数字孪生城市：从全域感知到智能决策

来源：《数字孪生系统设计与实践》

丁盈 朱军 王晓征

数字孪生城市技术架构复杂，由数字化标识、自动感知、网络连接、协同计算、新型测绘、3D建模等多种信息技术体系综合支撑，每一种技术的发展与变革都会影响数字孪生城市建设过程。全域感知体系、边缘计算、5G、人工智能等基础技术的日趋成熟是构成数字孪生城市的基石，实现采集更多更准确的物理城市信息的能力、更快的信息交互能力、更完善的数据处理整合水平以及更优化的决策能力，将推动数字孪生城市的落地建设与成熟。

数字孪生城市依靠数据驱动，需要精确的城市运行信息，全域感知体系是数字孪生城市运行的基础。城市地理信息和三维实景数据等城市基础空间信息在激光扫描、航空摄影、移动测绘等新型测绘技术运用下，能更高精度地采集并更新到城市模型中。城市动态运行信息的收集需要依靠物联网实现全域感知。在信息传感器、射频识别、全球定位、红外传感器等装置，实时采集需要监控、互动的人、事、物的基础上，全域物联感知和智能化设施的发展，能利用多种类设备接入系统并进行数据处理，支撑智能化应用，提升物联感知粒度和数字孪生城市的精细化程度。

边缘计算提供低成本、低时延的存储和计算服务，加速智能化基础设施建设。在多功能杆柱或公共基础市政设施上可装备小型边缘计算节点设备，中型节点设备可放置在城市运营商接入机房。边缘计算节点连通下端感知盒和上端云计算中心城市，利用MEC的计算、存储能力，满足视频监控等低成本物联网终端接入、低时延等要求，缓解核心网数据传输、处理压力，提升网络智能化水平。

5G高性能通信网络从多层面优化数字孪生城市建设。网络连接端、5G作为数据采集、传输、处理、输出的重要媒介，将数字孪生城市推入一个新进程。与4G相比，5G性能大大提升：数据传输速率提高约100倍、延迟降低30～50倍、移动性增加1.5倍，同时降低成本、节约能源、增加系统容量。这些技术优势将在数据采集与处理的基础上，从以下四个方面大力推动数字孪生城市建设。

●“5G+AIoT”基础设施升级：5G将提升智能硬件基础设施和感知环境变化能力，推动智慧路灯、智能充电桩等建设。

●“5G+MEC”技术融合加速：5G作为底层技术，加速融合云计算、大数据、边缘计算、物联网等核心技术，实现万物互联。

●“5G+IOC”数据资源传输：5G推动建立人、事、物之间的泛在连接，推动传感器和智能终端的普及，将物理城市的信息导入数字城市。

●“5G+行业创新”场景应用：5G商用将推动数字经济发展，推动AI、VR前沿技术落地，在多个垂直行业加速城市创新应用。

人工智能技术在数字孪生城市架构中多层部署，是提升城市管理运营优化的关键。建立数字孪生城市的目的是利用数字城市更高效、准确地实现城市规划、管理、运营能力，提升居民幸福感。在数字城市拥有海量视频、音频、图像等信息数据的情况下，单靠人力是不能达成城市管理决策的，因此需要多层次部署人工智能，依靠人工智能深度算法、开源框架软件体系、AI芯片等人工智能技术实现全域信息分析处理、智能管理决策、协同调度等应用。

●计算机视觉：图像分类、目标跟踪、语义分割等对目标图像的提取、分析、处理。

●机器学习：根据城市真实的运行数据，使用算法解析和学习数据，在虚拟城市中做出决定或预测。

●知识图谱：构建用来描述物理城市的定义、概念及相互关系的结构化语义知识库。

时空人工智能是人工智能领域的新型创新应用技术，指利用时空算法叠加AI，对城市等多源异构数据进行时空化治理和融合，在数字孪生城市模型搭建过程中起重要作用，能提供城市高精度全景图像，通过智能化算法对城市运行状况进行分析和判断。