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數字孿生在城市更新與城市復興理論中的科技支撐平臺構建

2022-09-08 10:10   來源:北京城市副中心報

  在智慧城市和智能社會中,物理世界中的一切都應該被數字化和數據化,通過標注、整合、組織、傳輸、計算和賦能,釋放出巨大的生產效率。城市更新與城市復興既是城市規劃的時代更迭和科技人文的發展需求,也是社會民生的嶄新方向。當前,有大量的電商平臺、物流平臺、交通平臺、社交平臺的智能化案例不斷涌現,城市復興也應將全面的數字化與智能化作為邁入智慧城市和智能社會的切入點。

  1 智慧城市推動新時代人居環境建設與學科發展

  隨著科學技術、經濟和社會的發展,AI(Artificial Intelligence,人工智能)、物聯網、云計算等新一代信息技術的進步不斷完備了技術環境,城市復興與智能化相結合也成為大勢所趨。應用信息技術的可持續發展之路能夠帶來新的人居環境建設,促進人居環境科學的進步和建筑藝術的創造。城市復興將借助新一代信息技術的強大驅動力,發展智慧應用,建立一套新型可持續的城市發展模式。

  1.1 運用信息技術推動人居環境建設

  站在智慧城市與智能社會的維度看待人居環境,當前很多城市的建筑空間在數量和規模上已經飽和或接近飽和,但在運維管理效率上距離真正的智慧化還有很大差距,資源能源的消耗與浪費巨大。傳統的房地產開發和產品創新已經不足以滿足需求,城市建設的重點任務正在逐步由房地產主導的增量建設轉向以提升品質為主的存量建設,城市復興的內涵也在不斷豐富和拓展,必須采用新一代信息技術和智能生產方式,通過新基建來為人居環境的改善賦能增效,這也是城市復興的終極目標。

  1.2 運用信息技術發展人居環境科學

  人居環境科學的基本框架,即五大系統:自然、人、社會、居住、支撐網絡(指物質性基礎設施等),是人居環境科學研究的核心;诖,目前正在逐步建立形成一套科學的人居環境科學綜合評價體系與研究方法,旨在提高人居環境規劃建設管理中的科學性、有效性、前瞻性,提出符合城市和地區發展需求的行動綱領和解決方案。信息技術為此提供了良好的技術條件,所有空間都是通過空間組織的設計以及環境參數的調配來實現為人服務,這有助于定量化地建立和完善人居環境科學評價體系,從而推動人居環境科學的發展。

  2 城市復興理論語境下的數字孿生框架

  技術創新系統作為城市復興理論內涵的重要組成部分,與物質空間系統、文化傳承系統、產業經濟系統、社會活力系統并稱城市復興的“五大系統”。以數字孿生為代表的新一代信息技術為加強城市復興全流程智慧化規劃建設管理提供了技術支撐;跀底謱\生的城市復興,是將科技作為城市復興的重要工具,將數字孿生底座作為城市復興在虛擬城市空間中的載體,是對城市復興現有維度的延伸與豐富。同時,科技創新引領的城市復興并不是獨立存在的,而是將在空間、文化、產業、社會等各個維度上交叉融合創新,發揮重要作用。

  2.1 CIM與數字孿生

  從信息城市到數字城市,再從智能城市到智慧城市,我國已經將智慧城市作為國家戰略,加速推進智慧城市建設進程,并取得了一些成效。然而,當前的智慧城市發展仍存在一些問題:(1)智慧城市頂層設計不完善,在應用場景建設過程中容易造成基礎數據與平臺的重復建設、重復投資;(2)數據融通整合能力欠佳,缺乏統一的數據平臺,跨層級、跨地域、跨系統、跨部門的數據資源融通成效不顯著;(3)智慧感知治理能力有待提高,新技術在數據采集中的利用率不高,數據質量、豐度、可利用性不足,治理平臺的仿真預測能力較為薄弱,須全面提升智慧治理水平。

  數字孿生技術發展至今,已經在制造業、航空航天、船舶航運、鐵路運輸、汽車、電力、石油天然氣、醫療健康、環境保護等行業領域廣泛應用并發揮重要作用,在城市建設領域也彰顯出越來越重要的價值!皵底謱\生城市”歷經2017年和2018年的概念培育期、2019年的技術方案架構期,現已正式步入建設實施落地期。2020年以來,國家發改委、科技部、工信部、自然資源部、住建部等部委密集出臺政策文件,加速推動數字孿生城市相關技術、產業、應用發展,助力數字孿生城市建設。國家政策大力支持,地方規劃加速落地,企業方案積極搭建,學術科研前瞻布局,市場規模爆發增長,產業生態積極構建,應用場景日益完善,全球共識逐漸達成。數字孿生技術已被提到了與大數據、人工智能、5G等新技術并列高度。建設數字孿生城市是一項系統工程,是新型智慧城市建設發展的必由之路。在“新基建”的大背景下,我國數字孿生城市即將走上高速發展軌道。

  CIM(City Information Modeling,城市信息模型)是BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)在城市層面的拓展與延伸,可以看作是數字孿生城市的數字底座,所有城市場景的營造均建立在這個統一的數字底座之上。國內CIM概念的出現可追溯到10年前。北京市戰略科學家、北京市建筑設計研究院有限公司總建筑師、首鋼集團總建筑師吳晨于2012年“國家杰出青年科學基金”項目申請中首次提出CIM概念,并闡述其在建筑設計和智慧城市領域的應用價值。雖然由于概念超前、社會認知水平未達到等原因在當時沒有被理解,但隨著近年來技術的迅猛發展和認知的不斷深入,如今的CIM理念已逐漸被社會所廣泛接受,且成為政府大力推進的重點工作。

  CIM融合BIM、傾斜攝影、基礎地理信息、地下空間等數據,形成多源異構的全空間三維城市基礎數據,建立實時映射的模型與物聯感知體系,貫徹落實“一網統管”,構建城市運行與管理“一張圖”;基于特征識別和人工智能技術,實現城市全要素的數字化和語義化,構建出可被機器理解的、支持自動推理及分析的數字孿生城市信息模型;通過物聯感知數據實時地在模型平臺上快速加載、融合和實時呈現,實現城市運行全場景的實時化和可視化,管理決策的科學化、智能化和協同化。

  CIM具有強大的數據承載力、表現力、兼容性和可擴展性,使得開發場景具有無限可能,能夠對“人-地-房”等城市管理中涉及到的海量數據進行加載,并實時渲染。不論是規劃設計、城市建設還是城市治理,CIM貫穿于智慧城市新基建之中,是城市精準映射虛實互動的核心基底,是數據驅動治理模式的價值體現。

  近年來,多部委相繼出臺了一系列CIM相關政策文件及規范(如下表所示),體現出戰略層面的科學性與前瞻性。

  

  相較于CIM而言,數字孿生更加注重應用場景的打造,已成為新技術創新融合的必然趨勢:(1)數字孿生城市的建設已經具備基本的技術基礎,云計算平臺已經變成城市主要基礎設施,政府部門、公司企業乃至個人廣泛性運用,大數據變成城市主要資產、戰略資源,依托大數據分析的智能決策運用不斷涌現而出,物聯網促進萬物互聯變成實際,廣泛運用于城市治理領域的感知監測、數據采集等,移動互聯網變成群眾獲取城市生活服務的主要優先渠道,也是拓展服務的主要方式,依托于深度學習的人工智能運用可精準預測城市問題,很大程度上提升民眾體驗,產品功能不斷拓展增強,為構建數字孿生城市奠定了堅實的技術基礎;(2)數字孿生城市的建設也存在著巨大的難度和挑戰,雖然技術條件基本成熟,但根據吳良鏞院士的觀點“城市是一個開放的復雜巨系統”,城市建設所涉及的領域是極其廣泛的,因此數字孿生城市的解決方案相當復雜,這不僅僅是技術和數據信息深度融合的新模式,也是人類智慧達到新高度的巨大挑戰,多要素融合將有可能引發顛覆式的技術創新和應用創新,技術發展迎來前所未有的機遇。

  數字孿生城市是智慧城市的新起點,是支撐智慧城市建設的復雜技術體系和新型技術路徑。推進以數字孿生為代表的新一代信息技術與新型智慧城市建設的深度融合、迭代演進,實現人與社會、人與自然可持續協調發展的全新的城市高級形態。在已經到來的元宇宙時代,新思潮、新理念、新技術不斷涌現,城市建設必將迎來更大的變革,開啟嶄新的篇章。

  2.2 主要特征

  總體上,城市復興語境下的數字孿生城市主要特征可概括為:(1)精準的實時映射,利用物聯傳感體系感知和反饋的數據實現對建筑的全方位數字化建模和對運行狀態的動態監測,形成與實體建筑1:1的精準表達與實時映射;(2)雙向的虛實交互,將實體空間中的規劃、建設、管理及人的活動行為拓展到虛擬空間中,實現虛實融合;(3)專業的模擬仿真,以軟件的形式模擬建筑工程的全生命周期,通過算法實現電熱能源等專業模塊的量化分析與智能操控;(4)智能的輔助決策,對可能存在的不良影響、潛在風險等進行智能預警,為決策者和管理者提供科學的應對建議,從決策層面實現優化。

  2.3 核心設計方向

  如何將智慧化城市服務與城市復興相結合是城市復興智能化過程中需要解決的問題;跀底謱\生的城市復興的頂層設計圍繞信息基礎、信息感知、智能應用、區域示范的信息化建設目標,著力推進信息基礎設施、智慧城管、智慧政務、智慧交通、智慧醫療、智慧旅游、智慧民生等重點領域項目實施。其核心設計方向包括四個方面:(1)全域感知,充分利用各類視頻監測和物聯網傳感器資源,在機器學習、人工智能技術的驅動下,即時、全量地從海量數據中獲取城市系統運行參數并提取各類社會事件,以支持城市治理中的各類大數據計算,最終形成對人、車、事件的全時全域立體化的感知體系;(2)數據匯聚,發揮數據在智慧治理的運行決策、指揮調度、基層管理等環節上的驅動和帶動作用,匯聚融合各政府部門、企業和互聯網數據,充分整合接入到數字孿生底座上,為提升城市的泛在感知能力提供有力的數據支撐,并形成全渠道數據匯集機制和數據共享良性循環;(3)多維研判,以泛在感知能力為依托,由即時事件驅動,將數據分析、數據研判、輔助決策能力充分融入到各項管理工作中,并與城市運行指揮平臺進行整合,形成智慧城市治理閉環;(4)數據為民,建立互動、高效、人性化的社會治理機制,拉近城市管理者、決策者與市民之間的服務與被服務的關系,為城市管理者、決策者打造直觀有效的城市運行視圖和可作為的數據,為市民打造幸福度高、參與度高、可感知的綜合便民服務平臺。

  3 城市復興多維度場景下的數字孿生底座應用

  基于數字孿生的城市復興,能夠在規劃設計審批、城市智慧治理、商業活力監測等諸多垂直領域實現技術應用,可支撐三維的城市設計審批、城市體檢評估、韌性城市評價等多項重點工作,為城市建設、城市管理、社區治理、公眾服務等各領域的智慧應用提供全息城市場景、全時空數據支撐和基礎業務服務支撐,為城市可持續發展提供新動能。隨著人工智能基礎設施(無人駕駛、AI醫療、AI車間等)的推廣使用和技術的更新迭代,未來的數字孿生城市還將具備主動思考能力。

  3.1 規劃設計審批

  在傳統的規劃設計審批過程中,受限于當時的技術條件不成熟,規劃設計效果的呈現幾乎完全依賴二維圖紙等靜態方式,在三維場景的模擬構建和動態展示上存在缺失,難以真實地呈現實際施工效果以及項目與周邊景觀的整體性、和諧性,容易導致規劃決策失誤,造成巨大的資源浪費和經濟損失。

  在城市復興的語境下,將在傳統規劃設計審批流程的前期,創新性地增加“構建底座”這一環節,先期形成規劃范圍內的數字孿生城市底座,作為規劃設計的三維基底和可視化的交互設計平臺,在此基礎上將建筑設計和規劃設計方案進行1:1建模呈現并實時渲染,幫助設計者和決策者在方案實施之前能夠在數字孿生場景中直觀地了解實施效果,并對多種方案進行比選、評估、決策,從而規避潛在風險,減少甚至避免重復建設和不科學規劃所導致的損失,在區域空間風貌的塑造提升、地上地下空間的合理布局、人流車流的引導疏散、周邊交通設施的高效銜接、產業業態的優化調整、商業服務的配套升級等方面為城市規劃設計提供科學的量化參考,突顯“以人為本”的設計理念,促進地區人氣與活力的提升,在決策層面實現優化。

  3.2 智能施工建設

  基于數字孿生底座建立施工監測平臺,工程建設方可以在三維場景下實時跟進施工進度,直接計算出材料的消耗量、尺寸、參數要求等數據,預先規避施工過程中可能發生的錯誤,避免潛在的糾紛和開支,制定出更加科學的施工計劃,從而節省更多資源,實現更高效、高質量的工程建設。

  3.3 城市智慧治理

  智慧治理體系的建設需要一個融合各類實時數據、信息和匯聚各種服務的機構——智慧城市運營中心,即智慧治理平臺。智慧治理平臺在建立數字孿生底座的基礎上,聚焦感知、認知、行動三大能力,以大數據驅動人工智能為核心,對資源環境、交通運輸、社會治理、人口民生、產業經濟、社會輿情、公共安全等數據進行完整、直觀的呈現,復現城市運行態勢,全面滲透數字化與智能化,深度融合物質空間規劃,形成多維度、多層級、全覆蓋的綜合體系,提升產業、交通、公共服務、社會安全、城市品質等綜合指揮能力,為社會治理智慧化與現代化賦能增效,為城市復興提供強大的科技支持。

  在城市商業活力方面,基于數字孿生底座建立商業活力大數據監測平臺,能夠對主流電商消費訂單數據、手機信令數據、POI數據及互聯網主要媒體、論壇、微博等渠道中與消費直接相關的輿情數據等,進行時空監測,分析消費規模、消費結構、消費環境、消費熱點,打通線下商圈從“引流入場”到“場內停留”再到“離場后觸達”全流程,有效延展消費場景,實現數字化消費升級。

  3.4 文化遺產保護

  利用三維激光掃描技術,對文物保護建筑和歷史風貌建筑的室內外立面以及構件的空間位置、尺寸和紋理進行精確記錄,對歷史風貌建筑進行實景三維重建,形成可實時在線瀏覽的全生命周期數字孿生平臺,能夠為文物保護建筑和歷史風貌建筑的數字模型整合、歷史信息集成、傳統工藝傳承、健康安全監測、智慧運維管理以及活化利用等工作提供詳實可靠的數據支撐。同時,利用融媒體資源,能夠將建筑實景三維模型、集成歷史風貌建筑的全景影像、歷史風貌建筑數字檔案對公眾進行開放,借助VR眼鏡等智能設備實現場景交互,打造“線上博物館”“線上書院”,形成“線上+線下”的文化旅游景點運營模式。

  4 結語

  人居環境科學是人文科學與工程技術學科的結合,定性與定量并重。未來,信息技術的應用將成為人居環境可持續發展的全新出發點,人居環境科學也將在信息技術應用中得到擴展和深化。

  當前城市建設的短板主要體現在健康、安全和基本民生保障方面,這也是左右城市可持續發展的主要因素。突如其來的新冠疫情更是對城市治理體系和治理能力有效性的一次全方位的挑戰和檢驗,折射出當前城市治理能力的短板和漏洞。唯有不斷精細化、優化城市規劃,才能在外部環境突然變化時,讓城市仍具備強有力的抵御沖擊、適應變化及自我修復能力,這是一個不斷試錯、不斷迭代、尋找最優解決方案的過程,所耗費的人力、物力和時間成本是巨大的,而科技賦能城市復興為此提供了一種“低成本、高效能”的新途徑。以數字孿生城市底座為基底,對城市數據進行完整、直觀的呈現,進行持續地診斷、模擬、預測、決策,能夠極大地降低城市規劃建設管理的成本,減少不必要的資源浪費,提升城市韌性與可持續性,在重要工作中發揮積極作用,提供切實可靠的科技支撐平臺。

  城市復興和智慧城市相結合是一個能力建設和效率建設并重的過程,不僅要建立服務平臺,還要建立智慧化城市服務機制,利用“互聯網+”思維,整合城市碎片化的服務資源,實現智慧城市和城市復興融合,并推動其真正發揮作用;跀底謱\生的城市復興,是科技對于建筑與城市的重塑,作為城市復興的“五大系統”之一,將引領新一輪科技創新的群體突破,催生一系列技術創新、應用創新、模式創新。

  (作者為北京市戰略科學家、北京市建筑設計研究院有限公司總建筑師、首鋼集團總建筑師)

 
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