數字孿生應用前景廣闊

　　作者：李德仁（中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授）

　　城市是人類居住的主要場所，也是人類文明的結晶，是社會政治、經濟和文化的載體和中心。從信息化到智能化再到智慧化，是建設智慧城市的必由之路，前景廣闊。

　　一般認為，數字孿生是充分利用物理模型和物聯網傳感器采集的全生命周期的運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成映射，從而反映相對應的實體對象全生命周期過程。物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。因此，數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑，為觀察、認識、理解、控制和改造物理世界提供了一種新的有效手段。

　　基于數字孿生的智慧城市，就是通過構建物理城市世界、網絡虛擬空間的一一對應、相互映射、協同交互的復雜系統，在網絡空間再造一個與之匹配、對應的“孿生城市”，實現城市全要素數字化和虛擬化，城市全狀態實時可視化，城市管理決策協同智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發展新格局。

　　建設基于數字孿生的智慧城市，要解決五大問題。一是在物理實體維度，實現城市多源異構物理實體的智能感知與互聯互通，實時獲取物理實體對象多維度數據，從而深入認識和發掘相關規律和現象；二是在虛擬模型維度，構建城市動態多維多時空尺度高保真模型，保證模型與物理實體的一致性、真實性、有效性和可靠性，實現多源多學科多維模型的組裝與集成；三是在孿生數據維度，實現城市海量大數據和異常小數據的變頻采集，實現全要素、全業務、全流程多源異構數據高效傳輸，以及信息物理數據的深度融合與綜合處理，孿生數據與物理實體、虛擬模型、服務應用的精準映射與實時交互；四是在連接與交互維度，實現城市跨協議、跨接口、跨平臺的實時交互，以及數據—模型—應用的迭代交互與動態演化；五是在服務與應用維度，基于多維模型和孿生數據，提供滿足不同領域、不同層次用戶、不同業務應用需求的服務。

　　通過解決上述科學問題，基于數字孿生的智慧城市將具備以下特征：精準映射，通過空中、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設，實現對城市道路、橋梁、井蓋、建筑等基礎設施的全面數字化建模，以及對城市運行狀態的充分感知、動態監測；虛實交互，在城市實體空間可觀察各類痕跡，在城市虛擬空間可搜索各類信息；軟件定義，針對物理城市建立相對應的虛擬模型，以軟件的方式模擬城市人、事、物在真實環境下的行為；智能反饋，通過在孿生城市上規劃設計、模擬仿真等，將城市可能產生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險進行智能預警，并提供合理可行的對策建議。

　　數字孿生城市應用前景廣闊。智能電網數字孿生服務，利用電力系統物理模型、先進計量基礎設施和電力系統歷史數據，反映智能電網的全生命周期過程；城市智慧交通運營大腦，能優化交通突發事件處理流程，降低城市擁堵；基于室內外一體化的多元高精度定位技術，可實現疫情常態化下的精準防控，避免大規模防控造成的經濟損失，相關技術還能應用于公共安全領域和大健康產業。

　　數字孿生城市也不是萬能的�，F實城市存在的基礎設施、生態環境建設以及教育、養老、醫療等民生問題，不能僅依賴數字孿生技術解決。在建設智慧城市道路上，需要積極推進物理空間和網絡空間共同建設，在新型城鎮化建設中，要加強對物理空間的城市研究，做好城市規劃、改造升級和科學管理，讓我國智慧城市建設沿著真正實現數字孿生的智慧城市方向闊步前進。