创新时空智能耦合技术赋能数字孪生城市建设

2023-05-17 12:46:52来源：中关村在线

邬伦

北京大学教授、国际欧亚科学院院士

摘要:

(资料图)

城市是像人体一样的运行体、有机体、智能体。新一代的智慧城市建设,需要融合3S(3S是遥感(RS)、“全球定位系统”(GPS)和“地理信息系统”(GIS)3项技术的集成)、社会感知、物联感知、CIM/BIM、大数据、人工智能、VR等方法,创新时空智能耦合与城市数字孪生技术,重点强化建设城市泛在感知与实时监测能力、虚实结合双向映射与数据挖掘知识发现能力、全生命周期模拟仿真能力、以及综合态势研判与智慧管理决策能力,进而构建时空智能体使城市治理全过程、全要素、全方位、全时空得以智能化提升,以达到新时期城市治理“一网统管”和“人民城市为人民”的新高度。

正文:

2023年《数字中国建设整体布局规划》发布,要求数字化建设要从单点突破到体系化发展。城市是构成“数字中国”建设的重要基础单元,新一代的智慧城市建设,要通过“数字孪生”技术,对物理城市的人、物、事等数字化,塑造出与之对应的虚拟城市,强化虚实之间的双向映射、动态交互和实时联系。

“数字孪生”是智慧城市的新阶段、新模式和新高度,将城市作为像人体一样的运行体、有机体,通过全面实时感知与虚拟现实关联映射,使我们能更深刻及时地刻画和理解城市状态及规律,走出只有局部没有综合、缺乏时空耦合与预见性造成的“头疼医头、脚疼医脚”、“事后诸葛亮”等决策困境,实现由静态信息向动态体征,由被动响应到主动预防,由片面事务到系统综合的创新发展,达到科学决策、精细及时的城市建设、智慧管理与运行服务新境界,更好地实现人民城市为人民的发展目标。

因此,需要重点强化新一代城市感知神经网络、新一代城市信息骨骼、新一代城市态势分析脑、新一代城市协同运行脑四个方面的能力建设。

新一代城市感知神经网络:立体化的广义时空感知网

在万物互联全面感知的时代,打造由遥感、社会感知、物联感知及各业务系统等构成“广义时空感知网”,实现智能的城市信息采集与监控,使城市具备泛在感知与实时监测能力。(见图1)

图1空天地一体化泛在感知网示意图

其中,遥感网已形成包括卫星、航空(含无人机)、地面系统的天空地一体化立体对地观测体系,可快速获取地球表层空间与地表物体相关信息,对城市区域整体及部件的空间位置、展布形状、物理性质状态及其动态变化过程进行多维、多尺度、多时相的,在宏观尺度建立全覆盖城市的连续空间感知;社会感知以人作为最小粒度的感知单元,以各类手机定位、社交媒体、出租车轨迹、公交刷卡等地理空间大数据为数据源,基于并扩展GIS空间模型和分析方法,通过数据融合、机器学习等手段,提取人的时空行为模式,反演人文及社会经济要素的地理空间特征,例如:基于每天数百亿点的导航定位数据,可以挖掘城市人口分布格局、人口移动等多方面信息,而基于手机信令数据的研究实例揭示了蚁族村人群活动规律并优化了公交出行(见图2);物联感知则是强化了对城市局部或个体的细节物理参数的精细感知。依托全方位遍布的传感器和智能设备组成的“广义感知网”,基于空间区块链,城市实体物理感知与人文经济社会感知相结合,对城市全空间开展多维、多尺度的动态感知和定量监测;建设新一代“通导遥”一体化的泛在感知与传输网络,为形成城市中物与物、人与物、人与人的全面互联、互感、互动提供支撑。

图2社会感知应用研究案例

新一代城市信息骨骼:基于CIM/BIM数字底座的信息聚合大数据中台

打造基于BIM/CIM数字底座的信息聚合大数据中台,把泛在感知获取的各种有序/无序、空间/非空间、结构化/非结构化数据,有效地建立起时空关联,使城市具备虚实结合双向映射与数据挖掘知识发现能力。构建基于统一时空格网的通用可交换时空数据标准,实现基于RS+IS+SS多模态“一网通感”的统一的智慧城市数字底版;加强基于AI的数据特征挖掘和知识发现能力,特别是基于生成式AI技术(如GPT技术)的数据补全、增强能力建设,以有效知识取代原始数据,实现更加高效的数据中台服务。

例如,苏州中心广场基于室内外一体化CIM/BIM数字底座的视频数据聚合实例,通过三维空间无缝融合与智能分析,实现了视频人群个体实时识别与空间定位叠加、多视频人群空间信息融合与实时计数、人流量时空分析与预警等智能应用场景。(见图3)

图3基于CIM/BIM数字底座的视频数据融合分析案例

新一代城市态势分析脑:强大的知识库与模型库

基于云计算和AI实现大数据挖掘/融合分析与知识发现,形成知识库、知识图谱和模型库,使城市具备全生命周期模拟仿真能力。加强以数字底版中的数据和知识为基础、对接统一数字底座、可移植性强的城市各子系统过程仿真模型库建设。例如,基于强大的知识库与模型库,可以进行城市河流污染的动态模拟、洪水预测模拟、传染病蔓延时空过程模拟等(见图4),提升城市态势分析从静态到动态、从单一路径依赖到多目标多情境预见的能力。

图4基于模型库的城市河流污染、洪涝与泥石流等灾害模拟预测

新一代城市协同运行脑:智慧城市智能决策平台

提供及时甚至有预见性的快速响应和协同调度/控制,实现城市系统高效运行,使城市具备综合态势研判与智慧管理决策能力。打通数字孪生智慧城市“感知-仿真-干预-反馈”全流程,建立“一网统管”的智慧城市全生命周期智能决策平台。以城市运行指标体系为基础,面向多时段、多区域的运行管理监测要求,构建多层次、多主题的指标数据采集、集成系统;以空间联机分析处理技术为手段,建立城市运行指标数的展示、监测和预警系统;以动态分析、灵活指挥为要求,建立城市运行的指挥协调系统,实现城市辖区全覆盖的动态运行智慧管理。

北京大学与华为2012实验室合作,创新了时空耦合数字孪生技术,探索性提出城市时空智能体解决方案。基于GeoSOT网格编码,构建城市人、事、地、物的“时空智慧孪生引擎”,按照行政管理、职能、空间三个维度划分形成数字孪生立体网格化框架和时空信息关联,通过城市孪生对象时空语义感知和挖掘、基于大数据融合分析的指标化场景和高性能穿透式朔源查询,构建起跨部门跨层级的立体网格化城市管理新模式,全面实时掌控城市运行态势,显著提升决策效率和优化决策水平。

“数字孪生”已不仅是一种技术,更是智慧城市发展的新模式、数字化转型的新路径、推动各行业深刻变革的新动力。数字孪生已成为城市新基建的重要构成,城市规划、设计、建设、运行、管理与服务全生命周期的虚实映射和孪生交融,将带动城市治理全过程、全要素、全方位智能化迈上更高台阶;“数字孪生”与数字经济的结合,将进一步推进城市数字化转型与高质量发展。

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