創新時空智能耦合技術賦能數字孿生城市建設

2023-05-17 12:46:52來源：中關村在線

鄔倫

北京大學教授、國際歐亞科學院院士

摘要:

(資料圖)

城市是像人體一樣的運行體、有機體、智能體。新一代的智慧城市建設,需要融合3S(3S是遙感(RS)、“全球定位系統”(GPS)和“地理信息系統”(GIS)3項技術的集成)、社會感知、物聯感知、CIM/BIM、大數據、人工智能、VR等方法,創新時空智能耦合與城市數字孿生技術,重點強化建設城市泛在感知與實時監測能力、虛實結合雙向映射與數據挖掘知識發現能力、全生命周期模擬仿真能力、以及綜合態勢研判與智慧管理決策能力,進而構建時空智能體使城市治理全過程、全要素、全方位、全時空得以智能化提升,以達到新時期城市治理“一網統管”和“人民城市為人民”的新高度。

正文:

2023年《數字中國建設整體布局規劃》發布,要求數字化建設要從單點突破到體系化發展。城市是構成“數字中國”建設的重要基礎單元,新一代的智慧城市建設,要通過“數字孿生”技術,對物理城市的人、物、事等數字化,塑造出與之對應的虛擬城市,強化虛實之間的雙向映射、動態交互和實時聯系。

“數字孿生”是智慧城市的新階段、新模式和新高度,將城市作為像人體一樣的運行體、有機體,通過全面實時感知與虛擬現實關聯映射,使我們能更深刻及時地刻畫和理解城市狀態及規律,走出只有局部沒有綜合、缺乏時空耦合與預見性造成的“頭疼醫頭、腳疼醫腳”、“事后諸葛亮”等決策困境,實現由靜態信息向動態體征,由被動響應到主動預防,由片面事務到系統綜合的創新發展,達到科學決策、精細及時的城市建設、智慧管理與運行服務新境界,更好地實現人民城市為人民的發展目標。

因此,需要重點強化新一代城市感知神經網絡、新一代城市信息骨骼、新一代城市態勢分析腦、新一代城市協同運行腦四個方面的能力建設。

新一代城市感知神經網絡:立體化的廣義時空感知網

在萬物互聯全面感知的時代,打造由遙感、社會感知、物聯感知及各業務系統等構成“廣義時空感知網”,實現智能的城市信息采集與監控,使城市具備泛在感知與實時監測能力。(見圖1)

圖1空天地一體化泛在感知網示意圖

其中,遙感網已形成包括衛星、航空(含無人機)、地面系統的天空地一體化立體對地觀測體系,可快速獲取地球表層空間與地表物體相關信息,對城市區域整體及部件的空間位置、展布形狀、物理性質狀態及其動態變化過程進行多維、多尺度、多時相的,在宏觀尺度建立全覆蓋城市的連續空間感知;社會感知以人作為最小粒度的感知單元,以各類手機定位、社交媒體、出租車軌跡、公交刷卡等地理空間大數據為數據源,基于并擴展GIS空間模型和分析方法,通過數據融合、機器學習等手段,提取人的時空行為模式,反演人文及社會經濟要素的地理空間特征,例如:基于每天數百億點的導航定位數據,可以挖掘城市人口分布格局、人口移動等多方面信息,而基于手機信令數據的研究實例揭示了蟻族村人群活動規律并優化了公交出行(見圖2);物聯感知則是強化了對城市局部或個體的細節物理參數的精細感知。依托全方位遍布的傳感器和智能設備組成的“廣義感知網”,基于空間區塊鏈,城市實體物理感知與人文經濟社會感知相結合,對城市全空間開展多維、多尺度的動態感知和定量監測;建設新一代“通導遙”一體化的泛在感知與傳輸網絡,為形成城市中物與物、人與物、人與人的全面互聯、互感、互動提供支撐。

圖2社會感知應用研究案例

新一代城市信息骨骼:基于CIM/BIM數字底座的信息聚合大數據中臺

打造基于BIM/CIM數字底座的信息聚合大數據中臺,把泛在感知獲取的各種有序/無序、空間/非空間、結構化/非結構化數據,有效地建立起時空關聯,使城市具備虛實結合雙向映射與數據挖掘知識發現能力。構建基于統一時空格網的通用可交換時空數據標準,實現基于RS+IS+SS多模態“一網通感”的統一的智慧城市數字底版;加強基于AI的數據特征挖掘和知識發現能力,特別是基于生成式AI技術(如GPT技術)的數據補全、增強能力建設,以有效知識取代原始數據,實現更加高效的數據中臺服務。

例如,蘇州中心廣場基于室內外一體化CIM/BIM數字底座的視頻數據聚合實例,通過三維空間無縫融合與智能分析,實現了視頻人群個體實時識別與空間定位疊加、多視頻人群空間信息融合與實時計數、人流量時空分析與預警等智能應用場景。(見圖3)

圖3基于CIM/BIM數字底座的視頻數據融合分析案例

新一代城市態勢分析腦:強大的知識庫與模型庫

基于云計算和AI實現大數據挖掘/融合分析與知識發現,形成知識庫、知識圖譜和模型庫,使城市具備全生命周期模擬仿真能力。加強以數字底版中的數據和知識為基礎、對接統一數字底座、可移植性強的城市各子系統過程仿真模型庫建設。例如,基于強大的知識庫與模型庫,可以進行城市河流污染的動態模擬、洪水預測模擬、傳染病蔓延時空過程模擬等(見圖4),提升城市態勢分析從靜態到動態、從單一路徑依賴到多目標多情境預見的能力。

圖4基于模型庫的城市河流污染、洪澇與泥石流等災害模擬預測

新一代城市協同運行腦:智慧城市智能決策平臺

提供及時甚至有預見性的快速響應和協同調度/控制,實現城市系統高效運行,使城市具備綜合態勢研判與智慧管理決策能力。打通數字孿生智慧城市“感知-仿真-干預-反饋”全流程,建立“一網統管”的智慧城市全生命周期智能決策平臺。以城市運行指標體系為基礎,面向多時段、多區域的運行管理監測要求,構建多層次、多主題的指標數據采集、集成系統;以空間聯機分析處理技術為手段,建立城市運行指標數的展示、監測和預警系統;以動態分析、靈活指揮為要求,建立城市運行的指揮協調系統,實現城市轄區全覆蓋的動態運行智慧管理。

北京大學與華為2012實驗室合作,創新了時空耦合數字孿生技術,探索性提出城市時空智能體解決方案。基于GeoSOT網格編碼,構建城市人、事、地、物的“時空智慧孿生引擎”,按照行政管理、職能、空間三個維度劃分形成數字孿生立體網格化框架和時空信息關聯,通過城市孿生對象時空語義感知和挖掘、基于大數據融合分析的指標化場景和高性能穿透式朔源查詢,構建起跨部門跨層級的立體網格化城市管理新模式,全面實時掌控城市運行態勢,顯著提升決策效率和優化決策水平。

“數字孿生”已不僅是一種技術,更是智慧城市發展的新模式、數字化轉型的新路徑、推動各行業深刻變革的新動力。數字孿生已成為城市新基建的重要構成,城市規劃、設計、建設、運行、管理與服務全生命周期的虛實映射和孿生交融,將帶動城市治理全過程、全要素、全方位智能化邁上更高臺階;“數字孿生”與數字經濟的結合,將進一步推進城市數字化轉型與高質量發展。

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