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本文主要讲解了数字孪生城市的典型应用场景：智能市政管理、智能运行管理、智慧交通管理、智能环保管理、智能安防管理、智慧医疗保健、智能服务管理、智慧社区管理及智慧景区建设。
本文来自于百度，由火龙果软件Linda译、推荐。 |
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图1
面对当前城市管理中的众多挑战，若想要突破传统智慧城市的禁锢，逐步转变升级为“数字孪生城市”，依旧有许多问题需要思考。
战略、数据、科技、能力、开放、创新、生态、方案、安全等都是未来发展的重要关键词。特别是在数据领域，从孤立的数据集到来自各个渠道的数据整合,从单一领域的解决方案到各个领域的统一解决方案，数据将直接影响数字孪生城市发展的广度和深度。
从当前传统智慧城市建设的应用案例中可看出其各领域仍有数据割裂的问题。未来数据孤立将被打破，实现不同领域数据的交叉与融合，打造数据互联互通、有序整合和综合应用的数字孪生城市。
图2（来源：安世亚太与泰一数据）
传统智慧城市与数字孪生城市数据的不同应用特征
在数字孪生城市建设的推进上，首先从物理世界向数字世界基于模型的“数化”开始，到虚实结合的“交互”，再到基于仿真和大数据的“先知先觉”，直到数字孪生城市各数字孪生体之间以及不同城市数字孪生体之间的协同“共智”，最终达到理想状态。
其中双向“交互”、“先知先觉”和“共智”是数字孪生城市区别于传统智慧城市的重要标志（图2）,其典型应用场景如下:
1.智能市政管理
在过去的城市化建设过程中，由于市政规划不合理造成堵城、睡城等现象严重，土地资源经济能效低。为解决以上问题，在数字孪生城市的建设过程中，需要基于城市数字孪生体，依靠大数据和人工智能等技术，通过挖掘城市不同样本特征，对多源异构数据进行融合，从点规划、线规划到面规划，为城市管理者提供智能市政管理解决方案。
例如现代化城市市政建设过程中，许多城市的雨水排水管道经常会出现堵塞现象，严重影响排水，致使道路频繁出现积水，给人们的生活和出行带来严重不便。另外，井盖被盗、损坏的现象也时有发生，造成行人跌落下水道的惨剧出现。为了便于管网维护，井盖通常都设置在道路等开阔空间，而对道路交通流量进行监控，则是实现智能交通的基本要求。基于数字孪生城市的全域感知技术，赋予井盖智能化感知功能，可为城市市政和交通管理者打造一款能够远程监测状态、车流量，以及管道堵塞情况等信息的智能井盖，同时能够在出现问题时及时报警并做出高效处理方案的智能井盖管理平台。该平台可同时完成城市水流状态监测、井盖姿态检测、地表环境监控、温湿度检测、车流量监测等功能应用。
基于城市数字孪生体和物联网技术等，通过智能感知设备、无线网络、污水处理设施、给排水管理、智能井盖、水质水压表等在线监测设备实时感知城市供排水系统的运行状态，并采用可视化方式整合城市水务管理部门与供排水设施,形成“城市智慧水务孪生体”，将海量水务信息进行及时分析与处理，并做出相应的处理结果辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理城市水务系统的整个生产、管理和服务流程，保障居民用水安全，从而达到数字化智能应用的状态。例如可融合环境监测数字孪生体，结合城市工业排废、城市固废处理、环境卫生污染监测等大数据模拟仿真分析，预测未来时刻水质污染发生时间和状况，促使城市环保部门和水务部门及时调整控制，避免城市居民用水安全事故发生。
未来基于市政数字孪生体和城市建筑信息模型，结合区域光照时间、智能建筑能耗等大数据还可以为城市市政及建筑规划提供贯穿整个城市市政或建筑规划流程的辅助决策,如进行与精细建筑模型结合的建设用地拆迁分析、控高分析、光照分析、视域分析、天际线分析、规划方案同步对比等应用。同时基于市政数字孪生体的地下管网数据还可以与周边城市市政数字孪生体的地下管网数据融合应用，以助于涉及城市间居民能源和互联应用需求的油气、电缆、通信光缆等地下管网实现三维可视化、数据分析、安全隐患识别，为管网选线、改线提供支持性决策方案，为城市协同应急预案提供支持。
2.智能运行管理
图3
基于数字孪生体与GPS卫星定位、智能传感、智能摄像等技术，可突破传统模式，实现城市地上地下空间的运行异常状态智能监控，指导数字孪生城市的建设、评估和运行管理。如通过城市信息模型建立起三维城市空间模型，实现城市规划、建设、运行管理的全面立体可视化管理，支持城市模拟仿真、分析验证等，实现城市运行智能化监管。
可借助先进的视频分析技术自动分析特定区域的人群活动，如客运站人群监测、城市交通综合管理、春运指挥等，为管理部门提供智能决策支持，为城市居民持续改善生活体验。同时可基于数字孪生城市与实体城市的交互，通过不断学习、推演、预测可能出现的城市运行瓶颈问题，提出科学的决策，并建立一个不断自我更新、进化的智慧城市。
例如固废处理问题是现代化城市运行管理中面临的严峻挑战之一。处理流程由各不同环节组成，如废物收集、运输、加工、处理和监测等，废物处理耗费巨大的费用、时间和人力。基于物联网技术赋予城市中各垃圾桶和垃圾清运车智能感知功能，实时采集城市各处废物信息，如垃圾数量、垃圾种类等等，构建智慧固废处理动态网络。城市环卫部门可基于相关数据用于开发垃圾收集优化策略，借以节省垃圾清运车的燃油费用。回收处理公司可基于数据预测和追踪流入其公司的待处理废物的来源，从而实现内部处理的优化。卫生监管部门则可以对废物处理过程进行监测和监督，不必再另行耗费巨资进行人工监测。当直接获取数据困难时，可借助附近设施（如通过路灯上的通信设备或其他拥有丰富能源和通信能力的设施）间接获取城市中产生的固废数据，也可以通过垃圾清运车、环卫部门其他车辆、或在该地运行的公交车辆等完成数据的采集。
未来还可基于城市运行数字孪生体、市政数字孪生体、环保数字孪生体、产业数字孪生体等多源数据融合，制定出合理引导城市固废处理的政策措施。如构建城市生态循环产业园等，降低城市固废增量及变废为宝，以实现经济发展和环境保护的目的。同时实现社会效益和经济效益、环境效益相平衡，推动无废城市建设和产业可持续化发展。
3.智慧交通管理
我国城市化的飞速发展，为城市公共交通的管理水平带来日益复杂的综合性挑战。交通管理问题成为几乎所有城市的通病，浪费了大量市民时间与石油能源。面对就业与居住空间分离、超大规模路网、复杂车流变化，以人力为主的交通管理效率成为制约整个城市发展的短板。
交通作为城市经济活动的命脉，对于城市经济发展和人民生活水平的提升起到重要作用。为了更好适应城市交通量的增长趋势，缓解城市交通拥堵状况，需要做好对车流量的有效控制，加强对基础交通设施的建设，实现交通信号灯的智能化管理和优化控制。
基于城市交通数字孪生体可对车流量数据和道路设施实时传递数据进行分析预判，同时可对交通信号灯进行实时优化控制。基于城市交通历史数据，可预判某个区域未来10分钟至一小时的交通态势，帮助交通管理部门在交通堵点出现前制定应急预案、提前实施交通疏导措施。如根据赛事演出活动、天气数据预判特定时间段的交通状况。
发生交通事故需要紧急医疗救援时，可进行区域路况全景识别与优化，为救护车规划最优导航路径，对车辆到达下一个路口时间实现秒级精准预测，“零时差”自动调控红绿灯，可大幅缩短救护车通勤时间，同时减少对城市正常交通的影响。
近年来，由于私家车数量的不断增长，导致停车位供不应求，造成了交通拥堵、违规停车等诸多问题。基于对停车场和车辆拥有量、重点区域车流量数据等进行分析，可发布停车引导动态信息，并对停车场流量进行实时监控及预测，提高停车位流转率。同时可基于路灯杆、充电桩等交通基础设施的智能传感监测构建路侧智能停车场，有效解决违章停车造成交通拥堵的问题。
未来基于城市交通数字孪生体,可将遍布全城的交通传感器、视频图像数据、公交车出租车、互联网导航数据进行多源融合，构建围绕交通量、拥堵指数、主干道速度、快速路速度、安全指数的五大“城市交通生命体征指标体系”，不同类别数据间取长补短、交叉验证，帮助交管部门在详实可靠的实时数据基础上，实时监测预警，并快速执行交通精准治理，避免牵一发动全身的连锁反应。
图4
4.智能环保管理
基于数字孪生城市信息模型（CIM）,可实现城市资源环境的智能协同监管。如：实现城市规划编制、实施、评估和监督方面的智能化监管；建立土地资源立体化、智能化管理，实现环保与能源、水资源、交通及城管的智能协同监管与服务。
造成环境污染是由多方面因素引起的，比如大气、土壤、水质、噪声、固废等，随着大数据、物联网、云计算等技术的快速发展，城市管理者可基于数字孪生城市中的海量环境数据来进行监测和预测演进态势，最终得以用更加精细和动态的方式实现城市环保治理和决策，如通过打通环保局、气象局、交管局等各个系统的数据，并利用城市大数据和人工智能技术对环保数据进行分析，辅助管理部门进行事前规划、实时监测、未来预测和历史溯源，及时锁定污染源头，快速进行城市环保问题的精准治理。
城市圈协同发展是未来城市化建设的趋势，未来基于城市与城市之间的环保数字孪生体、产业数字孪生体、气象大数据等多源数据融合，可实现城市圈区域内的水污染源、气污染源、水环境、大气质量、噪声、生态环境的全面动态监控，为城市圈环境质量、污染防治、生态保护、辐射管理等协同业务提供更智慧的决策。
5.智能安防管理
基于城市智能化基础设施视频监控探头，结合视频图像的智能识别分析功能,可实现对各类警情、灾情、生态破坏、道路违章、环境卫生等的可视化展示，从而实现城市安全防范预警、提示、资源优化管理等。如某地发生打架斗殴、盗窃事件、疑犯追踪、被拐或走失人员等事件，视频监控可以自动识别，在安防管理系统上显示并进行精准分析、整体研判和协同指挥，同时调动附近警力进行处置，实现对警力的优化配置。
未来基于安防数字孪生体和城市建筑物信息模型，融合消防应急数据和信息资源，可实现城市消防能力及信息的统一管控，打造城市智能化的消防应急指挥系统，辅助现场工作人员进行最佳救援路线选择和火灾救援工作，提高灾害预防、处置和应急救援能力。同时还可基于数字孪生体制定消防演练方案，对消防人员进行业务培训，提升消防人员紧急应变能力。
6.智慧医疗保健
图5
智慧医疗保健是数字孪生城市智能化应用的重要组成部分。通过移动监测、移动诊室、无线远程会诊、智慧处方、医疗信息云存储等智能技术手段，可提升城市诊疗覆盖面与效率，促进城市医疗资源的合理化分配。进一步利用物联网技术构建“电子医疗”服务体系，实现医疗监护设备的小型化、无线化、发展智慧家庭健康保健、智能健康监护，可大幅降低城市公众医疗负担，缓解城市医疗资源紧缺的压力。
基于患者的健康档案、就医史、用药史、智能可穿戴设备监测数据等信息可在云端为患者建立“医疗数字孪生体”，并在生物芯片、增强分析、边缘计算、人工智能等技术的支撑下模拟人体运作，实现对医疗个体健康状况预测分析和精准医疗诊断。如基于医疗数字孪生体应用，可远程和实时地监测心血管病人的健康状态；当智能穿戴设备传感器节点测量到任何异常信息时，救援机构可立即开展急救。同样通过医疗数字孪生体还可通过在患者体内植入生物医学传感器来全天监控其血糖水平，以提供有关食物和运动的建议等。
精准医疗是未来的诊疗模式。基于医疗数字孪生体，医生可通过对患者健康大数据（基因、生活习惯、家族病史和病例）的搜集和分析，进而提出个性化、针对性的治疗方式和药物，实现精准诊断与治疗。这种模式不仅用于患者的疾病治疗，更侧重于对人们疾病的预防。最大的可能是医生根据患者的基因、生活习惯等因素制定独特的药物和方案。个性化药物使医疗效率得到优化，药物副作用降低，住院率下降，最终会体现在患者整体医疗成本的下降，也缓解了医疗资源的不足问题。
对于城市管理而言，掌握了城市居民群体的医疗数字孪生体，有助于合理规划和分配医疗资源，以及辅助社保、扶贫等政策制定。
7.智能服务管理
基于数字孪生城市下万物互联产生的海量数据，政府可建设“智能城市APP”,建立跨部门跨地区业务协同、共建共享的信息服务体系，创新发展教育、就业、社保、养老、医疗以及文化的服务模式，通过聚合社保、交通、医疗等应用，使市民足不出户即可享受方便快捷、优质高效的生活服务。
基于城市数字孪生体和政务数字孪生体，可简化政府各项行政事务审批流程,实现一网通办理及提供一站式服务，如企业注册、税务、工商等事项综合处理；同时政府对政策实施的效果进行仿真模拟，预测可能出现的瓶颈问题，以助于政府及时调控，最大程度合理化配置公共服务资源。
8.智慧社区管理
基于数字孪生城市建设，智慧社区为城市社区居民建立一个安全、便利的数字生活社区，从而形成一种以数字化、智能化为基础的新社区管理模式。
例如可通过在社区建筑建立含有ICT系统的能源监控系统，集成利用先进的物联网技术、智能化统计和计算建筑内空调、电灯、电视等各项能耗数据，根据居民生活习惯进行预测和动态调控。还可以通过远程反应监测老年人用电用气安全，如老人在做饭时忘关闭天然气，发现不符合以往习惯的异常情况，则系统可以及时发出警报，减少事故发生，保证老年人的居住安全。
图6智能家居管理中心
（来源：资本实验室今日创新观察）
未来基于社区数字孪生体、智能建筑和物联网等多源技术和数字的融合，我们的家居生活将变得越来越智能。因此需要一个中央管理系统对安全系统、电视网络、Wi-Fi、冰箱、太阳能、热水器、厨房设备、暖气/空调等系统进行统一管理。数字孪生体技术是其中的重要组成部分，该系统也将成为对未来家庭需求管理至关重要的智能系统（图6）。
9.智慧景区建设
智慧景区指基于景区数字孪生体对景区地理、自然资源、旅游者行为、景区工作人员、景区基础设施和服务设施进行全面、透彻、及时的感知，对游客、景区工作人员行动实现可视化管理，优化再造景区业务流程和数字化智能运营管理,提高服务质量，实现景区环境、社会和经济的全面、协调和可持续发展。
对于景区管理机构和商业机构来说，可基于景区数字孪生体，对旅游淡旺季的游客数据、意外和应急处理事件、景区设施利用率和故障率、景区商业销售数据等进行模拟仿真分析，并进行未来预测，并根据预测结果进行持续优化调整。
具体应用场景如：对节假日客流进行预测，并进行不同决策方案的模拟仿真和优化。如增加景区观光车数量、观光车游览路径优化、周边交通站点的公交短驳接送和引导、景点票价折扣调整、景区游乐设施安全保障措施制定、景区应急处理方案的优化等，在不同的可选方案中采取最佳决策。景区商业机构还可根据历史商品销售的大数据预测分析进行商品调配和售价调整、移动销售网点的增加与布置、酒店房源及价格调整、餐饮食材采购和库存调整等。
未来景区数字孪生体与产业数字孪生体“共智”，还可进行景区产业监测、客源地分析、用户画像、游客满意度、商家信用诊断、景区营销等分析，为管理者提供商业运营方案，扩大收入来源，反哺资金投入，促进城市旅游产业的可持续生态发展。
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