数字孪生与物联网助力智慧城市监测

### 数字孪生与物联网助力智慧城市监测 #### 1. 研究背景与动机 随着技术发展，利用模拟和其他技术可按需开发各种数据共享流程。生成数字孪生时，由于每个孪生体携带独特数据，可避免数据短缺，减少连接过程中对额外数据的需求。通过数学技术创建基于决策的方案，能利用孪生表示系统构建可靠网络。检测特定数据后，部署相关技术可制定基线策略，解决安全威胁和数据泄露等诸多问题。 当前，现有方法在数字孪生与新处理方法的集成中，目标函数的整合受到限制。多数算法仅对智慧城市管理进行了基本说明，未充分考虑环境影响以及链路活跃期可靠通信等关键因素。同时，发送给终端用户的消息数量有限，导致更多孪生体处于非活跃状态，资源未得到充分利用。即使采用几何设计，当前表示也未遵循开发数字孪生的时间步长索引。 为解决这些问题，通过开发数字孪生，借助受限应用协议（CoAP）实现数据表示，以解决现有系统的不足。在活跃时间段，数字孪生中的数据被聚类到多个段，从而以较少资源传输从智慧城市收集的数据。同时，数字孪生的链路连接在活跃时间段建立，确保数据传输的稳定性。通过该方案，可传达更多独特表示的数据，减少设计模型中非活跃孪生体的数量。 #### 2. 现有研究对比 | 参考 | 方法/算法 | 目标 | | | | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | | | A | B | C | D | | Wang (2022) | 节能型智慧城市管理 | ✓ | ✓ | | | | Panteleeva and Borozdina (2019) | 基于物联网的智慧城市 | | ✓ | | | | Wang (2021) | 空间解析几何系统 | ✓ | ✓ | | | | Ganguli and Adhikari (2020) | 智慧城市离散动态系统 | ✓ | ✓ | | | | Area et al. (2022) | 智慧城市的斯蒂尔杰斯导数分析 | | ✓ | | | | Segovia and Garcia - Alfaro (2022) | 物理表示的数字孪生 | ✓ | ✓ | | | | Khalyutin et al. (2023) | 智慧城市能源过程与数字孪生 | | ✓ | | | | 提出方案 | 数字孪生、受限应用协议和智慧城市聚类优化 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | 注：A: 最小资源分配；B: 活跃时间段的可靠通信；C: 减少非活跃孪生体；D: 最大化消息传输 #### 3. 主要贡献 本研究的主要贡献是利用物联网和应用协议分析数字孪生对智慧城市数据管理的影响，并基于以下目标进行参数分析： - 生成具有低误差表示和时间步长索引的原始数字孪生副本。 - 为每个聚类分配特定奖励函数，以稀疏资源表示状态模型。 - 通过增加活跃消息的传输，最大化生成数字孪生的数据传输成功率。 #### 4. 系统模型 为描述物联网操作中数字孪生的系统模型内部结构，需使用分析方程。以下是为智慧城市应用提供的具有物联网的分析数字孪生表示及时间步演示： - **孪生时间步**：数字孪生创建的框架与原始副本相同，因此制定了噪声约束，用以下方程表示： \[original_i = \min \sum_{i = 1}^{n} (E_1 + \cdots + E_n)\] 其中，\(E_1 + \cdots + E_n\) 表示每个时间步观察到的总误差。 - **孪生奖励函数**：在智慧城市规划和讨论中使用数字孪生可促进经济发展，因此为来自连接无线网络的归一化标准差数据提供激励函数，方程如下： \[reward_i = \max \sum_{i = 1}^{n} \frac{original_i - reference_i}{SD_{sensor}}\] 其中，\(reference_i\) 表示物联网设备的初始值，\(SD_{sensor}\) 表示连接传感器的偏差值。该方程表明，由于每个传感单元采用不同检测方法，需最大化原始孪生体和参考孪生体之间的差异。 - **孪生表示**：对于所有基于时间索引的应用，以统一方式提供数字孪生表示模型。该模型对智能系统输出有显著影响，方程如下： \[DT_r = \sum_{i = 1}^{n} (Time_i + I_i + DT_c)\] 其中，\(Time_i\) 表示总时间步长索引，\(I_i\) 表示来自物联网的输入值，\(DT_c\) 表示系统中的组件总数。由于上述变量的总和会降低输出表示，因此数字孪生以复合方式排列。 - **孪生状态模型**：使用数字孪生象征智慧城市时，为提高改进质量，需减少资源使用。利用以下方程建立生成孪生体的概率值： \[resource_i = \min \sum_{i = 1}^{n} [(v_i + \cdots + v_i) + (CS_1 + \cdots + CS_i)] b_i\] 其中，\(v_1 + \cdots + v_i\) 表示创建的孪生体总数，\(CS_1 + \cdots + CS_i\) 表示孪生体的当前状态，\(b_i\) 表示创建的孪生体的行为。该方程表明，可利用数字孪生的行为获取最少资源，因此需表示智能行为以合理分配资源。 - **孪生消息传输**：由于物联网应用连接可穿戴和非可穿戴设备，用户有责任在分配资源后检查数据传输过程。数据传输必须安全可靠，以防止链路中断和系统中重复孪生数据包的移除。以下方程用于传输带有特定指标的消息： \[MT_i = \max \sum_{i = 1}^{n} (\rho_1 + \cdots + \rho_i) \times (R_1 + \cdots + R_i) m_t\] 其中，\(\rho_1 + \cdots + \rho_i\) 表示孪生体发射机总数，\(R_1