整体执行效率等进行多角度的评价。整个仿真的数据和评估报告应存入应急预案仿真结果和评价数据库。后续可以根据仿真的情况反馈若干预案和应急资源准备改进方案。

    应急预案模拟演练。在微观方面,可以针对应急预案中的不同角色,对其承担的职责进行培训和演练,以达到评估优化预案和训练相关人员的目的。具体执行时,可触发某种突发事件,然后通过推送方式通知不同角色人员开始演练,不同角色人员根据模拟演练脚本的情况,根据自身的职责进行对应步骤的演练和下发,模拟下发的应对步骤对应急事件本身产生的影响。整个模拟演练的日志和视频需记录并存入数据库,供后续对演练学员的表现进行定性和定量的评估。

    案例 郑州智慧消防 打造 1-3-5 反应圈

    基于数字孪生技术全面整理、融合消防应急数据和信息资源,统一管控消防信息,实现信息的快速查询、统计和分析。打造出 1-3-5 分钟快速反应圈,就近接警、快速处警,能够在最快的时间定位到火灾发生位置,将灾源周围的警力、人力、物力,灾害位置的建筑图纸、楼层分布、安全出口、逃生路线、救援路线、消防栓分布等信息以最快的时间汇总到指挥决策单位,让领导做到心中有数,让决策人员做到有据可查,为战士提供更加丰富的信息、更加全面理智的判断、更加合理的指挥意见,辅助现场人员进行火灾救援工作。提高灾害掌控能力、灾害分析能力、灾害救援能力,让人民群众更有安全感。同时,利用无人机将灾害现场视频在系统中在线实时展示,协助决策人员更全面的梳理与判断全局火情,快速进行灾害分析、情况预估、人员疏散、警力调配等决策。为作战人员提供更加丰富的资源,加快和提高指战人员的判断。

郑州消防应急指挥系统

    (六)公共安全防范:让“雪亮”更“明亮”

    借助“雪亮工程”、 警用地理信息系统(PGIS)等在建或已建资源,依托数字孪生城市,实现公共安全应用场景的真实再现,通过接入各种传感信息,实现公共安全应用场景的实时动态监控,通过对海量公共安全数据进行整理、分析、挖掘、呈现,最终闭环的作用于物理世界,对城市公共安全具有全面透彻的感知、系统整体的掌控以及迅捷精确的响应,使公共安全治理主体能够信息共享、互联互通,形成一体化的预警防控体系。基于数字孪生技术的公共安全,是公共安全治理的新模式,具有对城市复杂性、流动性和连续性的适应能力,对服务主体的开放性、动态性管理的支持能力,对信息多源化、复杂化的融合能力,对海量数据整理分析挖掘的呈现能力。

    案例:“上海公安大脑”助力社会治理

    “上海公安大脑”采用实景三维建模技术构建上海市区 4000 平方公里的实景三维模型,采用语义化建模技术构建了 150 万栋重点建筑的单体模型,采用室内语义建模技术构建了 3000 万分层分户模型,最终在云端构建上海的全要素、精准的、结构化的数字孪生城市镜像,将城市粒度降到以户为单位。在此镜像上,通过集成建筑单元门禁、摄像头、烟感、煤气等传感器,以及街道上的“雪亮工程”摄像头、交通信号灯等室内外各种传感器,配上相应的处理模块,通过对人、车、物多维度、全方面感知,包括人脸识别、人群监测、智能巡屏、违章停车、消防联动、道路拥堵等,实现对入户嫌疑人识别跟踪、燃气泄漏实时预警、重点建筑及景点周边大客流应急处置等公共安全风险的及时识别、科学决策、准确指挥。

    可以看到,采用数字孪生城市技术后,在公共安全领域,基于AI 技术、算力的提升和数据超大规模汇聚,将散布在城市各个角落的监控摄像头等设备产生的数据连接起来,进行分析与整合,从而实现对城市的精准分析、整体研判、协同指挥,使“雪亮”工程更“明亮”。

    (七)公共服务升级:感同身受的体验

    在公共服务领域,数字孪生技术创新平台化模拟仿真和三维交互式体验,再造服务内容传播形式,显著提高服务供给质量和效率。典型如在医疗服务领域,数字孪生正在加快构建基于多维度生理指标的“数字化个体”,赋予医生“透视”诊断能力,提高医疗服务准确性。在公共教育领域,数字孪生技术将抽象的知识转化为基于数字平台的可视化模型,并且根据受教者的学习反馈表达,动态调节教育方案和计划,从而让知识更易于理解和高效传播。

    “数字孪生个体”不断提升医疗就诊精准性。目前,面向个体的智能可穿戴设备越来越多,监测的生理指标范围也越来越大。比如智能手环、智能手表、智能体重秤、智能跑鞋等;与此同时,大型医疗诊断设备也在快速发展,医学成像、3D 器官打印、基因测序等技术日新月异,面向个体的生理认知正在不断深化,“数字孪生个体”正在局部领域得到应用。如医疗机构通过开展脑电图监测设备多导监测,对患者多个生理体征进行长时间实时监测,绘制脑电图、眼动图、肌电图、心电图、呼吸图等多维度数据立体画像。

    案例 数字孪生技术下的辅助治疗手术

    2018 年,武汉某医疗机构实施了一场全球首例混合现实(MR)技术引导下的骨折修复手术。患者通过 VR 能够 360 度全方位浏览自己骨折部位的 3D数字“复制品”,对自己骨折的具体情况、手术方案进行了解。医生通过 MR技术将虚拟的 3D 数字模型与患者病灶重叠在一起,在外科医生不充分开刀的情况下直观掌握病人的内部信息,并叠加显示在虚拟的物理空间上,实现精准的手术治疗方案制定。

基于数字孪生的骨折修复手术

     “数字孪生”让教育服务更加可感可视。在互联网和“数字孪生”技术的推动下,多媒体教学正在进一步升级演进,通过将数字课件中的知识点以声音、视频、图像等多种形式加以包装处理,让原本生涩难懂的知识点变得可感可视,信息转化和知识嫁接更为顺畅高效。如在医学课上,通过在数字孪生教学平台中“孪生”个体器官、局部组织,让学生高效学习掌握知识点和手术流程,如何处理突发手术意外和其他意外情况等。在工业实训基地等应用场景中,企业对关键设备、产品、加工生产线甚至整个车间进行在线模拟仿真和同步控制,便于培训对象直观掌握装备构造、生产加工流程、机械控制逻辑等内在信息。同时通过虚拟仿真和过程在线控制,实时分析企业生产管理、过程控制等运行效能,有助于降低系统开发和性能优化成本。

    案例 威尔文教打造现代化 VR 超感教室

    威尔文教基于虚拟显示、交互互动等创新技术,实现沉浸式感知、全方位体验的崭新教学模式。通过 VR 近眼显示系统播放 3D 视觉内容,实现立体化的观看和感知。通过幻境校园多媒体交互系统无线投屏,自定义分屏,体感操控,AI+生物识别,真正让知识点“动起来”,不再停留于书面,创新教育立体化场景沉浸式感知学习。

现代化 VR 超感教室
标签:数字孪生城市数字城市
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