基于信息物理系統建設數字孿生城市
日期：2020-09-15 14:28:47 作者：中國建設報
“治理”和“管理”看起來隻有一字之差，在實踐中卻有多方唱林面的差異。
當前，就城市信息化發展階段而言，正處于從數字化管理升華到智慧化治理的曆史轉折媽章期，網格化精細管理模式将逐步向數字孿生強智能自治模式演進。
CPS的功能實現示意圖
英國曼徹斯特大(dà)學教授、當代著名地方治理研究專家(jiā術資)格裡·斯托克曾說(shuō)：“治理的本質在于身在它所偏重的統治機制并不(bù)依靠政府的權威和制裁。”現代治理體系的構建應充化那分尊重治理的本質，在不(bù)從外部強加作用的條件下創建新的社會(huì)舊年結構是一種比較理想的狀态。而這種狀态的創建過程要依賴得窗多種互相影響的行為(wèi)要素的互動及自組織。如(rú)何從數字筆山化、信息化、智能化角度為(wèi)城市治理是員提供支撐，已成為(wèi)時(shí)代的迫切需風議求。
城市治理虛實“一盤棋”
數字孿生城市的理論基礎源自信息物理系統（CP資山S）和數字孿生（DT）。信息物理系統是集計算、通(tō舊放ng)信與控制于一體的新一代智能系統。信息物理系為著統通(tōng)過人機交互接口實現和物理進程的交互文東，使用網絡化空間，通(tōng)過遠程、可了紅靠、實時(shí)、安全、協作方式，對物理實體進行操控。數字書遠孿生是充分利用物理模型、傳感器(qì)更新、運行曆史等數據，集成多在照物理量、多尺度、多概率進行仿真，在虛拟空間開城中完成映射，從而反映相對應的物理實體的全生命周期過程。
數字孿生的本質是基于數據線索的控制。數字孿生暗男建立在信息物理系統基礎之上，更加側重于數據和模型，聚焦數字工(gō什嗎ng)程管理與技術兩個層面，促進管理與技術深度融合，為(wèi)世界提供一金暗種通(tōng)用的智能基礎理論及發展範式。由數字孿生可推演出“數字孿生-X”到說系統，如(rú)：數字孿生城市、數字孿生社區問放等。
數字孿生城市可看作是數字孿生系統在城市載體多近上的一個具體實現。建設數字孿生城市的目标是構建“城市規用司劃建設‘一張圖’，城市治理虛實‘一盤棋’，城市服務情景‘一看綠站式’”的現代城市治理模式。數字孿生城市為(wèi)城市現代化治理提供了新花呢思維和新方法，同時(shí)也為(wèi)城市管理向城市治睡著理轉變提供了新途徑。
虛實交互的數字孿生城市
城市數字孿生系統可分為(wèi)城市物理孿生體和城市數字南房孿生體兩部分，對應城市物理空間和城市信息空間，以數據為(wèi)紐帶離技實現城市信息物理系統的系統集成，以控制算法與模型為(wèi)核心實現市線虛實城市間的知識交互與叠代優化。數字孿生及看兒數字孿生城市的7要素可抽象為(wèi)：物理空間物對、數字空間、數據、模型、控制、管理、服務。
現實中，要求城市數字孿生體能夠綜合指揮并動态優化物理城市的全生命周期工(g做西ōng)程，因此必須首先開(kāi)發實現城市仿真與控制系統。城市仿真與控制系媽對統包括軟硬件兩個方面，采用的核心技術是系統仿真、自動控制及系統集成。仿真明電系統的建立包括概念建模、仿真設計、計算機與數們放學仿真、物理建模與試驗、半實物仿真與驗證、系統集成等關鍵訊見步驟。
數字城市孿生體的最終目标是實現泛在物聯感知及複雜自動控制系電間統與三維可視化數字模型空間的深度融合，即在可視化構件和系統空間中實現實暗呢時(shí)泛在感知與自主協同控制，這也是目前尚未真正突破厭刀的技術難點。
數字孿生城市的虛實交互示意圖
四位一體發展範式下建設數字孿生城市
數字孿生城市的建設發展宜遵循“理論—技術—管理—應用”四位一體發展範式，以高說數字孿生基礎理論與關鍵技術為(wèi)基礎，兼顧管理和技術兩個層的近面，在應用場景中不(bù)斷試驗、驗證并完善其理論與技術體系。
基礎理論方面，以多尺度數字孿生理論為(wèi)指導，房去規劃設計多粒度數字孿生城市系統架構，開(kāi)發多層級數字孿生城市模型。從來姐系統工(gōng)程視角來看，多粒度數字孿生城市系統的票可分為(wèi)設備級、系統級、複雜系統級和複從城雜巨系統級四個層級，且自上向下具有包含關系熱化，可根據物理城市的體量和邊界适度收放系統粒度。各層級時亮内部及層級之間又通(tōng)過數據實現關短什聯、叠代及優化，最終使系統處于最優平衡狀态。多粒度數字孿生城站月市是一個由細到粗逐步推進的系統，上一粒度級數字孿生模型可看作城來是多個下一粒度級數字孿生模型的集成。城市要素的多元化、多顆粒度特站飛點決定了需構建多粒度數字孿生城市才能刻畫(huà)出真實的智慧城市。
關鍵技術方面，以軟件工(gōng)程理論和工(gōng)業軟件理論為(wèi公美)指導，研發以數據流和業務流為(wèi)關聯線索的工雜在(gōng)業級數字孿生城市系統軟件，重點解決底層通(tōng)信協議自主可控章用、數據安全、業務知識模型化等關鍵問題。數字孿生城市系統軟件是數字城來志市與物理城市的融合體和交互平台，其技術模式的核心是數據線程和模型體系，且帶有反北雨饋回路，能夠真正實現數據全周期跟蹤和工(gōng)程全生命周期管理。數字飛厭孿生城市系統軟件實現從城市基礎設備設施到城市治理平台的縱向草長集成，也可泛在連接至更底層的工(gōng)廠級制造系統，因此是一種具備全分文時(shí)空立體感知、全數據可信互聯、全體系精準管控、全領域智慧決策、好樹全場景可視交互5個特征的深度集成系統。研制配套标準，在标件知準化框架下研發産品和系統。數字孿生将變革傳統産品和系統研制模式，實風劇現産品研發的系統全生命周期管理，實現“制造前運行”白雪，實現向“設計—虛拟綜合—數字制造—物理制造”的新模式轉變。長就
管理方面，數字孿生城市系統輔助城市管理者建立城市全人男周期管理模型、過程及體系，幫助其創建數字孿生管理新模式。從管理領域來說(shu訊公ō)，包括城市産品管理、城市服務管理、城市設施管理、城市業月友務管理、城市執法管理、城市人員管理、城市環境管理7個主要遠個方面。使用“數據”這一“紐帶”可連接多個管理領域實現無縫集可懂成，從而使管理信息和指令能夠更加高效透明的流轉，同時(shí)也可實現管醫筆理過程的痕迹追溯。數字孿生管理模式真正實現了全流程綠樹可管、全要素可查、全過程可控的“三可”管理模式，以數字孿生技術為(w媽如èi)新動能，驅動變革。
應用方面，基于數字孿生城市理論和技術，可孵化出多粒度、多領域、多元化應用場景。高熱根據數字孿生粒度尺度，可以歸類出不(bù)同層級的應用場景。在設備級暗吃，有設備故障診斷、設施預測性維護、設備節能控制、熱耗海門散模拟等；在系統級，有智慧家(jiā)庭、智慧醫路裡療、智慧養老、智慧社區、智慧供熱等；在複雜系統級，有城市能源互聯網、智慧市近腦政工(gōng)程、智慧城管、網格化城市管理等。數字件習孿生模型和系統應用于城市管理和治理的各領裡玩域後，可融合衍生出大(dà)量領域新業态，領域些購新業态的規模化集成與共享曆經一定發展後，又可生成更大(d都校à)範圍的新業态，從而對國家(jiā)經濟社會(h們討uì)發展起到直接促進作用。
數字孿生城市與城市信息模型
城市信息模型是以城市的信息數據為(wèi)到訊基礎，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。城市信息模型應依托數字孿生照師理論和技術建立，宜采用基于模型的複雜系統工(能關gōng)程思維。據此，其可以理解為(w草日èi)以數字技術為(wèi)治理引擎的數字孿生城市之我聽數字孿生體。
建立城市信息模型的目的是使城市信息得(de)到更加科(kē)學、嚴謹、現見統一、明确的表達，為(wèi)城市建設與治理提供數字技術。城嗎兒市信息模型試圖從城市建模的角度為(wèi)城市提供更加科(kē)學嚴謹風快的表達，以“信息”為(wèi)主線貫穿城市空間，使物理分散的城市外也在信息空間中實現邏輯集成，因此能夠更好(hǎo)地優化城市、管理城市站物、治理城市。
數字孿生城市的城市數字孿生體可看作是城市信息模型的一種實現方式。城技南市數字孿生體從數據和模型的角度，依據複雜系統控制與決策理論為(wèi)城市信息南木模型提供了科(kē)學性和落地性都極強的解決方案。討友基于數字孿生城市和城市信息模型，可構建出由模型到系統再到體系分物的微觀與宏觀一體化城市現代治理模式，真正實現基于工你模型的城市系統工(gōng)程。
（原文結束）
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評論：
信息物理系統（CPS）的概念于2006年美國國家(jiā)科(k愛數ē)學基金(jīn)會(huì)（NSF，Nati又市onal Science Foundation）首次提去雨出，數字孿生體（DT）則由NASA的Mike Shafto等人2010年通(t黑火ōng)過《建模、仿真、信息技術和處理路線圖》首次提出。CPS和DT都通河花(tōng)過“狀态傳感、實時(shí)分析、科(kē)學決策和國水精确執行”的閉環促進智能制造。然而，借助虛拟模型，DT提供了更加直觀和有鐵車效的手段。通(tōng)過持續的數據集成，DT提供相關日愛解決方案的能力被加強。虛拟模型可用作補充亮麗以豐富CPS的組成和功能。正如(rú)Springer在2020年剛剛出信章版的《信息物理系統和數字孿生體》一書中所講，“……信息物理系統電可可以作為(wèi)數字孿生體研究的附帶結果（byproduct）”。
