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1、智慧城市背景下数字孪生技术在城市建设中的应用研究学 院：专 业：姓 名：指导老师：商学院信息管理与信息系统黄文凯学 号：职 称：160802105004王淞春高级工程师中国珠海二二一年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计智慧城市背景下数字孪生技术在城市建设中的应用研究是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日智慧城市背景下数字孪生技术在城市建设中的应用研究摘 要智慧城市的出现，代表着科技的水平正在进步，但是所带来的管理问题也是前所未有的。很显然目前的智慧城市管理已经一
2、定出现了瓶颈。数字孪生技术（Digital Twin）即现实与虚拟的交互技术，突然出现在大众的视野当中。科技在不停地发展，人们的生活也越来越便利，但是许多民生问题却仍然得不到有效的解决。对于这些问题，由于ITO技术和物联网的出现。有学者提出将数字孪生结合到城市管理当中，达到更高效，更人性化的管理简单点来说，就是在生产一个物理实体的时候，先构建一个虚体进行演化，无需承担物理资产损害的后果。数字孪生技术允许在实施计划前模拟计划，在问题暴露前揭露问题。就意味着在城市发展规划，数字孪生技术可以更好的规避风险以及管理城市。结合数字孪生技术，从身份信息系统，交通管理系统，健康医疗系统，工地监测系统，四个方
3、面结合城市管理，实现新智慧城市。关键词：Digital Twin，智慧城市，民生问题Research on the application of digital twin technology in urban construction under the background of smart cityAbstractThe emergence of smart city represents the progress of science and technology, but it also brings unprecedented management problems. It is
4、obvious that the current smart city management must have a bottleneck. Digital twin, the interactive technology between reality and virtual, suddenly appears in the publics vision. With the continuous development of science and technology, peoples life is becoming more and more convenient, but many
5、peoples livelihood problems are still not effectively solved. For these problems, due to the emergence of ITO technology and the Internet of things. Some scholars have proposed to integrate digital twin into urban management to achieve a more efficient and humanized management. To put it simply, whe
6、n producing a physical entity, it is necessary to build a virtual entity for evolution without bearing the consequences of physical asset damage. Digital twin technology allows simulation of plans before they are implemented, exposing problems before they are exposed. It means that in urban developm
7、ent planning, digital twin technology can better avoid risks and manage the city. Combined with digital twin technology, from identity information system, traffic management system, health care system, site monitoring system, four aspects of urban management, to achieve a new smart city.Keywords: Di
8、gital twin, smart city, livelihood issues，目录1.前言61.1研究的背景61.2研究的意义71.3研究的内容81.4研究的思路和操作82.智慧城市与数字孪生92.1举步维艰的智慧城市92.2一鸣惊人的数字孪生103.数字孪生技术在城市建设的探索进程133.1数字孪生区域建设153.2数字孪生技术建设164.数字孪生系统在城市建设应用184.1身份信息系统184.2健康医疗系统194.3交通管理系统214.4工地监测系统235.发展困惑与解决方法266.总结与展望287.谢辞298.文献综述301.前言时代是人类思想的集合体，思维所到达的高度，决定人类的
9、生活方式。据不完全统计，全球接近一半的人口在城市中生活。城市的建设很大程度的会影响到人类的生活，可以说是息息相关。工业革命，为人类带来爆炸性的科技提升，但所谓福祸相依，随之带来的便是如同跗骨之蛆一般的-城市病。城市病并不会随着城市的发展消失，反而悄悄的渗透进城市的每个角落，伴随着人类的生活。因此如何解决它成为每个时代的问题。正如1989年ManuelCastella在信息化城市中所指 出，“在信息时代，传统 的城 市空间将逐渐被信息空间取代 ， 信息通信技术造就的信息流动空间将社会文化规范形式和整个物理空间进行区分，并重新组合进而形成了一个新的二元化城市 1。如果说工业革命为现代城市制定框架，
10、那么信息化就是让城市跳出框架，不在局限于空间与时间。用一个全新的角度去探讨城市问题。1.1研究的背景随着社会的进步，人均生活水平日益提高。随工业化革命带来的城市病毒正在加剧扩散。导致经济失衡，经济失衡对于我国甚至于全世界仍旧是目前很大的问题。想要解决经济失衡，最好的办法只有各个地区协调发展，于是乎近几年，习主席大力强调要加快城市化的脚步。城市化固然是好的，但是所带来的管理问题也是巨大的。由于城市受到于时间和空间的限制，无法避免一些发展所带来的弊端。比如说：交通拥挤，住房紧张、供水不足、能源紧缺、环境污染、秩序混乱，以及物质流、能量流的输入、输出失去平衡，需求矛盾加剧等问题。一个城市发展程度，G
11、DP是最好的反馈，宏观来说经济确实是反应一个城市的繁荣，但是缺乏微观的管理，忽略对细节的掌控，往往是虚假的繁荣。幸运的是，恰好处于一个科技发展爆炸的时代，IOT技术的发展，数字孪生技术的理念被引入到智慧城市的建设中来。1.2研究的意义Digital Twin也被成为数字孪生技术，其概念是密歇根大学的Michael Grieves首次提出于2002年。具体“指的是物理产品或资产的虚拟复制。此复制实时更新（或尽可能定期更新），以尽可能地匹配其真实世界”。简单点来说，就是在生产一个物理实体的时候，先构建一个虚体进行演化，无需承担物理资产损害的后果。数字孪生技术允许在实施计划前模拟计划，在问题暴露前揭
12、露问题。就意味着在城市发展规划，数字孪生技术可以更好的规避风险以及管理城市。能够更加高效的利用有限的资源。此外，三体智能革命中提出的CPS，所呈现出来的概念图如下图1-1所示2。图1-1 CPS控制系统1.3研究的内容由于目前的社会生产力有限，许多技术还不完善。所以如今的数字孪生技术多数是面向城市规划以及城市管理方面。至于与我们最相关的城市生活，也可以成为城市服务，目前的技术仍然不够完善，不能完全支撑起人类巨大的生活数据。所以，首先要对目前的技术结合数字孪生进行评估，能到达哪一个阶段。再分析目前社会人群最迫切解决的城市问题。结合模型对其提出对应的解决方案。具体主要分一下三点：(1) 探索智慧城
13、市目前的弊端和局限性，以及为什么智慧城市建设中的问题是如何产生的3。(2) 从本质上对数字孪生定义，并且思考如何将数字化技术运用到城市建设当中。(3) 阅读文献，结合自己的思想，设计出能够适用于数字化城市的系统的概念。1.4研究的思路和操作查阅大量的书籍，报刊。从本质上的认识清楚究竟何为数字孪生。再从城市病，即从问题出发，理清思绪，思考当前智慧城市的问题最大原因究竟是什么。以及目前得到智慧城市与数字孪生本质上的区别到底是什么。以及如何就这些问题去改善城市问题。具体的操作有以下四步：(1) 首先对要研究的关键词进行文献搜索，再文献中的关键信息进行整理，并且总结出属于自己的观点。(2) 分析为什么
14、数字孪生突然火爆，根据查阅得出是由于智慧城市的困境，信息化并不能解决城市的问题，进一步提出数字化。(3) 对数字孪生的本质进行定义，根据国内最先提出数字化的城市雄安新区的方案4。对建设数字化城市提出新的要求。(4) 根据数字孪生，设计更快捷更人性化的系统，并且将系统应用到实际的生活当中。探究数字技术在健康医疗系统5，交通管理系统，工地监测系统有何不凡之处6。2.智慧城市与数字孪生自从IBM在2008年首次提出“智慧城市”这一概念，到2012年国家正式试点，再到风雨飘零的2020年已经12个年头，技术工程所创造的经济财富越发爆炸式的增长。而与之相对的智慧城市，所取得的成果寥寥无几，甚至没有一个拿
15、的出手标榜的项目，付出的努力与资金，却不能收获与之相对应的果实。导致引来越来越多社会学者的诟病。截止目前，中国已经成为世界上最大的智慧城市实践区。2.1举步维艰的智慧城市尽管国内智慧城市的发展看似如火如荼，但是其实已经陷入了思维定式，具体的实践将问题暴露在我们眼中，据专家学者统计，普遍存在四种问题。 自我局限，将智慧城市功能局限于业务模块，并且设计上缺乏统一的准则。 数据不明，没有将城市的信息进行整合，过于碎片化，导致呈现出来的数据不一致。 面子工程，没有从实际出发，更加没有根据需求出发，逐渐会变成花瓶工程。 信息无法交互，信息只要是以单向信息为主，智能化程度不高。 当一个城市是以城市的构建出
16、发，以简化管理为主，这样子只能宏观上的掌管城市。严格的来说，目前的智慧城市项目主要是针对政府只能和工作流程的信息化改造，是当前城市管理的补丁，而非革新方案。2016年，中国在“十三五”规划中对智慧城市有了新的要求，以及全新的目标。简称“新型智慧城市”，新与旧的区别其实是对上一轮试点的总结和对实践中主要存在的问题进行纠正。然而，“从城市的角度出发，而不是从人的角度出发”，这个根本性的问题依旧没有解决。这就好比，“你自己不知道你自己想要什么”，同理“智慧城市不懂城市”，在很大程度上限制了智能化在智慧城市实践的有效性。掌握信息技术能够把握并且捋清楚复杂的城市，但是想要使城市系统的协同难度以及管理成本
17、降低，必须从本质上，从认知上跳出“机械还原”的城市认知，机械，顾名思义，条框是它的本质，但是也会导致数据孤立，呈条块状，并且各个“车间”彼此分隔，互不打扰。 2.2一鸣惊人的数字孪生在2017年的科技峰会上，影响未来十大技术上，首次提及到的数字孪生技术。至此，这一技术突然出现在各大杂志的面板上，但其实最早提出数字孪生概念的是美国国防部，为了确认飞机的健康情况，选择将数字空间建立真实的飞机模型，利用传感器得到的数据，将飞机实际的飞行状态进行同步。根据以往与现在的情况对比，分析并评估是否能负荷下一次飞行，是否需要维护。数字双胞胎的设计是为了整合多学科、多学科、多变量和多维的模拟过程，最有效地利用物
18、理模型和更新操作数据，操作历史和传感器。实现了虚拟空间的图像和反射，然后，相关的实际装置在整个生命周期中得到真实的图像和反射。根据Afconsult以及诸多学者多年来的探讨我总结，我站在巨人的肩膀上，总结经验，得出数字孪生的 “智能化，概念以及价值”是关于其本身最重要的性质7。 智能化，智能化总共分为6个阶段，分别是以下：视觉城市：第一级别（0级），在视觉城市阶段，根据城市环境建立数字模型，并且可以进行交通，噪声，风，光，水，粒子的模拟以及对数据进行监测。数字阴影：第二级别（1级），在数字阴影阶段，可以对物理模型中的变化进行数字形式的复制，这是一种在线验证的模型。可以通过各种模拟验证解决各种城
19、市问题的方案。数字诊断：第三级别（2级），在数字诊断阶段，可以对各种设计进行诊断并且跟踪使用寿命。智慧预知：第四级别（3级），在智慧预知阶段，对未知所遇到的风险进行规避，或者减小风险带来的损失。智能进化：第五级别（4级），在智能进化阶段，通过人工智能学习心得知识，城市如同人一般不停地进步，可以直接获取城市管理者需要的数据，发现人类错过的关系。自动优化：第六级别（5级），在智能优化阶段，城市可以发现潜藏的问题并且接纳数据并且分析获得最优解办法，向城市管理人员反馈。如图2-1所示。图2-1 智能化概念 概念规模性:能够根据细节到系统，对不同规模对数字孪生体进行的观察，在结构上做到不丢失细节，将物理
20、孪生体的细微之处也尽数映射。互操作性：能够在彼此不相同的数字模型中随意转换，合并和建立表达的同等性，与物理孪生体相对应的是多样的数字孪生体。可拓展性：集成，添加，减少，或者替换数字模型的能力，根据使用者的要求，随时随处的添加拓展结构。仿真性，数字虚拟模型与物理现实模型，不仅仅要在外观和几何结构上相似，质地上也必须大同小异，具备孪生兄弟的接近性。 价值可见性：数字孪生能够实现机器的可见性，那么与之相对应城市是一个个体，如果城市的操作可见，那么对整个城市的透明度相当有利。预测性：使用各种各样的建模技术，将整个城市进行模拟推演，预测发展上将会出现的风险。假设分析：根据各个建立的模型，对出现的风险进行
21、收集数据，推演出最优的方案，进行及时规避或者将损失降低到最小。整合系统：将各个行业的后端业务应用与数字孪生模型，那么将整个在城市供应链中实现业务，大大提高便利。根据目前发展推断，概念推断数字孪生基础实现思路如下图2-2所示。图2-2 现实与虚拟3.数字孪生技术在城市建设的探索进程科技，究其原理依旧是思维到达一定的高度，但是必须具有相对应的社会生产力。新型数字城市主要构成大体如下图3-1所示。图3-1-数字城市新型智慧城市与传统智慧城市相比，拥有数字孪生技术的新型智慧城市技术要素更复杂，不仅涵盖新式测绘、地理信息、语义建模、模拟仿真、智能控制、深度学习、协同计算、虚拟现实等多技术门类，而且对IP
22、O、智慧AI、边界计算等技术赋予新的要求，多技术集成创新需求更加旺盛。比如智慧AI，又或者说IPO。数字孪生其实也是一样的。在一项新事物诞生的时候，才是最吸引人，各种大家的思维相互斗争，交集，没有规则的束缚，在思想的不断碰撞当中，最终凝结成科技的智慧结晶。新型城市技术以及城市应用分别如图3-2，3-3所示。图3-2-城市技术图3-3-城市应用数字孪生城市的全局视野、精准映射、模拟仿真、虚实交互、智能干预等典型特性正加速推动城市治理和各行业领域应用创新发展。尤其在城市智能治理领域，将形成若干全域视角的超级应用，如城市规划的空间分析和效果仿真，城市建设项目的交互设计与模拟施工，城市常态运行监测下的
23、城市特征画像，依托城市发展时空轨迹推演未来的演进趋势，洞察城市发展规律支撑政府精准施策，城市交通流量和信号仿真使道路通行能力最大化，城市应急方案的仿真演练使应急预案更贴近实战等。在公共服务领域，数字孪生模拟仿真和三维交互式体验，将重新定义教育、医疗等服务内涵和服务手段。同时，基于个体在数字空间的孪生体城市将开启个性化服务新时代。城市特性与城市智能分别如图3-4，3-5所示。图3-4-城市特性图3-5-城市职能3.1数字孪生区域建设2018年4月20日， 中央政治常务委员会正式通过“建设雄安数字孪生城7市”批案。国内首个数字城市规划正式开始。雄安新区建设完工后的五个优点，也是数字孪生城市必须具备
24、的特点： 城市的布局需要科学的规划，城乡统筹是政策必须坚持的方向、均衡的发展企业、宜居宜业，形成“一个中心为主、五个协助点为辅、多节点”的城乡空间布局。起步区随形就势，形成“北星城、中聚苑、南定淀”的空间布局。要统筹三大空间，分别是生产、生活、生态，构建蓝绿交织、疏密有度、水城共融的空间格局。 坚持合理制定城市规模，坚持将资源承载力作为不能动摇的条件，科学化，低风险化，明确新区域的边界的开发程度、流动人口的规模、多方面用地的规模、何种级别的开发。要坚持生态为主、发展为辅的可循环发展。 适宜居住与就业，根据雄安新地区的情况，在住房和就业方面，国家机构的等级制度建立了一个一流的教育制度和一个全面的
25、就业制度，以平衡多层次的工作要求。政府调整了房价，以便每个人都能生活。 优质的绿色生态，在国家和国际两级促进可持续发展；将生态湿地纳入城市地区和保护环境；建造废水处理系统的先进技术承担着增加环境和公共交通的份额、促进低能源建造、优化能源消耗结构和加强空气污染控制的责任。强化大气、水、土壤污染防治。 智慧管理操控，坚持数字城市与现实城市统筹为一，必须同时进行规划、同时进行建设，适度建设智能基础设施，努力打造世界领先的数字化先进城市。建立城市智能人性化治理架构，完善智能城市运营体制机制，打造将数字化全面覆盖的标识体系，建立城市数据收集系统，将城市的打造一个统一、完整和活跃的信息中心，收集和管理城市
26、数据；促进城市知识管理和公共资源的合理分配3.2数字孪生技术建设数字孪生技术结合智慧城市建设主要体现在两个层面上8:首先是基础设施建设的层面，其中包括高速联通的通讯网络以及多样化的传感器。只有做好基础设施数字化，才能实现智慧感知与智慧管理。智慧感知：通过声，光，热，力，温度，风力的传感器，对城市发生的变化都记录成数据，通过集成的城市数据，能够为新型测绘提供科学支持。智慧管理：城市管理运营不仅仅是单纯政府管理，而是组织运营、 安全运营于一体的数字孪生城市治理专业化运营队伍。其次是智能应用的层面，分为安全、出行、健康、垃圾、经济发展和地下设施等各个方面。安全监控：城市监控结合全局视野，充分利用物理
27、模型，传感器，历史数据，对面城市当中的对各个区域实现仿真模拟，将城市发生的行为完整的反馈到虚拟数字空间，完成实时并且完整的映射。交通出行：城市交通为了使通行能力最佳，对交通流量和信号进行模拟仿真，并且通过传感器收集的数据对病害路段实时补救，并且预测将来交通流量发展趋势。健康生活：通过三维交互技术，将人体数据可视化，并且进行模拟推演，能够预测人体易得疾病，以及预防措施。垃圾分类：使用人工智能，将垃圾进行各式分类，并且贴上电子标签，运送至不同的垃圾处理厂，实现垃圾回收利用。经济发展：智慧城市的发展需要依托各个行业的支撑，譬如城市的规划需要工程企业进行空间分析和模拟仿真，城市的建设需要新型施工产业的
28、新型测绘以及图纸分析。城市的发展计划需要通过专业的大数据公司进行协同分析以及模拟推演等等。新型智慧城市的建设，能够引进新型企业的进入，也能给本地的企业带来新的活力。地下维护：地下通道就如同人体中的血管，随时存在着堵塞情况。运用RTK、管线探测仪、绘图仪以及CCTV管道探测潜望镜等先进仪器设备就像诊断地下管网的“B超”可为地下管线管理提供精准的数据，甚至可以远程控制清理淤泥，保证城市清洁。技术建设具体如图3-6所示。图3-6-技术建设4.数字孪生系统在城市建设应用随着科技水平的进步，城市管理水平也在不断的 提高。许多制度都得到了优化，但是城市病，依旧是伴随着城市发展所带来的困惑。其中城市交通以及
29、医疗资源分配仍旧是很大的问题，每年死在意外交通事故，误诊事故，数不胜数，这些并不是单纯的数字，而是同一件事情发生很多次。为了有效应对各种城市疾病，世界城市发展在许多领域面临着严重的挑战，例如缺乏资源、人口增长、资源消耗、环境污染、公共安全和卫生。越来越多的国家和地区开始融入“智慧城市”的建设，我国政府采取了一系列措施来发展“智慧城市”的建设，但目前城市的发展遇到了瓶颈，需要用数字孪生技术进一步突破；4.1身份信息系统根据城市所遇到的问题，目前先提出健康医疗，交通管理，工地监控，等三大平台作为主要的解决方案。作为大数据时代的一员，很清楚的知道现在数据无穷无尽，但是没有整理过的数据是没有价值，就无
30、法进行有效的利用。目前的情况是每个系统每个方面都有他独自的数据库，但是库与库之间的信息并没有得到有效的交互，同时也将很难有效利用个人的信息解决病症，职业变更等问题。如今身份信息的革新就势在必行。建议是将个人的数据装载在芯片当中并且植入身份证当中，并且连接国家大数据库，个人信息包括家族遗传，病症预知，职业信息。家庭信息，财产信息等等。身份证就代表着虚拟世界中你独立个体的信息，是随着实体的变化而变化。详细如下图4-1所示。图4-1-智能身份证4.2健康医疗系统经过今年的疫情，相信大家更加明白一个强大的医疗系统，对于一个城市来说是必不可少的一面，但是一个强大健康医疗系统，就如同扁鹊所说，“在病症未发
31、生之前解决，是最高明的医术。”对于患者来说时间就是生命，但不仅仅是上层反应需要加强，更重 要是更加迅捷的下层反馈。医疗不仅仅是单纯医院一方的事情，患者也是其中重要的一环，如何将对应的资源投入到相对应的病症，不做到资源的浪费，这是一个需要解决的问题。 数字孪生医疗 系统：（患者信息）模块：将医保卡转变成智能身份证，实时记录用户每天的体温变化，体重变化，睡眠时间，以及作息规律等数据。将用户的身体初步进行数字化重组，进行初步观测。（智能预警）模块：当监测到的用户的数据连续的发生变化，人工智能对用户进行提醒，并且经过深度学习的人工智能，能够给出初步的恢复方案。（医疗区域）模块：将医院设备，医院病房进行
32、数字化。当患者向医院求助的时候，患者的数据与设备等级进行匹配，建立医患配对模型，随即向患者提供相对应的医疗资源。（紧急处理）模块：当用户的心跳频率，脉搏发生强烈变化，那么医院将捕捉到这个信息，并且根据定位向需要救援的患者进行救治。实现：首先利用空间分析和效果仿真在各个高校，小区，公园的地区进行模拟基础设备建设，挑选出最合理的覆盖情况，将每个小区都建设个人健康信息监测仪。 进出小区，高校，公园，需要将智能身份证插入仪器，此时仪器所捕捉到的家族遗传信息等等，记录在身份证当中。并且为了保护个人隐私，会发送信息到居民手机，不会在仪器中显示，并且会运用信息推演技术，将个体信息进行推演，给出得出各个病症的
33、概率，同时经过深度学习的AI会给出相对应的解决方案给用户提出相对的建议。与此同时，医院方面的数据库也会同步个人信息，对居民的信息进行备案。给出相对应的解决级别，便于居民在患病后，医院能够快速给出相对应的医疗资源，节省时间的同时，也避免医疗资源的浪费。实际步骤如图4-2所示。图4-2-智能健康4.3交通管理系统首先收集用户对于城市交通的反馈，并且进行总和，将城市交通看作一个系统，从需求出发，得出需要解决的问题1. 能过捕捉城市交通流动以及及时反馈堵塞路段2. 能够清楚把握各个街道的细节3. 能够及时处理交通事故数字孪生交通系统：（交通区域）模块：利用街景数据建立路面病害标注数据集，并且利用人工智
34、能的深度学习，建立模型并且检测路面危险，根据病害向城市管理者提供公共基础设施养护建议，模块使用交互式地图动态展示道路评分，以及将处理前后的街景进行对比。（交通流动）模块：收集各个城市区域的流量以及预警，利用城市历史浮动车数据建立时序预测模型，预测城市各个区域未来一天内的出入流量变化，并利用可视化技术将交通数据多维度的展示，便于城市管理者更加容易及时发现问题。（交通仿真）模块：通过视觉三维重建技术将建筑物，路测设备，道路基础设施数字化，建立3d地图。并且实时捕捉交通街景，在数字化中进行模拟，推测容易发生事故路段。（事故处理）模块：利用街道监测数据，实时同步反馈到数字孪生中，每部车辆一旦出现危险，
35、自动向医院和警察发出定位并且通知。 实现： 首先在各个街道布置传感器，对于收集到的街景数据进行分析，推演模拟会造成哪种的街道病害。并且在各个路段布置监测扫描仪，每一辆注册过身份的车辆，经过仪器时都会扫描，并且记录数据。并且统计每个地区的流量，推算未来的流动数量，预测堵塞高发地区。 利用三维技术，将整个城市交通数字化，实时监测交通街景变化，并运用城市监测和空间分析，推测高发事故路段，进行及时反馈。每辆车在内装载了自动急救系统，一旦现实世界的车辆发生危险，数字化的数据也会发生变动，随即向警局和医院自动发动求救信息和车辆定位。实际步骤如图4-3所示。图4-3-智能交通4.4工地监测系统随着城市化发展
36、的脚步进一步的加快，农村里的生活压力变得越来越大，许多偏远山村的孩子，独自走进大城市谋求生活。以及许多过来旅游的外国人，由于种种原因，不愿意回到自己的国家。选择在中国偷偷的生活。由于没有身份，公司不会招收这些人。这类人统称为-黑户。那么有哪些需要便宜劳动力，又不在意身份的地方。那就是施工工地，基建是一个国家发展的基石，每年需要的劳动力数不胜数。劳动公司签约黑户的利益非常巨大，不用支付正规工人的工资，并且可以与黑户随时撕毁协议。这对于国家而言，不方便管理。对于黑户而言也是伤害。为了加快城市的升级，工地的管理必须变得透明。并且近些年来的豆腐渣工程，也是由于监管不到位造成的。为了在施工过程中实现数字
37、化，需要对现场“人、机、料、法、环”五大组成部分的信息进行采集和处理，通过互动、理解、决策，将信息技术与施工技术进行整合和集成，实现并反馈以上目标，在构建真实环境、数据和行为的过程中，推动现场智能化、智能化控制和智能化控制服务的生产。数字孪生工地监测系统：（协同管理）模块：将员工的信息上传到大数据库中，并且在智能身份证中登记职业信息。并且将项目系统中任务准确分配，精确每个人的任务。（项目管理）模块：将主要分部分项施工顺序编制计划，再将计划任务与轻量化BIM模型相关联，同时计划任务 节点生成列表，管理人员在现场完成后输入实际完 成信息，实现工期进度的对比。当任务的实际开始 滞后时将提前预警，任务
38、实际完成时间拖延后会自 动提示纠偏，为项目的生产提供了科学的数据支撑。（物资追溯）模块：将工地的仪器数据进行收集进行数字化，结合BIM进行全生命周期追溯，并且项目中的材料有独自BIM编码，并且将部件ID生成二维码与生产工厂ERP连接。并且装载RFID芯片能够记录生产，运输，装备的全过程。并且实时记录到物资系统。（模拟建设）模块：将工地建设的设计图上传，并且利用大数据分析，得出工程所需要的物资，并且利用3D建模与视觉三维技术，将图纸数字化，再利用深度学习，分析工程所存在的弊端，并提出建议。（智能设备）模块：对工地使用机械进行统一编码， 并绑定定位芯片，以及在塔式起重机 上安装塔式起重机安全监控管
39、理系统的设备终端， 可以记录塔式起重机的实时运行情况（工地管理）模块：利用可视化监控，能够将工人的工作场景进行捕捉，既可以了解工程进度，又能及时发现安全隐患。并且场地布置环境监测仪，在环境要素超标时自动报警。实现：在工地入口处设置关卡，结合智能定位系统的长、短期工作特点，结合实名制信息和禁止使用智能身份证+双重身份识别、真实了解人员分布、工作控制因素，建立高门槛系统，选择GPS作为关键人员和监督员，记录工作路线和热点人员分布情况。实现精细化管控系统对施工仪器使用智能操控，一旦数据发生变化，就立即停止施工，并且发出警报。通过人脸识别，智能身份证，电子标签，能够对人员，机械，车辆进行信息收集以及精
40、确定位。通过各种传感器以及智能检测仪，对施工现场的扬尘、噪声、温湿度、风。污水排放等进行实施监测，可以对扬尘超标、混凝土养护温度、高 支模变形超限等关键指标进行监控。工程设计的图纸需要上传国家图纸库，并且系统会自动对图纸所需要材料进行分析，建筑材料必须按照要求所需要的材料进行建设。实际步骤如图4-4所示。图4-4-智能工地监测5.发展困惑与解决方法数字孪生的概念虽然在18年前已经有美国科学家提出来，但是正式的放到明面上来探讨，也就最近2-3年的事情。数字孪生由于科学技术的限制，许多方面很大层次上仍然停留在理论阶段。 想要实现数字孪生的关键在于物理实体，虚拟实体，以及实现平台，这三方面包含了整个
41、数字孪生技术实现的过程。围绕数字孪生的五维模型，仍存在许多问题9。 在物理维度测量中，如何实现对不同异构体的智能理解和交互作用，更好地理解和发现相关的规律和现象，需要实时采集物理对象的多维数据。确保机构的可靠控制和准确实施； 在测量虚拟模型时，如何建立动态多维多变量模型和高度保护空间，如何保证和验证模型与自然单元的相容性/真实性/有效性/可靠性。多功能、多源模型的开发与集成； 在测量数字孪晶数据时，如何实现大数据量和异常小数据的采集，如何有效地传递整个元件/整个操作，如何实现信息与物理数据的深度集成和综合，如何创建数字孪晶，实现数据和物理单元/应用的虚拟模型和服务，实现精确的实时显示和交互；
42、在连接与交互维度，如何确保协议/互连/平台之间的实时交互；如何实现数据模型迭代交互和应用程序动态开发； 在服务/应用维度，通过多变量模型和双晶数据，我们可以根据需要确保满足不同的领域，提高服务效率。所以想要更好的实现数字孪生，必须相对应的制定标准10： 物理实体标准首先要规范各个实体感知接入的技术标准，保证物理实体上传的信息规范以及兼容，并且能够实时感知。其次物理实体的运行，维护的技术必要有要求 虚拟实体标准虚拟实体最重要的几时模型，理应对模型的功能，构建，组装，运行，管理，进行规范。现在处于大数据的时代，信息就意味着财富和金钱，但随着商品经济的发展。作为公民隐私一部分的个人信息也成为了商品直
43、接造成了公民隐私权的损害构建数字孪生城市，很大程度上要解决居民的隐私问题。对于这些问题我提出两个建议： 完善信息安全法，既然即将面临数字化的城市，那么数字世界中的信息也代表这个人，必须也收到法律的保护。完善的法律会给人民带来强烈的认同感。也会让数字城市受到更多人的认可。 升级的数据防护，要做到管理透明化，让居民能够看见自己的数据封存起来，就如同在银行存钱一般，将传播的风险降到最低。6.总结与展望这次的论文的设计，总的来说大体是对数字孪生的一个定义，更多的是从概念这个角度去切入数字化城市。（1）由于这个事物是在是太先进以及超前，网上的数字化的成品都是从小的角度去切入，比如说：数字孪生与车间制造，
44、数字孪生在航天飞机的应用，数字孪生与产品生命周期的管理等等。这些都是从一个企业或者一个产品的角度出发去探索。而本人的论文是从城市的角度，是从一个比较宏大的方面去研究数字双胞胎。但是在我看来，其实城市也是一个车间，不过是一个容纳量更大的车间，亦或者是许多车间的集合体。所以许多学者的产品论文其实都存在的一些共同点，而这些共同点就是我所要挖掘的东西。（2）数字孪生确实是建立在社会生产力发展的基础上，概念都是虚的，只有与之相匹配的生产力，才能称之为科技。在研究数字孪生的时候，它的起源甚至要追溯到，习近平主席“加快城市化这一政策”。导致城市人口过于膨胀，需要更加智能的城市管理。这个横跨了“政策，管理，技
45、术”三个层面的研究。让我对于智慧城市，城市管理，城市病，这些方面的东西有了更深一步的理解。这其实对于我自己也是一种沉淀。（3）对于数字孪生在城市系统的应用设计，其实存在着很大的局限性。智能身份证智能健康医疗智能交通管理智能工地监测，这四个系统很大程度上是根据目前所拥有的技术设计，而且流程过于简单，没有更加细微的对系统进行细节的补充。所以呈现出来的是简单化的这个特性。经过这个研究，我对于未来数字城市的憧憬越发充满希望。现在的社会每一天都在变化，科技的发展也一样。谁都不知道下一个科技爆炸元年是几时。或许突然有一天，生产力发生爆炸式增长，数字化城市可能会从一个你从来没想过的角度呈现在你的面前。科技永
46、远只是服务人类的一个工具，他的存在方式只会越来越简单，当你发现一个很难懂得东西，不要担心那不是科技，那只是数学。7.谢辞 大学的生活一晃而过，回顾这四年的岁月，心中还有些许不舍。这篇论文写完的时候，有一种说不出的感觉莹然而生。不知是释然还是留念。这一篇论文不仅仅代表着大学四年的时光，更是意味着我的学生时代的结束，一想到这里不禁感慨万千。回想起来大学生活的四年，在旁人看来总是吊儿郎当，但是需要工作时却心理有数，这就是我的生活方式。 非常感谢家里人对于我学业上的默默支持，不论生活过的好还是坏，他们总是我背后的港湾。感谢我的母校北京理工大学珠海学院给予我在这里学习的机会。让我能继续充实和完善自己。感谢北理工的老师和同学给予我的关怀和鼓励。老师在课堂上孜孜不倦的传授知识。同学们在生活上给我莫大的帮助。这些场面，我还历历在目，谨记于心。 这次毕业设计之所以没有选择系统而是论文，还是要感谢王淞春老师对我的鼓励。他在开会期间一直秉承着“好奇心是进步的催化剂”的观点，以及“因材施教”的理念。一开始我对于这个论文其实是有点恐惧的，因为是从来没接触过的东西。毕竟人对于未知的事物总是迟疑。也有点担心做不好这件事情。但是淞春老师的一句“感兴趣，就去做，不要担心这么多，相信自己。这些无关你平时的成绩。”让我下定决心，跳出自己的舒适圈，去探索这未知的东西。 在这次的论文中无论是老师还是同学们都给予