南京北站枢纽经济区数字孪生平台建设研究与探讨

高冠军，赵彦涛 ,余清鹏

（1.南京江北新区枢纽经济发展管理办公室，江苏 南京 210000；2.南京江北新区枢纽经济发展有限公司，江苏 南京 210043）

1 概述

数字孪生技术作为新型智慧城市建设的创新引领性技术，在推动智慧城市建设方面的作用已越来越受到重视，数字孪生城市[1]，是“数字孪生技术”在城市空间中的应用。国家“十四五”规划和2035 年远景目标纲要中，明确提出了要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。

中国数字孪生城市兴起于2017 年，由中国信通院在基于智慧城市研究基础上提出；2018 年，河北雄安新区发布《河北雄安新区规划纲要》，提出设立与现实城市同步规划建设、具有深度学习能力的数字城市，成为中国首个将数字孪生理念应用于城市建设的规划项目[2]；2019 年，“数字孪生城市”热度不断上升，随着多家互联网、通信巨头陆续加入构建数字孪生生态，提出数字孪生城市架构；2020—2023 年，包含北京市、上海市、广州市、海南省、浙江省等全国有16 个省市明确提出数字孪生城市建设相关政策或行动方案，中国数字孪生城市建设正式进入建设期[3-5]。本文以南京北站枢纽经济区数字孪生平台项目为背景，开展数字孪生平台建设的应用研究，探讨相应的建设方案。

北站枢纽经济区数字孪生平台于2020 年正式启动建设，通过建立北站枢纽经济区三维城市空间模型和城市动态信息的有机综合体，为片区各类智慧城市应用的数据交换共享提供统一时空基底，助力南京北站枢纽经济区城市规划、建设、管理全生命周期智能化、全过程精细化管理，提升片区治理水平与服务能力。

图1 数字孪生平台示意图

2 数字孪生平台技术路径

2.1 平台综述

北站枢纽经济区数字孪生平台能够为片区内及周边自然资源、规划、建设、经济、民生等各类数据的汇聚提供能力，高效展现大场景数字孪生城市模型，复原城市细节，并能够通过数字孪生可视化进行大场景动态实时渲染，在数据可视化和场景可视化基础上，实现枢纽经济区规划、建设的可视化和精细化管理，对城市运行监测、运营管理、应急调度等一体化管理与服务的综合支撑。

2.2 平台架构

基于大数据和建筑信息模型的新型智慧城市理论，依托南京市与数字化相关的制度、法律、法规、政策，并以南京江北新区政务外网鲲鹏云底座为基础，以物联网数据（loT)、地理信息数据（GIS)、建筑信息模型（BIM）等数据为支撑，运用基于互联网的云计算技术，将任何物理上、逻辑上与地理位置有关的数据进行科学有机地组织，形成三维可视化的具有信息查询、管理监控、决策支持等多种功能的真实数字还原南京北站枢纽片区。

本平台遵循集约建设的原则；充分利用已建设施，采用四层架构，分为基础设施层、数据层、平台层、应用层及相关管理系统、标准规范、保障体系，总体架构见下图：

图2 总体建设架构图

（1）基础设施层。基础设施层包括立体感知体系、网络连接层、中心机房及边缘计算相关软硬件等内容，其为各个系统提供信息传输通道、安全基础设施、运行环境（包括网络环境）等，同时可根据前端业务需求按需自动扩容，实现故障转移、运维自动监控等。其中网络连接层主要是政务外网、运营线VPN 网、无线网（2G/3G/GPRS/NB-IoT）等，用于感知数据传输，业务应用网络，视频数据传输等。平台层主要是区政务云，其为本系统提供所有存储资源、计算资源以及网络安全资源等。

（2）数据层。数据层包括鲲鹏数字底座、时空大数据、数据湖及基础大数据子平台等内容，主要提供数据接入、存储、管理、应用分析和共享等能力，通过对平台层各类应用库数据标准化清洗过滤以及大数据分析技术，构建以基础数据库、监测数据库、专题库以及时空大数据分析为主的数字孪生数据中心。支持与气象、国土、交通、公安等部门的数据交换共享。其中时空大数据主要面向地图标记、二维矢量、倾斜摄影、BIM 数据及基础设施层泵入的IoT 数据等。

（3）平台层。平台层属于CIM 数字孪生中枢的建设核心，为应用层提供底层时空、业务数据的汇聚、管理、分发服务，其中包括基础功能组件、CIM 轻量化引擎、可视化与仿真组件、部件数据化子平台、数据分析子平台、应用集成智能子平台、智能连接子平台等。利用城市骨架数据（CIM）、感知数据、视频监控联网数据，结合鲲鹏数字底座的强大云计算能力、大数据分析能力、人工智能能力，实现对新区城市规划建设、运行监测、运营管理、应急调度等一体化管理与服务的综合支撑。

图3 微服务架构图

（4）应用层。提供用户交互截面，通过平台层支撑，涵盖了数字规划、虚拟仿真两大场景12 项功能，提供城市建设、运行指挥可视化展示集成框架，根据用户的场景需求，动态可扩展支撑可视化的多屏开发。

（5）运维管理体系。为确保平台应用的协调性和连续性，数字孪生平台构建以信息安全保障和系统运行保障为基础的规范化运维服务保障体系，建立运维管理机制，明确以事件管理、问题管理、变更管理和配置管理等环节为基础的运维服务流程。

（6）标准规范体系。标准规范是保障系统的各个组成部分能够协调一致的工作，是保障各类信息互联互通，是保障项目建设过程和运维管理的规范、有序、高效的重要基础。通过充分利用已有国标和行标、参考国际上的先进标准、建设必要的标准规范，形成CIM 相关标准规范体系。

3 数字孪生平台关键技术研究

3.1 数字孪生底板搭建

数字孪生平台采用以BIM ＋GIS 为核心的城市级三维模型创建整合与深化应用的总体方案，解决片区内的多源异构、多专业协同应用等重难点问题。根据外业航飞及地质、规划及工程资料进行，实景、地质、规划三大模型创建整合及工程三维模型整合等技术手段，先在主流BIM 软件平台对模型进行整合，再发布至主流GIS 平台生成三维电子沙盘。基于电子沙盘开展城市级模型应用，并最终将城市电子沙盘发布至同步开发的数字孪生平台，为北站的规划、建设提供可靠的数据资产。

3.2 空间数据融合技术

空间和地理信息技术已发展多年，涉及空间和GIS相关的数据标准、格式和应用软件多种多样，在进行数字孪生平台建设的过程中，不可避免地要对各种空间数据以及需要和空间关联上的所有数据进行再组织、再关联，空间数据融合技术就此出现。

（1）空间主数据：指进行空间数据组织和关联时的统一标识技术系列，如地理编码、BIM 编码技术等，以及依此衍生的坐标转换技术、空间地址匹配技术等。

（2）空间数据格式转换：多种三维模型文件格式、GIS 文件格式、倾斜摄影格式等进行转换，放入统一的数据格式下进行再组织的技术，支持的文件格式包括：ifc、rvt、dgn、catia、fbx、osgb、osg、ive、obj、3ds、x、ply、dwg、ac、dae、gltf、lwo、lxo、scn、mdl、md3、md5、smd、m3、3d、q3d、ms3d 等。

（3）BIM+GIS 数据融合：基于GIS 的地理坐标系将三维BIM 模型按空间属性和业务属性进行多数据集地再组织过程。

（4）IoT 空间数据融合：基于BIM 模型坐标体系将IoT 物联设备进行空间关联和数据关联，以实现基于空间的传感数据的调取和可视化应用；同时，在大尺度空间体系下，需要将IoT 物联点位和BIM 坐标与地理坐标系进行融合关联。

图4 片区多源数据汇聚效果

3.3 基于WebGL 的三维可视化技术

WebGL（Web Graphics Library）是一种3D 绘图协议，能够在网页上实现三维图形图像渲染的技术，使得浏览器摆脱了需要插件的麻烦，通过网页渲染直接调用显卡GPU 来实现，大大加快了网页显示的速度。

WebGL 技术使得三维地图可在浏览器端以网页形式访问和呈现。三维地图应用系统可以B/S 的方式建设，用户能够以更加便捷的方式使用系统，对于三维地图在各行各业的应用有着巨大的推进作用。

3.4 空间计算技术

数据分析系统用于为城市数字空间可视化平台提供基于空间大数据的计算分析能力。其数据来源于数据接入系统与数据融合系统。采用成熟先进的分布式大数据计算处理框架构建，提供基于空间的分析算法，支持多种数据源格式输入。空间分析技术系统为用户构建深度查询、通用空间分析、专题空间分析模拟、视频空间分析四大类常见的空间分析工具，帮助用户从空间、时间、属性等多个维度了解和认知时空大数据，为不同颗粒度的数据提供强大深入的分析性能，挖掘更多信息的价值。

4 结语

目前南京北站枢纽经济区建设正稳步推进，片区内的相关规划以及站房方案也逐渐优化稳定，作为北站枢纽经济区智慧城市大脑的——南京北站枢纽经济区数字孪生平台也实质性应用于片区建设实际工作，助力片区规划设计：

（1）平台汇聚片区内各项多源异构数据：现状倾斜摄影数据、片区行政规划、片区用地规划、片区市政交通规划、POI 数据以及两版站房方案过程稿等多源异构数据；

（2）同时结合平台定制开发的测量标绘、分屏对比、空间分析、剖切查看等专业工具；

（3）基于数字底板及定制开发的各类分析工具，线上即可进行项目方案分析，减少项目间碰撞，提高沟通效率。通过数字孪生技术的应用，提高南京北站枢纽经济区智慧城市建设的数字化建设水平。