数字孪生技术在智慧城市规划中的发展影响及其应用

       引言

        近年来，城市化的发展一直是人类社会的焦点话题。作为人口载体的城市给人民的生活带来了极大的便利。但与此同时，城市化发展也带来了许多问题。城市化的迅速发展以及不合理的规划等，导致了城市人口剧增，资源短缺，环境污染，交通拥堵等典型的城市问题。

2020年以来，由于全球新型冠状病毒的爆发，也突出了当前城市对于人口流动、信息互联互通等方面管理运营的不足。传统上对于城市的管理是被动的，通过对城市实体中已经发生的事件进行收集和处理来管理。而随着新一代科学技术的发展，如第五代通信技术，云计算，边缘计算等，信息化的发展也开始了新的进程。科技的发展也带来了新的解决方法，对城市的主动化管理也成为了可能。

放眼全球，诸多国家已经对数字孪生技术提出了国家级的战略政策。中国发布《国民经济与社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出加快数字化发展，探索建设数字孪生城市。与此同时，国内已经有多个省发布了未来几年数字孪生发展规划，各研究院也将其作为重点的研究方向之一。随着GIS、BIM、CIM等平台技术的打造和落地应用，数字孪生城市正在成为人类社会研究的重点方向。对于城市问题的下一步解决，数字孪生城市也将起重要作用。

数字孪生城市概念

       根据美国宇航局的权威定义，数字城镇结对是指充分利用物理模型、传感器、使用标记和其他数据，以整合整个多学科多层面的模拟，简言之，数字孪生就是复制现实世界中的物理身体、系统和过程在网络空间中形成一个“克隆体”，二者最终形成一个“数字孪生体”。

数字孪生城市的一个重要应用价值是对虚拟世界和现实世界中的数字系统和物理系统进行相互作用和反馈，以确保整个信息资源收集过程中物理系统和数字系统的协调和适应。数字孪生在智能制造领域发挥着极其重要的作用，有效地促进了生产和设计之间的有效合作。一些研究人员将双数字化技术的应用从产品延伸到车间和整个企业，实现了全要素、全过程、全业务数据、要素管理、生产计划的集成和复制。这些双重数字应用为双数字化城市的提出提供了有价值的启示和参考。

       数字孪生城市应用场景

       交通场景应用

    交通系统是一个庞大的系统，但人车混流、机动车占道以及车辆龟速行驶等问题仍然困扰着我国的交通系统。我国交通系统中物联网的基础系统比较突出，借助现有的物联网基础可以构建数字孪生的道路系统。通过孪生的道路系统平台实时监控城市道路中的突发事件，做出合理的宏观调控，来优化道路的利用效率并提升城市的运行效率。

此外，在不同的日期或时间段，可以通过不同的车流量负载来调节信号灯的时常，平均道路的车流负载，从而实现对拥堵等道路问题的提前解决和规划。在构建的孪生系统平台中，通过调节交通系统中的参数，仿真运行道路交通的情况，结合专业的交通学知识优化交通参数，提高交通系统的表现水平。

而在无人驾驶方面，数字孪生系统将发挥出更大的优势。数字孪生道路中进行数据模拟可以避免无人驾驶在现实实验中所产生的意外事件。

 安全预警场景应用

    城市中各种系统错综复杂，各不同系统中的出现的突发事件将严重影响城市的运行。如火灾，燃气泄漏，供电问题等。传统上对于这些事件是通过人工通知的方式进行信息的传递，这种方式效率低下，并且对于事件的反馈并不准确。

因此，对于安全事件的预警和及时反映通过传感器等前端设备构建的数字孪生平台可以很好的对突发事件做出及时的判断。通过传感器的感应和相关专业的计算，孪生平台可以给出安全事件发生的具体地点和其他详细信息。

同时，借助人工智能等技术，可以在数字孪生系统中演练突发安全事件的状况，调节事件的处理方式，优化事件的响应和事件的处理流程，也可以安排演练突发事件的人员撤离路径等，在低成本的环境中做出最优的决策。

      城市规划场景应用

      智慧城市的发展需要良好的城市规划，而由于不合理的城市规划所导致的各种城市问题依然显著存在。数字孪生技术可以使现实中成本比较高，很难通过短期的实验实现的东西在虚拟实体中快速，低成本，多次的进行实现。这种以虚拟平台进行多种方案的模型建设，并用来指导现实中建设的方式，可以对城市的规划进行推演。

CIM平台的建设与BIM技术的融合，以及物联网所提供的数据可以很好的还原现实中的城市系统。通过设置空间上和事件上的阈值，可以判断城市在发展中是否与规划的目标有所差别。因此，在城市规划的应用中，需要记录全周期的建设阶段，并在建设完成后进行运营。而对于数字孪生技术的应用，需要在全时空的维度上记录全要素。通过建设数字孪生城市平台，可以提升城市的感知能力和决策能力，也给未来的规划发展带来更宽广的视野。

       数字孪生城市的典型特征室全局视野、精确地图、模拟、虚拟现实交互和智能干预，加快城市治理和各部门应用能力的发展，特别是在智能城市治理领域，它从全球角度形成了若干超级应用，如城市规划的空间分析和影响模拟，城市发展项目的交互式规划和模拟，城市场景描述，用于监控城市的正常运行，根据城市区域的时间和区域发展得出未来发展趋势，了解城市发展规律，支持政府严格执行，城市交通流和信号模拟使道路通行能力最大化，在公共服务领域，双数字模拟和三维互动体验将重新定义教育，医疗和其他服务的重要性和手段。同时，数字孪生城市以个人为基础，开启个人服务的新时代。