2024智慧城市城市数字孪生第1部分：技术参考架构

1PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII目 次范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1缩略语 1概念模型 2技术参考架构 3智能基础设施 4感知基础设施 4连接基础设施 4存储基础设施 4计算基础设施 5数据资源 5技术引擎 5虚实映射 5数字建模 6对象标识 7时空计算 7孪生可视 7仿真推演 8交互控制 8孪生服务 8数据服务 8分析服务 9应用服务 9智能服务 9安全管理 9运营管理 10PAGEPAGE11智慧城市城市数字孪生第1部分：技术参考架构范围本文件适用于指导数字孪生技术在城市中应用部署，支撑智慧城市的规划、建设、管理、运营、服务。规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。术语和定义下列术语和定义适用于本文件。数字孪生digitaltwin具有保证物理状态和虚拟状态之间以适当速率和精度同步的数据连接的特定目标实体的数字化表示。[来源：GB/T43441.1-2023，3.4，有修改]城市数字孪生citydigitaltwin数字孪生（3.1）在城市的应用，主要目的是实现对城市物理空间和社会空间中的物理实体对象、关系及活动等属性实体对象在数字空间的映射、连接和同步，涉及城市中的政策、活动、产品、服务等。虚拟数字人digitalhuman[来源：YD/T4393.1-2023，3.1.1]缩略语下列缩略语适用于本文件。AI：人工智能（ArtificialIntelligence）API：应用程序接口（ApplicationProgrammInterface）AR：增强现实（AugmentedReality）BIM：建筑信息模型（BuildingInformationModeling）CAD：计算机辅助设计（Computer-aidedDesign)CIM：城市信息模型（CityInformationModeling）DDoS：分布式拒绝服务(DistributedDenialofService)GIS：地理信息系统（GeographicInformationSystem）GPU：图形处理器（GraphicsProcessingUnit）IPv6：互联网协议第6版（InternetProtocolVersion6）MR：混合现实（MixedReality）VR：虚拟现实（VirtualReality）XR：延展现实（ExtendedReality）5(5hGenratonMoileNetork)概念模型城市数字孪生概念模型见图1。图1 城市数字孪生概念模型城市数字孪生概念模型具体描述如下。城市物理空间包含时空要素、环境要素、设施要素三方面，是保障城市经济社会发展的重要支撑，描述如下：时空要素是城市地理时空信息，包含城市范围内的空间坐标信息、时间信息；设施要素是构成物理城市所需的各类对象，如基础设施、建筑、景观、能源、工业化等物理实体及其功能或形态的约束边界。设施要素所处空间可分为地上、地下、室内、室外、空域、水域以及特定区间。社会空间是社会中个体与个体、个体与群体、群体与群体等关系和活动的总和，包含组织、活动、关系以及逻辑。社会空间中以城市发展和社会治理的多元参与主体及其相互间的多维层次关系构成组织要素，多元参与主体相互作用构成关系要素，社会关系变化及其迁移过程所遵循的规律构成逻辑要素。城市数字空间是城市数字孪生的载体，包含智能基础设施、数据资源、技术引擎、孪生服务、安全管理以及运营管理。数字空间是基于信息技术以及数字孪生技术，对城市物理空间和社会空间进行部件级、单元级、事件级、区域级等不同尺度的建模，通过互联及感知系统实现数字、物理、社会三大空间之间的实时动态映射以及连接反馈，构成与现实系统对应的平行的数字空间，通过分析推演提升城市治理水平。技术参考架构智能基础设施是为城市数字孪生建设和发展提供感知、连接、存储、计算等能力的各类设备的总称；数据资源是城市目标实体的形式、约束、规则等属性数据和城市各类信息化系统数据的汇聚，包括城市规划数据、时空基础数据、设施属性数据、社会基础数据、物联感知数据、资源调查数据、业务应用数据、运行评估数据等；技术引擎是实现城市物理空间、社会空间向数字空间映射的主要数字孪生技术的集合，包括数字建模、虚实映射、对象标识、时空计算、仿真推演、可视化、交互控制等；孪生服务是基于智能基础设施、数据资源，通过技术引擎提供的城市数字孪生通用服务的总称，包括数据服务、分析服务、应用服务、智能服务等，为城市规划、建设、管理、服务等提供决策支持；安全管理是根据城市安全管理制度，开展数据安全、网络安全、安全预警和应急处理等管理工作；运营管理提供设备和系统的运行、维护及运营服务，实现对城市要素、生态环境等运行状况的实时监测和统一呈现以及城市突发事件的快速响应和应急处理。图2 城市数字孪生技术参考架构智能基础设施感知基础设施感知基础设施包括传感器、传感设备设施以及空天地测量测绘设施等，具体要求如下：应通过感知设施或感知设施组合进行城市数字孪生数据的采集；应具备物与物、物与人泛在联接能力，对城市进行智能化识别、感知与控制；应支持设置数据采集频率、时间间隔，满足应用在空间尺度、事件频次等方面的数据采集需求。连接基础设施根据业务需求和空间要求的变化，应具备及时优化和调整网络结构的能力；面向下一代连接和扩容需求，应具备网络资源动态编排能力；应满足数据传输的实时性、传输速率和质量的要求；宜具备设备与设备间自连接、自组网的能力；IPv6存储基础设施应支持多源异构数据的统一归集；存储资源应按需进行弹性分配和软件定义网络；应根据数据读取性能，优化存储架构、存储方式和检索方法等；应具备高吞吐数据读取能力。计算基础设施应支持城市建立虚拟一体化计算资源池；应支持二维和三维的数据渲染、仿真计算，保障应用的流畅运行；应具备边缘计算能力，支持高速率、高可靠和低时延的应用场景。数据资源数据资源具体要求如下：城市规划数据应包括但不限于国土空间规划数据（总体规划、详细规划、村庄规划等）和专项规划数据（自然资源行业专项规划、环保规划、水利规划、交通规划、历史文化名城保护规划等）；时空基础数据应包括但不限于矢量数据、影像数据、高程模型数据、地理实体数据、地名地址数据、三维模型数据等；设施属性数据应包括但不限于城市物理设施对象的材质、结构、设计使用年限、可靠度指标、安全设防标准、关联物理量等；社会基础数据应包括但不限于人口基础数据、综合法人库、信用信息数据库、宏观经济数据库、电子证照数据库等；物联感知数据是通过感知设备采集的各类感知数据以及状态数据，宜包括但不限于城市运行与安防数据（城市设施运行状态、治安视频数据、三防监测数据）、生态环境监测数据（水、土壤、空气等环境监测）、市政设施监测数据（城市道路桥梁、轨道交通、供水、排水、燃气、热力、园林绿化、环境卫生、道路照明、垃圾处理设施等）、建筑监测数据（设备运行监测、能耗监测）、气息监测数据（雨量、气温、气压、湿度等)、交通监测数据(交通视频监控信息、电子监控信息)及空间感知数据(测绘遥感、卫星遥感等)；资源调查数据宜包括但不限于地质调查数据（基础地质、地质环境、地质灾害等）、土地资源调查数据（耕地资源、基本农田等）及水资源调查数据（水系水文、水利工程、防汛抗旱、城市供排水等）；业务应用数据涉及城市运行管理的各领域各业务的信息资源、业务流程、处理输出等动静态数据，宜包括但不限于业务属性、实施数据集、业务信息系统、行业领域信息系统、第三方社会机构信息系统等多源业务应用数据；运行评估数据宜包括但不限于城市规划、城市管理、经济发展、环境、气象、能源、交通等领域运行成效以及评估数据。技术引擎虚实映射应具备测绘能力，包含对地理位置、几何结构、状态等多角度特征提取的数字化功能，使物理实体与虚拟实体在不同尺度上一一对应；应具备智能匹配能力，为虚拟空间实体映射提供标准属性模板以及关键指标记录，实现城市实体的全域标识以及信息动态实时更新，同时应提供相应的设备安全防护，可信可控，实现对虚拟空间中数据资源的有效管理和利用；应具备对象管理能力，实现对虚拟实体以及数据资源共享共用。通过对虚拟对象的管理实现城市物理对象以及社会对象在实体空间的连接与关系，确保数字对象在数据处理、分析、推演等一系列过程中的可溯性；应具备属性关联以及特征提取能力，帮助城市数字孪生获取完整性好、现势性强、精准度高的全域全要素数据关联，通过融合时空大数据，构建与包含空天地等时空基础数据的一体化的、信息一体化的数字信息底座，保证城市全息数据的完整采集以及关联挂接；应支持实体语义描述包括相邻、相离、相交、交叉、包含、叠加、连接等空间关系，还包括要素间的属性、关系；应支持语义扩展，构建实体-业务知识图谱，方便各种业务应用场景。数字建模空间建模空间建模是通过多种数据对物理实体的自身属性进行建模的技术，具体要求如下：应能够精确描述物理实体的形状以及长、宽、高等几何信息；应能够描述物理实体的经度、纬度、高度、时间等时空信息；应能够在建模区域内构建不同等级精度模型，能够支持无缝衔接；应能够准确识别各类建筑物、道路及道路标识、桥梁、植被、山地、水体等要素；应能够描述物理世界地形地貌、城市建筑、基础设施等全空间、全要素物理实体；应支持基于航空航天影像数据、激光点云数据、无人机数据、实时感知数据等数据构建三维模型；宜支持利用人工智能技术生成空间模型。语义建模语义建模是对场景中三维模型赋予语义、GIS等关联信息的技术，具体要求如下：应支持输出带语义信息、几何信息、关联属性信息的三维模型，可以被机器识别并参与计算、仿真；应具有统一分类和唯一编码标识，如基于时间以及空间位置的电信时空网格编码；应按照分级要求逐级建模，并进行融合，实现平滑动态连续显示；应支持倾斜摄影、激光点云、BIM、CIM、CAD、GIS应支持构件级别精度为最小单元，并在此基础上支持程序化生成、自动生成模型；宜采用统一元数据格式描述数字实体及对象。事件建模应具有物理实体运行规则、规范的信息；应针对目标实体建立经实践验证可行的数学、物理、化学、逻辑关系等机理模型；应能够自定义扩展和链接多领域数据，如社会经济信息、实时大数据等；应支持基于场景、事件的活动建模，包含主体、过程、输出等要素；应支持将描述目标实体运行规律的内在机理转化为建模语言。对象标识（中的每一个目标实体都能与城市数字空间的数字实体一一对应，实现目标实体和数字实体互操作的技术。对象标识包括客体标识、主体标识、关联关系标识等，具体要求如下：客体标识：应唯一标识客体在物理空间及其在城市数字空间的统一编码，如建筑物时空位置编码、管理网格归属编码等；主体标识：应唯一标识主体在物理空间及其在城市数字空的的统一编码，如自然人、法人和社会团体等编码；关联关系标识：应对主体和客体、主体和主体、客体和客体之间的关联关系进行统一编码，如产权证编码即主体和房产实体之前权属编码；户口编码涉及家庭成员之间关系编码等。时空计算空间解析：通过空间抽壳等技术，能自动提取三维空间数据，构建空间实体和拓扑关系，实现空间实体识别、语义解析等；空间计算：基于统一时空基准，应对空间中的人、事、物等动态要素及空间实体等静态要素进行离线或实时计算；空间查询：应构建统一、高效的空间索引体系，实现时空要素查询、实体位置查询、空间关系查询等；时空分析：基于时间尺度，能对空间实体时空交汇、实体碰撞、拓扑关系等进行分析和预测。孪生可视全要素表达应支持业务专题表达，包含但不限于规划、建设、应急、能源、工业、交通、水务、水利。全动态编辑应支持对城市场景的动态编辑，包含但不限于模型导入、材质替换、构件取点、事件模拟等；宜支持场景内各类要素的增、删、改、查。实时云渲染/中观/微观一体化、地上/地下一体化、静态/动态一体化；GPU+5G仿真推演应支持仿真推演任务管理，包括但不限于仿真任务启动、暂停、终止和编排、多用户在线协作仿真任务管理、动态数据实时驱动仿真任务管理、算力基础设施资源配置管理；应支持数据模型构建修正，实现地理信息要素概化、拓扑关系构建，并进行数据模型修正，为仿真推演计算提供数据环境；应支持计算模型构建优化，根据物理和数据驱动机制、运行规律、求解算法等信息实现模型建立，从模型结构、参数调整、计算效能等方面实现仿真计算优化，提供稳定、可靠、高效的仿真推演计算模型；应支持仿真推演结果管理，实现过程文件和结果文件的格式解析、内容解析，及仿真推演结果验证和评价。交互控制系统交互要求：应支持多种组件交互查询，包含但不限于主题切换、图层筛选、区域上卷下钻、目标画像、图表联动；终端交互要求：应支持对不同终端的交互、控制，包含但不限于城市数字孪生场景内的虚拟要素的形态、数据库的增删改、实体设备的状态。人机交互要求：宜支持多模态的识别与交互，包括但不限于语音、图像、视频、手势、眼球跟踪等。宜VR/AR/MR/XRAI孪生服务数据服务APIAPI应支持拖拽配置式的数据编排服务，支持数据集成、批处理、策略编排等数据处理场景，快速支撑应用；应构建数据模型，对物理目标实体数据进行结构化描述、对数字空间对象进行统一编码，信息进行处理，确定对象唯一身份的数字标识，并使信息具有可追溯性；应支持数据共享，通过对城市基础设施、音视频、三维信息、物联网、业务数据流等实体及虚拟的各类数据进行数据标识、过滤、去重、映射、融合、校验等操作能力，按要求生成满足城市数字孪生共享和交换的数据集。分析服务应提供时空分析算法服务，算法包括但不限于管网拓扑分析、气体泄漏扩散分析、建筑日照分析、桥梁限高分析、城市部件破损识别、城市剖面线分析、出行规律、大客流疏散分析等；应支持城市任意空间范围内的指标计算分析，如建筑面积、容积率、人口密度、车辆密度、能源消耗等；应支持基于多维数据、技术引擎，面向上层应用提供专题分析服务能力，如道路运行分析、轨道交通分析、城市居民画像分析、灾害事件分析等。应用服务应提供各类基础引擎，如流程引擎、规则引擎、渲染引擎等；应支持使用工具快速实现系统间数据、服务、消息流通与融合。如服务集成、消息集成、设备集成、数据集成等；应支持应用服务的快速开发、部署和管理。包括入口管理、身份管理、应用开发环境、组件管理等；应支持用少量代码扩展实现数字孪生场景搭建和可视化应用开发，提供二三维组件库并支持定制化组件。智能服务智能服务是依托AI应支持孪生数据的宏观或微观分析、统计和推理，构建结构化的展示显性和隐形关系的知识图谱，支撑应用的分析和预测功能；应支持卡通化到超写实等多种类型的数字人的建模、制作、训练，支持采用跨模态数字人交互技术，通过语音、文字、音乐提供对话问答、智能交互的能力，如数字客服、展厅虚拟讲解员、政务服务数字引导员等场景。安全管理安全管理包含但不限于安全运维管理、安全风险管理、安全检测、安全预警。具体要求如下：应设立安全管理机构和配