基于数字孪生理念的智慧城市顶层设计重构

基于数字孪生理念的智慧城市顶层设计重构

范微崎,龙美琴,侯丽萍

1、2长沙理工大学   3、内蒙古建筑职业技术学院

摘要：在智能化背景下，智慧城市建设是新的重点内容，也是国家关注的重点，希望通过科学的规划，优化城市内部各功能区的布局，提高居民的居住水平。在这个建设过程中，数字孪生理念发挥了重要作用。对此，技术人员要认识到智慧城市的内涵，了解数字孪生理念的本质，从而更好的对其顶层设计进行重构，实现健康发展。

关键词：智慧城市设计，空间，算法，规划

1引言

城镇化进程的加快，使得城市建设面对新的挑战，关键在于城市人口不断增加，但城市可用空间不断缩减。为了更好地满足人们的居住要求，就需要重新对城市建设进行规划设计。此时有人提出智慧城市的概念，并将之逐渐落实。智慧城市概念的出现，推动了城市建设进程的基础提升，智能城市的落实也成为可能。目前中国已成为全球建设智慧城市数量最多的国家，也成为供给侧改革的关键内容，是推进新型城镇化的必然途径，也是落实城市可持续发展的基础支撑。但是在建设过程中，对于智慧城市的顶层设计方面依然存在一些问题，需要建设人员进行解决，考虑数字孪生理念，重构智慧城市的顶层设计模式。

2数字孪生理念和智慧城市概述

数字孪生理念是一种超越现实的理念，是借助先进技术，从多个学科、物理计量、尺度以及概率等方面，进行设计的仿真过程，可以从虚拟空间中完成映射，反映出对应的实体物体的生命周期。其可以认为是多个相互依赖生存的装备系统的数字映射系统。目前该理念在很多领域都有广泛应用，比如产品设计和制造、医学分析等领域。

智慧城市是建立在各种先进技术的基础上，将一座城市内的所有系统、服务、功能等集合到一起，同意进行管理，提高城市治理效率的模式。其是数字城市发展的下一个阶段，需要借助人工智能、大数据分析等技术的辅助，逐渐发展出新的概念，同时还是城市建设的新方向。

3智慧城市顶层设计和实施中存在的问题

3.1对于城市的本质认识不清晰

城市是人类社会发展阶段的必然产物，从最开始的交易为主，逐渐覆盖到医疗、商业、教育等各个领域，但最核心的还是以人类为活动的中心，也是企业发展的载体，建设目的是满足各类人群的功能需求。但过去的智慧城市在顶层设计中，更重视如何发挥城市的功能，忽视了内部人群的实际需求，导致部分功能的设计并不全面，或者过于高出人类的现实需求。对于智慧城市来说，建设过程是循序渐进的，各类功能也是逐渐完善的，不能脱离城市的本质，但顶层设计师对于城市的本质认识不清晰，这带来一定不足。

3.2对于智慧城市的重要性认识不足

智慧城市的存在主要是借助先进技术，不断提高城市管理水平，强化治理效率的提升，为生活在城市中的人类提供更便捷的服务。但是回顾过去十几年中智慧城市的发展，基本就是围绕信息化进行建设，推行数字政务、打造信息化管理系统，有一定的物联网成分，但并不全面。设计人员对于智慧城市的建设重要性认知不足，对于城市的本质认识不清晰，没有寻找到建设一座城市的主线，而是为了满足人类的需求，各方面都有所容纳。这样会导致顶层设计脱离实际，每个领域独立存在和运营，缺乏主线。

3.3对于智慧城市的呈现载体不了解

当前所有的智慧城市建设都是建立在数字政务基础上的，一边开展信息化建设，一边进行行业间的横向整合，推动业务间的融合发展。部分新建设的城区则是吸收过去的经验，先集成化打造云平台、运营中心等基础设施，塑造出基本能力，然后再开发具体的行业应用系统。但这些数据的存在都是靠后台录入的，或者按照半同步的方式出现的，实际上对于智慧城市的呈现载体并没有一个清晰的了解。

4基于数字孪生理念的智慧城市顶层设计重构

数字孪生城市是未来城市建设的必然趋势，也是必然要求。面对城市生存空间越来越局限的情况，需要有更科学的顶层设计方案，优化内部空间布局，调整各方面要素的相互协调发展。目前对于智慧城市的管理中心，接近人工智能的水平，但依然需要从数字孪生的实践入手发展。

4.1总体设计步骤

数字孪生城市需要循序渐进的发展，在目前来说这个概念还没有大范围普及，但其本质是在虚拟化的数字世界里，孪生出一个数字化城市，从这个孪生的城市中，可以分析发现当前城市建设存在的不足之处，进行城市规划方案的优化改进，避免直接建设城市后发现某些区域不符合要求而返工，造成资源的浪费。在这个过程中，要先打造数字孪生城市，并且其演进过程遵循一定的规律，即：涉及到的规划内容从建筑逐渐朝向城市所需要拥有的每个功能领域扩展；规划的对象从单个的建筑向群体建筑或某个区域、甚至一座城市扩展；展示方式从平面示意图向三维立体模型或全息投影扩展。在这个过程中，城市的功能逐渐完善，更能满足人们的人居生活需求。

4.2 GIS阶段

数字孪生城市的落实，需要借助GIS技术的使用，GIS技术也就是地理信息系统，是集合多个学科知识形成的先进技术，其通过对地理空间信息的获取，建立模型帮助分析，为相关工作的开展提供服务。在城市建设过程中，GIS技术可以收集全面的地质信息，转化成直观的空间图形，帮助技术人员评估城市建设的可行性；同时可以实现这些数据信息的转化、分析和储存，为其他建设工程提供参考依据。GIS技术的特征，主要是可以尽量排除人为因素的影响，避免人为活动的干扰，提高地质测量的精确度和效率；同时可以打造数据模型，为技术人员提供充足信息，方便进行施工方案的设计与优化分析；也可以对工程施工各个阶段遇到的难题进行精确化分析，提供科学的解决方案。

4.3  GIS+BIM阶段

GIS技术主要提供地质信息内容，属于公开场所的环境信息，收集全面的资料与数据进行定位。但是智慧城市的建设，室内区域也是重点建设内容，特别是人类长期活动的区域，图书馆、超市、体育馆等。这些内部空间信息的获取就需要发挥BIM技术的作用。BIM技术也就是建筑信息模型，是建设领域的新技术，在收集和录入全面的建筑信息的基础上，借助三维虚拟技术、3DMAX技术等，建立起立体模型，直接模拟出建筑的直观信息，方便技术人员进行分析与思考。该技术可以帮技术人员建立起某个工程的三维立体虚拟模型，将设计的建设信息录入其中，分析建设方案的科学性与可行性，排查存在的问题，对建设方案进行优化。这是一种数据化辅助工具，在智慧城市中的应用，可以将信号通路的设计与施工进行立体模拟，构建三维模型，然后录入详细的城市规划设计、运维等信息，形成系统化的建设方案，方便技术人员借此分析建设方案的可行性。

4.4 GIS+CIM阶段

CIM是城市信息模型，是GIS+BIM+物联网技术等技术的融合体，可以收集全面的城市信息，构建出三维的数字空间内容。其存在可以进一步扩大智能城市建设的空间，覆盖到城市规划、国土资源管理、交通网络管控等方面。该技术可以提供可视化分析、模拟仿真、AI辅助审查等服务，甚至可以语三维场景融合、介入物联网设备等，可以提升城市的精细化管理水平。

4.5 3D GIS阶段

随着时代的发展，单纯依靠二维技术无法展示出城市建设的需求与要求，所以需要搭建3D立体模型，从三维层面对城市进行规划。比如对于土地的利用，二维角度是平面土地规划，利用不同颜色表达不同用途；而在三维背景下，不仅可以提供平面描述，也可以提供地下管线、建筑、交通、人口、植被等各方面信息的可视化模型。

5结语

随着城镇化进程的加快，基于数字孪生理念的智慧城市打造也表现出快速发展趋势，建设人员需要遵循循序渐进的理念，不断进行规划与顶层设计，实现智慧城市的健康发展。

参考文献：

[1]唐怀坤，史一飞.基于数字孪生理念的智慧城市顶层设计重构[J].智能建筑与智慧城市,2020,(10):15-16.