新硎初试 · 仿真实验室技术栈揭秘
我们的城市每天都在发生着变化，既有能被感知的物质空间变化，也有存在于数字中的经济社会发展；有风貌迅速变化的整治，也有长期缓慢的更新改造。从现有研究中，我们可以看到量化方法已经成为城市研究的一个普遍方法；大量涌现的城市现象与问题的可视化表达，也离不开量化分析的支撑。这种通过一系列数学公式，描述城市发展变化的规律与内在机制的方法，能够为我们揭示城市现象的产生，解决城市问题，促进城市未来发展提供更加科学的依据。
城市仿真实验室是一个智慧化的城市治理决策平台，分别从数据汇集、评估预警、仿真模拟、智慧决策四个层次，实现对数据资源的综合管理与运维，对城市运行指标的监测与可视化，对模型、算法的自动化运行，以及对城市未来发展的在线预演。本文将为大家介绍一下城市仿真背后的关键技术。
城市仿真平台在技术架构上分为数据接入管理、后台运维、业务应用三个层次。平台需要实现系统可配置、数据可配置、指标可管理、模型可接入、服务可管控，业务应用上则需要具备看数据、挖掘数据、模拟预测、辅助决策的能力。
城市仿真平台架构图
一、指标管理
数据是规划的基础，评判一个城市的好与坏，首先要学会看数据，并将问题进行可视化表达，在这里，我们将城市分为若干专项领域，然后将数据分别归入各领域之中，并总结出一套指标体系，对指标进行管理。根据这套指标数据与其对应的阈值进行比较，我们就可以通过量化的形式，判断专项领域当中的某个模块，在城市当中的好与坏。
指标管理系统架构图
指标可以成体系管理，可以配置多维度，亦可灵活配置指标元数据；
指标的计算方法，通过配置计算模型实现可定制；
指标计算模型多次计算，可追踪历史记录；
数据字典可以对指标监测值中的数值进行解释。
二、模型管理
指标能直观反映出城市规划的好坏，指标值的一大来源就是通过模型计算得来，模型管理系统承接数据资源管理，从指标的计算公式出发，建立指标计算模型，将模型部署至生产环境中，供指标管理系统和应用系统调用；为了判断一个决策是否能达到理想的效果，仿真实验室提供了一种预演模拟的机制，可以将决策方案与数据模型结合分析，再通过数据可视化的方式直观的将结果呈现出来，这同样离不开模型管理系统的支撑。
模型管理系统架构图
模型管理系统由模型管理、任务调度、计算服务三部分组成。
模型管理以算法、模型为核心，具有算法注册和管理、模型构建、模型管理和模型计算的能力；
任务调度中心响应外部命令和输入数据，调用运行时服务，获取计算模型，将计算任务按资源分发，对作业流进行编排、监管和干预；
计算框架集成模型运算的环境，接受调度中心分发的任务，进行逻辑运算，产生相应的输出。
三、前端应用
有了指标、算法、模型等，如何展现出数据的价值、让数据说话，如何更直观、简洁地提供人机交互，来实现仿真模拟，是我们设计前端应用重点考虑的方向。
城市仿真前端应用架构图
为了支撑数据汇集、评估预警、仿真模拟、智慧决策等应用，我们设计了如下核心功能：
1. 数据可视化
对于空间数据，按照模板进行渲染，按照图层类型可以分为点、线、面三种模板，结合图层的业务属性，又可以分为：散点图、热力图、面积图、路径图等；对于指标值，在空间维度可分为市级指标、区级指标、落到地块上级别指标等，在时间维度上分为现状值/监测值（年月日时）、规划值等，针对这些特性，我们对指标采用图表和地图落图相结合的方式可视化。这里主要用到Echarts图表、Echarts地图和ArcGIS api渲染。
指标可视化
2. 二三维一体化
二三维无缝衔接，能更直观地展现在不同视角下的空间数据特征，同时也使三维动画的实现成为可能。ArcGIS api 4.x开始支持三维场景，我们基于4.x的api开发了自己的地图引擎，支持二三维无缝切换，二、三维场景共享同一份数据。
二三维一体化
3. 动效
在数据的可视化和一些场景的表达上，使用动效会具有更好的展现效果，例如发生强降雨后，可以通过动效模拟随着时间变化的城市积水深度变化。我们基于canvas和WebGL开发了一套动效api，来实现一些比较酷炫的效果。
动效
4. 预警
当我们的后台监控服务监听到指标值或者模型计算结果发生预警的时候，有两种方式将预警信息反馈到相关人员。我们集成了短信服务，可以给相关人员发送短信通知，另外对于登录应用系统的用户，通过websocket推送预警信息到应用系统客户端，客户端以预警列表和地图落图的方式进行预警。
模型预警可视化
5. 体检评估
城市体检评估针对现在已有的项目评估模板，对不同范围的城市项目进行体检评估，生成最新数据的评估报告，以及查看历史评估报告。具体实现流程是：通过模板里挂接的指标id以及维度动态获取指标值和图表的结构分布趋势；通过Web Worker请求数据并处理模板内容，避免页面阻塞；使用Quill富文本编辑器，支持常规的文字编辑，支持表格插入、支持图片插入，并可以调整图片大小；最后通过Word export插件将报告导出为word文档。
城市体检评估
城市仿真实验室作为融合了“数据”、“指标”、“模型”三位一体的有机生命体，为城市建立了一套综合指标体系，用数据去精准的量化城市的状态，结合实际的应用场景对城市进行可视化的仿真，最终为我们构建了一个动态的虚拟城市，成为了城市运行状态的“仪表盘”。在由物理空间和社会空间组成的数据空间下，通过对数据的分析和归类，通过智能化的仿真模拟精准快速的计算结果，动态监测、并对实际场景进行预演，得到城市规划的最优解，并最终辅助城市规划做出合理的决策。