数字孪生城市智慧城市建设的新高度

2016年4月19日，习近平总书记在网络安全和信息化工作座谈会上指出：“要以信息化推进国家治理体系和治理能力现代化，分级分类推进新型智慧城市建设，打通信息壁垒，构建全国信息资源共享体系，更好用信息化手段感知社会态势、畅通沟通渠道、辅助科学决策。”2020年3月31日，习近平总书记在杭州城市大脑运营指挥中心考察时指出：让城市更聪明一些、更智慧一些，是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路，前景广阔。数字孪生城市作为数字城市的发展目标，成为智慧城市建设的新高度。

数字孪生城市是数字城市的目标

数字孪生，是指充分利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映和管控相对应的实体对象的全生命周期过程。

当前，人们对数字孪生存在多种不同认识和理解，尚未形成统一共识。物理实体、虚拟模型、数据、连接、服务是数字孪生的核心要素。不同阶段（如产品的不同阶段）的数字孪生呈现出不同的特点，对数字孪生的认识与实践离不开具体对象、具体应用与具体需求，应从应用和解决实际需求的角度出发，实际应用过程中不一定要求所建立的数字孪生具备所有理想特征，能满足用户的具体需要即可。

数字孪生在虚实之间存在一种双向映射、动态交互和实时的联系。数字孪生如果运用到城市中，就是在建筑信息模型和城市三维地理信息系统的基础上，利用物联网技术把物理城市的人、物、事件和水、 电、气等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之完全对应的“虚拟城市”，形成物理维度上的实体城市和信息维度上的数字城市同生共存、虚实交融的局面。

如今，我们的城市布满了各种各样的传感器、摄像头，借助包括第5代移动通信技术在内的物联网技术，终端采集的数据可以迅速被提取、集成、管理，以掌控物理层面的城市。在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，人流、物流和车流的安全运控，将都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过物联网技术传递至云端和城市的管理者。基于这些数据以及城市模型，可以构建数字孪生体，从而更高效地管理和运营城市。

数字孪生城市通过构建城市物理世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的“孪生城市”，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展格局，这是数字孪生技术在城市层面的广泛应用。可以说，数字孪生城市是数字城市的高级阶段，数字孪生城市既是数字城市的目标，也是智慧城市建设的新高度，赋予城市实现智慧化的重要设施和基础能力。

数字孪生城市的特点

数字孪生的实现和落地需要物理实体的真实全面感知、多维多尺度模型的精准构建、全要素数据的深度融合、智能化服务的按需使用以及全面、动态、实时的交互。

基于数字孪生的智慧城市，要解决以下五大科学问题：

一是物理实体维度方面。如何实现城市多源异构物理实体的智能感知与互联互通，实时获取物理实体对象多维度数据，从而深入认识和发掘相关规律和现象，实现物理实体的可靠控制与精准执行。

二是虚拟模型维度方面。如何构建城市动态多维多时空尺度高保真模型，保证和验证模型与物理实体的一致性、真实性、有效性、可靠性，实现多源多学科多维模型的组装与集成等。

三是孪生数据维度方面。如何实现城市海量大数据和异常小数据的变频采集，实现全流程多源异构数据的高效传输，实现信息物理数据的深度融合与综合处理，实现孪生数据与物理实体、虚拟模型、服务的精准映射与实时交互。

四是连接与交互维度方面。如何通过城市智慧大脑实现城市跨平台的实时交互，实现数据-模型-应用的迭代交互、动态演化与实时反馈等。

五是服务维度方面。如何基于多维模型和孪生数据，提供满足不同领域、不同层次用户、不同业务应用需求的服务。

数字孪生的智慧城市应用

疫情防控期间，数字孪生的智慧城市在武汉的应用至少包含以下5个方面：智慧城市运营大脑、智能电网数字孪生服务、智慧城市交通大脑、智慧城市公共疫情防控服务、长江流域生态环境与灾害智能管理。这5个方面关系着国家和社会的可持续发展。

智慧城市要做运营大脑，就要把城市的顶层设计做好，要把数据采集好，规划和审核各行业信息化发展的总体目标、框架、任务、运营管理机制等，参与相关政策法规与标准的制定，负责城市信息资源整合与共享，集中监控城市运行，促进面向社会的大数据开发应用、服务与交易体系的形成等，这些都是基于大数据实现城市的管理。

智能电网数字孪生是充分利用电力系统物理模型、先进计量基础设施的在线量测数据、电力系统历史运行数据，并集成电气、计算机、通信、气候、经济等多学科知识，进行的多物理量、多时空尺度、多概率的仿真过程，通过在虚拟空间中完成对智能电网的映射，反映智能电网的全生命周期过程。通过对系统进行感知，形成数字空间的建模，能够进行数字反馈分析。

智慧城市交通大脑，就是通过采集车辆运行的数据，便可获知从早到晚交通出行是什么样的状态等。2017年，智慧城市交通大脑系统在武汉上线运行，2017年1月至2018年3月，武汉市全国拥堵排名从原来的排在第23位降到第53位，交通拥堵延时指数从2.34下降至1.676，降幅高达30%，拥堵情况大幅缓解。

城市的公共运输，即通过定位管理，感知疫情安全距离，可以减少疫情对人类活动的影响。此项工作可扩展为公共安全和大健康智能产业。

最后是长江流域生态环境与灾害的智能管理，通过实时的协同系统，利用上万个传感器采集上亿个实时数据，便能获知对上游究竟要不要存水、中下游能否解决抗洪抗旱等问题，能感知到航道在哪，有效解决航道的通行能力。

数字孪生城市是数字化城市的高级阶段，也是智慧城市新的高度。我们应当利用5G/6G，物联网、区块链、城市信息模型、时空大数据、云计算和人工智能来建设好基于数字孪生的智慧城市。

在疫情常态化时代，我们要抓好基于数字孪生的智慧城市的各种智能化应用，特别是是智慧政务、公共安全与智慧养老、智慧交通与智能驾驶、智慧能源与智慧环保、智慧城管与灾害应急管理等，推动新型智慧城市的升级发展和国家治理。