基于数字孪生理念的智慧城市顶层设计重构

唐怀坤，史一飞

（1.中通服咨询设计研究院有限公司；2.北京世纪晟辉咨询服务有限公司；3.北京世纪晟辉新基建数字孪生城市研究院）

1 引言

智慧城市的需求点在哪里？智慧城市的落地基础是什么？智慧城市的底座是什么？智慧城市的顶层设计需要怎样的重构？

2 智慧城市顶层设计和实施中出现的问题

2.1 对城市的本质认识不足

城市是人类经济社会发展的必然产物，从市场交易为主，逐步兼顾生活、政治、商业、金融、体育、交通、医疗、安全、文化等各个层面的功能，但最核心的还是以“人”为中心的生活和企业发展载体，但是我们过去的智慧城市顶层设计过多的强调城市功能需求，忽视“人”的诉求。人的诉求即人的需求，对应到城市的发展上来说，从最基本到高层的需求为：城市安全的需求、城市治理的需求、城市服务的需求、城市发展的需求、城市智能的需求。发展是循序渐进的，我们引入智慧地球进而落地为智慧城市建设时，并没有立足于城市的本质的认知。未来，全球将有90%以上的人口生活在城市，如果不能很好的认清城市这个复杂巨系统，不能抽丝剥茧出核心要素则难以推动城市的健康发展。

2.2 对为什么建设智慧城市认知不足

智慧地球的本质是通过物联网措施提高城市的运转效率，从本质来说属于城市治理层面的技术框架，属于系统集成范畴，但是我们现在回头看近10 年智慧城市的发展，基本上是在做信息化，包括数字政务、行业管理信息化，物联网成分也有，但是很少。关键是对于为什么做，也就是对于城市的本质认识不足。基本从城市规划、民生、政务、产业、服务，整个智慧城市无所不包，但没有找到主线，包括时间轴演进主线、技术轴主线、物理载体主线，各种城市要素大而全一哄而上，最终导致智慧城市顶层规划变成了一纸空文，依然是城市的各个条线是各干各的，只不过加了一个前缀“智慧”，比如智慧水务、智慧交通、智慧医疗、智慧教育、智慧社区等等。

2.3 对智慧城市的呈现载体认识不足

当前绝大部分智慧城市建设实际开展的是数字政务工作，边做行业信息化、边进行横向整合以及业务协同；一些新城新区则吸收经验，先集约打造云计算中心、运营中心、大数据平台等基础设施和共性能力，再开发建设行业应用系统。实际上这些数据都是后台输入或者半同步的模式。智慧城市的载体、底座究竟是什么？

3 数字孪生理念

数字孪生[2]（Digital Twin）：在2002年，密歇根大学的Dr.Michael Grieves教授首次提出Digital Twin(数字孪生)技术概念，他在发表的一篇文章中第一次提出了数字孪生概念，他认为通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间构建一个表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起的。数字孪生就是针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一个数字世界中一模一样的实体，最先用在了制造业，其他领域，如3D 打印、模拟仿真、建筑BIM 设计都是对物理环境的映射，从内涵来说都属于数字孪生。但是，从广义上来说，数字孪生不仅仅是指物理环境，还包括各种行业管理、城市管理、企业管理流程、商业活动等所有人们行为过程被映射到网络环境的现象。总之，数字孪生包括两方面：物理环境、流程活动。

4 基于数字孪生城市的智慧城市顶层设计

4.1 数字孪生城市的内涵与外延

数字孪生城市内涵就是在城市信息的建设过程中，在虚拟的数字环境中再映射出城市环境中的物理环境和管理流程活动，通过数字孪生理念和统一的平台，实现智慧的城市[3]。当前的“城市大脑”是基于管理流程中数据输出的大数据挖掘，还没有到人工智能城市的程度，最终还是要回到数字孪生的实践上来。而数字孪生的外延包除了ICT 系统以外，还有城市安全、环境治理、居民生活服务、产业发展、商业机制、法律配套等。

4.2 数字孪生城市持续演进阶段

4.2.1 总体演进步骤

数字孪生城市的发展是循序渐进的，数字孪生城市概念并没有广泛推进，但是由于其理念是遵循物本原则，即在数字世界里孪生一个城市，因此无论智慧城市进程发展到哪一步，数字孪生城市都是不可逾越的阶段，而且演进必然遵循以下规律：从建筑行业向园区规划、城市规划行业、公共安全、交通行业、水利行业、商业、旅游行业等逐步扩展；从单体的建筑向建筑群、经济开发区、园区、整个城市扩展；从平面2D 图向3D 图、3DGIS 图扩展；从单纯的平面展示向立体VR 展示、全息投影显示；从最基本的城市建设向城市安全、城市治理、城市服务、产业发展延伸；从单体智能向群体智能、城市电脑逐步演进。

4.2.2 L1 级别：总图GIS 阶段与城市规划

GIS，全称：Geographic-Information-Science，地理信息科学的缩写，地方政府在处理日常行政事务中70%～80%与地理信息有关，传统的CAD（计算机辅助设计）用于城市规划缺乏属性数据支持，软件地理信息系统(GIS)作为一种应用性极强的系统，被广泛应用在包括城市规划，交通运输，测绘，环保等领域，总图运输工程是工业企业设计中的重要组成部分。目前GIS 系统用于城市规划主要体现在：数据库管理、地图显示、空间分析、空间建模等方面。

4.2.3 L2 级别：GIS+BIM 阶段与智慧建筑

GIS 展现的是室外的空间环境参数，利用地理信息系统可以对室外进行定位和信息管理。而室内环境也是人们活动的主要区域，包括博物馆、体育馆、商场、地下设施空间都可以通过BIM 加以展示，可以帮助未来BIM 的模型自动化地转入GIS 利用。已建置完成的BIM 资料转入GIS，可以节省重新建置GIS 档案的时间，直接利用BIM 模型转换成GIS使用的数据，便可以减少重新建置GIS数据的人力物力消耗。BIM 衔接我国公共设施管线数据库标准，强化共同管道的信息架构。

4.2.4 L3 级别：GIS+CIM 阶段

CIM 的全名是城市信息模型也就是City-information-model(CIM)，从范围上讲是大场景的GIS 数据+小场景的BIM数据+物联网的有机结合。有了L2 和L3 级别之后，再加上物联网技术的应用，CIM 可以应用的空间很广泛：城市规划，国土资源管理，交通管控，水利资源管理，安防与公共安全，人防设施管理，环境保护，文物保护，能源燃气等各大行业领域和一切智慧城市相关的领域。

4.2.5 L4 级别：3DGIS 阶段

二维GIS 技术的城市规划与分析已经无法完全对城市进行表达，二维GIS表达的是平面的土地规划、用不同的颜色区块表达不同的规划用途，但是我们都知道，城市土地使用是有限的，不能突破基本农田红线，而城市人口不断在增加、经济密度在增加，发展是向上、向下空间要资源，因此需要利用三维GIS 对整个城市的三维立体空间进行统一描述，包括地下的地质、管线、构筑物，地上的土地、交通、建筑、植被，以及室内的设施、房产、人口等，形成与现实世界映射的一致的三维立体空间框架。

5 结语

随着新基建的深入推进，在智慧城市领域的新基建依然是侧重数字基建，且必将聚焦在数字孪生领域，而且这个发展进程是循序渐进的。