2019-2020数字孪生城市研究报告.docx

2019-2020数字孪生城市研究报告 2019年 10月 目 录 一、 数字孪生城市发展概况 . 1 （一）理念引领，各地纷纷提出建设数字孪生城市 . 1 （二）产业响应，各类企业抢抓商机激活 ICT 产业链 . 2 （三）资本助力，数字孪生城市板块崛起倍受市场关注 . 4 （四）场景先行，数字孪生部分应用先行先试初显成效 . 4 二、 数字孪生城市总体架构与核心平台 . 8 （一）三横两纵总体架构 . 8 （二）泛在感知与智能设施管理平台 . 11 （三）城市大数据平台 . 13 （四）城市信息模型平台 . 16 （五）共性技术赋能与应用支撑平台 . 18 三、 数字孪生城市关键技术要素 . 21 （一）新型测绘：快速采集地理信息 . 21 （二）标识感知：实时 “ 读写 ” 真实城市 . 27 （三）协同计算：高效处理海量数据 . 33 （四）全要素表达：精准 “ 描绘 ” 城市前世今生 . 36 （五）模拟仿真：在数字世界推演城市运行态势 . 44 （六）深度学习：推动城市自我学习智慧成长 . 48 四、 数字孪生城市典型应用场景 . 53 （一）城市规划仿真：形成全局最优决策 . 53 （二）城市建设管理：项目进度可视化管控 . 55 （三）城市常态管理： “ 一盘棋 ” 综合治理 . 59 （四）交通信号仿真：最大化道路通行效能 . 62 （五）应急演练仿真：应急预案更加贴近实战 . 67 （六）公共安全防范：让 “ 雪亮 ” 更 “ 明亮 ” . 70 （七）公共服务升级：感同身受的体验 . 72 五、 数字孪生城市未来发展展望 . 74 （一）有望全面激活智慧城市产业 . 74 （二）有望重塑城市治理结构和规则 . 75 （三）数字孪生城市的推进实施建议 . 76 前 言 数字孪生城市理 念自提出以来不断升温，已成为新型智慧城市建设的热点，受到政府和产业界的高度关注和认同。当前，各地对数字孪生城市规划和建设的需求非常强烈，但数字孪生城市究竟如何建设，各方仍是感到非常困惑，技术方案和实施路径亟待规范和明晰。本报告通过对数字孪生城市所涉及的关键技术以及技术之间的集成关系、所包含的核心平台以及平台之间的协同性，以及体现数字孪生特色的典型应用场景进行深入剖析，力图对数字孪生城市的建设方案进行通用化提炼抽取，并对国内外相关产业和服务供给进行梳理，从而为各地建设实施数字孪生城市提供帮助和引导。 从关键技 术看，与传统智慧城市相比，数字孪生城市技术要素更复杂，不仅覆盖新型测绘、地理信息、语义建模、模拟仿真、智能控制、深度学习、协同计算、虚拟现实等多技术门类，而且对物联网、人工智能、边缘计算等技术赋予新的要求，多技术集成创新需求更加旺盛。其中，新型测绘技术可快速采集地理信息进行城市建模，标识感知技术实现实时 “ 读写 ” 真实物理城市，协同计算技术高效处理城市海量运行数据，全要素数字表达技术精准 “ 描绘 ” 城市前世今生，模拟仿真技术助力在数字空间刻画和推演城市运行态势，深度学习技术使得城市具备自我学习智慧生长能力。 从核 心平台看，数字孪生城市在传统智慧城市建设所必须的物 联网平台、大数据平台、共性技术赋能与应用支撑平台基础上，增 加了城市信息模型平台，该平台不仅具有城市时空大数据平台的基 本功能，更重要的是成为在数字空间刻画城市细节、呈现城市体征、推演未来趋势的综合信息载体。此外，在数字孪生理念加持下，传 统的物联网平台、大数据平台和共性技术赋能与应用支撑平台的深 度和广度全面拓展，功能、数据量和实时性大大增强，如与数字孪生相关的场景服务、仿真推演、深度学习等能力将着重体现。 从应用场景看，数字孪生城市的全局视野、精准映射、模拟仿真、虚实交互、智能干预等典型特性正加速推动城市治理和各行业领域应用创新发展。尤其在城市治理领域，将形成若干全域视角的超级应用，如城市规划的空间分析和效果仿真，城市建设项目的交互设计与模拟施工，城市常态运行监测下的城市特征画像，依托城市发展时空轨迹推演未来的演进趋势，洞察城市发展规律支撑政府精准施策，城市交通流量和信号仿真使道路通行能力最大化，城市应急方案的仿真演练使应急预案更贴近实战等。在公共服务领域， 数字孪生模拟仿真和三维交互式体验，将重新定义教育、 医疗等服务内涵和服务手段。同时，基于个体在数字空间的孪生体，城市将开启个性化服务新时代。 从未来发展看，随着数字孪生城市建设持续深入和功能的不断完善，未来生活场景将发生深刻改变，超级智能时代即将到来。同时，技术加速集成创新将打破智慧城市现有产业格局，促使产业重新洗牌，新的独角兽可能出现。此外，技术的变革将倒逼管理模式的变革，正如生产力进步引发生产关系的变化，数字孪生城市的建设和运行，将推动现有城市治理结构和治理规则重塑调整。 1 一、 数字孪生城市发展概况 数字孪生城市理念自提出以来，在国内政产学研用各界引起广泛关注，掀起研究和建设热潮。数字孪生城市已成为各地政府推进智慧城市建设的主流模式选择，产业界也将其视为技术创新的风向标、发展的新机遇，数字孪生应用已在部分领域率先展开。 （一）理念引领，各地纷纷提出建设数字孪生城市 雄安新区率先推进数字孪生城市建设。 2018 年河北雄安新区规划纲要中指出：坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。目前，新区正推进 BIM 管理平台 （一期）建设，这是一个具有国家自主产权的数字城 市规建管智能审批平台，通过创新城市 “ 规、建、管 ” 的新型标准体系、政策体系和流程体系，探索以数字城市的预建、预判、预防来支撑现实城市高质量发展的模式，打造展现多维城市空间的数字平台。平台将建立不同阶段的城市空间信息模型和循环迭代规则，采取 GIS 和 BIM 融合的数字技术记录新区成长的每一个瞬间， 结合 5G、物联网、人工智能等新型基础设施的建设，逐步建成一个与实体城市完全镜像的虚拟世界。 全国各地抢抓先机，开展数字孪生城市规划和建设。 数字孪生城市为各地智慧城市建设提供了新思路、新模式，让城市治理者看到城市 现代化治理体系以及高质量发展的曙光，让城市居民憧憬随需而动、无处不在的智能化服务。 2019 年 5 月，在第二届数字中国建设峰会数字经济分论坛上，贵阳副市长徐昊发表了 “ 数字孪生城市的贵阳探索 ” 主题演讲。在实践上，贵阳提出从花果园超大型社区治理、数博大道等小型城市生态系统入手打造数字孪生城市。南 2 京江北新区着力推动城市发展向智能化高级形态迈进，提出力争到 2025 年率先建成 “ 全国数字孪生第一城 ” 。浙江省发布未来社区建设试点实 施方案，制定 “ 未来社区 ” 九大场景，提出构建现实和数字孪生社区要求。舟山市、西咸新区、重庆市、长三角一体化示范区等地纷纷采用数字孪生城市的建设理念和模式，先后制定智慧城市顶层设计和规划，以数字孪生城市为导向推进智慧城市建设。 （二）产业响应，各类企业抢抓商机激活 ICT 产业链 数字孪生城市正在激活庞大的信息技术产业链。 数字孪生城市 自提出以来，吸引产业界广泛关注，成为技术创新和业务拓展的重 要方向。多地学术机构开展关于 “ 数字孪生 ” 的专题研讨，探索数 字孪生技术对于城市治理、工业制造等领域的应用和价值。以 BIM、CIM(City Information Model)、 VR/AR、 AI 等先进技术为主攻方向的科技公司发力 “ 数字孪生 ” 方案研发，并已应用到多个行业。数 字孪生城市涉及技术门类较多，诸如新型测绘、地理信息、物联感 知、三维建模、图像渲染、虚拟现实、仿真推演、深度学习、智能 控制等，几乎涉及信息产业所有链条，无论是传统的智慧城市龙头 企业，还是新入局的创新型中小企业，对数字孪生城市均给予了高 度 重视，各类企业依托自身优势加紧布局，抢占市场先机，同时推 动 技术方案不断完善。 传统智慧城市厂商顺势而为推出 数字孪生城市解决方案。 科大讯飞打造数字孪生城市的 “ 城市超脑 ” ，基于互联网、物联网等基础设施，汇聚城市时间与空间数据，运用人工智能算法，挖掘城市发展与运行轨迹，进行即时分析和仿真建模，促进物理城市公共资源最优化。软通动力与华为合作，发布支持数字孪生城市的 aPaaS 平台，为多个场景提供 API 服务，涵盖交通、环保、安全等各种领 3 域。阿里巴巴联合千方科技、银江股份、浙大中控、数源科技、海康威视等众企业，基于阿里云平台，共同打造数字孪生城市大脑， 提升杭州市交通系统和城管系 统的智能化水平。紫光云集成数字孪生底座，推出 “1+4+N” 智慧城市应用体系，重点打造安全生产 “ 大数据 ” 分析预测能力和 “ 物联网 ” 动态感知能力，有效防范和遏制重特大事故发生。 空间信息产业纷纷入局，成为数字孪生城市建设中坚力量。 数 字孪生和空间信息产业密切相关，需要空间信息采集、建模、开发、服务、应用全产业链的深度参与，同时空间信息产业通过数字孪生 在智慧城市中找到了新的支点，多年的技术积累在巨大的市场空间 得以释放活力，并造就独特的竞争优势。国内 GIS 领头企业超图公司 在新推出的新一代三维 GIS 技术体系 中，全方位支持倾斜摄影建模 、激光点云、 BIM 等多源异构的三维模型数据，并推出国内首个三维 空间数据规范标准 Spatial 3D Model（ S3M）， 该标准融合了倾斜摄影模型、 BIM、精模、激光点云、矢量、地下管线、地形、动 态水面 、三维栅格等多源数据，突破了大规模三维数据传输和解析 的技术瓶颈，进一步促进了数字孪生的广泛应用。泰瑞数创提供了 涵盖高 端航测传感器、数据采集、处理服务到应用开发的数字孪生 城市建 模全产业链服务，还发布实景世界云平台 SmartEarth，利用结构化语 义模型整合了 BIM CAD 和地理测绘等技术，高效自动地构建城市信 息模型，已经成功应用于智慧城市、智慧工业和自动驾驶 等领域。 51VR 公司运用 GIS、高程、无人机斜拍点云、卫星图、街景图等技 术和数据，能够快速自动化构建大规模数字孪生城市模型， 复原城 市的每个细节，并进行大场景动态实时渲染，在数据可视化 和场景 可视化基础上，实现城市运营管理的可视化和精细化。 4 （三）资本助力，数字孪生城市板块崛起倍受市场关注 智慧城市相关投资持续保持高速稳定增长。 IDC 预计，中国智慧城市技术相关投资在 2016-2021 年间将保持年复合增长率 19.3% 的稳定增长。根据 IDC全球半年度智慧城市支出指南发布的数据， 2018 年中国智慧城市技术相关投资达到 208 亿美元，相比 2017 年的 173 亿美元增长了 20.2%，成为全球第二大的智慧城市技术相关支出市场（仅次于美国 ） 。数字孪生城市的提出，无疑为新型智慧城市建设注入了新的活力，不仅带动相关产业的技术研发投入， 而且促进地方政府加大对智慧城市的建设投资。 数字孪生相关企业获得资本青睐，斩获融资。 2017 年 5 月，英 国虚拟仿真初创公司 Improbable 完成了 5.02 亿美元的 B 轮融资， 由软银国际领投，公司估值突破 10 亿美金。该公司基于 Google 的 计算平台 “ SpatialOS 平台 ” ，构建了一个基于蜂窝云服务的 “ 超级虚拟世界 ” 。 2019 年以来，我国以数字孪生为概念的多只股票出 现涨停，数字孪生城市的价值被资本市场初步认同。看好数字孪生 创新发展前景，资本巨头积极投资数字孪生相关企业，如阿里巴巴 入股银江股份，超图公司获得中国人寿与光大银行的定向增发融资。 51VR 完成 B 轮 2.1 亿元融资，泰瑞数创获得启迪金 控和中信建投等机构过亿元投资。 （四）场景先行，数字孪生部分应用先行先试初显成效 数字孪生技术重新定义智慧园区。 据预测，到 2022 年， 85的物联网平台将使用数字孪生技术进行监控，产业园区有望率先利用数字孪生技术，重塑园区管理与服务模式。在华为和 51VR 联合研发数字孪生的深圳坂田园区及东莞松山湖园区，通过实时接入园区 IOT 设备、资产、能源、设施及环境等信息，建立基于园区实时运 5 行状况的数字孪生场景，实现园区运营的可视分析、园区业务的闭环联动、园区决策的仿真模拟以及园区数据的全量集成，开创新一代园区的立体多维管理新模式。华为在廊坊经济技术开发区，利用 GIS 空间信息平台，构建虚拟城市数字资源体系，一方面支撑 IOC 运营，同时为各个政务部门提供全空间的地理信息服务。