计算机数字孪生在城市规划与管理中的应用研究.pdf

183 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT0 引言进入 21 世纪以来，城市化进程逐渐加速，伴随着人口的增长、资源的消耗和环境的变化，城市面临着诸多挑战。如何合理规划和管理城市，提高城市的可持续发展能力，已成为各国政府和科研机构关注的焦点。在此背景下，计算机数字孪生技术应运而生，其将虚拟世界与现实世界相融合，为城市规划与管理提供了全新的视角和方法。1 数字孪生城市概述1.1 数字孪生城市的概念数字孪生城市是指通过数字孪生技术构建的一种虚拟城市模型，它能够实时地反映现实城市的各种状态与变化，为城市规划、建设和管理提供智能化决策支持。数字孪生城市将现实世界的城市数据进行数字化、模拟化和可视化计算机数字孪生在城市规划与管理中的应用研究张明（广西数字金服科技有限公司，广西南宁530201）摘要：随着城市化进程的加速和信息技术的快速发展，计算机数字孪生作为一种新型信息技术，近年来得到了越来越多人的关注，而计算机数字孪生在城市规划与管理中的应用也越来越广泛，通过对现实世界的高度仿真，实现了对城市的数字化表达和实时反馈。本文将深入分析计算机数字孪生在城市规划与管理中的应用策略，旨在为相关领域的研究与实践提供有益的参考和启示。关键词：计算机数字孪生；城市规划；城市管理；应用策略中图分类号：TN919.3文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）01-0183-03Research on the Application of Computer Digital Twins in Urban Planning and ManagementZHANG Ming（Guangxi Digital Fintech Co.,Ltd.,Nanning 530201,China）Abstract：With the acceleration of urbanization and the rapid development of information technology,computer digital twin,as a new type of information technology,has received more and more attention in recent years.The application of computer digital twin in urban planning and management is also becoming more and more widespread.Through highly simulating the real world,it has achieved digital expression and real-time feedback of cities.This article will delve into the application strategies of computer digital twins in urban planning and management,aiming to provide useful references and insights for research and practice in related fields.Keywords：computer digital twin；urban planning；urban management；application strategy处理，形成与实际城市一一对应的数字模型1。在这个模型中，城市的各种要素，如建筑、道路、桥梁、管网等，都可以通过数字表示，并与实际数据实时同步更新。数字孪生城市具有高度的真实性、实时性和互动性，为城市规划与管理提供了一种新的方法和手段。1.2 数字孪生城市的特点数字孪生城市是一种基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制和平台化服务的信息技术体系，以及城市信息空间模型来构建的2。它通过在数字空间中再造一个与物理城市匹配对应的数字城市，实现全息模拟、动态监控、实时诊断和精准预测城市物理实体在现实环境中的状态。数字孪生城市能够推动城市全要素数字化和虚拟化，使城市运行管理协同化智能化。它能够实现物理城市与数字城市之间的协同交互和平行运转，为城市规划、建设和管理提供更加精准、高效和智能的解决方案。数字孪生城市具有四大特点：1）精准映射 数字孪生城市能够精确地映射物理城市的各个方面，包括建筑物、道路、桥梁、河流等，为城市收稿日期：2023-12-04作者简介：张明（1990.03-），女，壮族，广西南宁人，本科，中级工程师，研究方向：数字孪生、金融科技、人工智能、大数据。184 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT规划和管理提供准确的数据支持。2）虚实交互 数字孪生城市能够实现物理世界与数字世界之间的虚实交互，使人们能够在数字空间中体验和感受物理城市的各种情况。3）软件定义 数字孪生城市采用软件定义的方法来构建和管理，能够快速适应不断变化的需求，为城市发展提供强大的支持。4）智能干预 数字孪生城市能够通过智能化控制和干预来优化城市运行，提高城市的可持续发展能力。2 计算机数字孪生在城市规划与管理中的应用优势数字孪生城市是一种新型的城市管理模式，它通过建立基于立体感知的数据闭环赋能新体系，利用物联网、大数据、云计算、视频感知、数字化仿真、AR/VR、区块链等关键技术，以积木式组装拼接，生成城市全域数字虚拟镜像空间，实现对物理世界的实时监测3。在城市规划与管理中，数字孪生具有以下优势：1）城市规划和设计优化 数字孪生允许城市规划者和设计师在虚拟环境中模拟不同的城市布局和基础设施方案。这有助于评估不同方案的可行性、可持续性和影响，从而制定更智能的城市规划策略。例如，在规划一个新的交通系统时，可以使用数字孪生技术来模拟不同的路线和交通流量，以便更好地了解其对城市交通的影响。2）实时监测 数字孪生城市的本质是城市级信息模型赋能体系，能够动态、及时地模拟出真实世界的运行，从而实现对城市的实时监测。例如，在发生自然灾害或紧急情况时，可以使用数字孪生技术来快速评估灾害影响范围并采取相应措施。3）全周期管理 数字孪生城市可以帮助我们更好地理解城市、规划城市、建设城市和管理城市，更加从容地应对城市的发展变化，赋能城市的“全周期管理”。例如，在城市建设过程中，可以使用数字孪生技术来监控建筑进度并确保工程质量。4）多技术集成应用 数字孪生城市逐步深入到城市全要素表达、业务预警预测、场景仿真推演、态势感知智能决策等多个环节，既能发挥多技术集成应用优势，又能凸显我国整体智治的制度优势。例如，在智慧城市建设中，可以使用数字孪生技术来实现对公共安全、环境保护、能源消耗等方面的智能化管理。5）国家战略支持 2021 年 3 月，国家“十四五”规划纲要明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。这表明中国政府高度重视数字孪生城市建设，并将其作为推动经济高质量发展的重要手段之一。3 数字孪生主要技术分析数据采集是数字孪生技术的基础，其质量和实时性直接影响到数字模型的准确性和有效性。数据采集技术包括传感器、卫星遥感、无人机等多种手段，可以实时获取城市的地形、地貌、建筑、交通等各类数据。随着物联网、大数据等技术的发展，数据采集技术在实时性、精度和覆盖范围等方面都取得了显著进步，为数字孪生技术提供了丰富的数据源。其次是数据处理与分析技术。在数字孪生技术中，需要对采集到的海量数据进行清洗、整合和分析，以提取有用信息并构建数字模型。数据处理与分析技术包括大数据处理、数据挖掘、机器学习等方法，可以实现对数据的快速处理、智能分析和有效利用。在城市规划与管理中，通过数据处理与分析技术，我们可以发现城市发展的规律和趋势，为决策提供有力支持。接下来是数字模型构建技术，数字孪生技术需要将采集到的数据进行模型化处理，形成具有高度真实性的数字模型。数字模型构建技术包括计算机图形学、虚拟现实、地理信息系统等方法，可以将数据转化为可视化、可交互的数字模型。在城市规划与管理中，数字模型构建技术可以实现对城市空间、设施和服务的高度还原，为规划设计、模拟分析和效果展示提供便利。4 目前数字孪生技术应用存在的问题4.1 缺乏标准体系任何技术的发展与运用都需要有完善的标准体系作为前提基础，但就目前的实际发展情况来看，并未建立一套数字孪生标准体系。由于缺乏理论方面的深入研究，导致在对技术进行实践应用时会出现一些隐患问题。想要更加高效的运用数字孪生技术需要对该项技术有正确的认知和理解，但目前人们对数字孪生的理解产生了歧义，理解和认识的不同导致交流时会出现问题。4.2 虚拟模型真实性数字孪生的核心思想是利用物理手段建立虚拟模型，通过模型和仿真分析了解物理实体的相关行为，利用虚拟交互技术与行为进行预测分析。数字孪生技术的运用与虚拟模型之间有着十分紧密的联系。高精度高保真的虚拟模型能够有效实现虚实之间的交互，高效的进行动态演化。但从当前的实际发展情况来看，相关认知和技术受到限制，数字孪生中所构建的虚拟模型存在真实性方面的问题，无法对真实性进行保证。5 计算机数字孪生在城市管理中的应用策略5.1 在城市交通管理中应用数字孪生技术数字孪生模型可以实时收集交通数据，如道路拥堵情况、交通流量、车辆速度等，通过模拟与分析，为城市交通管理提供有力支持。例如，通过数字孪生模型，交通管理部门可以实时监控道路拥堵情况，合理调整信号灯配时，优化交通流动；在公共交通方面，数字孪生技术可以帮助预测客流量，调整班车发车间隔，提高公共交通效率；此外，数字孪生技术还可以用于分析道路设施的优化与改进，以及评估交通政策的实施效果，为交通管理决策提供科学依据。185 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT5.2 城市应急管理与数字孪生模型相结合首先，数字孪生技术可以为城市应急管理提供实时、准确的数据支持，有助于应急部门及时掌握突发事件的动态情况。其次，数字孪生模型可以用于模拟和演练应急响应方案，提高应急处置的针对性和有效性。例如，在自然灾害应对中，数字孪生技术可以预测灾害发生的可能性和影响范围，为救援物资的储备和分配提供依据；在公共安全事件中，数字孪生技术可以模拟人群疏散过程，为疏散方案的制定提供支持。此外，数字孪生模型还可以用于应急资源管理，如救援队伍、装备、物资等，提高应急管理的效率和水平。5.3 在城市能源与资源管理中应用数字孪生技术在能源供应方面，数字孪生模型可以实时监测城市能源消耗情况，预测能源需求变化，为能源供应策略制定提供依据。通过数字孪生技术，能源管理部门可以合理调度能源供应，提高能源利用效率，降低能源损耗。其次，在可再生能源方面，数字孪生技术可以评估太阳能、风能等资源的潜力和分布，指导可再生能源设施的布局与规划。此外，数字孪生技术还可以应用于能源设备的运维与管理，例如对输电线路、变电站等关键设施进行实时监测，发现和预警故障风险，提高设备的可靠性和安全性。在水资源管理中，数字孪生模型可以实时监控水资源消耗、水质状况等数据，为水资源调度、水污染防治提供有力支持。例如，通过数字孪生技术，水务部门可以优化水源配置，提高用水效率，降低水资源浪费。在城市固体废弃物管理中，数字孪生模型可以协助评估废弃物产生量、处理能力和设施布局，提高城市废弃物处理效率。此外，数字孪生技术还可以应用于城市绿地、公共设施等资源的规划与管理，提升城市管理水平。5.4 利用数字孪生技术进行城市安全与监控管理在公共安全领域，数字孪生技术可以协助城市防范和应对突发事件，如火灾、交通事故、恐怖袭击等。利用数字孪生模型，安全管理部门可以实时获取现场信息，制定合理的应急响应措施，提高应对效率。例如，在火灾事故中，数字孪生技术可以模拟火势蔓延过程，为火场救援和人员疏散提供指导。在交通事故中，数字孪生模型可以预测事故影响范围和拥堵情况，为现场救援和交通疏导提供支持。在城市安防监控方面，数字孪生技术可以提高监控设施的智能化水平，实现对重点区域和目标的精确监控。例如，通过对监控数据的实时分析，数字孪生模型可以协助公安部门发现可疑行为和人员，提高犯罪预防和打击效果。此外，数字孪生技术还可以应用于城市安全设施的规划与设计，如监控摄像头布局、警力部署等，提高城市安全防范体系的科学性和有效性。在城市基础设施安全管理方面，数字孪生技术可以协助发现并评估设施安全隐患，为设施维护和改进提供支持。例如，在桥梁、隧道等交通设施中，数字孪生模型可以实时监测设施状态，预警结构损伤和功能失效风险，为设施检修和养护提供依据。6 数字孪生技术在城市规划中的应用案例分析哥德堡，瑞典的第二大城市，承载着丰富的历史与文化，但也不可避免地面临严重的交通拥堵问题。为了打破这一困境，哥德堡市政府作出了重大决策，决定引入数字孪生技术来为城市规划提供全新视角。这个数字孪生城市模型细致入微，几乎涵盖了城市的每一个角落。它不仅仅是一个简单的数字映射，更是一个全面的城市数据平台。地形、交通网络、建筑物、环境因素等都被纳入其中，形成了一个与真实城市完全对应的虚拟模型。有了这个模型，哥德堡市政府在进行城市规划和交通决策时有了更为坚实的数据基础。同时，通过虚拟现实技术，市民们也能更为直观地参与到城市的建设中，为决策者提供宝贵的意见和建议。芝加哥这座繁华的都市也面临着公共空间的问题。为了满足市民对公共空间质量与利用率的期待，芝加哥市政府同样选择了数字孪生技术作为解决方案。在技术的助力下，市政府能够更为精确地评估各个公共空间的使用情况，从而作出更为合理的调整和改进。市民们的需求和意见在这一过程中被充分考虑，确保每一寸土地都能得到最佳的利用。在中国的东南部，南昌市以其深厚的历史底蕴吸引着世人的目光。为了更好地管理这座历史悠久的城市，南昌市政府同样不甘落后，引入了数字孪生技术。这个数字孪生城市管理平台不仅让市政府能够实时监控城市的交通、环境和能源状况，还大大提高了城市的管理和服务水平。这意味着，无论是市民还是政府，都能更为便捷地获取到有关城市运行的各种信息，为城市的持续发展提供了有力保障。7 结语总之，数字孪生技术为城市规划与管理带来了新的视角与方法，有望引领城市发展进入一个更加智慧、可持续、高效的新时代。随着技术的不断进步和实践经验的积累，数字孪生将在未来城市规划与管理领域发挥更加重要的作用，为城市发展创造更多价值。参考文献：1 陶飞,刘蔚然,张萌,等.数字孪生五维模型及十大领域应用 J.计算机集成制造系统,2019,25(249):5-22.2陶飞,张萌,程江峰,等.数字孪生车间一种未来车间运行新模式J.计算机集成制造系统,2017,23(1):1-9.3胡天亮,连宪辉,马嵩华.数字孪生诊疗系统的研究J.生物医学工程研究 2021,40(1):1-7.