超算+大数据+VR，德国打造首个数字孪生城市

导 读

当今时代是信息技术爆发的时代，高性能计算、大数据、人工智能、数字孪生、物联网、VR/AR等新名词层出不穷。科技创新不仅给社会发展带来巨大推动力，也对人类社会乃至人类本身的演进产生了深远影响。近期，德国斯图加特超算中心研究团队成功将“数字孪生”的概念应用在智慧城市上，使用高性能计算技术对描述城市活动的多源大数据进行分析、整合和3D可视化，打造了德国首个数字孪生城市——Herrenberg，用于支持智慧城市的规划与管理。
先来看看何为“数字孪生”吧？

数字孪生（Digital Twin）是集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。早期数字孪生用于航空航天飞行器的健康维护与保障，随后逐渐拓展到医疗、工业、智慧城市及其他领域。

对于工作在建筑学、城市规划和计算科学交叉领域的Fabian Dembski博士来说，城市不仅仅是我们居住的地方，它更像是活的生物体，会随着时间不断发展变化。从这个角度来说，合理的城市规划管理可以促进城市健康有序发展。研究人员也在不断尝试寻找新方法来使城市规划决策更高效、更公平和更具包容性。
数据建模+3D可视化
支持智慧城市规划与管理

如同CT扫描为医疗专业人员提供了观察人体的新方法一样，基于数据建模和可视化的先进数字方法也为研究人员提供了了解城市运作的新手段，还可以基于此，预测城市发展如何影响当地人们的生活。

来自德国斯图加特超算中心、斯图加特大学、弗劳恩霍夫研究所等合作单位的研究人员，共同开发了用于支持城市规划的3D可视化的新应用。该团队将“数字孪生”的概念应用在智慧城市上，使用高性能计算（HPC）技术对描述城市现象的多源大数据进行分析、整合和可视化，以模拟与推演城市规划中需要考虑到的一些复杂过程。

在过去的几年中，该团队一直在开发斯图加特郊外的一个小城市——拥有三万人口的海伦贝格（Herrenberg）的数字孪生城市。对于Herrenberg的研究已经为巴登-符腾堡州（state of Baden-Württemberg）的城市规划者和政府官员提供了非常有价值的信息，并为改进模型以包括更多种类的数据铺平了道路。近期，该团队在在环境科学与生态学领域国际权威期刊《Sustainability》上发表了相关研究成果。

数字孪生本质上是复杂对象的超现实计算机模型，能够高精度模拟对象的各项功能。过去，科学家和工程师使用HPC来创建包含建筑物，发动机引擎和公用事业网络等物体的数字孪生模型。而Dembski博士和他的同事是最早将这一概念应用在整个城市环境建模的学者之一。

城市生活是许多复杂因素相互作用的结果，这一想法给了他们启发。随着传感器和其他用于生成高质量数据设备的使用，研究人员现在可以收集到各类大型数据集，这些数据集代表了空气质量，交通流量、行人交通情况以及城市生活的其他方方面面。通过使用超级计算机整合这些大型数据集并在虚拟现实中对其进行可视化，可以更直观更轻松地理解它们之间的复杂相互作用。

打造Herrenberg数字孪生城市
要分几步走？

要创建这样一个复杂的多维模型，研究人员必须首先建立一个框架，然后使用更细节的数据集对其进行进一步描述。在构建Herrenberg的数字孪生城市时，团队首先使用了称为空间句法的概念。就像人体骨骼为人体的所有其他系统和功能提供了支撑一样，空间句法会在城市中生成二维的物理网格轮廓，从而为执行空间分析提供框架。

然后，该团队将地理信息系统（GIS）数据和交通控制系统数据进行折叠，以便更详细地合并地形、道路几何形状和实际交通流，最终又增加一层复杂性。使用开源流体动力学软件OpenFOAM，它们还搭建了整个城市风场运动和尾气排放的高分辨率模型。

除了这种高精度的物理模型之外，HLRS团队还开发了一个应用程序，邀请Herrenberg居民针对城市中的不同区域提交他们的感受反馈，包括是否舒适、是否安全或是否整洁美观等。

正如Dembski博士所说：“诸如愉悦性和舒适性之类的感觉，绿色空间和建筑的审美体验以及其他情感驱动的因素在成功的城市规划设计中起着非常重要作用，但是这些因素在传统的建筑类模型或模拟中却很难体现。我们的方法是收集和整合这些复杂数据集的一次早期尝试。”

通过使用Faro 3D激光扫描仪，该团队还创建了Herrenberg城市中心的三维可视化结构。随后，该团队将其各种数据集的可视化集成到沉浸式虚拟现实模型中，从而使城市规划决策者能够看到抽象数据变得“栩栩如生”。对于Dembski及其团队而言，该可视化工作使他们可以以更接近真实的方式来展示该城市。

由于涉及处理多源大数据集，因此高性能计算资源对于该项工作至关重要。Dembski解释道:“考虑到整个城市的复杂性以及模拟的精细化程度， HPC超级算力的支持必不可少。”

与此同时，Dembski还指出，工具、专业知识的集成以及不同技能和技术的融合也使得超算中心对于这项工作至关重要。“这不仅仅与超级计算机这一基础设施有关，”他说，“这关系到我们可使用的各类丰富计算资源，最重要的是，跨学科的协作环境促使这项工作取得了成功。”
数字孪生城市
促城市规划讨论的热潮

“城市不是一维的，因此在一张纸上设计城市是没有意义的，” Dembski说。三维空间模拟有助于我们了解城市及其空间特性。特别是在传统城市规划和发展的背景下，人类受限于对空间的感知。例如大多数人无法在缩放比例为1：1000或1：10000情况下，很好地规划管理。

“这也适用于城市规划师，因为他们通常对人类尺度缺乏必要的敏感性，这就是为什么我们知道许多城市发展的项目行不通的原因。通过让城市规划决策者在虚拟现实中的体验，可以帮助他们更好地评估各类方案的可行性和有效性。”

该团队与Herrenberg市政府官员共享了该数字孪生城市，并在当地的一些公共活动中展示了它的模型，以鼓励公众参与城市规划。迄今为止这一活动得到了非常积极的响应。

“当我们使用背投VR环境演示了数字孪生的移动3D版本时，公众反响非常好。”Dembski介绍道，“很高兴看到多个团体参与城市规划相关话题的讨论。”

未来，超算+人工智能融合
支持智慧城市规划

在不久的将来，该团队还将探索如何使用人工智能应用，更好地展现影响居民对家乡城市情感体验的各种因素。

“我们希望在模型中加入更大规模、更动态的场景，”Dembski说道，“这可能包括区域迁徙，城市的增长、收缩、定居模式，以及城市整体和社会经济弹性等因素。考虑到量化这类活动需要庞大的复杂数据集，我们将需要更大的计算能力支持，而人工智能应用也会有所帮助。”

数字孪生技术在Herrenberg城市的探索实践表明，数字孪生技术将为智慧城市发展提供重要创新手段，借助超算的模拟仿真可以帮助我们通过出更公平、更完备的方式来规划与设计未来的城市。

如今，德国、美国等世界多国已掀起一轮建设智慧城市的新潮流，我国也从政策、资金、技术等多个层面出发，积极推动智慧城市建设。作为一种数字化基础设施，以超算为支撑的数字孪生技术为智慧城市规划与建设注入新的活力，将助力新型智慧城市数字化转型。特别是在当前“新基建”的风口，数字孪生将赋能新基建，推动新基建大潮下各领域各行业的数字化升级，打造一个开放、融合的“数字孪生城市”，最终推动我国国家数字化战略发展。

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图文内容整理自网络

翻译&整理：万园园、岳苹

微信编辑：岳苹

初审：王栋

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