李 強(qiáng)

(中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院， 北京 100074)

數(shù)字孿生技術(shù)是由物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和信息物理系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種系統(tǒng)分析技術(shù)，其通過(guò)建立實(shí)體系統(tǒng)的多維、多時(shí)空、多尺度、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型，利用傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)，并利用仿真手段模擬實(shí)體模型在不同環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則[1-5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界運(yùn)行狀態(tài)的映射并達(dá)到事故預(yù)警、資源優(yōu)化、決策指揮等[6]功能. 城市具有系統(tǒng)復(fù)雜度高、子系統(tǒng)耦合性強(qiáng)的特點(diǎn)，城市的物理要素、社會(huì)要素和網(wǎng)絡(luò)要素共同支撐城市的各種應(yīng)用與服務(wù)[7]，其中由建筑、道路、自然景觀等模塊組成的物理要素是城市的基礎(chǔ)，由政府、組織和居民等層級(jí)關(guān)系組成的社會(huì)要素影響著城市運(yùn)行，而網(wǎng)絡(luò)要素利用信息流實(shí)現(xiàn)城市互聯(lián)互通. 數(shù)字孿生技術(shù)在城市中的應(yīng)用將涉及城市頂層設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、安全、民生等各個(gè)方面[8]. 數(shù)字孿生技術(shù)是物理世界的真實(shí)映射，是未來(lái)城市數(shù)字化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其在城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)城市洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警與應(yīng)急決策的互動(dòng)，提升城市洪澇災(zāi)害防治水平.

將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于城市洪澇災(zāi)害防治中，研究利用三維動(dòng)態(tài)建模、仿真推演等技術(shù)構(gòu)建具備城市洪澇災(zāi)害評(píng)估、預(yù)演與防治能力的城市洪澇災(zāi)害防治數(shù)字孿生體，可以為城市洪澇災(zāi)害的評(píng)估與防治提出理論基礎(chǔ)與解決方案，指導(dǎo)建設(shè)集雨情監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)害評(píng)估、災(zāi)害防治模擬及預(yù)警于一體的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng).

1 數(shù)字孿生技術(shù)及城市數(shù)字孿生體模型

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生最初是Grieves等[9]于2003年在美國(guó)密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理課上提出的，他們使用“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”表述數(shù)字孿生的思想，并在隨后逐步演變?yōu)椤扮R像的空間模型”(2003—2005年)和“信息鏡像模型”(2006—2010年)等，這些思想被認(rèn)為是數(shù)字孿生的雛形[5]. 2011年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室第1次明確提出了數(shù)字孿生體的概念；2012年，Glaessgen等[10]提出了數(shù)字孿生的三維模型，其使用物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、信息交互接口三部分來(lái)鏡像物理空間與數(shù)字空間的孿生關(guān)系，強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)組成；其后，陶飛等[11-14]提出了五維模型，其使用物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層來(lái)描述系統(tǒng)在物理空間與數(shù)字空間的孿生與相互作用關(guān)系，更加注重其應(yīng)用與服務(wù). 數(shù)字孿生五維模型將物理空間環(huán)境與人物、人際、人機(jī)關(guān)系等實(shí)體空間全要素信息融合，體現(xiàn)了物理空間與數(shù)字空間之間的界限和聯(lián)系，反映虛實(shí)融合、以虛控實(shí)的控制過(guò)程. 因此，五維數(shù)字孿生模型注重應(yīng)用與服務(wù)的特性使其更加符合數(shù)字化發(fā)展的未來(lái)技術(shù)方向.

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)正被應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品與流程設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)與運(yùn)維等各個(gè)階段[2, 4, 14-15]，大幅度推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品全生命周期管理、生產(chǎn)效率提升與產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)的技術(shù)變革. 然而，不可否認(rèn)，目前的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，并且絕大部分工作集中于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、流程規(guī)則、模式固定的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[16].

1.2 城市數(shù)字孿生體

城市數(shù)字孿生體的底層邏輯是對(duì)城市本質(zhì)的深層次認(rèn)知[8]. 通過(guò)梳理城市的物理、社會(huì)、網(wǎng)絡(luò)要素關(guān)系，城市數(shù)字孿生體可以將城市要素匯聚，支撐城市各種服務(wù)應(yīng)用. 基于數(shù)字孿生五維模型，本文提出了城市數(shù)字孿生體模型，如圖1所示.

圖1 城市數(shù)字孿生體模型

城市數(shù)字孿生體是由物理城市、虛擬城市、智能服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互五維模型組成. 物理城市是城市數(shù)字孿生模型準(zhǔn)確分析與有效維護(hù)的基礎(chǔ)，根據(jù)功能及結(jié)構(gòu)，可以分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)3個(gè)層次；虛擬城市包括幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型等，這些模型能從多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)不同層次的物理實(shí)體進(jìn)行精準(zhǔn)映射；孿生數(shù)據(jù)包含物理城市、虛擬城市、虛實(shí)交互、智能服務(wù)所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)集合；虛實(shí)交互通過(guò)嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)融合等實(shí)現(xiàn)城市數(shù)字孿生各組成部分信息的互聯(lián)互通；智能服務(wù)是指對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用所需各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進(jìn)行封裝形成的洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警、公共安全服務(wù)、交通管理等城市應(yīng)用與服務(wù).

1.3 城市數(shù)字孿生體建設(shè)及應(yīng)用

城市數(shù)字孿生體的應(yīng)用可延伸到城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的方方面面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行效率與管理質(zhì)量的大幅度提升. 具體而言，在規(guī)劃階段，城市數(shù)字孿生體整合城鄉(xiāng)、土地、環(huán)境、水系、市政、交通、能源、通信、產(chǎn)業(yè)等規(guī)劃數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、各專項(xiàng)規(guī)劃的動(dòng)態(tài)監(jiān)管、集成可視和沖突檢測(cè)；在建設(shè)階段，城市數(shù)字孿生體可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工到竣工全過(guò)程的項(xiàng)目進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全、綠色施工、勞務(wù)的數(shù)字化綜合監(jiān)管，確保重大工程項(xiàng)目按時(shí)、高質(zhì)、安全交付；在運(yùn)營(yíng)階段，城市數(shù)字孿生體可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施、地下空間、能源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境、道路交通等運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)性維護(hù)、決策推演及綜合防災(zāi)的快速響應(yīng)和應(yīng)急處置能力，讓城市運(yùn)行更穩(wěn)定、安全、高效[17].

城市數(shù)字孿生體的建設(shè)可依托地理信息系統(tǒng)、建筑信息模型、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立城市數(shù)字信息模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地理實(shí)體數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、城市建筑數(shù)據(jù)、市政設(shè)施數(shù)據(jù)、城市物聯(lián)感知數(shù)據(jù)以及產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)民生、政務(wù)服務(wù)、交通出行等應(yīng)用數(shù)據(jù)的多元異構(gòu)集成，滿足城市精準(zhǔn)映射和虛實(shí)交互的功能. 由此導(dǎo)致城市數(shù)字孿生體的建設(shè)存在城市全空間信息獲取難、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)融合難、地理實(shí)體要素智能化提取難、按需結(jié)構(gòu)化模型重建難等技術(shù)瓶頸，需要發(fā)展空- 天- 地- 地下立體化城市空間全息數(shù)據(jù)采集、多源異構(gòu)城市空間信息高精度融合、城市全息要素結(jié)構(gòu)與語(yǔ)義信息智能提取、城市場(chǎng)景結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義模型按需重建等多項(xiàng)核心技術(shù)[18].

有研究者提出，城市數(shù)字孿生體建設(shè)分為4個(gè)階段[19]：1) 對(duì)城市現(xiàn)狀進(jìn)行精準(zhǔn)、全面、動(dòng)態(tài)映射的現(xiàn)狀孿生；2) 從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、分析、識(shí)別、總結(jié)并發(fā)現(xiàn)城市運(yùn)行規(guī)律的學(xué)習(xí)孿生；3) 人工監(jiān)督下模擬不同環(huán)境背景下發(fā)展情景的模擬孿生；4) 最終通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入與人工智能自動(dòng)決策的自主孿生. 現(xiàn)階段，數(shù)字孿生技術(shù)在城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用還處于模擬孿生階段，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)城市數(shù)字孿生的自主孿生. 值得一提的是，英國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)于2017年12月發(fā)布了《數(shù)據(jù)的公共利益報(bào)告》，提出創(chuàng)建一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生體. 受該計(jì)劃支持，Lu等[20]對(duì)劍橋大學(xué)的西劍橋區(qū)構(gòu)建了含有數(shù)據(jù)獲取層、傳輸層、數(shù)字建模和數(shù)據(jù)補(bǔ)充層、數(shù)據(jù)/模型整合層、應(yīng)用層的五維結(jié)構(gòu)模型的城市數(shù)字孿生體動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)決策支持系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，將建筑信息模型、建筑管理數(shù)據(jù)、空間管理數(shù)據(jù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)、資產(chǎn)注冊(cè)數(shù)據(jù)與資產(chǎn)標(biāo)簽平臺(tái)的系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了城市數(shù)字孿生體的智能數(shù)據(jù)查詢、智能優(yōu)化決策等功能. 該案例對(duì)物理城市感知、虛擬城市建模、數(shù)據(jù)集成及服務(wù)進(jìn)行了描述，仍然沒(méi)有涉及仿真模擬相關(guān)工作，但是，在目前數(shù)字孿生應(yīng)用尚處于理論階段的背景下，上述相關(guān)工作屬于城市數(shù)字孿生的現(xiàn)狀孿生階段.

當(dāng)前，城市建設(shè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)尚處于探索階段，以城市信息模型(city information model, CIM)為應(yīng)用形式的城市數(shù)字孿生產(chǎn)品平臺(tái)逐步被推廣，主要包括Skyline[21-30]、Smart World Pro[31]、World Wind[32]、Virtualcity SYSTEM[33]、City Eye[34]、鴻城CIM平臺(tái)[35]等. 然而，值得注意的是，CIM是數(shù)字孿生技術(shù)的初級(jí)應(yīng)用，在物理城市與虛擬城市之間的虛實(shí)雙向交互仍不能達(dá)到數(shù)字孿生城市的應(yīng)用需求[36].

城市是由不同功能和結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)組成的有機(jī)整體，構(gòu)建面向單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)的分層明晰、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的城市數(shù)字孿生體，可以從不同角度反映城市運(yùn)行狀態(tài)，符合現(xiàn)階段城市數(shù)字孿生體的建設(shè)現(xiàn)狀. 與城市數(shù)字孿生體的建設(shè)相比，城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)無(wú)須形成復(fù)雜的全空間城市信息模型，其精度相對(duì)低、層次簡(jiǎn)單的地理實(shí)體數(shù)據(jù)集成在現(xiàn)階段具有更好的技術(shù)可行性.

2 城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)分析

城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬城市模型是以物理城市的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，利用物理城市中信息采集終端和信息傳輸介質(zhì)，將城市洪澇災(zāi)害相關(guān)信息實(shí)時(shí)反饋到虛擬城市，并利用虛擬城市中的數(shù)據(jù)處理、模擬分析等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理城市中災(zāi)害的評(píng)估與預(yù)警，達(dá)到物理城市與虛擬城市間的精準(zhǔn)映射和虛實(shí)交互. 本文梳理和總結(jié)面向城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警的城市數(shù)字孿生體研究與建設(shè)典型案例，提出基于數(shù)字孿生的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建方案.

2.1 研究現(xiàn)狀

針對(duì)城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警，美國(guó)、日本等國(guó)家先后建立了基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)、暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)[37-43]；國(guó)內(nèi)，上海[42]、北京[43]、南京[44]等城市也都建立了包含氣象仿真、雨水監(jiān)測(cè)和防汛預(yù)警決策支持等功能的系統(tǒng). 然而，由于氣象仿真、洪澇模擬和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)孤立分布，共享效率低，并且缺乏有效的應(yīng)急預(yù)案與動(dòng)態(tài)分析手段，現(xiàn)有的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)效果有限，存在感知與動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足、決策實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題[45]. 目前，針對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警，許多研究者做了大量的基礎(chǔ)性工作. Zaalberg等[46]利用三維模擬方法，對(duì)城市洪澇災(zāi)害效果進(jìn)行仿真，探討了基于三維可視化技術(shù)的洪澇災(zāi)害模擬方法對(duì)提高居民應(yīng)對(duì)洪澇風(fēng)險(xiǎn)能力的效果. Qiu等[47]開(kāi)發(fā)了一套涵蓋城市洪澇災(zāi)害全過(guò)程管理的災(zāi)害管理系統(tǒng)，將環(huán)境模型與災(zāi)難相關(guān)的數(shù)據(jù)組合，構(gòu)建合適的工作流模型，并在系統(tǒng)中自動(dòng)載入合適的數(shù)據(jù)集，以三維可視化和數(shù)據(jù)挖掘的方法提高災(zāi)害數(shù)據(jù)的可解釋性和災(zāi)害防治決策過(guò)程的有效性，有效減少傳統(tǒng)管理技術(shù)中耗時(shí)長(zhǎng)、操作不可靠的問(wèn)題. Van Ackere等[48]開(kāi)發(fā)了一種基于WebGIS方法的洪澇災(zāi)害評(píng)估方法，利用三維可視化方法動(dòng)態(tài)展示洪澇災(zāi)害演變過(guò)程及基礎(chǔ)設(shè)施破壞過(guò)程，由此實(shí)現(xiàn)了城市基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害的預(yù)警功能. Macchione等[49]利用虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用一維或二維水力建模方法對(duì)城市洪澇災(zāi)害進(jìn)行三維模擬和仿真，編制洪水災(zāi)害和洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，構(gòu)建了在三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中表示二維水力模擬結(jié)果的工作流程，實(shí)現(xiàn)了城市洪澇災(zāi)害的系統(tǒng)評(píng)估. 此外，基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，Lai等[50]、Zhang等[51]、Liang等[52]、Liu等[53]、Leskens等[54]、Breuer等[55]也都對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行了分析，以此實(shí)現(xiàn)洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警. 但是，必須指出的是，上述研究工作僅僅是利用三維展示技術(shù)展示城市洪澇災(zāi)害，并基于人的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)城市洪澇災(zāi)害的評(píng)估與預(yù)警，嚴(yán)格來(lái)講尚不屬于城市數(shù)字孿生體的應(yīng)用范疇.

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

作為城市數(shù)字孿生體的子系統(tǒng)，城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)亦包含物理城市、虛擬城市、智能服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互5個(gè)維度[13]. 圖2展示了城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)的模型組成.

圖2 城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)組成模型

1) 物理城市

作為物理城市的子系統(tǒng)，洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)包含城市氣象環(huán)境、城市基礎(chǔ)設(shè)施、城市洪澇災(zāi)害防治系統(tǒng)等的集成系統(tǒng). 通過(guò)在城市天空、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設(shè)，建設(shè)針對(duì)雨情、建筑物、河道、地下管線等的單元級(jí)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施要素信息的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè). 在此基礎(chǔ)上，打通城市洪澇相關(guān)氣象、基礎(chǔ)設(shè)施、洪澇防治相關(guān)要素的界限，建立涵蓋城市洪澇全要素的系統(tǒng)級(jí)感知體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市洪澇災(zāi)害狀態(tài)的充分感知和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè). 在城市數(shù)字孿生體構(gòu)建過(guò)程中，城市信息模型的構(gòu)建及實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取是構(gòu)建高精度數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)，城市資產(chǎn)管理系統(tǒng)(包含實(shí)景三維建模、建筑信息模型等)及全域部署的智能感知體系(包含傳感器、通信、計(jì)算、電源單元組成的傳感器網(wǎng)絡(luò))是該過(guò)程的前提.

2) 虛擬城市

針對(duì)城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警，參照物理城市分層模型，建立涵蓋幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型和模擬結(jié)果等的多時(shí)間尺度、多空間尺度的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警孿生模型；將城市不同要素分解為不同的數(shù)據(jù)組織，并構(gòu)建統(tǒng)一的邏輯結(jié)構(gòu)，降低數(shù)據(jù)組織的難度；通過(guò)數(shù)據(jù)可視化綜合、關(guān)聯(lián)各要素?cái)?shù)據(jù)，將與城市洪澇安全相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行剖析，從城市要素的幾何參數(shù)、組合關(guān)系、物理屬性、內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制、歷史規(guī)律等角度對(duì)物理城市進(jìn)行描述，生成一個(gè)綜合的城市概況，滿足城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警的信息需求；綜合城市洪澇災(zāi)害相關(guān)全域數(shù)據(jù)信息，并采用數(shù)值模擬方法，如計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)仿真，實(shí)現(xiàn)孿生模型的自增長(zhǎng)、自學(xué)習(xí)、自演化，并具備實(shí)時(shí)判斷、評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)能力. 虛擬城市的運(yùn)行及孿生模型演化需要物理城市實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)及強(qiáng)大的快速數(shù)值模擬系統(tǒng)支撐，這對(duì)城市數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)治理和虛擬交互性能及數(shù)值模擬系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).

3) 智能服務(wù)

在城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警中，城市數(shù)字孿生體將物理城市、虛擬城市、孿生數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互融合成為虛實(shí)交互的有機(jī)體，并提供全景信息支持；通過(guò)持續(xù)收集、組織和分析物理城市和虛擬城市中的數(shù)據(jù)，利用智能分析手段預(yù)測(cè)城市洪澇災(zāi)害發(fā)生發(fā)展趨勢(shì).

4) 孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生體運(yùn)行的基礎(chǔ). 在城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)中，物理城市數(shù)據(jù)、虛擬城市數(shù)據(jù)、智能服務(wù)數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互數(shù)據(jù)等匯聚成為孿生數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生城市發(fā)展和優(yōu)化. 城市孿生數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)增長(zhǎng)迅速的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集、數(shù)據(jù)治理、高通量計(jì)算存儲(chǔ)是支撐城市數(shù)字孿生體運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)城市洪澇災(zāi)害實(shí)時(shí)評(píng)估與預(yù)警的關(guān)鍵.

5) 虛實(shí)交互

利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對(duì)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)動(dòng)作、行為和狀態(tài)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)物理城市在數(shù)字空間的精準(zhǔn)映射與可視化，虛擬城市中洪澇模擬程序的快速啟動(dòng)，數(shù)字空間中各種數(shù)字模型的實(shí)時(shí)更新、信息反饋，以及物理城市的服務(wù)功能，都需要依托物理城市與虛擬城市間的虛實(shí)交互. 保證虛實(shí)交互的雙向通信、互聯(lián)互通，不同模塊間的通信協(xié)議規(guī)范，數(shù)據(jù)庫(kù)接口的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是城市數(shù)字孿生體建設(shè)的關(guān)鍵.

基于城市數(shù)字孿生體模型的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市洪澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、指揮調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)管理等服務(wù)功能的自主運(yùn)行. 然而，數(shù)字孿生技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，面向城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警的城市數(shù)字孿生體建設(shè)尚處于初級(jí)階段，還有許多問(wèn)題需要解決，包括缺乏系統(tǒng)的數(shù)字孿生理論/技術(shù)支撐和應(yīng)用準(zhǔn)則指導(dǎo)[13]、沒(méi)有成熟的數(shù)字孿生軟件支撐其深度應(yīng)用[56]、數(shù)字孿生應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尚未凸顯[12]等.

2.3 技術(shù)架構(gòu)

在分析數(shù)字孿生城市五維模型系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，本文綜合現(xiàn)有城市數(shù)字孿生體建設(shè)案例，總結(jié)了基于數(shù)字孿生的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)架構(gòu)，如圖3所示.

圖3 城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)架構(gòu)

在基于數(shù)字孿生的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)架構(gòu)中，物理城市模塊主要涉及實(shí)時(shí)感知技術(shù)，高精度物理城市三維幾何建模技術(shù)，實(shí)時(shí)接入與協(xié)同測(cè)量技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)與優(yōu)化控制技術(shù)等；虛擬城市模塊主要涉及建模與可視化技術(shù)，數(shù)據(jù)清洗、融合與管理技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、組織、交換、共享、挖掘和應(yīng)用技術(shù)，多維多尺度數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，城市運(yùn)行與服務(wù)功能建模、仿真運(yùn)行及驗(yàn)證技術(shù)等；城市智能服務(wù)模塊主要涉及城市資產(chǎn)管理與運(yùn)維技術(shù)，面向洪澇、交通等各項(xiàng)公共服務(wù)的城市運(yùn)維數(shù)值模擬技術(shù)，異構(gòu)多源數(shù)據(jù)通信與發(fā)布技術(shù)，人工智能技術(shù)，城市運(yùn)維優(yōu)化技術(shù)，智能決策與優(yōu)化控制技術(shù)，平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)，業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)構(gòu)建技術(shù)等；孿生數(shù)據(jù)模塊主要涉及物理城市、虛擬城市、城市智能服務(wù)、虛實(shí)交互等業(yè)務(wù)中產(chǎn)生的多源、異構(gòu)、多模態(tài)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與封裝技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)，服務(wù)器遠(yuǎn)程管理技術(shù)等；虛擬交互模塊主要涉及物理城市、虛擬城市、城市智能服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)之間的多源、異構(gòu)、多模態(tài)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化集群存儲(chǔ)與管理技術(shù)，GIS空間技術(shù)，仿真技術(shù)，人臉、語(yǔ)音、生物識(shí)別技術(shù)，人機(jī)界面交互技術(shù)等.

城市數(shù)字孿生體通過(guò)三維建模、物聯(lián)感知、仿真模擬等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了城市要素的可視化表達(dá)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型及虛實(shí)交互的智能閉環(huán)控制應(yīng)用模式，為建設(shè)具備城市洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、實(shí)時(shí)指揮調(diào)度決策和風(fēng)險(xiǎn)管理功能的信息化綜合平臺(tái)，建立城市暴雨、洪澇立體監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，提高城市洪澇安全評(píng)估與預(yù)警能力，提供理論與技術(shù)基礎(chǔ).

2.4 建設(shè)方法

基于三維動(dòng)態(tài)建模、仿真推演等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)建在真實(shí)環(huán)境下具備城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與防治模型預(yù)演能力的全域數(shù)字虛擬映像的城市洪澇災(zāi)害防治數(shù)字孿生體，將城市洪澇災(zāi)害防治技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)深度融合，可以提出城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與防治解決方案.

具體而言，基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)建立面向城市洪澇災(zāi)害相關(guān)的城市空間實(shí)體數(shù)據(jù)模型，融合集成以攝像頭和雨情監(jiān)測(cè)器等相關(guān)多源異構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能化提取城市洪澇災(zāi)害特征信息并驅(qū)動(dòng)城市洪澇災(zāi)害場(chǎng)景模擬分析決策系統(tǒng)，通過(guò)信息系統(tǒng)自動(dòng)提供城市洪澇災(zāi)害預(yù)警服務(wù).

其具體過(guò)程包含：

1) 在面向城市洪澇災(zāi)害相關(guān)的城市空間實(shí)體數(shù)據(jù)模型建設(shè)中，主要建設(shè)實(shí)景三維數(shù)字模型，包括利用無(wú)人機(jī)航測(cè)、激光雷達(dá)、傾斜攝影等測(cè)繪信息技術(shù)刻畫(huà)空間幾何模型、拓?fù)鋱D和語(yǔ)義等特征，實(shí)現(xiàn)城市三維地圖的精細(xì)化表達(dá).

2) 在融合集成以攝像頭和雨情監(jiān)測(cè)器等相關(guān)多源異構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中，依托城市三維實(shí)景模型，匹配城市物聯(lián)感知層實(shí)時(shí)感測(cè)城市洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包含雨量、排水、車流量等信息，實(shí)現(xiàn)全景細(xì)節(jié)追蹤和態(tài)勢(shì)感知.

3) 在智能化提取城市洪澇災(zāi)害特征信息并驅(qū)動(dòng)城市洪澇災(zāi)害場(chǎng)景模擬分析決策系統(tǒng)中，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征信息驅(qū)動(dòng)災(zāi)害模擬分析系統(tǒng)，通過(guò)物理城市的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入，驅(qū)動(dòng)智能分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理城市和虛擬城市間的統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)、快速分析、模型科學(xué)決策、智能精準(zhǔn)執(zhí)行，形成虛實(shí)對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的衍生系統(tǒng).

4) 基于上述過(guò)程，利用信息系統(tǒng)自動(dòng)提供城市洪澇災(zāi)害預(yù)警服務(wù)，能夠?qū)Τ鞘泻闈碁?zāi)害的發(fā)生與突變做到及時(shí)有效控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市洪澇災(zāi)害的預(yù)警與災(zāi)害預(yù)防聯(lián)動(dòng)指揮.

因此，城市數(shù)字孿生體的建設(shè)與應(yīng)用需要全域感知、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)通信、數(shù)值模擬等技術(shù)的全面提升. 可以預(yù)見(jiàn)，城市數(shù)字孿生體的建設(shè)是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)、技術(shù)瓶頸多、協(xié)同范圍大的跨專業(yè)、跨行業(yè)、復(fù)雜度極高的系統(tǒng)工程.

3 結(jié)論

1) 數(shù)字孿生技術(shù)是城市數(shù)字化、智能化建設(shè)的重要支撐之一. 城市數(shù)字孿生體通過(guò)數(shù)據(jù)全域標(biāo)識(shí)、狀態(tài)精準(zhǔn)感知、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、模型科學(xué)決策、智能精準(zhǔn)執(zhí)行，形成虛實(shí)對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的衍生系統(tǒng)，支撐城市實(shí)體全要素的數(shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)的實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理的決策協(xié)同化和智能化，實(shí)現(xiàn)城市的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制，解決城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、管理、服務(wù)的復(fù)雜性和不確定性.

2) 基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)，將物理城市進(jìn)行分層分析，建立涵蓋物理城市、虛擬城市、智能服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、虛實(shí)交互5個(gè)維度的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)，可以推動(dòng)城市數(shù)字孿生體在洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警中的綜合應(yīng)用. 然而，由于城市數(shù)字孿生體復(fù)雜性高、軟硬件及計(jì)算能力不足，面向城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警的城市數(shù)字孿生體建設(shè)遠(yuǎn)未成熟.

3) 與城市數(shù)字孿生體的建設(shè)相比，城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)在現(xiàn)階段具有更好的技術(shù)可行性. 基于數(shù)字孿生技術(shù)，本文提出了城市數(shù)字孿生體模型，并分析了基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和建設(shè)路徑，研究成果可作為未來(lái)城市洪澇災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的理論基礎(chǔ).