数字孪生在智慧城市规划设计中的应用

1 未来城市

人-物理世界-数字世界，联通互通。

至今，智慧城市建设已进入3.0时代，即“数字城市&平台”。发展特征为：1）解决城市数据的竖井问题2）推动轻盈的城市业务创新3）应用中的数据汇总，回流，形成更丰富的数字资源4）城市创新生态广泛化合作。

基于智慧城市2.0所部署的城市感知、城市传感数据、城市运营业务等系统，数字孪生技术应运而生。数字孪生技术成功的应用于智慧城市的建设当中，利用BIM、GIS等技术构建与城市物理世界相对应的虚拟空间，结合大数据物联网平台和成熟的物联网技术，组成了现实空间与虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的完整系统，在虚拟空间中构造一个与之匹配、对应的“孪生城市”。

智慧城市解决方案，从感知到决策，实现了城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。决策者可快速直观的了解智慧化对城市

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环境、城市运行等状态的提升效果，评判项目的建设效益，实现城市数据挖掘分析，辅助政府在今后信息化、智慧化建设中的科学决策。

MIT（麻省理工大学）依据世界标准化组织建立的城市国际标准--城市可持续发展评估体系ISO37120、用地规划GB51037等多套体系，形成了支持城市规划与仿真的算法。城市可持续发展评估体系ISO37120是2014年5月，在全球城市峰会（Global Cities Summit）会议正式发布，经过多年来的发展，已成为城市发展的重要评估体系之一。在中国上海已经应用这套评估体系。

数字孪生可持续发展规划平台是ISO37120评价体系建立的可持续发展及宜居性评估量化指标矩阵。平台通过经济、健康、教育、用地布局、交通等17个领域一百多项相关指标，模拟仿真片区当前的可持续发展及宜居情况，并对标国际、国内同类城市类似片区的相同评价指标矩阵，实现区域的宜居性综合测算及可持续发展水平的定量描述。通过指标体系、标准体系、科学仿真三管齐下，平台可定期对市区进行全面“体检”，直观反映片区的优势、短板以及未来有利的发展方向。

1.1 城市宜居评估、规划模型

模型基于城市可持续发展体系ISO37120，是城市宜居的重要参考标准。

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目前世界上已经有200多个城市加入了其中，国内有上海已经加入，可以从城市发展的目标，找到世界城市的对标方向，借鉴先进城市的发展经验。

以某区域为例，模拟建立了一块2平方公里的区域作为未来城市规划，用ISO37120指标体系分17个领域来展示其发展状况，从屏幕可以看出这个区域的宜居指数及17个领域的指数。

区域评估页面的17个领域可以分别选择，现在我们看看教育方面的情况，可以看到电子沙盘上呈现红、黄、绿三种颜色，绿色代表合理，红色相应差一些。呈现大片红色的区域，说明该地教育指数，教育水平不够高。这时，在这一区域放置代表教育资源的模型，在屏幕上看到的3D仿真模型和数字沙盘模型是互动的，同时相应的这块的颜色就会变为

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绿色，呈现出教育情况变好的效果。可以看到，教育方面综合指数相应增高了一些。

1.2 规划用地模型

规划用地模型是将规划区内的建筑按照国家标准GB50137分为8大类，包括居住用地、商业用地、公共管理用地等等。我们先选中用地规划模型，然后可以直接在沙盘上看到每一块模型着上了不同的颜色，不同的颜色代表不同的用地类型；通过手动改变每个地块的建筑用地类型，在3D仿真屏幕上左侧的统计数据展示区可以实时看到各类建筑用地的占比情况，同时可实时的看到区域内用地分布的变化，结合这个区域已经规划好的一些建筑来找到一种最优的方案。

2 数字孪生技术的意义与价值

2.1 数字孪生在智慧城市建设中的意义

更直观、更便捷：通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成数字镜像，更利于优化设计、制造和服务。

更全面的监测：借助于物联网和大数据技术，通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。

更全面的分析和预测能力：结合物联网的数据采集、大数据的处理和人工智能的建模分析，实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

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经验的数字化：数字孪生的一大关键进步，是可以通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供了保存、复制、修改和转移的能力。

2.2 数字孪生的价值

1）展示：帮助城市及园区组建城市级仿真中心

模拟复杂城市系统、感知城市体征、监测城市活动、预测城市发展。

2）感知：实时感知周围环境、对现实空间对象同步协同。同时平台还可结合实时数据，支撑城市动态的科学仿真运用。

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3）控制：根据模型反馈的城市现状，运用运营策略调整控制指标，在前期规划阶段合理控制重点评价指标。

提高决策过程的可参与性，构建和运用包括交通、能耗、等多种城市性能模型，为城市方案作出量化评价，帮助使用者更有效地定义和达成城市愿景。

4）回溯：积累大数据资源，挖掘城市创新潜力，降低解决城市问题的容错成本。

3 数字孪生技术在智慧城市3.0时代的应用现状

3.1 杭州“城市大脑”

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杭州试点范围已达5平方公里。通过城市大脑自动调配红绿灯，让救护车到达现场时间缩短了一半，在分秒必争的急救路上，用技术为患者开出一条“绿色生命线”。而且借助城市大脑的力量，杭州目前已经实现交通信号灯的智能配置，试点区域通行时间减少15.3%。

3.2 智慧雄安规划

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在中国工程院院士邬贺铨、中国信息通信研究院院长刘多牵头组织下，中国信息通信研究院产业与规划研究所支撑了“智慧雄安”总体框架，数字城市与现实城市同步规划、同步建设的城市，两座城市将开展互动，打造数字孪生城市和智能城市。

《雄安规划纲要》在雄安新区的城市智慧化管理领域上提出：“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，打造全球领先的数字城市”、“建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”等建设内容。

3.3 虚拟新加坡平台

新加坡政府与法国达索系统等多家公司、研究机构签订协议，启动虚拟新加坡项目。模拟内置海量静态、动态数据，并可根据目的需求，实时显示城市运营状态。在三年时间内，新加坡政府累计投入7300万美元，积累了50TB的数据。

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3.4 合肥机场数字孪生试点项目

2018年11月26日，合肥新桥国际机场迎来了今年的第一千万名旅客，这标志着该机场正式迈入千万级机场俱乐部。合肥新桥国际机场数字孪生Digital Twin智慧运行项目，采用安徽民航机场集团与飞友科技等供应商共建的模式；通过传感器实现对机场运行航空器、车辆、资源的感知；并在数字空间建立机场运行模型，实现与飞机真实运行状态同步；通过业务+算法模型，结合运行历史大数据实时推荐优化资源分配、路径优化、航班协同处置及旅客服务。

3.5 福州滨海新城试点项目

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依托“数字福建”，福州2017年2月启动滨海新城建设，一周年后完成核心区城市设计、森林城市建设总体规划等30个专项规划，并先后启动了两批136个重点项目，预计总投资将达2300亿元。

作为福州中心城区副中心，滨海新城地处长乐国际机场以南、松下港以北，规划面积188平方公里，规划人口130万。致力于建设为区域的科研中心、金融中心、交通枢纽，发展为国际化新城、居住及产业新城，打造新型智慧城市，响应数字中国建设。

基于“数字孪生”，福州滨海新城开创了“规建管一体化”的城市建设新范式。整体系统规划为：“三云一平台”，即城市规划云、城市建造云、城市管理云和基于BIM+3DGIS的城市空间信息云平台。

3.6 南京江北新区建设数字孪生城市

以“智慧”为导向，江北新区正在建设城市发展的高级形态——数字孪生城市。现有的城市智能大多局限在智慧交通、人脸识别等单一领域。江北新区的数字城市，和物理城市同步规划、同步建设。

从地下建设开始，物理城市所有的建筑、道路、设施以及物件、事件都有相应的数字虚拟映象，从而实现从规划、建设到管理的全要素、全过程的数字化。“智慧”导向体现在新区智能工地管理中；体现在政务云数据中心、全程电子化审批中；体现在医疗卫生领域，就是医生精准掌握病人全生命周期健康状况；体现在教育领域，就是教育者知晓每位孩子心理、健康和学习状况，智能预警、推动个性化教育。

4 亦城科技中心试点项目进度汇报

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结合数字孪生技术，亦城科技1号楼作为试点项目已进行模型建设工作，目前已完成物联网基础数据结构可视化工作。楼宇3D模型建设中，从建筑信息指导设备设施运维、能源数据、办公环境指标、行为分析、物资定位、隐患预警等方面进行结构建设。

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