創(chuàng)新時(shí)空智能耦合技術(shù) 賦能數(shù)字孿生城市建設(shè)|當(dāng)前動(dòng)態(tài)

鄔倫

北京大學(xué)教授、國(guó)際歐亞科學(xué)院院士

摘要:

(資料圖片僅供參考)

城市是像人體一樣的運(yùn)行體、有機(jī)體、智能體。新一代的智慧城市建設(shè),需要融合3S(3S是遙感(RS)、“全球定位系統(tǒng)”(GPS)和“地理信息系統(tǒng)”(GIS)3項(xiàng)技術(shù)的集成)、社會(huì)感知、物聯(lián)感知、CIM/BIM、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等方法,創(chuàng)新時(shí)空智能耦合與城市數(shù)字孿生技術(shù),重點(diǎn)強(qiáng)化建設(shè)城市泛在感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力、虛實(shí)結(jié)合雙向映射與數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)發(fā)現(xiàn)能力、全生命周期模擬仿真能力、以及綜合態(tài)勢(shì)研判與智慧管理決策能力,進(jìn)而構(gòu)建時(shí)空智能體使城市治理全過程、全要素、全方位、全時(shí)空得以智能化提升,以達(dá)到新時(shí)期城市治理“一網(wǎng)統(tǒng)管”和“人民城市為人民”的新高度。

正文:

2023年《數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局規(guī)劃》發(fā)布,要求數(shù)字化建設(shè)要從單點(diǎn)突破到體系化發(fā)展。城市是構(gòu)成“數(shù)字中國(guó)”建設(shè)的重要基礎(chǔ)單元,新一代的智慧城市建設(shè),要通過“數(shù)字孿生”技術(shù),對(duì)物理城市的人、物、事等數(shù)字化,塑造出與之對(duì)應(yīng)的虛擬城市,強(qiáng)化虛實(shí)之間的雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)聯(lián)系。

“數(shù)字孿生”是智慧城市的新階段、新模式和新高度,將城市作為像人體一樣的運(yùn)行體、有機(jī)體,通過全面實(shí)時(shí)感知與虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)聯(lián)映射,使我們能更深刻及時(shí)地刻畫和理解城市狀態(tài)及規(guī)律,走出只有局部沒有綜合、缺乏時(shí)空耦合與預(yù)見性造成的“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”、“事后諸葛亮”等決策困境,實(shí)現(xiàn)由靜態(tài)信息向動(dòng)態(tài)體征,由被動(dòng)響應(yīng)到主動(dòng)預(yù)防,由片面事務(wù)到系統(tǒng)綜合的創(chuàng)新發(fā)展,達(dá)到科學(xué)決策、精細(xì)及時(shí)的城市建設(shè)、智慧管理與運(yùn)行服務(wù)新境界,更好地實(shí)現(xiàn)人民城市為人民的發(fā)展目標(biāo)。

因此,需要重點(diǎn)強(qiáng)化新一代城市感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、新一代城市信息骨骼、新一代城市態(tài)勢(shì)分析腦、新一代城市協(xié)同運(yùn)行腦四個(gè)方面的能力建設(shè)。

新一代城市感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):立體化的廣義時(shí)空感知網(wǎng)

在萬物互聯(lián)全面感知的時(shí)代,打造由遙感、社會(huì)感知、物聯(lián)感知及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)等構(gòu)成“廣義時(shí)空感知網(wǎng)”,實(shí)現(xiàn)智能的城市信息采集與監(jiān)控,使城市具備泛在感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。(見圖1)

圖1空天地一體化泛在感知網(wǎng)示意圖

其中,遙感網(wǎng)已形成包括衛(wèi)星、航空(含無人機(jī))、地面系統(tǒng)的天空地一體化立體對(duì)地觀測(cè)體系,可快速獲取地球表層空間與地表物體相關(guān)信息,對(duì)城市區(qū)域整體及部件的空間位置、展布形狀、物理性質(zhì)狀態(tài)及其動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行多維、多尺度、多時(shí)相的,在宏觀尺度建立全覆蓋城市的連續(xù)空間感知;社會(huì)感知以人作為最小粒度的感知單元,以各類手機(jī)定位、社交媒體、出租車軌跡、公交刷卡等地理空間大數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,基于并擴(kuò)展GIS空間模型和分析方法,通過數(shù)據(jù)融合、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段,提取人的時(shí)空行為模式,反演人文及社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的地理空間特征,例如:基于每天數(shù)百億點(diǎn)的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),可以挖掘城市人口分布格局、人口移動(dòng)等多方面信息,而基于手機(jī)信令數(shù)據(jù)的研究實(shí)例揭示了蟻?zhàn)宕迦巳夯顒?dòng)規(guī)律并優(yōu)化了公交出行(見圖2);物聯(lián)感知?jiǎng)t是強(qiáng)化了對(duì)城市局部或個(gè)體的細(xì)節(jié)物理參數(shù)的精細(xì)感知。依托全方位遍布的傳感器和智能設(shè)備組成的“廣義感知網(wǎng)”,基于空間區(qū)塊鏈,城市實(shí)體物理感知與人文經(jīng)濟(jì)社會(huì)感知相結(jié)合,對(duì)城市全空間開展多維、多尺度的動(dòng)態(tài)感知和定量監(jiān)測(cè);建設(shè)新一代“通導(dǎo)遙”一體化的泛在感知與傳輸網(wǎng)絡(luò),為形成城市中物與物、人與物、人與人的全面互聯(lián)、互感、互動(dòng)提供支撐。

圖2社會(huì)感知應(yīng)用研究案例

新一代城市信息骨骼:基于CIM/BIM數(shù)字底座的信息聚合大數(shù)據(jù)中臺(tái)

打造基于BIM/CIM數(shù)字底座的信息聚合大數(shù)據(jù)中臺(tái),把泛在感知獲取的各種有序/無序、空間/非空間、結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),有效地建立起時(shí)空關(guān)聯(lián),使城市具備虛實(shí)結(jié)合雙向映射與數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)發(fā)現(xiàn)能力。構(gòu)建基于統(tǒng)一時(shí)空格網(wǎng)的通用可交換時(shí)空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)基于RS+IS+SS多模態(tài)“一網(wǎng)通感”的統(tǒng)一的智慧城市數(shù)字底版;加強(qiáng)基于AI的數(shù)據(jù)特征挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)能力,特別是基于生成式AI技術(shù)(如GPT技術(shù))的數(shù)據(jù)補(bǔ)全、增強(qiáng)能力建設(shè),以有效知識(shí)取代原始數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)中臺(tái)服務(wù)。

例如,蘇州中心廣場(chǎng)基于室內(nèi)外一體化CIM/BIM數(shù)字底座的視頻數(shù)據(jù)聚合實(shí)例,通過三維空間無縫融合與智能分析,實(shí)現(xiàn)了視頻人群個(gè)體實(shí)時(shí)識(shí)別與空間定位疊加、多視頻人群空間信息融合與實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)、人流量時(shí)空分析與預(yù)警等智能應(yīng)用場(chǎng)景。(見圖3)

圖3基于CIM/BIM數(shù)字底座的視頻數(shù)據(jù)融合分析案例

新一代城市態(tài)勢(shì)分析腦:強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù)與模型庫(kù)

基于云計(jì)算和AI實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘/融合分析與知識(shí)發(fā)現(xiàn),形成知識(shí)庫(kù)、知識(shí)圖譜和模型庫(kù),使城市具備全生命周期模擬仿真能力。加強(qiáng)以數(shù)字底版中的數(shù)據(jù)和知識(shí)為基礎(chǔ)、對(duì)接統(tǒng)一數(shù)字底座、可移植性強(qiáng)的城市各子系統(tǒng)過程仿真模型庫(kù)建設(shè)。例如,基于強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù)與模型庫(kù),可以進(jìn)行城市河流污染的動(dòng)態(tài)模擬、洪水預(yù)測(cè)模擬、傳染病蔓延時(shí)空過程模擬等(見圖4),提升城市態(tài)勢(shì)分析從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從單一路徑依賴到多目標(biāo)多情境預(yù)見的能力。

圖4基于模型庫(kù)的城市河流污染、洪澇與泥石流等災(zāi)害模擬預(yù)測(cè)

新一代城市協(xié)同運(yùn)行腦:智慧城市智能決策平臺(tái)

提供及時(shí)甚至有預(yù)見性的快速響應(yīng)和協(xié)同調(diào)度/控制,實(shí)現(xiàn)城市系統(tǒng)高效運(yùn)行,使城市具備綜合態(tài)勢(shì)研判與智慧管理決策能力。打通數(shù)字孿生智慧城市“感知-仿真-干預(yù)-反饋”全流程,建立“一網(wǎng)統(tǒng)管”的智慧城市全生命周期智能決策平臺(tái)。以城市運(yùn)行指標(biāo)體系為基礎(chǔ),面向多時(shí)段、多區(qū)域的運(yùn)行管理監(jiān)測(cè)要求,構(gòu)建多層次、多主題的指標(biāo)數(shù)據(jù)采集、集成系統(tǒng);以空間聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)為手段,建立城市運(yùn)行指標(biāo)數(shù)的展示、監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng);以動(dòng)態(tài)分析、靈活指揮為要求,建立城市運(yùn)行的指揮協(xié)調(diào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)城市轄區(qū)全覆蓋的動(dòng)態(tài)運(yùn)行智慧管理。

北京大學(xué)與華為2012實(shí)驗(yàn)室合作,創(chuàng)新了時(shí)空耦合數(shù)字孿生技術(shù),探索性提出城市時(shí)空智能體解決方案?；贕eoSOT網(wǎng)格編碼,構(gòu)建城市人、事、地、物的“時(shí)空智慧孿生引擎”,按照行政管理、職能、空間三個(gè)維度劃分形成數(shù)字孿生立體網(wǎng)格化框架和時(shí)空信息關(guān)聯(lián),通過城市孿生對(duì)象時(shí)空語(yǔ)義感知和挖掘、基于大數(shù)據(jù)融合分析的指標(biāo)化場(chǎng)景和高性能穿透式朔源查詢,構(gòu)建起跨部門跨層級(jí)的立體網(wǎng)格化城市管理新模式,全面實(shí)時(shí)掌控城市運(yùn)行態(tài)勢(shì),顯著提升決策效率和優(yōu)化決策水平。

“數(shù)字孿生”已不僅是一種技術(shù),更是智慧城市發(fā)展的新模式、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新路徑、推動(dòng)各行業(yè)深刻變革的新動(dòng)力。數(shù)字孿生已成為城市新基建的重要構(gòu)成,城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、管理與服務(wù)全生命周期的虛實(shí)映射和孿生交融,將帶動(dòng)城市治理全過程、全要素、全方位智能化邁上更高臺(tái)階;“數(shù)字孿生”與數(shù)字經(jīng)濟(jì)的結(jié)合,將進(jìn)一步推進(jìn)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展。

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