三橫兩縱總體架構

數(shù)字孿生城市是面向新型智慧城市的一套復雜技術和應用體系，多門類技術的集成、多源數(shù)據(jù)的整合和各類平臺功能的打通是數(shù)字孿生城市成功的關鍵要素。

因此，數(shù)字孿生城市并沒有脫離智慧城市的總體架構布局，由新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系三大橫向?qū)?，以及城市安全防線和標準規(guī)范兩大縱向?qū)訕嫵伞?/p>

區(qū)別在于延展與增強。技術體系內(nèi)涵延展，新增強化了新型測繪、標識感知、三維建模、仿真模擬等技術應用，核心平臺能力增強，強化了全要素數(shù)字表達、大數(shù)據(jù)模型驅(qū)動與反向智能控制，應用體系更強調(diào)集約一體，突出跨領域、跨行業(yè)、全域視角的超級應用地位。

城市新型基礎設施包括全域感知設施(包括泛智能化的市政設施和城市部件)、網(wǎng)絡連接設施和智能計算設施。與傳統(tǒng)智慧城市不同的是，數(shù)字孿生城市的基礎設施還包括激光掃描、航空攝影、移動測繪等新型測繪設施，旨在采集和更新城市地理信息和實景三維數(shù)據(jù)，確保兩個世界的實時鏡像和同步運行。

智能運行中樞是數(shù)字孿生城市的能力中臺，也是城市大腦，由五個核心平臺承載，一是泛在感知與智能設施管理平臺，對城市感知體系和智能化設施進行統(tǒng)一接入、設備管理和反向操控；二是城市大數(shù)據(jù)平臺，匯聚全域全量政務和社會數(shù)據(jù)，與城市信息模型平臺整合，展現(xiàn)城市全貌和運行狀態(tài)，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動治理模式的強大基礎。三是城市信息模型平臺，與城市大數(shù)據(jù)平臺融合，成為城市的數(shù)字底座，是數(shù)字孿生城市精準映射虛實互動的核心。四是共性技術賦能與應用支撐平臺，匯聚人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AR/VR 等新技術基礎服務能力，以及數(shù)字孿生城市特有的場景服務、數(shù)據(jù)服務、仿真服務等能力，為上層應用提供技術賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務支撐。五是泛在網(wǎng)絡與計算資源調(diào)度平臺，主要是基于未來軟件定義網(wǎng)絡（SDN）、云邊協(xié)同計算等技術，滿足數(shù)字孿生城市高效調(diào)度使用云網(wǎng)資源。

圖1 數(shù)字孿生城市總體架構

圖2 數(shù)字孿生城市核心平臺與傳統(tǒng)智慧城市平臺關系

智慧應用體系不僅包括基于數(shù)字孿生內(nèi)核的各行業(yè)領域應用，如城管、應急、醫(yī)療等，更包括凸顯數(shù)字孿生“一盤棋”管理特征的超級應用，如城市畫像、人口畫像、虛擬服務、決策仿真等。

隨著城市數(shù)據(jù)的不斷匯聚累積，各類新技術交叉集成創(chuàng)新賦能，以及共性應用支撐能力加大封裝力度，數(shù)字孿生城市的智能中樞作為連接底層終端設施、驅(qū)動上層行業(yè)應用的核心環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)智慧城市重大平臺的建設基礎上，進一步形成泛在感知與智能設施管理平臺、城市大數(shù)據(jù)平臺、城市信息模型平臺、共性技術賦能與應用支撐平臺等核心平臺。

泛在感知與智能設施管理平臺

泛在感知與智能設施管理平臺，是終端設備與智能應用之間的紐帶。是數(shù)字孿生城市的基礎性支撐平臺，以全域物聯(lián)感知和智能化設施接入為基礎，以統(tǒng)籌建設運維服務為核心，以開放共享業(yè)務賦能為理念，服務于設備開發(fā)者、應用開發(fā)者、業(yè)務管理者、運維服務者等各參與者，向下接入設備，兼容適配各類協(xié)議接口，提供感知數(shù)據(jù)的接入和匯聚，支持多級分布式部署，推進信息基礎設施集約化建設，實現(xiàn)設備統(tǒng)籌管理和協(xié)同聯(lián)動；向上開放共享數(shù)據(jù)，為各類物聯(lián)網(wǎng)應用賦能，支撐物聯(lián)數(shù)據(jù)創(chuàng)新應用的培育。物聯(lián)感知平臺是數(shù)字孿生城市與真實世界的連接入口，泛在感知粒度決定數(shù)字孿生城市的精細化程度。

城市大數(shù)據(jù)平臺

數(shù)字孿生城市的數(shù)據(jù)資源體系具備三個特征：一是從政務信息資源到城市大數(shù)據(jù)的轉變。數(shù)據(jù)更加多元多源，從政府業(yè)務數(shù)據(jù)擴展到感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)從封閉自用的政務信息資源到多方共建共享共用的城市大數(shù)據(jù)的跨越。二是與物理世界動態(tài)連續(xù)映射。所有主體數(shù)據(jù)都將疊加時空信息，每個物理實體任何時間、任何地點的狀態(tài)，均可以映射到數(shù)字孿生世界，實現(xiàn)物理實體在時空上的連續(xù)精準映射。三是從封閉割裂到有機整體的跨越。以往每一條獨立的空間地理數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)如今均可關聯(lián)到實體上，形成該實體的全量屬性數(shù)據(jù)，并以實體為基礎形成城市知識圖譜。

圖3 泛在感知與智能設施管理平臺功能架構

圖4 城市大數(shù)據(jù)平臺的功能架構

數(shù)字孿生城市以城市信息模型為底座，以物理實體映射的一個個數(shù)字孿生體為對象，將城市大數(shù)據(jù)作為對象的屬性進行疊加。與傳統(tǒng)智慧城市相比，數(shù)字孿生城市不僅包括傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)、新型測繪數(shù)據(jù)等常規(guī)GIS 數(shù)據(jù)類型，也包括基于傾斜攝影、BIM、激光點云的三維模型數(shù)據(jù)，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的地理位置數(shù)據(jù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的實時感知數(shù)據(jù)等，以及非結構化的視頻、圖片、文檔等。城市大數(shù)據(jù)平臺以城市BIM 數(shù)據(jù)為骨架，整合城市規(guī)劃、建設、管理等數(shù)據(jù)，同時不斷融入物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和各種運行數(shù)據(jù)，保證城市數(shù)據(jù)的實時性，展示城市真實運行狀態(tài)。除此之外，通過對接已建政務系統(tǒng)、行業(yè)系統(tǒng)的政務數(shù)據(jù)和行業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市數(shù)據(jù)的協(xié)同共享。

城市信息模型的數(shù)據(jù)組織應基于開放共享的城市信息模型和三維傳輸交換標準來構建。城市信息模型可參照國際標準組織OGC 框架下的CityGML 標準實現(xiàn)。CityGML 核心模塊定義了CityGML 數(shù)據(jù)模型的基本概念和組件?；贑ityGML 核心模塊，每個模塊包含一個邏輯上獨立的主題組成的CityGML 數(shù)據(jù)模型。具有十三個專題擴展模塊包括外觀、橋、建筑、城市部件、城市目標組類、泛型、土地利用、救援物資、交通、隧道、植被、水體以及紋理面。CityGML 數(shù)據(jù)模型的主題分解可以實現(xiàn)支持任何組合的擴展模塊與核心模塊。擴展模塊可以根據(jù)應用程序或應用領域的信息需求任意組合。城市三維信息的傳輸和交換，國際上最常用的有開源的3D Tiles 格式，國內(nèi)可采用中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會審查批準的《空間三維模型數(shù)據(jù)格式》 (T/CAGIS 1—2019)團體標準，這些格式適用于海量、多源異構三維地理空間數(shù)據(jù)和Web 環(huán)境下的傳輸與解析，為多源空間數(shù)據(jù)在不同終端(移動設備、瀏覽器、桌面電腦)地理信息平臺中的存儲、高效繪制、共享與互操作等問題提供了解決方案。

城市信息模型平臺

實時映射的城市信息模型平臺是數(shù)字孿生城市建設的核心，是刻畫城市細節(jié)、呈現(xiàn)城市趨勢、推演未來趨勢的綜合信息載體。城市信息模型平臺是指具有城市語義信息的三維模型，是語義建模的數(shù)據(jù)成果，其核心功能主要由模型數(shù)據(jù)源采集、模型平臺構建、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染三大部分組成。

多源模型數(shù)據(jù)采集是模型平臺構建的基礎。目前廣泛應用于建筑物、構筑物、道路、地下管線、地質(zhì)、水體和地表高程屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的采集方法有傳統(tǒng)三維建模軟件、三維激光掃描、航空攝影測量、移動測繪系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)類型主要包括基礎地理數(shù)據(jù)、BIM/CAD建筑模型數(shù)據(jù)、城市街景數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)等多源異構的三維數(shù)據(jù)。

模型平臺是數(shù)字孿生城市運行“骨架”（信息載體）。主要是基于城市GIS 地圖，利用影像多視匹配技術、點云構TIN 技術、紋理映射技術、三維模型存儲優(yōu)化技術等建模技術，按照地形層、道路層、建筑層、綠化層、水域?qū)拥软樞蛑饘訌某鞘写髷?shù)據(jù)平臺加載數(shù)據(jù)組建而成，并對建筑物、橋梁、停車場、綠地等城市部件進行單體化處理。在模型單體化的基礎上，利用語義化技術，可以形成一個量化并可索引的城市單體信息模型（類似于傳統(tǒng)的BIM），同步可以接入人口、房屋、公司法人、安防設施、公安警務數(shù)據(jù)、住戶水電燃氣信息、交通信息、公共醫(yī)療等諸多城市公共系統(tǒng)的信息資源。

圖5 城市信息模型平臺的三層架構

實時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染是模型賦能業(yè)務應用的核心基礎。第一方面是物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)實時在模型平臺上快速加載、融合和實時呈現(xiàn)，實現(xiàn)實時運行監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化，如實時視頻圖像、空氣污染指數(shù)、交通流量、行人軌跡等；第二方面是根據(jù)城市地理信息數(shù)據(jù)源、模型精度、業(yè)務場景需求，不同精度標準呈現(xiàn)現(xiàn)實場景，如城市管理應用場景可以按百米級或十米級呈現(xiàn)，交通、應急等特殊場景的模擬仿真和AI 訓練可以按照米級或厘米級呈現(xiàn)；第三方面是對數(shù)據(jù)模擬和真實場景效果渲染，比如通過圖形學技術，對光源、聚光燈、天光等多種光源類型的實時模擬；根據(jù)天氣動態(tài)數(shù)據(jù)如云層高度、風向、邊緣噪波尺寸等，對陰、晴、雨、雪等多種真實天氣的模擬；運用動態(tài)光追蹤距離場陰影技術，實時計算陰影狀態(tài)，最終模擬還原物理世界的運行情況。

圖6 共性技術賦能與應用支撐平臺功能架構

模型平臺全面激活數(shù)據(jù)資源價值，助力模擬仿真城市運行狀態(tài)。城市信息模型平臺源于智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺，是時空大數(shù)據(jù)平臺的演進和再發(fā)展。在數(shù)據(jù)集成范疇，模型平臺集成了與城市經(jīng)濟社會運行的各類數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，不僅僅局限于城市靜態(tài)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)；在城市運行模擬上，模型平臺運用模擬仿真、深度學習等技術，仿真推演城市發(fā)展態(tài)勢；在實時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上，模型平臺集成了智能終端運行數(shù)據(jù)，可視化展示城市運行狀態(tài)，可動態(tài)預警城市問題；在支撐政府決策上，模型平臺可快速模擬管理者決策效果，支撐城市管理者制定全局最優(yōu)化決策方案。

共性技術賦能與應用支撐平臺

共性技術賦能與應用支撐平臺是城市關鍵共性技術、應用開發(fā)組件和城市模型服務組件的模塊化封裝集成平臺，是整個數(shù)字孿生城市的“決策大腦”。

從核心功能來看，平臺為上層的數(shù)字孿生應用提供底層技術支撐、元數(shù)據(jù)集、城市元部件模型等資源，實行自定義分析與調(diào)用、靈活配置和高效開發(fā)利用。功能架構包括三大類：第一類是核心使能共性技術，包括大數(shù)據(jù)、人工智能（深度學習）、區(qū)塊鏈技術等；第二類是面向應用場景的信息模型服務，包括城市場景服務、數(shù)據(jù)更新和追蹤服務、事件模擬仿真推演服務、自定義渲染服務；第三類是基于底層數(shù)據(jù)的共性應用服務能力，包括信用服務、身份認證、電子證照、非稅支付等。

圖7 百度智能云+應用支撐賦能平臺架構

與智慧城市賦能平臺相比，數(shù)字孿生城市的信息模型賦能服務體現(xiàn)出四大優(yōu)勢。一是場景服務，提供建筑物、城市部件等基礎設施的空間地理信息服務。二是數(shù)據(jù)服務，可獲取移動物體的實時動態(tài)數(shù)據(jù)及更新服務，以及提供位置追溯、軌跡跟蹤等歷史數(shù)據(jù)管理服務。三是仿真服務，提供事件、場景、決策預案的過程模擬服務，模擬發(fā)展變化過程，實現(xiàn)事件、場景、決策預案數(shù)字孿生。四是渲染服務，根據(jù)城市地理信息數(shù)據(jù)源、模型精度和制作預算，按照不同精度要求實施渲染效果。

業(yè)界企業(yè)依托自身優(yōu)勢，探索多樣化的共性技術賦能與應用支撐平臺構建模式。由于應用需求分散和企業(yè)技術優(yōu)勢不同，業(yè)界獨立開發(fā)三大要素齊全的共性技術賦能與應用支撐平臺的實踐較少，多數(shù)共性技術賦能與應用支撐平臺采取與底層大數(shù)據(jù)平臺、數(shù)字孿生模型平臺等核心平臺一體化建設。如泰瑞數(shù)創(chuàng)SmartEarth 數(shù)字孿生底座系統(tǒng)集成了時空信息云、語義平臺、城市模擬仿真計算平臺等模塊；51CityOS 城市可視化平臺整合了城市感知數(shù)據(jù)體系、大數(shù)據(jù)分析平臺、CIM 以及部分上層業(yè)務應用；阿里、百度智慧城市大腦則綜合集成了城市大數(shù)據(jù)資源體系、大數(shù)據(jù)分析平臺、上層大數(shù)據(jù)應用開發(fā)環(huán)境和交通、安防等特定領域信息模型。

總體上看，共性技術賦能與應用支撐平臺的底層核心技術使能實力較強，但面向城市部件、事件、業(yè)務流等實時要素的模型服務仍是最大短板。如目前各大主流互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)模型服務重點聚焦少數(shù)行業(yè)領域，例如對交通服務涉及的車輛特征識別、行為軌跡分析等應用模型服務發(fā)展較好，但面向城市全量基礎模型的綜合服務較少，如模型關聯(lián)分析、基于模型的仿真推演、自定義渲染等；同時對面向超級應用的共性功能組件考慮不足，是共性技術賦能與應用支撐平臺未來需要進一步關注和提升的方向。