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智慧城市建设中的数字孪生与元宇宙
发布时间:2022-03-30     来源:国地资讯     作者:张新长教授      浏览:469次


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张新长

国际欧亚科学院院士

广州大学地理科学与遥感学院教授

本文根据国际欧亚科学院院士、广州大学地理科学与遥感学院教授张新长在国地云讲堂所作报告《智慧城市建设中的数字孪生与元宇宙》整理,已经本人审阅。

美国原副总统戈尔于1998年提出“数字地球”,十年后IBM提出“智慧地球”,2018年中国信通院提出“数字孪生城市”,每十年一个跨越。现在“元宇宙”正值风口。空间信息要解决的核心问题是空间和时间的关系。

智慧城市建设起步于二三维地图,发展到虚拟现实,腾飞在数字孪生,发力在元宇宙时代。

起步于二三维地图

社会的发展离不开地图,地图的发展应用过程经历了几个主要阶段。从点线面体的简单的几何相似,到位置等多重属性的叠加迭代的情景模拟,再到基于遥感、卫星导航、地理信息、人工智能等技术的快速发展的实体脉动,逐步形成虚实共荣。

智慧城市的初始形态是数字城市,依托于空间信息、虚拟现实、物联网、时空大数据、人工智能、实景三维等相关技术的高速发展,城市万物相连正在成为现实,同时在不断迭代的云计算的加持下,信息传输速度、数据处理速度、算法也在不断提升,以数字城市为初始形态,智慧城市逐步成型。

发展至虚拟现实

真正地让智慧城市找到了发力点,找到了它的应用,找到了它的模式,是虚拟现实技术的出现。虚拟现实集成了计算机的图形学,多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理,以及三维空间形象实现目标的合成。通过视觉、听觉、触觉、图表以及动画方式呈现,动态的、实时的三维图形,使得真实的、现实的世界能够用数字进行有效的表达。由此,我们实现了智慧城市的景观设计、智慧城市环境信息的全面展示,在智能融合中身临其境。

虚拟现实的应用市场非常广泛,从不断涌现的消费级市场到企业级市场,通过虚拟现实技术,地图已经拓展到了一个新的境界。这些都让我们看到了虚拟现实的应用价值。

图片实景三维中国为智慧城市建设提供了统一的底板与数字基底,也为智慧城市的腾飞奠定了基础。人工智能赋能智慧城市转化为数字孪生城市,就如同城市的大脑,赋予城市思考、学习、分析和判断的能力,在转化的过程中,可以和CIM、城市大脑等平台结合,把实时状态、环境、条件这些物理世界的本体映射到数字空间。

腾飞于数字孪生  

数字孪生城市,根据物理世界再创造一个与之1:1影射的数字世界,所生成的镜像是从物理城市的各个要素生成并组合在一起的,主要依托和融合智慧城市相关技术、物联网技术、实景三维技术、人工智能技术等。

如何让物理空间和数字空间联动起来?以城市管理为例,数字孪生就是洞察运营数据,了解城市运营的现状并做出决策,主要通过模拟仿真、机器学习,结合现有的城市运行状态,推演城市的运行规则,实现超前处理决策,生成镜像,实现与整个物理世界互动。

以深圳龙岗iOS系统为数字孪生城市经典案例。在该系统中人、车、物等各类城市要素的实时状态及异常均一目了然。集合不同部门的气象数据、交通管制数据、人流量数据于一张地图之上集中呈现并加以动态实时监控。AI智能预警包括烟火自动识别、人群聚集识别、非法入侵等,是通过AI技术自动发现隐患,提前预警,防患于未然。

如何通过IOC协同多部门进行事件处置?油罐车翻车事故报警,IOC打通应急办系统,从应急办获取事故的位置信息。通过数字平台的视频能力,从事故地点的摄像头获取现场第一手视频数据;通过数字平台IMP能力,实时获取事故周边的管道以及可用消防资源数据;通过对接公安以及消防系统,及时获取事故周边可调度资源;通过数字平台的大数据分析及AI算法能力,基于该区域的历史事故数据和经验模型,计算推演出油罐车可能爆炸造成的事故半径,输出本次事故疏散方案,同时通知医院启动救援预案。

通过虚拟平台和现实世界的多个业务部门联动,协同所有的资源围绕事故地点对事故进行最高效的处置,在这个过程中IOC实时监控所有资源的运行状态,实现了全程可视,可控,可决策。

发力于元宇宙

2021年是元宇宙的元年。从中央部委到多个地方政府都在超前布局,比如上海十四五规划等等,面向元宇宙的新技术、新概念、新场景应运而生,各个行业都在发力,这是一个很好的机遇。

数字孪生和元宇宙是两个概念。数字孪生,是通过对我们现实世界各种各样的工业化的要求,针对现实世界的形态生成的数字化设计;元宇宙的主要关注对象是人和社会,通过数字化的形式,基于创造的理念进行设计。元宇宙中具有不确定性和不科学性,包括神话和游戏。但是,我们可以充分地利用元宇宙映射技术来完成对现实世界的映射,实现最大限度的交互,比数字孪生可能更上一个台阶。

元宇宙可分为孪生、原生和共生三个阶段。首先虚拟重建现实世界,包括环境、运行和与精神无关的行为信息,以及部分一致的规则沿用,达到高度模拟仿真效果;然后创建虚拟世界新规则,加上现实世界一部分不变规则,通过沉浸融入与精神世界关联度不高的人的行为感知信息,原生出一些新生态丰富现实世界;最后,在原生基础上,通过融入精神感知信息和行为,即人类受刚性规则约束的行为和受精神世界柔性影响的情感行为,真正达到现实世界、虚拟世界和精神世界的三元融合,互为依重,彼此共生。

元宇宙将成为数字体验、物理体验的关键组成,未来巨大的劳动力和前沿技术的集成平台,对智慧城市的建设会产生巨大的作用。元宇宙时代,人们的衣食住行、工作学习,甚至生产生活都会实现最大限度的虚拟化。在虚实融合环境中,通过3D渲染、可交互,穿越时空隧道,真正实现天涯若比邻。

人、自然、社会是地球的基本要素。城市化通过改造环境要素进行环境设计,让我们的生活更加美好,走向文明;数字孪生是从需求的角度进行产品设计,是基于工业化模式来做孪生;元宇宙则要考虑创造关系的需求,通过传播设计提升对物理世界的真实感知。从现实增强的角度,通过集成,丰富虚拟空间的广度和深度;从行为模拟的角度,通过现实世界中真实的动作映射到数字世界。数字孪生城市走向元宇宙,虚实脉动和生命共同体相结合。人的全面参与将会带来平台的变革、重大的突破。总的来讲,数字孪生通过对各种物理空间信息物进行物体扫描,获取物体表面空间坐标,构建立体信息,再转换为数字信号映射到元宇宙。

智能时代的场景革命已经来到,在数字孪生的背景下,通过技术不断地迭代,再通过元宇宙融入加强,使得应用场景越加丰富,越加细腻,满足对我们对美好的生活的追求和向往,其技术革命的进程和影响都是深远的。



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