数字经济大潮下,数字孪生技术作为数字化转型的重要工具,已被纳入国家关键技术战略,进入产业应用深水区。在交通、汽车、工业、文旅、建筑等众多行业,数字孪生的应用,正在从“可看”,向“可算”、“好用”发展,通过数字世界的计算推演,为物理世界的优化提供更多的决策指导,实现数字世界与物理世界的双向衔接。腾讯研究院与腾讯数字孪生产品部联合发起《数字孪生十问》系列,每期聚焦一个应用领域,探讨技术创新,挖掘应用价值。

　　2023 年末,自然资源部部署开展试点,探索国土空间治理数字化转型,推动构建美丽中国数字化治理体系和建设绿色智慧的数字生态文明。利用数字技术提升城市空间治理是加速城市发展和经济建设的重要基础,产学研正在协同,推动技术、产业和制度的系统性创新发展。

　　数字孪生作为一项“虚实结合”的数字化转型技术,正在国土空间治理数字化转型领域加速落地。产业互联网高速发展的时代浪潮,更是推动了它的价值爆发。未来,以数字孪生为代表的虚拟空间技术,将是最为重要的工具和场景之一。

　　今年,中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》(以下简称《规划》),《规划》指出,建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎,是构筑国家竞争新优势的有力支撑。加快数字中国建设,对全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴具有重要意义和深远影响。数字城市高质量建设是数字中国的有效抓手,在重大政策利好下,数字城市迎来了新的发展机遇,将迈入蓬勃发展新时期。

　　此外地方政府数字城市布局也加速落地,今年6月发布的《深圳市数字孪生先锋城市建设行动计划(2023)》,提出建设一个一体协同的数字孪生底座、构建不少于十类数据相融合的孪生数据底板、上线承载超百个场景、超千项指标的数字孪生应用、打造万亿级核心产业增加值数字经济高地,建设国内领先、世界一流的智慧城市和数字政府。

　　数字城市的发展也会对数字孪生提出更高的要求。首先,全景感知能力是数字孪生的基础,它要求在非完备或不完整的状态下也能进行有效的实景感知。这种能力对于研究和应用数字孪生至关重要,尤其是在处理不完全或不确定的信息时。

　　其次,数字孪生的一个重要价值在于增强研究方法的可信性和可解释性。这在当前以人工智能为基础的研究领域尤为重要,因为AI系统往往面临着解释性和可信性的挑战。通过真实化的实景孪生,数字孪生能够更有效地展示这些特性,从而提高研究的准确性和可靠性。

　　第三,数字孪生还需具备认知能力,特别是迭代和进化的认知能力。这种认知孪生是近期基于生成式AI技术的发展而出现的概念。生成式AI之所以关键,是因为它提供了一种涌现能力,能够增强数字世界的认知能力。这使得数字孪生不仅能与物理空间和社会空间相结合,还能在整个研究框架体系中实现不断的演进和相互迭代,从而增强整体的研究和应用效果。这些价值指向了数字孪生技术未来的发展方向,预示着其在多个领域的深入应用和影响。

　　城市建设是长链条的过程,管理主体多样、结构多元,基于统一底座的数字孪生应用建设,实现数据打通、一屏统筹,推动各管理单元互联互通,打造了一种全流程、协作化的新型管理模式,助力城市从规划到落地形成闭环,实现宏观中观和微观一体化还原。值得关注的是城市信息模型(City Information Modeling,CIM)的发展,融合了BIM、GIS、IoT等技术,整合室内室外、地上地下、历史与现在等度数据,成为管理和表达城市立体空间、基础设施等的数字模型,成为城市数字孪生的重要组成部分,在城市更新、、执法、监督等业务中作用巨大。

　　比如在规划阶段,可以将城市各项数据进行感知和汇聚,通过可视呈现的方式帮助规划部门看见看不见的城市未来空间,推断各类变化等,实现更科学的决策。在改造阶段,可以在城市的孪生体中提前预演改造可能带来的风险与收益,与众多关联因素的数据进行计算分析,支持试错,确保能合理评估改造带来的各种影响。

　　交通运输系统是极为复杂的。在交通运输网里,有不计其数的交通基础设施、运载工具、出行者,还有交织密布的附属设施网络(能源、通信、供电等),造价昂贵、试错成本极高。因此,直接在交通运输网里做试验,或者复制一个物理交通运输网来做试验几乎是不可行的。所以,需要借助数字孪生技术,构建一个数字空间的虚拟交通运输网,进行仿真、试验和试错,提升交通运输的管理和运营效率。

　　腾讯数字孪生平台首先完成交通数字孪生体的搭建。利用城市级三维重建技术,基于腾讯高精度地图数据,真实还原公路、桥梁、隧道、收费站等主体要素,以及绿植、场站、标志标线等。

　　其次通过路测雷达、摄像头等感知设备,实时检测和感知各个目标(车辆、行车等),然后将车辆、行人等动态元素“提取”出来,模型化之后,同步融入到数字孪生环境中,从而真正实现真实路面交通和虚拟环境的深度融合。实时交通流大数据,在数字空间被真实还原。交通数字孪生体搭建完成之后,就可以从上帝视角观察整个交通运输网。

　　对于驾驶员来说,腾讯交通数字孪生技术具备准确率达到95%的精准感知能力,以及百毫秒端到端时延的通信能力。它可以将异常事件告警以视觉和声音的方式,发送到驾驶员的孪生终端上,提高驾驶员的安全通行能力。尤其是在恶劣天气(例如大雾、暴雨等)以及黑夜情况下,驾驶员的视线受阻,可以通过孪生驾驶员端获取实时精准的周边路况情况。

　　交通数字孪生技术的另外一个显著特点,是可计算能力。它主要体现在仿真预测的道路交通可计算和空间可计算能力。通过仿真预测,可以预知未来短、中、长期的交通流状况,支撑不同交通管理场景的应急预案仿真,为决策者提供科学量化的决策依据和数据支撑。

　　数字孪生可以接入大量的城市交通、人口、建筑、气象等数据,通过构建应急事件实现方案的制定和潜在风险预判,为应急事件发生时的实际干预提供了关键载体。城市消防应急涉及到的场景主要包括火灾应急、地震等自然灾害应对、异常气候应对、危化品管理等,借助数字孪生技术搭建一套可视化、可仿真、可预测的应急体系,可以对管理部门调度指挥提供助力。

　　比如,根据各类模型搭建的数字孪生系统可以对建筑体内、园区、建筑周围道路的最佳逃生路线进行设计和管理,同时对于各类传感器、消防点位、视频监控等全部实现联网。在灾害发生前实现及时预警干预、灾害发生时的救援调度、灾后重建的溯源分析等。在应对危化品泄漏危机时,借助物联网等能力实现危化品工厂或者车辆的仿真,对危化品泄漏进行动态呈现,同时计算出有害气体、液体等扩散路径和影响范围,分析最优疏散路线。当然,还可以与无人机系统进行打通,实现快速干预及时止损。

　　低空经济的核心思路,是把低空空域从自然资源,通过数字化和先进技术手段变成可计算、可运营的经济资源。无论是国家顶层设计还是地方政策,都认为低空经济是未来十年的三维立体新交通、智慧城市新基建、数字经济新引擎。

　　目前,我国无人机产业呈现出高速发展的态势。在技术突破和应用需求的双轮驱动下,无人机越来越多地被用于快速物流、应急救援、农林植保、航空测绘等领域,无人机产业的重点正在从生产制造向专业化应用服务发展,而这也意味着对智能化技术的运用要求高,需要能支撑以“异构、高密度、高频次、高复杂性”为属性特征的大容量融合飞行,融合不同种类、功能、性能的飞行器,兼容数倍的飞行密度和起降架次,并面对极为复杂的飞行、地面和信息环境。

　　数字孪生技术核心提供空间感知、空间计算、空间解析、空间搜索等能力,可支持在无人机飞行等高速动态变化场景下的毫秒级时空计算,通过自动化语析、空间自动化抽壳、空间索引等算法,可支持PB 级大规模静态空间场景数据的计算,并支持秒级计算结果输出。同时,仿真平台可以实现飞行前或飞行中的可视化、可仿真、可预测,通过获得相关数据作为飞行决策参考,确保飞行全周期的安全与高效。

　　这一背景下,腾讯与粤港澳大湾区数字经济研究院(IDEA)正在联合探索,借助数字孪生等技术,探索数字化空域设计的前沿能力,未来能够帮助即时配送、物流、应急服务、城市巡检、载客空中飞行等管理方和运营方实现空域高效设计、航道合理规划、城市空间避障、仿真测试预演等功能,确保低空飞行器安全、有序飞行,实现民生服务体验升级,进一步推动低空经济的发展。

　　美丽中国建设,包含了污染防治、绿色低碳、生态系统保护、碳达峰碳中和及守护生态安全等重要内容,与能源和环境息息相关。据自然资源部信息中心孙雪东介绍,在当前自然资源信息化顶层设计中,重点考虑到数字孪生场景驱动,借助数据和算法模型工具辅助认知、判断和决策。重点应用的场景包括,底线守护、格局优化、绿色低碳和全域维护。

　　其中,能源和矿产资源安全是关乎到国家发展的重要命脉,绿色低碳与环境保护又是社会可持续发展的关键基础。数字孪生技术,目前也在能源与环境管理中发挥重要作用。一方面,在政府和监管部门来看,通过数据的汇聚打通、实时孪生的展示和计算,能够高效、科学的进行综合性管理,促进能源、企业、用户及生态体系的动态协同。另一方面,我国大量的能源企业正在加速转型综合能源服务商,用户侧分布式能源管理需求急剧提升,也正在利用云计算和数字化工具,优化生产和供需服务。以腾讯 Enertwin为代表的数字化方案,正在将数字孪生技术、行业大模型等能力嵌入到能源行业的生产和服务中,为各环节的精细化管理和优化提升提供决策依据,同时实现节能减排。

　　在绿色低碳方面,以北京生态环境治理工作为例,针对面积大、人口多、环境污染成因复杂、信息多元异构等问题,北京生态环境部门采用了人工智能与区块链技术的生态环境新型治理体系,运用数字孪生技术,集成了物联网、大数据、人工智能、建模仿真等多项前沿技术,将现实城市中的生态环境治理全程映射在虚拟的数字孪生世界。首先通过感知设备实时采集污染源数据、气象数据等真实世界的环境数据,通过数字孪生系统对环境管理的各个实体要素进行动态监测、动态描述、动态预测等,便于管理部门实时掌握生态环境的现状、异常和趋势,发现环境变化过程中的关系、规律,以支撑相关部门的环境决策管理。在大力推进技术创新的同时,北京市还与腾讯等公司,开展了“场地土壤污染成因与治理技术”重点专项,加速生态环境治理工程。

　　城市人居服务,包含电力、水利、通信、能源、安防等众多基础设施体系,基础设施高效、安全的运转,是城市高效治理与提升人居幸福指数的基础指标。数字化的技术已经深度应用在此领域,如暴雨等极端天气下的防灾应急,电力通信设施设备的安全保障等,通过计算、推演、预判等能力,强化预防和保障能。