汪 楓

（上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通發(fā)展研究院，上海 200032）

引言

數(shù)字孿生（Digital Twin）是用數(shù)字化方式建立物理實(shí)體的虛擬模型，通過(guò)實(shí)體空間與虛擬空間的交互反饋、融合分析、決策迭代等手段，提高物理實(shí)體的精細(xì)化管理能力[1]。Grieves 教授[2]于2003 提出了數(shù)字孿生實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接的三維模型。陶飛等[3]對(duì)該三維模型進(jìn)行了擴(kuò)展，引入孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個(gè)新維度，提出了數(shù)字孿生五維模型，并對(duì)數(shù)字孿生模型構(gòu)建與交互進(jìn)行了研究，提出了“四化四可八用”的構(gòu)建準(zhǔn)則，從“感知—通信—映射—聯(lián)動(dòng)—融合”五方面提出了數(shù)字孿生交互理論[4,5]。張晨源、楊帆等[6,7]對(duì)數(shù)字孿生模型或?qū)\生體可信度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究。李琳利等[8]對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)信息安全框架及技術(shù)進(jìn)行了研究。趙鵬、陳健等[9,10]分別對(duì)電力行業(yè)、巖土工程行業(yè)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)與進(jìn)展進(jìn)行了闡述。張超等[11]對(duì)行離散型智能車(chē)間提出數(shù)字孿生制造單元系統(tǒng)新理論模型與參考框架，并進(jìn)行了建模與驗(yàn)證。冷柏寒等[12]提出了面向可重構(gòu)制造的數(shù)字孿生映射建模與監(jiān)控仿真一體化平臺(tái)架構(gòu)，對(duì)虛實(shí)映射進(jìn)行了針對(duì)性研究?？得险涞萚13]研究實(shí)現(xiàn)了從單向的三維展示的圓明園到虛實(shí)互動(dòng)的平行圓明園，將虛擬空間的圓明園應(yīng)用于物理空間的圓明園管理模式創(chuàng)新、生態(tài)重構(gòu)及改善體驗(yàn)等。郭丞皓、尚可、張宇琳、張科等[14-17]分別在飛機(jī)起落架健康管理、智慧停車(chē)場(chǎng)、異質(zhì)交通流安全、空氣污染擴(kuò)散等具體點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)字孿生應(yīng)用研究。

面對(duì)數(shù)字孿生，多空間（實(shí)體空間、虛擬空間）、多領(lǐng)域、多時(shí)域和多類(lèi)型全域數(shù)據(jù)治理成為數(shù)字孿生的重要支撐與關(guān)鍵，數(shù)據(jù)治理是數(shù)字孿生物理實(shí)體與虛擬實(shí)體交互融合的核心[18]。張寧等[19]對(duì)數(shù)據(jù)治理的概念、體系、內(nèi)容和應(yīng)用的相關(guān)研究進(jìn)行了述評(píng)。安小米等[20]通過(guò)對(duì)三大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)、IEC(國(guó)際電工委員會(huì))、ITU－T(國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)局)數(shù)據(jù)治理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析，提出了數(shù)據(jù)治理宏觀關(guān)注政策法規(guī)與組織機(jī)制，中觀落腳點(diǎn)在數(shù)據(jù)資產(chǎn)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理，微觀主要關(guān)注數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)安全的數(shù)據(jù)治理框架。如何對(duì)數(shù)字孿生的物理空間、虛擬空間以及連接與互動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行治理的研究與驗(yàn)證，成為加速推進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)，促進(jìn)數(shù)字孿生深層應(yīng)用的急為迫切的問(wèn)題。

在物理空間中，與物理空間位置相關(guān)的信息占90%以上，空間位置信息已成為多源信息組織與融合的核心。城市信息模型CIM 基礎(chǔ)平臺(tái)是管理和承載城市空間三維數(shù)字模型，集成GIS、BIM 與IoT 數(shù)據(jù)的綜合性基礎(chǔ)平臺(tái)，支撐城市規(guī)建管用，是智慧城市的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性信息基礎(chǔ)設(shè)施[21]，CIM 平臺(tái)也是數(shù)字孿生城市的支撐平臺(tái)[22]。

本文分析在數(shù)字孿生背景下數(shù)據(jù)治理的范圍，研究提出基于CIM 平臺(tái)面向數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)治理框架，并對(duì)基于工作流的數(shù)據(jù)治理與基于分層分級(jí)的多源數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)進(jìn)行研究，給出上海市CIM 平臺(tái)數(shù)據(jù)治理建設(shè)成果，并對(duì)后續(xù)研究與實(shí)踐工作進(jìn)行討論。

2 面向數(shù)字孿生數(shù)據(jù)治理框架

2.1 數(shù)據(jù)治理內(nèi)容

面向數(shù)字孿生，數(shù)據(jù)治理范圍包括物理空間與虛擬空間兩大空間的數(shù)據(jù)，物理空間包括物理數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)與衍生數(shù)據(jù)，虛擬空間包括虛擬數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)與衍生數(shù)據(jù)。其中物理數(shù)據(jù)包括體現(xiàn)實(shí)體規(guī)格、功能及性能等的物理要素屬性數(shù)據(jù)與反映實(shí)體運(yùn)行狀況的IoT 數(shù)據(jù)，虛擬數(shù)據(jù)包括三維模型以及仿真、驗(yàn)證、評(píng)估、分析與預(yù)測(cè)等的仿真數(shù)據(jù)，服務(wù)數(shù)據(jù)包括業(yè)務(wù)應(yīng)用算法與行為結(jié)果，知識(shí)數(shù)據(jù)包括專(zhuān)家知識(shí)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則約束與推理推論等，以及數(shù)據(jù)處理中的衍生數(shù)據(jù)等[3]。數(shù)據(jù)治理內(nèi)容包括兩個(gè)空間宏觀、中觀與微觀三個(gè)層次。物理空間與虛擬空間的數(shù)據(jù)治理內(nèi)容如表1 所示。

表1 物理空間與虛擬空間的數(shù)據(jù)治理內(nèi)容

2.2 基于CIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架

城市信息模型CIM 平臺(tái)是數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中、微觀數(shù)據(jù)治理的載體與環(huán)境，是數(shù)據(jù)治理的容器?；贑IM 平臺(tái)可融合實(shí)現(xiàn)的物理空間與虛擬空間的數(shù)據(jù)治理功能包括：

（1）數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理，包括數(shù)據(jù)分類(lèi)分級(jí)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)歸一化、目錄管理、元數(shù)據(jù)管理；

（2）數(shù)據(jù)交易管理，包括數(shù)據(jù)確權(quán)、數(shù)據(jù)估值、數(shù)據(jù)定價(jià)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)交易、數(shù)據(jù)授權(quán)、數(shù)據(jù)銷(xiāo)售、數(shù)據(jù)審計(jì)以及數(shù)據(jù)服務(wù)保障；

（3）數(shù)據(jù)融合與分析，包括虛實(shí)數(shù)據(jù)融合、時(shí)空數(shù)據(jù)融合、空間數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合、時(shí)空數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)可視化等；

2002年臺(tái)灣淡江大學(xué)的Liu提出了一種用于模具拋光的柔順工具架，它是利用線性彈簧增強(qiáng)設(shè)備的柔順度，即改變接觸柔度，以減小模具的表面粗糙度，如圖4所示[5]。2007年湖南大學(xué)的王平研究了一種利用彈簧產(chǎn)生變形以防止拋光工具與模具表面接觸力突變的單自由度自調(diào)末端執(zhí)行器[6]。目前，RAD公司已開(kāi)發(fā)出彈簧式柔順末端操作器產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)軸向的柔順控制，如圖5所示。

（4）數(shù)據(jù)質(zhì)量管理，包括考慮數(shù)據(jù)一致性、可用性、安全性與可及性的數(shù)據(jù)收集質(zhì)量、數(shù)據(jù)組織質(zhì)量、數(shù)據(jù)表示質(zhì)量以及數(shù)據(jù)應(yīng)用質(zhì)量管理；

（5）數(shù)據(jù)安全管理，包括考慮機(jī)密性、完整性以及可及性的數(shù)據(jù)隱私安全管理；

（6）標(biāo)準(zhǔn)管理，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理與平臺(tái)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)管理等。

基于CIM 平臺(tái)中的數(shù)據(jù)治理框架如圖1 所示。

圖1 基于CIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架

整個(gè)框架包括基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)字孿生應(yīng)用、數(shù)據(jù)安全及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范六部分，可對(duì)物理空間與虛擬空間的五大類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合治理。

基于CIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架是可擴(kuò)展的框架。廣義的數(shù)據(jù)治理包括數(shù)據(jù)全生命周期各個(gè)階段的所有涉及數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的全過(guò)程，數(shù)據(jù)治理是一個(gè)循序深入的過(guò)程?；贑IM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架，可以逐步豐富數(shù)據(jù)治理內(nèi)容，通過(guò)原子化與模塊化，把數(shù)據(jù)治理內(nèi)容作為流程節(jié)點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)組合，快速實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)治理需求，并能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)柔性擴(kuò)展與深化。

基于CIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架是開(kāi)放的框架。五大類(lèi)數(shù)據(jù)可逐步進(jìn)入治理平臺(tái)，并能以三維空間模型為基礎(chǔ)，通過(guò)全實(shí)體對(duì)象的唯一編碼，把該對(duì)象的全域數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，形成該實(shí)體對(duì)象歷史、現(xiàn)在與未來(lái)的全生命周期數(shù)據(jù)集，進(jìn)一步支撐數(shù)據(jù)分析與融合，提供應(yīng)用服務(wù)。

基于CIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架是可視化的框架。數(shù)據(jù)治理工作涉及大量的計(jì)算，數(shù)據(jù)治理的效果與監(jiān)控需要可視化展示。通過(guò)CIM 平臺(tái)的全對(duì)象實(shí)體可視化能力，可以動(dòng)態(tài)疊加對(duì)比分析數(shù)據(jù)治理效果，比如BIM 模型的輕量化數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理可視化監(jiān)控等，通過(guò)可視化比對(duì)與監(jiān)控分析動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)治理參數(shù)，進(jìn)而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌控?cái)?shù)據(jù)治理過(guò)程與效果。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全治理工作流

科學(xué)工作流技術(shù)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、城市管理以及辦公自動(dòng)化OA 等活動(dòng)，它是將數(shù)據(jù)管理、計(jì)算、分析及可視化等一系列工作變成原子服務(wù)，通過(guò)數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流將原子服務(wù)組合在一起，通過(guò)流程化定制與任務(wù)調(diào)度執(zhí)行，解決大規(guī)模數(shù)據(jù)自動(dòng)化計(jì)算問(wèn)題[23]。基于工作流理念，馬文臻等[24]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、高效、實(shí)時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)化的空間科學(xué)衛(wèi)星工作流數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成了多衛(wèi)星任務(wù)、多載荷數(shù)據(jù)源的大規(guī)模數(shù)據(jù)的高度復(fù)雜的處理。科學(xué)工作流為解決具有流程性的復(fù)雜的數(shù)據(jù)治理提供了有效的手段。

數(shù)據(jù)質(zhì)量管理與安全管理，涉及數(shù)據(jù)接入、質(zhì)檢、清洗、標(biāo)簽及安全等環(huán)節(jié)。把這些數(shù)據(jù)治理環(huán)節(jié)功能分解為原子模塊，通過(guò)動(dòng)態(tài)組合，定義工作流節(jié)點(diǎn)、流程與任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源動(dòng)態(tài)規(guī)劃與治理。數(shù)據(jù)治理核心是建立知識(shí)庫(kù)，通過(guò)建立目錄發(fā)布、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)質(zhì)檢、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)簽、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)融合以及數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布知識(shí)庫(kù)，結(jié)合可視化界面動(dòng)態(tài)配置工作流任務(wù)，實(shí)施數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全的自動(dòng)化治理。基于工作流的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)治理，同步保持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展能力，隨著知識(shí)庫(kù)的豐富、數(shù)據(jù)治理功能或模塊的增加，將實(shí)現(xiàn)虛實(shí)空間二三維空間地理數(shù)據(jù)、IoT 數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一快速治理。圖2 是基于工作流的數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全治理流程框架。

圖2 數(shù)據(jù)質(zhì)量安全治理工作流框架

2.4 BIM 數(shù)據(jù)分層分級(jí)動(dòng)態(tài)可視化

數(shù)據(jù)可視化是多源數(shù)據(jù)治理展示與數(shù)字孿生應(yīng)用的窗口，這要求數(shù)據(jù)可視化要具有流暢性與沉浸感。邊根慶[25]對(duì)IFC 格式的BIM 模型重構(gòu)進(jìn)行了研究。陳靜等[26]對(duì)三維模型紋理烘焙和多尺度可視化GPU繪制方法進(jìn)行了研究。劉北勝[27]提出了基于云渲染技術(shù)的三維BIM 模型可視化方案。饒平平等[28]基于模型輕量化技術(shù)，建立BIM 模型輕量化平臺(tái)，并應(yīng)用于BIM 工程信息分析與應(yīng)用。

本文在數(shù)據(jù)可視化過(guò)程中，為解決不同場(chǎng)景可視化問(wèn)題，設(shè)計(jì)按照市、區(qū)、街鎮(zhèn)不同的空間范圍，分別對(duì)應(yīng)白模、精模、BIM 三維模型數(shù)據(jù)，單棟BIM 數(shù)據(jù)按照先外立面再內(nèi)部細(xì)節(jié)，研究建立了空間范圍與精細(xì)度相互配合的分層分級(jí)可視化方案，并基于樂(lè)高標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件可插拔理念，通過(guò)可插拔技術(shù)，構(gòu)建分層分級(jí)可視化能力，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載與分析。

3 上海市CIM 平臺(tái)數(shù)據(jù)治理

上海市CIM 平臺(tái)建立了空間地理信息云環(huán)境，集成了二三維空間地理數(shù)據(jù)、BIM 數(shù)據(jù)、IoT 數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、IoT 數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入管理、目錄管理以及元數(shù)據(jù)管理，以及數(shù)據(jù)質(zhì)檢、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)簽、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享交換、數(shù)據(jù)服務(wù)及應(yīng)用支撐?；诠ぷ髁鲗?shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)化歸集、流程化管理、定制化服務(wù)與可視化監(jiān)控；數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)了二三維數(shù)據(jù)一體化、動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)一體化、地上地下數(shù)據(jù)一體化以及BIM 數(shù)據(jù)分層分級(jí)可視化。

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全治理

在上海市CIM 平臺(tái)中，作為數(shù)據(jù)中臺(tái)，通過(guò)前置數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接口和流文件三種方式，連通了17 條數(shù)據(jù)歸集與同步通道；設(shè)計(jì)了非空、數(shù)據(jù)范圍、長(zhǎng)度、唯一、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)字典、文件驗(yàn)證、截取驗(yàn)證以及節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證等10 類(lèi)質(zhì)檢類(lèi)型；定義了邏輯錯(cuò)誤（去重）、格式內(nèi)容清洗、缺失值清洗、邏輯錯(cuò)誤清洗等6 類(lèi)清洗類(lèi)型；設(shè)置了信用、行政許可、行政處罰、電子檔案、自然人和法人等8 類(lèi)標(biāo)簽；實(shí)施MD5 處理、數(shù)據(jù)裁切、數(shù)據(jù)模糊化與AES 4 類(lèi)安全審計(jì)；并建立了證件類(lèi)型、城市體檢指標(biāo)類(lèi)型、實(shí)施機(jī)構(gòu)、業(yè)務(wù)狀態(tài)等約50 個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字典；按照數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全治理需求，設(shè)置數(shù)據(jù)編目、歸集、質(zhì)檢、清洗、標(biāo)簽及安全6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，定制了通用數(shù)據(jù)處理、簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)處理、一網(wǎng)通辦數(shù)據(jù)處理、信用數(shù)據(jù)處理以及電子檔案處理等五類(lèi)數(shù)據(jù)治理模版；基于工作流編制數(shù)據(jù)治理流程并實(shí)施數(shù)據(jù)治理任務(wù)，每天動(dòng)態(tài)處理約100 萬(wàn)條數(shù)據(jù)；并對(duì)數(shù)據(jù)治理的六個(gè)節(jié)點(diǎn)按照紅、綠、灰三種狀態(tài)的進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控（紅：異常；綠：正常；灰：沒(méi)啟動(dòng)）。通過(guò)工作流自動(dòng)化數(shù)據(jù)治理，大大節(jié)約了人力成本，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量管理與安全管理的效能。數(shù)據(jù)治理總體界面如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)治理監(jiān)控系統(tǒng)總界面

3.2 BIM 數(shù)據(jù)融合可視化

基于上海市CIM 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了二維地圖服務(wù)與三維模型服務(wù)的動(dòng)態(tài)疊加，即二三維地理空間數(shù)據(jù)一體化；實(shí)現(xiàn)了交通實(shí)時(shí)路況、船舶實(shí)時(shí)位置與城市三維模型的動(dòng)態(tài)疊加，即動(dòng)態(tài)靜態(tài)數(shù)據(jù)一體化；實(shí)現(xiàn)了地下管線、構(gòu)筑物以及軌道區(qū)間與車(chē)站、城市地質(zhì)等地下三維模型與地上三維模型的疊加，即地上地下三維數(shù)據(jù)一體化；實(shí)現(xiàn)了全市白模、精模以及BIM 模型的分層分級(jí)可視化。其中BIM 數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化加載與查詢(xún)分析如圖4 ～圖7 所示。

圖4 全市白模加載

圖5 拔下白模數(shù)據(jù)

圖6 插上BIM 數(shù)據(jù)

圖7 BIM 內(nèi)部細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生背景下的數(shù)據(jù)治理是一個(gè)持續(xù)深入的過(guò)程。本文提出了一個(gè)基于CIM 平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理框架，對(duì)基于工作流的數(shù)據(jù)治理與數(shù)據(jù)可視化二個(gè)具體問(wèn)題進(jìn)行了初步研究，給出了數(shù)據(jù)治理成果，這可為相關(guān)數(shù)據(jù)治理研究與實(shí)踐提供參考。后續(xù)研究重點(diǎn)包括：

（1）傳統(tǒng)的二維空間地理數(shù)據(jù)的組織管理方法已經(jīng)很難適應(yīng)數(shù)字孿生背景下的三維數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用，需要建立面向?qū)嶓w對(duì)象的數(shù)據(jù)組織理論與方法，以有效支撐多源數(shù)據(jù)融合、抽取與分析；

（2）目前三維空間模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、社會(huì)活動(dòng)數(shù)據(jù)集成融合正在研究應(yīng)用中，但是面對(duì)數(shù)字孿生，仿真數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互融合成為發(fā)揮數(shù)字孿生應(yīng)用的關(guān)鍵；

（3）目前數(shù)據(jù)安全的理論、政策和技術(shù)的研究與突破尤其迫切，區(qū)塊鏈技術(shù)的研究與應(yīng)用將可更進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)據(jù)安全管理[29,30]，因此研究數(shù)據(jù)上鏈技術(shù)，成為數(shù)據(jù)安全管理的重要方向。