数字孪生,英文:Digital Twins,是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学科、多尺度的仿真过程,它作为虚拟空间中对实体产品的镜像,反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。2011 年,Michael Grieves 教授在《几乎完美:通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分:物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。这一技术的启发意义在于,它实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈,这是工业领域中,逆向思维的尝试,即人们试图将物理世界发生的一切,重构到数字空间中。
数字孪生最早用于航空航天飞行器的健康维护与保障领域。科研人员在数字空间建立真实飞机的模型后,通过传感器实现数字模型与飞机真实状态的完全同步,这样每次飞行后,根据结构现有情况和过往载荷,可以及时分析评估部件是否需要维修。如今,数字孪生技术在众多领域得以应用和拓展,如产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等。
虽然数字孪生起源于制造业,但是在技术逐步发展的过程中,人们发现它在城市建设中有着广阔的应用空间,学界和业界对于数字孪生城市的发展前景也十分看好,李德仁院士曾表示“数字孪生城市被认为是数字城市的高级阶段,也是智慧城市发展的新高度。数字孪生,就是要利用虚实融合的技术,用迭代、进化的方式对从工厂、园区到城市的物理空间进行全面观测,洞察其发展态势,进而科学分析、预测、决策,实现以虚拟网络的管控来提升实体的运行效率。”在城市建设领域,这项应用通过数字孪生底座,结合5G/6G互联网、物联网、城市信息模型(CIM)、时空大数据、云计算和人工智能等技术,对市域内每条管线、每个信号灯、每个井盖、每条管廊、甚至每棵行道树进行空间位置和属性信息的建模,进而掌握所有重点关注对象的运行状态信息,从而建立了一个虚实同步、逐一映射的数字孪生城市。
(图1 正元地信CIM平台)
(图2 正元地信CIM平台)
(图3 正元地信CIM平台)
(正元地理信息集团股份有限公司,智慧城市研究院 供稿)