城市数字孪生应用场景实例

来源：《数字孪生系统设计与实践》

丁盈 朱军 王晓征

在科技飞速发展的时代背景下，互联网新兴技术对传统行业产生了巨大的冲击，实体展馆作为传统文化的传播载体也受到了影响，智慧展馆的出现将改变现有问题，智慧展馆能够优化实体展馆的展示方式，和现实数字展馆互相配合，为展馆的展示提供了全新的科技感、沉浸感。

智慧展馆有数字沙盘、全息投影、弧幕/球幕/环幕投影、AR、VR等手段的应用，使展览主题与展览的整体策划、项目执行与管理以及品牌培养等要素达成协同效应。如图13-3所示为某智慧展馆案例。

智慧展馆对场景或物体进行真实的“三维重现”，融合了720°自由度全景照片、遥感影像、3D模型、3D立体投影等多项虚拟现实技术和多媒体技术，实现强大互动。三维场景还原了实际展厅中的布置，在智慧展馆中亦可直接结合声音、视频等多媒体元素。展厅更生动形象地展现给观者，营造全新的体验方式。浏览智慧展馆，极具沉浸感，体验更丰富。

     

图1 智慧展馆

从运营商重保切入体育赛事、大型展会、数字展馆，以5G、视频、物联网为触点和抓手，通过打造城市数字孪生场景，实现人流、消防、应急、能耗监测等应用，实现在特定空间场景下、面向特定人群的识别、连接、推送和撮合，打造智能化服务和增值业务。通过室内室外三维空间场景建模，融合物联网、视频采集、实时定位等感知数据，帮助场馆和赛事运营方，实现基于主题事件的高效数字化运营工具，支撑对人流监测、消防预案演练、应急疏散模拟、能耗异常监测、客群偏好识别、精准营销等业务需求。

智慧矿山是一个汇聚了多学科、多主题、多维空间信息的复杂系统，是在矿山地表和地下开采矿产资源的工程活动中所涉及的各种静、动态信息的全部数字化管理，智能分析，可视化展示，实时采集矿山安全监控、人员位置监测、视频监控等数据，建成一个连接各级用户、各类角色的矿山安全生产综合信息系统，从而实现降本增效，实现企业利益的最大化。

智慧矿山信息化是将移动互联网、物联网、云计算、大数据技术、虚拟化技术、RFID技术等信息技术应用于此，建设相应的信息系统，实现智能矿山互联化、物联化、数字化、感知化和智能化，从而确保智慧矿山安全生产，提高智能矿山生产效率，促进智能矿山更快更好地发展，迈向无人矿山、安全矿山、绿色矿山。

其中智慧矿山的地质数据是三维地质建模的基础和前提，也是实际项目中矿山资源评估和采矿设计的基础。地质数据一般主要以工程钻探形式获得，通过钻孔来获取基本岩性信息和取样分析数据，从而获得详细的地层信息，如地层年代、地层名称、地层厚度、岩石名称、岩性描述、底界深度等。如图2所示为某智慧矿山平台案例。

     

2 智慧矿山平台案例

可视化图表和动画效果，集成供水、通风、运输、掘锚机运作及井内三维漫游画面，形象地对井下多元应用场景进行详尽的数据解释。可融合智能感知设备数据，实现对矿井的生产环境、工作视角、设备分布、工艺流程、产量走势、巷道划分、设备运行实时状态的真实复现，达到矿井上下透明化管理的目的。

三维立体的巷道监管效果，有利于改善矿山环境及工程实施设计，能将巷道工程变迁情况客观无误地记录和展现。可视化巷道的搭建由点—线—面—单个巷道—多个巷道过渡延伸。单击按键可随意切换工作区视角和井内视角，方便运维人员从不同角度观察到每条巷道的名称、视点位置、设备分布及对应的数据。巷道内部漫游设有前进、倒退等功能，易于实时了解视点位置。如图3展示了智慧矿山场景构建的过程。

     

图3 智慧矿山场景构建

随着互联网技术的不断发展，作为增值电信业务的重要组成部分，IDC（互联网数据中心）的作用日益突出。对于相关企业而言，遍布全国的IDC是其重要的运营资产，具有极高的资产价值。但在IDC建设和运营过程中，同一经营者内部依然面临许多规范化问题。IDC建设位置分散，往往分布在各个省域，由各地所属公司自建，不易统一管理。IDC机房的信息管理系统数据项目繁多但彼此独立，造成数据孤岛，难以共享。各IDC中心同功能信息系统的建设厂家不同，数据标准不统一，数据模型和数据接口各异，不利于数据的收集和决策分析。为解决多区域IDC的统一管理问题，需要在各IDC之上另行构建统一的信息管理平台。为消除数据孤岛，该信息管理平台应具备与各数据中心自有信息管理系统的数据对接能力。为解决数据标准不统一的问题，提升数据收集、数据分析效果，需要构建普适性的IDC数据模型。

随着智慧城市大规模数据中心的升级建设，数字孪生、数字线程和5G等新技术的涌现和应用，全球迎来数字化时代，同时为传统机房管理带来新的挑战：

● 告警监管隐患。机房缺乏预警，异常难以实时把控，普通机耗费人力物力，巡检频率低，问题难以及时发现。

● 电气安全隐患。电源电流异常，电压不稳定，UPS断电，线缆温度过高。

● 环境安全隐患。环境温度超过设备承载温度，造成明火事故、环境漏液或漏水，引发电路短路，空气湿度异常引发安全隐患。

● 安防安全隐患。机房门禁不严，信息泄露，线路被拔除、改接或破坏。

● 运营成本高。机房巡检压力大，人力成本高，不能及时发现问题。

● 资产管理时效性低。设备资产数量庞大、种类众多，传统的表格式管理方式效率低下、实用性差。

● 预警能力不足。没有实时统一的预警机制，无法对系统的风险预警及时响应。

● 配套不足无法实时掌控。配套设施部署不足，不能全面精准、实时获取关键IT设备的环境监控数据，无法精确掌握每一台服务器的实时运行状况。

● 运维管理难度大。运维管理子系统众多且信息孤立，操作不方便，数据多为人工统计，缺乏客观说服力，运营效率低，很难为机房维护改造提供依据。

● 数据信息可读性低。数据报表泛滥，数据不直观，可读性低，无法快速有效地传递关键信息。

通信运营商通过对网络、空间和客户等真实实体的数字孪生，实现更加实时、敏捷、高效、可仿真、可预测的网络运营服务。智慧3D机房数字孪生为智慧城市带来新的基础设施管理能力。

（1）酷炫模型立体展示。3D图像可视化，扭转由于二维信息维度不足而导致的数据与报表泛滥问题，切实提升监控管理水平。

（2）自动化监控统一管理全天候检测。自动化监控管理，多系统多设备统一接入，减少维护人员；24小时全时巡检，发现异常可通过7种告警方式实现实时告警，全面保障环境安全。

（3）安全风险实时预警。实时监控动环设备的报警信息，快速定位报警设备，缩短设备检修时间。

（4）全面分析准确评估。多维度数据查询，报表分析，为机房维护及规划升级改造提供可靠的依据。

数字孪生3D机房，以3D虚拟化技术和物联网技术为基础，以数字化、可视化、自动化和智能化理念为目标，构建一体化、沉浸式的智能机房实景监控管理系统。基于三维场景及集成的智能楼宇管理系统，以直观、动态的形式展示机房环境及机房内所有智能设备的空间分布及工况，统一连接机房设备、系统，对智能设备进行远程开关操作；以高亮、动画的形式展示机房管线的布置及走向；以悬浮框的形式展示机房内智能实时监测、告警信息；以图表等形式展示机房空间、电力、承重等容量信息统计。3D机房可视化监控管理可以在做好资产管理的同时，借助可视化平台进行展示与分析，整合集成现有监控工具的监控能力与监控数据，更直观地掌握数据中心的整体情况，对数据中心、机柜、服务器、网元应用、业务系统等逐层钻取、量化分析，从而更便捷地提升IT管理效率，更好地进行规划指引。如图4所示为某智慧机房案例。

     

图4 智慧机房

系统主要功能模块包括：

（1）动力监测可视化。支持实时市电参数（市电压、电流、频率、功率等）监测；支持配电开关状态监测；支持USP参数（输入输出电压和电流，各部件运行状态）监测；支持蓄电池组参数（电池内阻、电压、温度、鼓包、充放电电流等）监测。

（2）环境监控可视化。支持机房环境温度、湿度、烟雾监控；支持机房漏水监控；精密空调运行状态及参数监控，并能远程开关机；支持普通空调运行状态、温度、模式、来电自启动等监控；支持新风机运行状态监控，并能远程开关机。

（3）防监控可视化。支持门禁监控，对机房人员进出监控记录；支持视频监控，通过视频抓拍全面检测机房实时情况；支持消防监控，对消防设备信号状态实时监控；支持防雷监控，对防雷器干接点报警状态进行监测。

（4）网管监控可视化。支持服务器各参数（CPU、内存、硬盘使用率、网络状态等）检测；支持路由器实时状态（端口状态、流量、连接状态、WAN口流量、运行时间等）检测；支持交换机各参数（交换机端口、连接状态、网络流量、运行状态等）检测；支持实时告警，对设备、环境及系统告警进行实时直观显示。

（5）机房能耗分析。支持机房电源、电池室、电源室、列头柜、空调等电力设备能耗分析；支持对网络设备、服务器及其中业务系统、业务进程进行逐层钻取、能耗分析；支持根据能耗分析结果进行3D热力图直观显示。

智慧楼宇是以建筑物为平台，以通信技术为主干，利用系统集成的方法，将计算机技术、网络技术、自控技术、软件工程技术和建筑艺术设计有机地结合起来，打通各个孤立系统间的信息壁垒，使楼宇成为一个信息互通的智能主体，实现对楼宇的智能管理及其信息资源的有效利用。

通过数字孪生技术对楼宇建筑外观、建筑内部空间结构和主要管理设施设备进行全要素可视化，对空间资源使用情况和环境数据进行综合可视化分析，提高园区空间利用效率。根据实时能耗监控数据，在园区数字孪生场景中综合展示空调、电梯、照明、供水、通风、通信、安防、机房等各项耗电情况，包括分类统计面板、分区统计面板和历史趋势图表等，使管理能够准确掌握能源成本比重和发展趋势，制定有的放矢的节能策略，辅助园区节能减排规划。借助图像识别技术，集成视频监控、消防管理、环境监控等系统，提供告警处置联动机制，提升园区应急管理的反应速度。提供实时显示人员在园区和楼宇中空间位置及相关信息的能力。系统能实时展示人员活动轨迹，可调取附近监控视频查看现场真实情况。

此外，系统还能展示园区内人员分布情况以及显示人员停留是否超时等信息，从而满足疫情防控和特定办公场地安全保密等管理需求。集成室内室外空气质量监测系统和温湿度监测系统，在三维场景下提供实时监测和显示数据信息的能力。可以根据环境监测的告警阈值，用醒目颜色直观展示一定区域\楼层空气质量和温湿度超标情况。如图5所示为亚信大厦智慧楼宇。

     

图5 智慧楼宇

智慧水务是指以网络为基础、平台为核心、安全为保障，运用云计算、大数据、5G、AI等新一代信息通信技术，通过顶层规划、分步实施，实现业务与数据双驱动的水务数字化建设。智慧水务支撑水务数据弹性扩容与业务灵活集成扩展，保障“从源头到龙头”的生产、监控、调度、营收、客服、运营、运维等各个环节实时安全可控，全面提升水务管理的效率和效能，优化服务品质，并使水务运营持续产生价值，赋能水务公司完成新业务、新模式、新业态转变与创新。

智慧水务具备智能感知、系统协同、智慧管理、服务优质等特征，可更好地实现城市供水系统安全、稳定、可靠运行，提高城市水系统管理水平和运行效率，是中国水务行业向智慧化的方向发展的必然趋势。如表1所示为智慧水务应用场景。

表1 智慧水务应用场景

智慧水务聚焦供水安全保障与水务精细化管理，以新技术应用带动水务信息化技术水平的全面提升，在生产管控、业务协同、经营与财务管控、用户服务等重点应用系统建设中充分发挥数据价值，结合供水工艺知识体系与业务知识体系，全面提升行业服务水平，通过数字化、标准化、精细化支撑供水业务的运行监管、调度指挥与决策支持，初步建成城市级水务智慧化支撑体系。

1．构建水务感知体系，实现生产精益化

充分利用物联网、无人机、视频监控等技术和手段，构建一体化水务感知体系，提升监测、预警能力，提升供水水质综合达标率，大力提升供水安全、供水服务等管理能力和服务效能，为市民创造出更加优质的供水、用水、饮水环境，提高居民生活饮用水安全保障水平。同时，通过智能调度、智能加药、生产管理等系统，平衡供水能力与用水需求，实现药剂的精准计算与投放、水资源的合理分配、设备的最优搭配，大大提升能源利用率，降低能耗，实现水务生产精益化。

2．融合技术应用发展，辅助决策科学化

融合新一代信息技术，加强水务信息化基础设施、数据资源、业务系统整合与成果复用，实现全面互联和充分共享，强化大数据、人工智能等技术在智慧水务中的应用，提升预测预警、分析研判能力，改善供水企业的管理现状，使得供水企业的运营与管理更加智能化，进而提升企业的运营效率，提高供水的安全性能。促进业务流程优化升级和业务模式创新，提升水务的精细化治理水平与综合智能决策能力。

3．打通数据业务壁垒，达成管理协同化

智慧水务建设需实现网络覆盖和云能力支撑，通过对各子系统的数据与业务打通，实现时间、空间和功能结构的重组，使各级行政主管部门“人—机—物”联通协同，构建水务的“神经网络”，提升资源整合能力和水务跨部门、多层级的协同联动能力。解决“信息孤岛”“数据孤岛”和“应用孤岛”三大问题，实现信息的协同、数据的协同和业务的协同，充分发挥智慧水务的“战斗力”。

4．搭建用户沟通桥梁，转型服务主动化

依托智联基础设施体系构建的智慧水务“神经末梢”，实现水务信息的及时感知与预报预警，当供水事故发生时，实现从“断水主动报警”向“智能信息提示”转变，实现服务主动化。同时，利用移动终端和互联网为市民提供一站式涉水业务服务，搭建与居民之间的桥梁，充分改善了传统供水公司、政府机构、用户之间的交流方法，提高用户服务便捷度，为用户提供更加便捷、更加高效、更加舒适的供水服务。

5．数字孪生在智慧水务中的价值

（1）数字孪生技术构建天空地一体化水利感知网。

利用传感、定位、视频、遥感等技术，扩大江河湖泊水系、水利工程设施、水利管理活动等监测范围，补充完善监测要素和内容，实现感知物联化。

（2）数字孪生可视化推进国家水网智能化改造。

聚焦水利基础设施安全可靠和高效运行，推进传统水利工程向新型水利基础设施转型，加快已建水利工程智能化改造，推进数字孪生工程建设，不断提升国家水网工程智能化，全面提高国家水网智慧化调度、控制与安全保障水平。

（3）数字孪生平台建设常规应急兼备水利通信设施。

以卫星通信应用为重点，依托国家公用通信网络，优化水利通信专网，加快北斗卫星导航系统行业应用平台建设，推广北斗短报文应用，施行在线监测站点卫星通信和储能电源“双备份”，探索5G、低轨卫星通信应用，全面提升水利基层单位和监测站点应急通信能力。

（4）数字孪生系统完善泛在互联水利业务网。

采用依托国家电子政务网络、租赁公共网络、卫星通信等方式，全面应用基于IPv6的新一代5G、微波、卫星通信等技术，广泛应用软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）优化网络结构，升级改造网络核心设备，增强资源动态调配能力，构建覆盖水利部本级、流域管理机构、省（自治区、直辖市）、市、县以及各类水利工程管理单位、相关涉水单位全面互联互通的水利业务网。

（5）数字孪生方案建设多算力融合水利云。

按照“集约高效、共享开放、安全可靠、按需服务”的原则，建设公有云和专有云有机统一的水利云，形成逻辑一致、服务统一、物理分散的基础设施资源格局，为智慧水利提供“算力”。

（6）数字孪生PaaS平台搭建集约高效基础环境。

充分整合利用已有基础设施资源，进一步优化完善水利会商中心和视频会议系统，开展设备设施升级换代，搭建集约、高效的基础环境。

以数字孪生平台作为技术底座，将管理、人员、设备管理等系统融为一体，打造“数字乡村一张图”，通过各种传感器和数据收集设备，收集乡村现有数据，通过“一张图”的形式从村情一览、生态环境、产业资源、社会综治、基层党建五个维度进行可视化展示。如图6所示为基于数字孪生平台构建的数字乡村应用。

     

图6 数字乡村实践

● 数字孪生乡村：深度融合GIS、BIM、新型测绘技术以及边缘AI能力，打造高逼真、可视化、虚实互动的虚拟乡村，实现乡村三维实景动态治理，为乡村布局调整、乡村运营管理、新产业发展提供了身临其境的可视化工具。

● 智慧农业：平台集成物联网智能灌溉控制系统，实现用户管理、水卡发行、水权分配、水权交易、水费计收、远程灌溉等功能，提升南屯村农田种植经济效益。

● 乡村旅游：为红色旅游资源提供身临其境的线上体验环境，通过“重走长征路”等场景感受红军长征精神。

● 社会综治：结合物联网、大数据等技术与基层治理深度融合，对基层民生事件提供风险告警、预警、矛盾闭环跟踪处理能力，对乡村风险预防、打击犯罪、保障人居安全提供技术支撑。