2022年城市数字孪生标准化白皮书.pdf
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1、城市数字孪生标准化白皮书(2022 版)全国信标委智慧城市标准工作组2022 年 1 月目录前 言 11.城市数字孪生概述 31.1 城市数字孪生内涵及概念模型 31.2 城市数字孪生典型特征 51.3 城市数字孪生相关方 71.4 城市数字孪生技术参考架构 81.5 城市数字孪生关键技术 101.6 城市数字孪生典型应用场景 162.城市数字孪生发展现状 212.1 政策引导现状 212.2 产业生态现状 262.3 总体发展趋势 292.4 面临的问题与挑战 313.城市数字孪生标准化现状 353.1 国际标准化现状 353.2 国内标准化现状 364.城市数字孪生标准体系 394.1 标
2、准体系总体框架 394.2 标准分体系描述 404.3 标准明细表 435.城市数字孪生标准化建议 51城市数字孪生标准化白皮书(2022版)1当前,城市数字孪生已经发展成为支撑智慧城市的重要技术手段。城市数字孪生通过在数字空间对城市物理空间和社会空间进行全要素表达、全过程呈现、全周期可溯,实现城市全面感知、虚实交互、智能决策、精准控制,推动城市智能化、智慧化发展。2021 年 3 月,中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035年远景目标纲要(简称“十四五”规划纲要)发布,明确指出“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台,构建城市数据资源体系,推进城市数据大脑建设”“探索建设
3、数字孪生城市”,为城市数字孪生营造了良好的发展环境。标准是促进技术和应用创新发展的重要抓手。2021 年 12 月,国家标准化管理委员会、网信办、科技部、工信部等十部门联合印发“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划。该规划明确指出“围绕智慧城市分级分类建设、基础设施智能化改造、城市数字资源利用、城市数据大脑、人工智能创新应用、城市数字孪生等方面完善标准体系建设”,明确将城市数字孪生纳入智慧城市标准体系的重要组成部分。但是,城市数字孪生领域国际国内标准化工作仍处于起步阶段,亟待整体规划、加速推进。为做好城市数字孪生标准化工作整体规划,有序推动相关标准制定与应用实施工作,全国信标委智慧城市
4、标准工作组组建了城市数字孪生专题组,并联合相关单位编制了城市数字孪生标准化白皮书(2022 版)(简称“本白皮书”)。本白皮书在系统研究城市数字孪生内涵、典型特征、相关方等基础上,构建了城市数字孪生技术参考架构,并梳理了城市数字孪生关键技术和典型应用场景。同时,总结了城市数字孪生发展现状、发展趋势、面临的问题与挑战及国际国内标准化现状。在此基础上,本白皮书探索形成了“城市数字孪生标准体系总体框架(1.0 版)”,并提出了拟研制标准建议和标准化工作建议。本白皮书构建了城市数字孪生标准化路线图,为后续相关标准研制、应用实施指明了方向。前 言2城市数字孪生概述01城市数字孪生标准化白皮书(2022版
5、)31.城市数字孪生概述数字孪生技术与各产业的深入融合能够有力推动各产业智能化发展进程,成为信息化时代产业变革的强大助力。近年来,数字孪生技术在城市领域的应用进入了探索实践阶段。随着智慧城市发展理念不断变革和数字孪生相关技术不断发展,城市数字孪生的理念孕育而生。城市数字孪生契合了当前为产业转型升级赋能的战略需求,是城市在物理空间、社会空间、数字空间融合发展的基础技术手段。城市数字孪生是智慧城市建设新的创新源和发力点,将成为智慧城市发展新阶段的核心底座。1.1城市数字孪生内涵及概念模型城市数字孪生是利用数字孪生技术,以数字化方式创建城市物理实体的虚拟映射,借助历史数据、实时数据、空间数据以及算法
6、模型等,仿真、预测、交互、控制城市物理实体全生命周期过程的技术手段,可以实现城市物理空间和社会空间中物理实体对象以及关系、活动等在数字空间的多维映射和连接。图 1 城市数字孪生概念模型4城市数字孪生的概念模型如图 1 所示。城市数字孪生概念模型包括物理空间、社会空间、数字空间三个部分。分别描述如下:物理空间:物理空间包含城市时空位置、城市要素和城市生态环境。其中,时空位置是城市地理时间空间信息,包含城市各实体和实体间的时间、坐标信息和高程信息等;城市要素是构成城市的各类物理实体的总称,包含城市道路交通设施、能源设施、信息设施等;城市生态环境是构成城市自然环境的要素,包含土壤、植被、大气、水资源
7、、物候、天气等。城市数字孪生物理空间是保障城市经济社会发展的重要支撑。社会空间:社会空间包含城市中的组织、活动、关系以及逻辑,用于描述城市社会中个体与个体、个体与群体、群体与群体等关系和活动的总和。其中,城市发展和社会治理中多元参与主体构成组织要素;多元参与主体围绕城市生活、生产和生态所开展的各类政治、经济、文化等活动构成活动要素;多元参与主体间相互作用并产生多维层次关系构成关系要素;社会关系变化和迁移过程所遵循的规律构成逻辑要素。数字空间:数字空间是与物理空间和社会空间映射连接形成的第三个关键空间。数字空间是城市数字孪生的载体。通过对城市物理空间和社会空间所包含城市要素实体的全域历史及实时数
8、据的采集、汇聚、建模、分析以及反馈,数字空间完成对城市要素及活动的全周期可溯、动态迭代以及实时反馈,实现城市多维仿真、智能预测、虚实交互、精准控制。城市数字孪生为智慧城市深入建设、迭代升级提供支撑能力。城市数字孪生通过应用数字孪生技术实现城市物理空间、社会空间以及数字空间在时间维度和空间维度更加精准的映射、更加紧密的联接和更加多维的联动,通过物联网、人工智能、区块链等新一代信息技术实现三元空间的协同演进和共生共智,进一步满足“人”在城市生活、生产、生态的各类需求,服务“以人为本”的智慧城市建设初心。城市数字孪生标准化白皮书(2022版)51.2城市数字孪生典型特征(1)全面感知城市数字孪生以全
9、面感知为前提。城市是一个复杂巨系统,时刻处于发展变化中,必须时刻掌握物理城市的全局发展与精细变化,实现孪生环境下的数字城市与物理城市同步运行。城市数字孪生通过布设覆盖城市范围的多种类型传感器,建立全域全时段的物联感知体系,对城市运行状态进行多维度、多层次精准监测,全面获取影像、视频、各类运行监测指标等海量城市数据,实现对城市环境、设备/设施运行、人员流动、交通运输、事件进展等的全方位感知,实时获取城市全域全量运行数据,为城市数字孪生提供数据基础。(2)精准映射映射是构建数字世界并建立数字世界与物理世界紧密关系的过程。各类信息要素的精准匹配与精准表达是实现物理城市向数字城市映射的关键。城市数字孪
10、生的实现场景下,物理城市与数字城市是一一对应、紧密融合、双向互动的关系。通过物联感知、数字化标识、多维建模等技术,数字空间实现全域模型精准建立、全量数据精准标识、全盘孪生精准运行,保障孪生环境下的仿真推演具有可信性和参考性,从而指导物理世界运行管理决策。(3)智能推演智能推演是城市数字孪生具备智慧能力的体现,是实现对物理城市进行科学预测、指导与优化的关键。可以依据物理城市的真实运行数据,构建不同场景下的推演模型,进而模拟和分析物理城市的运行状态和发展趋势,推演预测物理城市的发展态势与运行结果,并提出优化建议,辅助城市日常管理、应急指挥和科学决策。随着城市数字孪生数据的日渐积累,使其可以通过数据
11、去发现城市更多场景下的运行规律,从而能够更多样、更精准的建立推演模型,使城市管理者可以更好的掌握城市运行趋势和可能发生的事件,真正实现数据驱动的城市智能化分析和运行。6(4)动态可视动态可视是指通过将感知的多源数据进行数字化建模和可视化渲染,城市数字孪生提供了全要素、全范围、全精度真实的渲染效果,实现全空间信息和城市实时运行态势的动态展示。一方面,城市数字孪生既可以展现宏大开阔的城市全貌场景,也可以展现诸如地下管线、室内设施等城市微场景,提供全粒度、多尺度的多维展现能力。另一方面,城市数字孪生可视化具有突出的动态性特点,可将城市实时运行体征,如交通运行、城市环境、监控视频等城市实时信息与空间模
12、型紧密融合,实时动态展示可视化对象的状态变化,精准反映物理城市的真实状态和运行情况,使数字城市更加鲜活。(5)虚实互动虚实互动是指物理空间与数字空间的互操作和双向互动,借助物联网、图形/图像、AR/VR、人机交互等领域技术的协同和融合,实现城市级虚实空间融合、控制与反馈等能力。虚实互动的过程是指通过对物理世界的数据实时采集、接入并映射到数字世界,实现对物理世界的仿真和模拟,在数字空间中进行大数据量的计算、预测和演练,提出城市规划、城市建设、城市治理等的科学决策建议,相关决策建议可以指导或直接反作用于物理世界,在物理世界执行完成后,相应的执行结果再映射到数字世界,并进行信息及时更新,实现物理空间
13、与数字空间的双向闭环互动。(6)协同演进协同演进是城市数字孪生具有高阶智慧能力的体现。城市数字孪生过程中,物理城市与数字城市在城市运行、数据、技术、机制等方面存在长期协同关系,长期相互反馈、相互影响。协同演进是以物理空间和社会空间为主体,数字空间进行推演,并反馈进化结果,使物理空间和社会空间协同推进的过程。协同演进不仅是“协同”的,更是“演进”的,是“物理城市与数字城市在各种因素的相互作用下的演进关系”,这种演进关系最终推动物理城市与数字城市共同发展进步。城市数字孪生标准化白皮书(2022版)71.3城市数字孪生相关方图 2 城市数字孪生相关方城市数字孪生相关方见图 2。城市数字孪生相关方主要
14、包括以下三类:a)城市数字孪生咨询服务提供方:是指根据行业、技术、区域以及组织机构发展趋势,提供城市数字孪生规划、顶层设计以及相关咨询服务的组织或个人。b)城市数字孪生建设技术提供方:包含参与城市数字孪生应用建设和运营的主体,包含但不限于:方案设计提供方:针对具体客户需求,提供城市数字孪生落地方案和模式的组织或个人;数据资源提供方:提供城市数字孪生所需的各类数据资源的组织或个人;网络服务提供方:提供网络设备、网络连接、网络服务的组织或个人;支撑技术提供方:基于特定技术,提供技术解决方案产品的专业化技术服务组织或个人;孪生技术提供方:基于数字孪生技术,结合具体城市场景以及行业应用需求,提供孪生技
15、术解决方案以及落地实施建设的组织或个人;平台能力提供方:提供各类数字化平台资源、建设、运营、培训和维护等服8务的组织;系统集成提供方:提供系统集成服务的组织。c)城市数字孪生运营服务方:包含参与城市数字孪生应用服务和运营的主体,包含但不限于:系统服务运营方:是指针对具体客户需求,负责城市数字孪生系统或服务运营的组织;应用服务使用方:是指在城市规划、建设、运营、治理、服务等场景中应用城市数字孪生技术的组织或个人,是城市数字孪生应用的需求方和使用方。1.4城市数字孪生技术参考架构在图 1 城市数字孪生概念模型基础上,本白皮书进一步从技术实现角度构建了城市数字孪生技术参考架构,见图 3。图 3 城市
16、数字孪生技术参考架构为实现城市数字孪生,首先需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件城市数字孪生标准化白皮书(2022版)9对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射。在此基础上,依托信息基础设施实现数据的汇聚、传输以及处理,形成数据资源,在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术,形成能够对外提供的数字孪生服务,并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时,需提供立体化安全管理以及全生命周期的运营管理,保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。信息基础设施:信息基础设施是指提供感知、连接、存储以及计算能力的数字化基础设施,其中感知基础设施包含嵌入式传感基础设施、物联网基础设施以
17、及测绘基础设施等。连接基础设施包含 5G 网络、车联网、窄带泛在感知网、全光网络等先进连接通信设备、设施以及系统。存储基础设施主要指多级数据存储中心以及云数据中心,涵盖多种存储方式,包括分布式文件存储、分布式结构化数据存储、分布式列式数据存储、分布式图数据存储。计算基础设施包含高性能计算、分布式计算、云计算以及边缘计算等先进计算基础设施,支持城市建立虚拟一体化计算资源池。数据资源:数字资源是城市各类数据的总和,是构建城市数字孪生系统的基础。从数据来源可分为时空基础数据、物联感知数据、网络传输数据、业务应用数据以及运行评估数据。其中时空基础数据包括矢量数据、影像数据、高程模型数据、地理实体数据、
18、地名地址数据、三维模型数据等。物联感知数据包含通过物联感知设备采集上报的各类感知数据以及状态数据,如温度、湿度、压强、亮度、设备运行状态等。业务应用数据包含来自业务信息系统、行业领域信息系统、第三方社会机构信息系统等多源业务应用数据。运行评估数据主要包括城市规划、城市管理、经济发展、环境保护、气象、能源、交通等领域运行成效以及评估数据。通用服务:通用服务为城市数字孪生提供基础共性能力支撑。其中数据服务是对数据资源利用提供的通用支撑服务,包含但不限于数据模型、资产管理以及数据治理。应用服务提供保障城市数字孪生应用及服务的基础能力,包含但不限于引擎服务、组件管理以及用户管理。计算服务包括但不限于任
19、务调度、资源管理、性能监测。智能服务包含但不限于模式识别、统计分析、知识图谱等。孪生服务:孪生服务是指城市数字孪生所需的特性服务,包括但不限于感知互联、10实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演及可视化。感知互联是指城市全要素实时感知及互联控制,有标识解析、智能感知、实时监测、协同控制等。实体映射是指建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系,有状态指标、对象管理、属性关联、特征提取等。多维建模是进行全要素多维度数字化表达,有事件建模、时空建模、语义建模、规则建模等。时空计算指基于时间以及空间坐标的多维计算,有时空分析、时空解析、时空查询、时空索引等。仿真预测是指模拟仿真,智能预测、
20、动态决策等,有算法集成、引擎开发、任务管理、优化评估等。可视化是完成物理城市到数字城市的表达,有虚实融合、模型处理、渲染服务、场景编辑等。交互服务:交互服务是指提供多种类型的能力开放界面,通过统一规范的交互界面实现跨系统数据互通以及服务调用,通过提供平台化、轻量化数据、API、消息、应用等集成能力,第三方应用可以对功能组件进行灵活组合,实现业务逻辑和技术逻辑的分离。开放形式包含但不限于门户、第三方服务、接口、开发工具、应用组件等。安全管理:安全管理是指根据城市安全管理制度,开展数据安全、信息系统和网络安全、安全预警和应急处理等管理工作。运营管理:运营管理是指基于数字模型和标识体系、感知体系以及
21、各类智能设施,实现城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一呈现,通过数字模型和软硬件系统,实现快速响应、决策仿真、应急处理以及设备和系统的运行、维护和运营。实现城市要素、生态环境等运行状况的实时监测和统一呈现。1.5城市数字孪生关键技术城市数字孪生丰富的内涵和特征决定了它的实现具有高度复杂性,涉及一系列复杂技术。其中,感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演、可视化、虚实交互七个方面的相关技术构成了城市数字孪生关键技术体系。此外,城市数字孪生也离不开基础网络、5G、大数据、人工智能、云计算、区块链等相关技术的支撑。城市数字孪生标准化白皮书(2022
22、版)11(1)感知互联面向城市建立全域全时段的物联感知体系,实现城市运行态势的多维度、多层次精准监测,是实现数字孪生城市的关键基础。同时基于感知信息提供针对互联设备间的协同控制,实现万物互联,虚实互动。主要技术包括标识与解析技术、智能感知技术、实时监测技术以及协同控制技术等。标识是数字城市中各物理城市及新建的城市物联感知体系在城市信息模型平台中的唯一身份标识。通过物体全域标识,实现数字孪生城市资产数据库的物体快速索引、定位及关联信息加载。标识解析技术是将物联网对象映射至通信标识、应用标识的过程,通过标识获取有关实际属性信息,如地址、物品、空间位置等。智能感知技术分为采集控制、感知数据处理,主要
23、包括:传感器、条码、RFID、智能化设备接口、多媒体信息采集、位置信息采集等。实时监测技术提供实时动态的感知数据采集、处理和分析技术,通过制定了覆盖物理链路层、传输网络层及应用层的协议,从而实现感知信息的高效传递。协同控制技术通过直接与对象绑定或与对象连接的数据采集器、控制器技术,完成对对象的属性数据识别以及协同控制操作。同时应具备对设备的全方位安全防护,如设备安全加固、设备唯一可信认证、设备安全态势感知及设备安全修复等。(2)实体映射实体映射是建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系。城市数字孪生基于新型基础测绘和数字化标识等技术和手段,通过地理位置、几何结构、状态等多角度特征提
24、取、属性关联、对象管理、状态查询等服务,使物理实体与虚拟实体在不同尺度(跨尺度)上一一对应。状态指标为虚拟空间实体映射提供标准属性模板以及关键指标记录,实现实体间连接和关系的实时更新和动态持续性维护与管理,实现对虚拟空间中数据资源的有效管理和利用。对象管理是实现对虚拟实体以及数据资源共享共用的基础。通过对虚拟对象的管理实现城市物理对象以及社会对象在实体空间的连接与关系,确保数字对象在数据处理、分析、推演等一系列过程中的可溯性。属性关联以及特征提取技术帮助12城市数字孪生获取完整性好、现势性强、精准度高的全域全要素数据关联,通过叠加时空大数据,构建与包含天空地等时空基础数据的一体化的、信息一体化
25、的数字信息底座,保证城市全息数据的完整采集以及关联挂接。(3)多维建模城市数字孪生的实现需要以数据为驱动,以模型为支撑。城市数字孪生的基础是模型和数据的统一。多维模型是物理对象时空数字化还原的载体,基于城市不同层面数据,综合计算机图形学、人工智能、系统动力学等多学科,将城市杂乱无章的海量数据进行空间对应,释放数据资源价值,实现城市数字孪生对物理城市的精准还原。通过对城市进行全要素的数字化和语义化建模,实现从宏观大场景到微观小单元、从室外到室内、从地上到地下的全空间立体还原,形成全空间一体化且相互关联的全域立体模型。多维建模技术包括但不限于时空建模技术、事件建模技术、语义建模技术等。时空建模技术
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