1 Предпосылки исследования модели строительства цифрового города-двойника

1.1 Первые результаты и сопутствующие вызовы в строительстве цифровых городов-двойников

Цифровой город-двойник представляет собой эффективное сочетание инноваций в области цифровых технологий и городских механизмов и является одним из важных путей содействия всесторонней цифровой трансформации города. В настоящее время строительство цифровых городов-двойников в Китае все еще находится на стадии практических исследований и сталкивается с многочисленными вызовами. Во-первых, до сих пор не сформирован консенсус относительно пути продвижения строительства цифровых городов-двойников, существуют такие проблемы, как недостаточная координация, разрозненное строительство некоторых систем и ведомственный подход в различных областях, что требует дальнейшего усиления системного мышления и формирования общей модели строительства цифрового города-двойника. Во-вторых, модель эксплуатации строительства цифровых городов-двойников все еще нуждается в совершенствовании; в некоторых городах строительство цифрового города-двойника оторвано от городских бизнес-процессов, а соотношение затрат и результатов от создания системы невысоко. В то же время бизнес-модель цифровых городов-двойников в Китае пока неясна, источники финансирования единичны, ценность элементов данных раскрыта недостаточно, и устойчивая модель эксплуатации все еще требует изучения. В-третьих, все еще необходимы инновации в способах предоставления данных и возможностей для цифровых городов-двойников; данным не хватает эффективной стандартизированной структуры, что создает трудности для интеграции и применения гетерогенных данных; некоторые технологические возможности цифровых двойников и экосистемы трудно отделить от услуг, что создает проблемы для повторного использования возможностей. В-четвертых, все еще необходимо выявлять сценарии с высокой добавленной стоимостью для цифровых двойников; в некоторых проектах строительства цифровых городов-двойников наблюдается явление, когда больше внимания уделяется «внешнему виду», чем «бизнес-механизмам», и крайне необходимо дальнейшее выявление высокоценных сценариев, которые являются практичными, эффективными и обеспечивают взаимодействие виртуального и реального, чтобы повысить удовлетворенность и вовлеченность населения.

1.2 Широкое применение зарубежных промышленных моделей цифровых двойников

В 2002 году Майкл Гривз предложил «Модель зеркального пространства» (Mirrored Spaces Model), которая стала прообразом концепции «цифрового двойника». В 2011 году Исследовательская лаборатория ВВС США четко сформулировала концепцию «цифрового двойника», и исследования подтвердили, что это учреждение было первым, кто предложил эту концепцию. В июне 2017 года корпорация Lockheed Martin выдвинула концепцию «Product Digiverse», то есть «цифровой двойник продукта», и реализовала ее применение в разработке, производстве и техническом обслуживании крупных военных предприятий в США, Европе и других странах. В 2023 году в работе «Фундаментальные пробелы в исследованиях цифровых двойников и будущие направления» была подчеркнута применимость цифровых двойников в таких областях, как научные исследования, промышленная практика и повседневная жизнь. В последние годы такие международные производители, как Siemens и Dassault Systèmes, продолжают внедрять цифровые двойники, осуществляя практическое применение в таких отраслях, как заводы, железные дороги, электросети и улавливание углерода. По мере постоянного совершенствования технологий цифровых двойников они постепенно применяются в городской сфере, например, в проекте «Виртуальный Сингапур», продвигаемом Сингапуром; кроме того, строительство цифровых городов-двойников ведется в Торонто (Канада), Ренне (Франция) и других местах.

1.3 Ускорение исследований моделей цифровых двойников в Китае

В последние годы как промышленные круги, так и академическое сообщество Китая выдвинули точки зрения на построение моделей цифровых двойников, что дает полезные ориентиры для построения модели цифрового города-двойника. В 1994 году Цянь Сюэсэнь перевел «Virtual Reality» как «технология духовного пространства» (灵境技术). Предложение «технологии духовного пространства» стало еще одной технологической революцией после революции компьютерных технологий и дало важный импульс для создания и развития концепции цифрового двойника. В 2019 году Тао Фэй и др. предложили пятимерную модель цифрового двойника, полагая, что модель цифрового двойника включает в себя пять аспектов: физический объект, виртуальный объект, сервис, данные-двойники и соединение. В 2022 году Тянь Ин и др. предложили платформенную структуру городской информационной модели (City Information Model, CIM), считая, что CIM состоит из трех систем: управления данными, анализа интеллектуальных моделей и человеко-машинного взаимодействия. Чжуан Цуньбо и др. предложили содержание цифрового двойника продукта, полагая, что цифровой двойник продукта включает в себя пять частей: модель проектирования продукта, модель технологического процесса продукта, модель производства продукта, модель использования и обслуживания продукта, а также модель утилизации и переработки продукта. В 2022 году Всемирный экономический форум совместно с Китайской академией информационных и коммуникационных технологий предложили рамки «4+5» для цифрового города-двойника, а именно: четыре внутренних элемента — инфраструктура, ресурсы данных, возможности платформы и сценарии применения, а также пять внешних элементов — стратегия и механизмы, заинтересованные стороны, финансирование и бизнес-модели, стандарты и оценка, кибербезопасность. В то же время Тан Вэньху и др. предложили архитектуру цифрового двойника для интеллектуальной энергетики, Дун Лэйтин и др. предложили архитектуру цифрового двойника для конструкции самолета, а Чжэнчжоуский университет легкой промышленности совместно с Кембриджским университетом предложили структуру промышленной системы цифровых двойников, что дало полезные ориентиры для построения модели строительства цифрового города-двойника.

В целом, как китайские, так и зарубежные ученые выдвинули общие концепции моделей цифровых двойников, однако исследований, посвященных моделям строительства цифровых городов-двойников, мало, и до сих пор не предложена общая модель цифрового города-двойника, которая могла бы направлять строительство городов и парков. Поэтому крайне необходимо, исходя из потребностей развития городов и парков, построить модель строительства цифрового города-двойника, охватывающую такие многомерные аспекты, как данные-двойники, платформы и сценарии, и предоставить ориентиры для правительств и предприятий, продвигающих строительство цифровых городов-двойников.

2 Построение модели строительства цифрового города-двойника

Руководствуясь принципами ориентации на цель, направления строительства и простоты эксплуатации, данное исследование инновационно предлагает «Пятимерную модель строительства цифрового города-двойника» (сокращенно «Пятимерная модель»). Пятимерная модель основана на «стратегии и кадрах», имеет «коммерцию и эксплуатацию» в качестве долгосрочной гарантии, «инфраструктуру и данные» в качестве фундамента, «технологии и платформы» в качестве центрального звена, а «приложения и сценарии» в качестве важного инструмента, направленного на содействие систематическому планированию, высококачественному строительству и устойчивому развитию цифрового города-двойника (см. Рисунок 1). Пятимерная модель применима как для строительства целостных цифровых городов-двойников (крупных, средних и малых городов), так и для строительства региональных цифровых городов-двойников (парков, функциональных зон города). В соответствии с «Руководящими мнениями по углублению развития умных городов и продвижению всесторонней цифровой трансформации городов», пять аспектов строительства цифрового города-двойника можно разделить на два уровня: «Проект по созданию фундамента городского цифрового базиса» и «Проект по реформированию и инновациям цифровых систем», чтобы с помощью двойного движка технологических и институциональных инноваций построить цифровой город-двойник и обеспечить всестороннюю цифровую трансформацию города.

3 Реализация проекта по созданию фундамента городского цифрового базиса для укрепления технологической поддержки цифрового города-двойника

3.1 Аспект инфраструктуры и данных

3.1.1 Создание единой городской системы восприятия, усиление нервных окончаний восприятия цифрового двойника

Во-первых, усиление совместного строительства и совместного использования городских сенсорных设施, продвижение комплексного строительства и консолидированного共享 носителей городских сенсорных设施, содействие «объединению нескольких столбов» для сенсорных устройств, таких как освещение, транспорт, безопасность, связь и охрана окружающей среды, создание пилотных демонстрационных проектов, таких как интеллектуальные столбы. Во-вторых, продвижение единого управления городскими сенсорными терминалами, содействие созданию реестра городских сенсорных терминалов, реализация инвентаризации и единого кодирования городских сенсорных терминалов. Например, Пекин продвигает единое кодирование городских сенсорных устройств, обеспечивая детализированное управление различными типами сенсорных терминалов. В-третьих, продвижение всеобъемлющего охвата городской системы восприятия, содействие развертыванию и модернизации сенсорных设施 в наземном, подземном, воздушном и водном пространствах города, создание новой городской системы восприятия «цифровое соединение, интернет вещей, интеллектуальное соединение».

3.1.2 Совершенствование городской сети и вычислительной инфраструктуры, укрепление основы для передачи и вычислений цифрового двойника

Во-первых, усиление строительства коммуникационной инфраструктуры, продвижение расширения покрытия оптоволоконных сетей, сетей 5G и других, обеспечение высокоскоростной и стабильной сетевой поддержки для всех районов города. Во-вторых, усиление распространения и применения Интернета вещей, обеспечение надежной сетевой поддержки для сбора сенсорных данных. Например, использование датчиков, камер и других устройств для сбора данных в реальном времени, предоставление информации в реальном времени для эффективной работы цифрового города-двойника. В-третьих, создание вычислительной инфраструктуры с协同 облака и периферии, повышение вычислительной мощности города, поддержка大规模 обработки данных и анализа仿真 в реальном времени. Например, облачные вычислительные центры могут централизованно обрабатывать большие объемы данных, обеспечивая мощные вычислительные возможности; периферийные вычисления могут выполнять предварительную обработку в месте генерации данных, снижая сетевую задержку и повышая скорость отклика.

3.1.3 Инновационное создание городского цифрового двойника, продвижение цифрового представления всех городских элементов

Во-первых, инновационные способы организации данных, с实体 объектом в качестве ядра, создание городского цифрового двойника. Городской цифровой двойник способствует продвижению跨界 интеграции данных, повышению эффективности управления данными и содействует инновациям в применении цифровых двойников. Города всех уровней могут, исходя из потребностей сценариев, таких как городское управление и услуги для населения, для实体 объектов, таких как городские здания, природные ландшафты, дороги, мосты, с помощью наклонной фотосъемки, интеллектуального моделирования и других методов, собирать и интегрировать мульти-источниковые данные, формируя цифровой двойник, взаимно отображающий физический город. Например, в сценарии цифрового двойника здания, вокруг потребностей сценария, постепенно строятся модели двойника здания, двойника оборудования, двойника серверной и т.д. Во-вторых, продвижение интеграции мульти-источниковых данных, создание диверсифицированных городских услуг данных. Используя цифровой двойник в качестве инструмента, содействие关联 и интеграции геопространственных данных, социально-экономических данных, данных сенсорного Интернета вещей и т.д., в будущем можно будет публиковать цифровой двойник в виде машиночитаемого веб-сервиса, чтобы предприятия и общественность могли легко получать услуги данных.

3.2 Аспект технологий и платформ

3.2.1 Создание городской платформы сенсорного Интернета вещей, повышение уровня обработки данных в реальном времени

Во-первых, создание городской платформы сенсорного Интернета вещей для обеспечения интеграции и совместного использования сенсорной информации. Полностью используя существующую платформенную базу умного города, создать городскую платформу сенсорного Интернета вещей для получения в реальном времени различных данных сенсорного Интернета вещей города, таких как вода, электричество, газ, транспорт, охрана окружающей среды, общественная безопасность, метеорология и т.д. Посредством статистического анализа городских операционных показателей, содействие предупреждению и принятию решений, реализация динамического мониторинга, предупреждения и принятия решений, а также дистанционного управления региональными объектами и оборудованием. Во-вторых, создание интерфейса услуг по совместному использованию сенсорных данных для поддержки различных приложений управления и обслуживания. Платформа сенсорного Интернета вещей может предоставлять стандартизированные интерфейсы услуг по совместному использованию сенсорных данных, создавать городской портрет, объединяющий городские изображения и городские признаки, обеспечивая поддержку данных для городского управления и услуг для населения.

3.2.2 Создание платформы моделей городского цифрового двойника для реализации цифрового представления всех элементов

Во-первых, создание платформы моделей городского цифрового двойника, продвижение пространственного выравнивания и интеграции мульти-источниковых данных, таких как население, жилье, экономика, события города, использование технологий графического рендеринга, человеко-машинного взаимодействия и других для отображения цифровых двойников различной точности и различных типов на различных терминалах, таких как большие, средние и малые экраны. Во-вторых, продвижение управления данными городского цифрового двойника как активами, создание механизма управления полным жизненным циклом сбора, построения, применения и совместного использования цифровых двойников, а также предоставление функций персонализированного редактирования, интерактивных операций и т.д., обеспечение эффективной поддержки данных для различных приложений, таких как управление и обслуживание цифрового города-двойника. Продвижение управления как активами данными цифровых двойников, такими как данные природных ресурсов, геопространственные данные, данные трехмерных моделей, данные эксплуатации в реальном времени, создание ряда высококачественных отраслевых наборов данных.

3.2.3 Создание городской платформы интеллектуальных услуг данных для стимулирования реформ и инноваций в городском бизнесе

Во-первых, предоставление многомерных возможностей анализа и вычисления данных, для различных атрибутивных данных городского цифрового двойника, продвижение интеграционного анализа пространственно-временной информации города, информации о состоянии эксплуатации и информации о взаимосвязях实体, содействие научному принятию решений в городе. Во-вторых, предоставление возможностей интеллектуального анализа и вычислений, продвижение применения алгоритмов искусственного интеллекта, больших моделей, интеллектуальных агентов и других технологий в таких областях, как управление городским транспортом, управление энергетикой, управление чрезвычайными ситуациями, усиление интеллектуального анализа городских данных, тем самым реализуя интеллектуальный анализ и вычисления всех элементов, всех процессов и всего жизненного цикла городских данных. В-третьих, предоставление возможностей仿真 и прогнозирования сценариев, на основе среды цифрового двойника и исторических данных, проведение仿真 и прогнозирования, а также интеллектуального прогнозирования информации о городских потоках людей, транспортных потоках, энергетике и т.д., реализация бизнес-инноваций, управляемых данными.

3.2.4 Создание открытой и инновационной платформы сценариев для реализации открытого и низкопорогового построения сценариев

Во-первых, создание открытой и инновационной платформы сценариев, продвижение открытия данных, моделей и сценариев городского цифрового двойника для общественности, предприятия и индивидуальные разработчики могут на основе возможностей платформы реализовать низкопороговое, перетаскиваемое построение сценариев, поддерживая инновации в городских сценариях. Во-вторых, содействие циркуляции и совместному использованию инновационных ресурсов, используя открытую и инновационную платформу, собрать ряд возможностей, типичных сценариев и решений в области цифровых двойников, создать онлайн-библиотеку примеров и инструментов для цифрового города-двойника, содействовать стыковке спроса и предложения и реализации проектов в области цифровых двойников, способствовать培育 и росту городской цифровой экономики.

3.3 Аспект приложений и сценариев

Во-первых, создание механизма построения сценариев, состоящего из пяти этапов: «список сценариев — объявление конкурса — совместное строительство правительства и предприятий — оценка эффективности — создание бренда», содействие сотрудничеству правительства и предприятий, открытию сценариев и совместным инновациям. Во-вторых, планирование ряда общедоступных и удобных сценариев для населения, снижение порога использования технологий цифровых двойников, предоставление населению равных, дружественных и удобных услуг двойников. Например, проведение учебных экспериментов по физике и химии с помощью технологий виртуальной реальности; улучшение качества обслуживания в сфере культуры и туризма с помощью дополненной реальности и взаимодействия виртуального и реального; распространение государственных услуг, таких как здравоохранение и образование, на большее количество людей через платформу цифровых двойников. В-третьих, планирование ряда точных и эффективных сценариев управления, использование технологических средств цифровых двойников для реализации представления состояния работы города на одной карте, с помощью мониторинга в реальном времени и仿真 прогнозирования, содействие энергосбережению и сокращению выбросов в городе, быстрому реагированию на городские общественные проблемы, повышение безопасности и устойчивости города. В-четвертых, планирование ряда сценариев для развития бизнеса, направленных на снижение затрат и повышение эффективности, продвижение строительства сценариев, таких как цех цифрового двойника, завод цифрового двойника, реализация функций безлюдной работы, дистанционного патрулирования, дистанционного управления и т.д., формирование绿色集约 эффективной модели развития, содействие协同 развитию цифрового строительства города и цифровой экономики.

4 Реализация проекта реформирования и инноваций цифровых систем для усиления институциональных гарантий цифровой адаптации города

4.1 Аспект стратегии и кадров

4.1.1 Углубленное исследование текущего состояния развития города, научная разработка стратегического плана

Во-первых, углубленное исследование и изучение, глубокое понимание политической, экономической, социальной, технологической ситуации и особенностей города, выяснение текущего состояния цифрового развития города. Во-вторых, научная разработка плана, в соответствии со стратегическими планами города и отраслевыми стандартами и спецификациями, в сочетании с направлениями технологического развития, разработка высококачественного и кастомизированного плана цифрового города-двойника, обеспечение политической поддержки для выбора технологий и реализации проектов. В-третьих, упорядоченное продвижение реализации, формирование реализуемого и выполнимого плана продвижения, в ближайшей и среднесрочной перспективе в первую очередь продвигать реализацию ряда сценариев цифровых двойников, которые решают общие городские проблемы, болевые точки и дают значительные результаты, в долгосрочной перспективе сохранять гибкость и инклюзивность строительной框架 и пути реализации, содействовать устойчивому развитию города-двойника.

4.1.2 Сосредоточение на подготовке кадров для ключевых должностей, создание многофункциональной кадровой梯队

Во-первых, создание многофункциональной, иерархической команды специалистов по цифровым двойникам. Построение замкнутой системы подготовки кадров, охватывающей «подготовку в университетах — профессиональное обучение — сертификацию компетенций». Разработка программ обучения цифровым навыкам разного уровня и разных специальностей, целевая подготовка кадров в области инфраструктуры, данных, платформ и приложений цифровых двойников. Во-вторых, сосредоточение на подготовке кадров для ключевых цифровых должностей, уделение внимание подготовке кадров на ключевых должностях, таких как главный директор по данным, главный технический директор, повышение способности цифровых лидеров организации решать проблемы с помощью цифровых технологий, обеспечение кадровой поддержки для строительства, управления и эксплуатации цифрового города-двойника.

4.2 Аспект коммерции и эксплуатации

4.2.1 Уточнение ролей и позиций заинтересованных сторон, инновационная организационная структура сотрудничества правительства и предприятий

Во-первых, четкое определение структуры управления эксплуатацией цифрового города-двойника, государственные органы как комплексные менеджеры цифрового города-двойника, реализуют преимущества комплексной координации, организационного руководства и надзора. Социальные субъекты как подрядчики или соинвесторы совместно участвуют в строительстве цифрового города-двойника, через модель сотрудничества правительства и предприятий строят и эксплуатируют, обеспечивая упорядоченное продвижение строительства цифрового города-двойника. Во-вторых, создание взаимодополняющей,协同 инновационной экосистемы совместного строительства цифрового двойника, субъекты строительства цифрового города-двойника включают предприятия в таких областях, как городское планирование, моделирование и仿真, визуализация, сенсорное восприятие и идентификация, интерактивное управление, предприятиям различных отраслей необходимо уделять внимание разделению труда и сотрудничеству, предоставляя необходимые продукты и услуги для строительства цифрового города-двойника. Посредством таких форм, как обмен ресурсами, сотрудничество в проектах, совместное продвижение продуктов, совместная разработка, создание хорошей экосистемы взаимодополняющих преимуществ и协同 инноваций. В-третьих, создание механизма оценки проектов цифровых двойников, создание системы оценочных показателей, точно отражающей уровень строительства цифрового города-двойника, регулярное проведение оценки проектов цифрового города-двойника, реализация «оценка для стимулирования строительства, оценка для стимулирования улучшения».

4.2.2 Продвижение развития ценности элементов данных, исследование устойчивой коммерческой модели эксплуатации

Во-первых, оптимизация модели городского управления на основе данных, полное использование таких технологий, как цифровые двойники и искусственный интеллект, для предоставления эффективной поддержки данных для городского управления, повышение способности города к интеллектуальному принятию решений и оптимальному распределению ресурсов. Во-вторых, через такие модели, как совместное использование трехмерных моделей цифровых двойников, программное обеспечение как услуга платформы цифровых двойников, кастомизированная разработка данных, продвижение эксплуатации данных, возможностей, платформ и сценариев цифрового города-двойника, содействие долгосрочному развитию города-двойника.

5 Стратегические предложения

Пятимерная модель строительства цифрового города-двойника предоставляет направление и общее решение для регионов по продвижению строительства цифровых городов-двойников. Однако регионы все еще сталкиваются с трудностями в классифицированном строительстве, построении сценариев, формировании экосистемы цифровых городов-двойников и т.д. Исследование предлагает такие рекомендации, как классифицированная политика, лидерство на основе особенностей, экологическое сотрудничество, чтобы предоставить ориентиры для продвижения строительства цифрового города-двойника.

5.1 Классифицированная политика для продвижения строительства цифрового города-двойника

Во-первых, регионы с хорошей цифровой базой должны выделяться как лидеры, создавать ведущую по возможностям базовую платформу цифрового двойника, внедрять инновации в построение двойников и применение сценариев, содействовать совместному созданию платформ, совместному использованию данных и повторному использованию возможностей. Использовать первопроходческие преимущества в технологиях и приложениях для формирования индустрии цифровых двойников, создавая эффект распространения и стимулирования. Во-вторых, регионы со средней цифровой базой должны делать акцент на стабильном развитии, умеренно или пилотно проводить такие работы, как инновации сценариев, интеграция данных, создание технологических платформ, для достижения постепенной модернизации. В-третьих, регионы со слабой цифровой базой должны делать акцент на复制 и распространении, в полной мере借鉴 опыту регионов с хорошей базой, выбирать области применения с высокой степенью зрелости и хорошими эффектами применения для строительства цифрового города-двойника, чтобы избежать ошибок, сэкономить инвестиции и быстро получить результаты.

5.2 Лидерство на основе особенностей для создания пионерских сценариев цифрового двойника

Во-первых, со стороны правительства, в соответствии с ресурсным потенциалом города, отраслевыми особенностями и важными потребностями, создать ряд характерных демонстрационных сценариев цифрового города-двойника, сформировать положительный цикл, в котором цифровые двойники способствуют высококачественному развитию промышленности, например, портовые города создают цифровой двойник порта, повышая эффективность управления автоматической сортировкой и транспортной диспетчеризацией,赋能 развитию портового бизнеса; промышленные города создают пилотные демонстрационные проекты завода цифрового двойника, цеха цифрового двойника, содействуя управлению полным жизненным циклом продукции,赋能 развитию промышленности. Во-вторых, со стороны предприятий, в соответствии с потребностями сценариев в разных регионах, создать ряд ведущих в отрасли, имеющих ценность для распространения решений для города-двойника, сосредоточившись на таких областях, как городской интеллектуальный объект, городские линии жизнеобеспечения, применение больших моделей, создать ряд практичных, эффективных, ведущих в отрасли пионерских сценариев цифрового города-двойника.

5.3 Экологическое сотрудничество для создания модели развития совместного строительства и совместного использования

Во-первых, в полной мере использовать роль промышленных альянсов и отраслевых ассоциаций цифровых двойников, направлять ведущие предприятия на проведение协同 исследований по ключевым технологиям, таким как трехмерное моделирование, пространственные вычисления, взаимодействие виртуального и реального, содействовать промышленному сотрудничеству и независимым инновациям. Во-вторых, на высоком уровне создать платформу государственных услуг для цифрового города-двойника, опираясь на силы сторонних ассоциаций, альянсов, аналитических центров и т.д., создать платформу государственных услуг для цифрового города-двойника, ориентированную на развитие промышленности, повысить эффективность использования промышленных ресурсов и скорость реагирования на бизнес-запросы,培育 ряд ведущих предприятий в области цифровых двойников. Содействовать тому, чтобы больше предприятий продолжали выпускать качественные прикладные продукты цифровых двойников,赋能 высококачественному строительству цифрового города-двойника, способствуя развитию индустрии цифровых двойников.

6 Заключение

Цифровой город-двойник стал важным инструментом для продвижения всесторонней цифровой трансформации города. В данной статье инновационно предложена пятимерная модель строительства цифрового города-двойника, предоставляющая полезные ориентиры для правительств и предприятий, продвигающих строительство цифрового города-двойника. В будущем, в сочетании с потребностями развития города и тенденциями технологической эволюции, будет итеративно совершенствоваться исследование модели строительства цифрового города-двойника, содействовать высококачественному развитию цифрового города-двойника и способствовать строительству китайского модернизированного города.