創(chuàng)新時空智能耦合技術 賦能數(shù)字孿生城市建設|當前動態(tài)

鄔倫

北京大學教授、國際歐亞科學院院士

摘要:

(資料圖片僅供參考)

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(tǒng)”(GPS)和“地理信息系統(tǒng)”(GIS)3項技術的集成)、社會感知、物聯(lián)感知、CIM/BIM、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等方法,創(chuàng)新時空智能耦合與城市數(shù)字孿生技術,重點強化建設城市泛在感知與實時監(jiān)測能力、虛實結合雙向映射與數(shù)據(jù)挖掘知識發(fā)現(xiàn)能力、全生命周期模擬仿真能力、以及綜合態(tài)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(tǒng)管”和“人民城市為人民”的新高度。

正文:

2023年《數(shù)字中國建設整體布局規(guī)劃》發(fā)布,要求數(shù)字化建設要從單點突破到體系化發(fā)展。城市是構成“數(shù)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(shù)字孿生”技術,對物理城市的人、物、事等數(shù)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(tài)交互和實時聯(lián)系。

“數(shù)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(xiàn)實關聯(lián)映射,使我們能更深刻及時地刻畫和理解城市狀態(tài)及規(guī)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(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”、“事后諸葛亮”等決策困境,實現(xiàn)由靜態(tài)信息向動態(tài)體征,由被動響應到主動預防,由片面事務到系統(tǒng)綜合的創(chuàng)新發(fā)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(xiàn)人民城市為人民的發(fā)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(tài)勢分析腦、新一代城市協(xié)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(lián)全面感知的時代,打造由遙感、社會感知、物聯(lián)感知及各業(yè)務系統(tǒng)等構成“廣義時空感知網”,實現(xiàn)智能的城市信息采集與監(jiān)控,使城市具備泛在感知與實時監(jiān)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(wèi)星、航空(含無人機)、地面系統(tǒng)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(qū)域整體及部件的空間位置、展布形狀、物理性質狀態(tài)及其動態(tài)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(xù)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(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,基于并擴展GIS空間模型和分析方法,通過數(shù)據(jù)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(shù)百億點的導航定位數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)的研究實例揭示了蟻族村人群活動規(guī)律并優(yōu)化了公交出行(見圖2);物聯(lián)感知則是強化了對城市局部或個體的細節(jié)物理參數(shù)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(qū)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(tài)感知和定量監(jiān)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(lián)、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(shù)字底座的信息聚合大數(shù)據(jù)中臺

打造基于BIM/CIM數(shù)字底座的信息聚合大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),有效地建立起時空關聯(lián),使城市具備虛實結合雙向映射與數(shù)據(jù)挖掘知識發(fā)現(xiàn)能力。構建基于統(tǒng)一時空格網的通用可交換時空數(shù)據(jù)標準,實現(xiàn)基于RS+IS+SS多模態(tài)“一網通感”的統(tǒng)一的智慧城市數(shù)字底版;加強基于AI的數(shù)據(jù)特征挖掘和知識發(fā)現(xiàn)能力,特別是基于生成式AI技術(如GPT技術)的數(shù)據(jù)補全、增強能力建設,以有效知識取代原始數(shù)據(jù),實現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)中臺服務。

例如,蘇州中心廣場基于室內外一體化CIM/BIM數(shù)字底座的視頻數(shù)據(jù)聚合實例,通過三維空間無縫融合與智能分析,實現(xiàn)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(shù)、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(shù)字底座的視頻數(shù)據(jù)融合分析案例

新一代城市態(tài)勢分析腦:強大的知識庫與模型庫

基于云計算和AI實現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘/融合分析與知識發(fā)現(xiàn),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(shù)字底版中的數(shù)據(jù)和知識為基礎、對接統(tǒng)一數(shù)字底座、可移植性強的城市各子系統(tǒng)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(tài)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(tài)勢分析從靜態(tài)到動態(tài)、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(xié)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(xié)同調度/控制,實現(xiàn)城市系統(tǒng)高效運行,使城市具備綜合態(tài)勢研判與智慧管理決策能力。打通數(shù)字孿生智慧城市“感知-仿真-干預-反饋”全流程,建立“一網統(tǒng)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(qū)域的運行管理監(jiān)測要求,構建多層次、多主題的指標數(shù)據(jù)采集、集成系統(tǒng);以空間聯(lián)機分析處理技術為手段,建立城市運行指標數(shù)的展示、監(jiān)測和預警系統(tǒng);以動態(tài)分析、靈活指揮為要求,建立城市運行的指揮協(xié)調系統(tǒng),實現(xiàn)城市轄區(qū)全覆蓋的動態(tài)運行智慧管理。

北京大學與華為2012實驗室合作,創(chuàng)新了時空耦合數(shù)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(shù)字孿生立體網格化框架和時空信息關聯(lián),通過城市孿生對象時空語義感知和挖掘、基于大數(shù)據(jù)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(tài)勢,顯著提升決策效率和優(yōu)化決策水平。

“數(shù)字孿生”已不僅是一種技術,更是智慧城市發(fā)展的新模式、數(shù)字化轉型的新路徑、推動各行業(yè)深刻變革的新動力。數(shù)字孿生已成為城市新基建的重要構成,城市規(guī)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(shù)字孿生”與數(shù)字經濟的結合,將進一步推進城市數(shù)字化轉型與高質量發(fā)展。

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