数字孪生驱动智慧城市转型升级——访清华大学信息国家研究中心副教授杜明芳

文/本刊编辑 刘云佳

杜明芳

清华大学信息科学与技术国家研究中心副教授、工学博士（控制科学与工程），清华大学数据科学研究院智慧城市大数据研究中心副主任，住建部信息技术应用标准化技术委员会专家委员

自2008年智慧城市概念出现后，我国智慧城市建设经历了从1.0时期到4.0时期的递进发展。这一发展过程的蝶变，既是技术渐进的过程，也是认识深化的过程。进入“十四五”时期，数字孪生、区块链技术又为智慧城市的转型升级带来哪些机遇与挑战？为此，《城市住宅》杂志采访了清华大学信息国家研究中心杜明芳副教授。

我国智慧城市发展历程

Q 我国智慧城市经历了怎样的发展历程？

A我国智慧城市已由1.0时期进入4.0时期（见图1）。

图1 我国智慧城市发展演进历程

1）智慧城市1.0（信息城市，2008—2011年），为萌芽期。2008年IBM提出智慧地球概念，智慧城市进入萌芽期，网络化、信息化（无纸化）是该阶段智慧城市建设的首要任务，因此也可称为“信息城市”阶段。

2）智慧城市2.0（试点城市，2012—2015年），为探索期。主要以城市信息化基础设施建设、电子政务、信息惠民为主，形式上更多的是以碎片化方式推进，在顶层设计方面考虑较少。2012年工信部发布《关于征求智慧城市评估指标体系意见的通知》（工信信函〔2012〕021号），同年住建部正式发布《关于开展国家智慧城市试点工作的通知》（建科协〔2012〕42号），先后公布上百个国家智慧城市试点城市。《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》明确提出推动新型智慧城市建设。2014年国家发改委等8部门联合发布《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》（发改高技〔2014〕1770号），明确提出到2020年我国将建成一批特色鲜明的智慧城市。

3）智慧城市3.0（新型智慧城市，2016—2020年），为成长期。随着“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的全面贯彻，城市被赋予新的内涵。国家互联网信息办提出新型智慧城市概念。新型智慧城市是以为民服务全程全时、城市治理高效有序、数据开放共融共享、经济发展绿色开源、网络空间安全清朗为主要目标，通过体系规划、信息主导、改革创新，推进新一代信息技术与城市现代化深度融合、迭代演进，实现国家与城市协调发展。

4）智慧城市4.0（数字孪生城市、城市信息模型/CIM，2021—2025年，“十四五”时期），为迭代优化期。该阶段的智慧城市以数字孪生为驱动内核和理论基座，强调城市自我更新、自我学习、迭代优化能力，以城市信息模型/CIM的构建为根本任务，注重理论与实际结合，更强调数据驱动的工业化和智能化在城市智慧化中的地位和作用，建设发展基于信息物理系统的数字孪生城市成为不可逆转的趋势。

智慧城市是涉及城市管理、社会治理、产业发展、人民生活、个人发展等的综合性命题。从系统工程视角看，智慧城市是典型的复杂系统。目前，智慧城市经济正处于快速增长期，智慧城市建设呈现越发蓬勃的发展态势。随着这种快速发展，城市问题依然突出，“城市病”仍广泛存在，一定程度上制约了社会经济的发展。典型问题包括：住房压力大、交通拥挤、环境污染、能源枯竭、产业低端、医疗卫生水平总体不高、教育资源相对匮乏、信用体系不健全、群众办事不便、社会文明程度欠佳、区域发展与领域发展不平衡。另外，最重要的问题是智慧城市理论基础薄弱，长期以来缺乏严谨的理论支撑，实践走在理论前面，无论是从理工角度还是人文视角，智慧城市都亟需建立相应的理论体系，最终趋势是走向大融合。

数字孪生城市

Q 目前“数字孪生城市”是社会热点词汇，什么是数字孪生城市？其与智慧城市的发展存在哪些关联？

A党中央曾提出，“治理”和“管理”一字之差，体现系统治理、依法治理、源头治理、综合施策。城市全周期管理是指从立项、规划、设计、施工、调试到运行、维护等环节的管理过程，关系到政府、市民、城市设计者、供应商、城市维护人员等利益相关者，每一步都要求做到坚持系统思维和治理思维。当前，城市已进入从管理升华到治理的历史阶段，网格化精细管理模式将逐步向数字孪生智能化自治模式演进。数字孪生作为一种充分利用模型、数据并集成多学科的技术，其面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，从而提供更实时、高效、智能的服务。目前，国防、工业、城市等领域纷纷提出对数字孪生的理解，并着手开发相应的系统。数字孪生城市是数字孪生在城市领域融合应用后的产物，是智慧城市深度发展的形态，也是当前智慧城市发展的最新阶段。数字孪生城市的理论基础是数字孪生，而数字孪生又和数字工程、系统工程，尤其是基于模型的系统工程密切相关。从系统工程视角分析，数字孪生城市系统可以按粒度分为设备级、系统级、复杂系统级、复杂巨系统级4个系统层级，且自顶向下具有包含关系。数字孪生城市着重考虑的是城市全体系的数字化与智慧化，而非以往阶段所做的城市某个局部的智慧化（见图2）。

图2 数字孪生城市概念模型

Q 在您看来，基于城市信息模型（CIM）的数字孪生城市的发展瓶颈及破解对策是什么？

A1）对数字孪生和数字孪生城市的核心要义把握不准。很多人将数字孪生片面理解为虚拟现实或BIM建模技术，进而将数字孪生城市也片面理解为图形建模与可视化问题。数字孪生城市是系统工程，应在系统思维指导下结合核心关键理论与技术全面认知和实践。数字孪生城市应在空天地“一张图”底板上，高度融合BIM三维建筑信息模型和智能自动化系统，将虚拟建筑空间与虚拟物联网空间中的各种城市部件与相关要素通过大数据线索关联集成，真正实现大数据驱动的实时立体感知、控制、管理、决策城市数字生命体。

2）对CIM和数字孪生城市的落地建设缺乏实操方法。多地CIM和数字孪生城市的建设尚处于概念提出期，如何结合本地城市建设、产业发展、人文环境等基础，打造富有地方特色的个性化数字孪生城市和城市信息模型仍有较长的路要走。以市场为导向，以解决当前城市信息化、城市治理中的难点痛点为目标，从单技术、单设备、单系统入手开发数字孪生系统是较为合理的选择。例如，以BIM为切入点，在BIM基础上再拓展开发其他技术及应用，并逐步叠加到BIM系统上，即为一种集约化建设模式。

3）对数字孪生城市与CIM的关系认识不清。从CIM的本质作用看，CIM应包括CIM基础平台、BIM/CIM模型及报建、规划、设计、施工、审查工程全生命周期各阶段CIM，应是一个平台加分支为主体构成的完整体系。数字孪生城市从广义上讲是城市信息物理系统中的信息系统部分，包括平台层、控制层、感知层，再加上连接各层级的网络。因此，CIM可看作数字孪生城市结合工程建设领域知识后形成的特定数字孪生体。CIM标准体系和技术体系的构建宜重点考虑与数字孪生城市的紧密融合，借鉴数字孪生和数字孪生城市已有的理论与技术成果，缩短研究周期，避免走弯路（见图3）。

图3 CIM与数字孪生城市

智慧城市发展机遇

Q 5G及大数据的飞速发展，将给智慧城市的发展带来怎样的机遇与挑战？

A5G在很大程度上服务于物联网场景，5G技术与智慧城市中各种物联网场景的深度融合，将催生大量新应用，并逐步培育出以移动互联网和物联网为技术基座的智慧网络场景生态。5G在智慧城市中的落地应用将带来城市数据量的激增，大数据时代将真正到来。随着大数据理论和技术的不断完善，以大数据驱动、多模型为核心的数字孪生城市将被真正建成。

当前，在国家政策支持下，全国一体化大数据资源体系正在被加速构建，大数据技术正向智能、可信、绿色等多个维度飞速发展。在政策和技术的双轮驱动下，大数据对智慧城市的深度建设发展将起到促进作用。基于此现状和趋势，我们提出以数据为线索的多粒度数字孪生城市理论。大数据与智慧城市的融合发展需要方法路径。城市信息模型（CIM）是大数据新基建落地的重要载体，也是构建全国一体化大数据资源体系的基石。从新老基建统筹发展视角看，以CIM平台大数据为基础，通过部、省、市、县（区）四级数据连接与共享实现全国一体化数据资源体系构建，是最可行且最节约投资的模式。以《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中规划的19大城市群为核心和基础，首先构建基于单个城市群CIM平台的区域CIM大数据中心，再构建各地级市CIM大数据中心、各区县CIM大数据中心。各级各类CIM大数据中心通过5G、F5G、卫星互联网、物联网等多种网络融合连接后实现互相连通，最终形成全国一体化大数据资源体系（见图4）。

图4 基于城市群和CIM平台的全国一体化大数据资源体系构建方法

无论是5G还是大数据，在技术快速发展的同时，也带来某些负面效应。5G网络安全问题与大数据的数据安全问题是智慧城市安全中的核心问题，将成为智慧城市发展过程中新的挑战。

Q 进入“十四五”时期，智慧城市的发展又将有怎样的变化？

A“十四五”时期的智慧城市将以数字孪生为主要理论基座，以城市信息模型（CIM）为主要呈现形式，城市安全、韧性、绿色将成为伴随“智慧”的主要方向，各方向交叉融合后又会诞生新一代智慧城市。

目前，城市大数据的存储问题已基本解决，主要借助数据库和云存储技术，但智能计算问题并未真正解决。绝大多数城市应用系统的智能化程度不高，实际工作仍需投入大量人力，很多创造性较低的重复性劳动仍需人去完成，“机器换人”“人工智能代替人”在城市场景中的落地鸿沟仍普遍存在。究其原因，这与以下因素紧密相关：城市复杂系统的自身特点、经典控制方法在复杂应用中遭遇的瓶颈、人工智能理论应用的成熟度、知识工程理论与应用的进展、数据科学理论与技术的进展。事实证明，单一理论学科已无法应对城市复杂应用系统带来的新需求、新问题。现实中，任何实用化智慧应用系统的开发都离不开数据科学、人工智能、知识工程、智能控制理论和技术的底层综合支撑，只采用某一项技术的系统，其智能性必将降级。在以往的行业领域应用中，诸多领域对数据库、大数据的应用较为成熟，应用系统的构建、开发及实现基本解决了数据系统的开发问题，但对于能直接支撑实现智慧管理与决策的知识系统的研发程度仍较低。为此，我们提出“CIM知识智算”概念。“十四五”时期的智慧城市将以基于CIM知识智算平台的数字孪生城市为主要方法论，应重点关注并解决以下关键问题：城市部件空天地统一编码、多规合一统筹规划设计、数据可控化共享、数据融合模型（BIM+GIS与物联网数据深度融合并建立融合模型）、知识智算模型（采用智慧专家系统、知识图谱等理论）、鲁棒决策模型（降低决策不确定性）。

人工智能应用

Q 当前，很多领域都在提倡人工智能应用，例如建筑、医疗甚至养老。您是怎样看待人工智能领域应用的，其前景如何？

A人工智能在城市领域中的应用应抓住以下关键问题。

1）准确全面理解人工智能的内涵。从机器模拟源头看，人工智能不仅包括模拟人类智能，还包括模拟动物（狗、羚羊、马、鱼、鸟、蚁群、蜂群等）的仿生智能；从人工智能存在的形态看，人工智能不仅包括有形智能（如机器人、无人车、无人机、智能语音终端等装备或装置），也包括无形智能（广泛存在于各种系统中的智能推理、诊断、选择、预测、分类、聚类、规划、分析、决策、优化、控制）。

2）深刻掌握面向所需应用领域的相关人工智能理论和技术，并将其与场景深度融合。例如：建筑、养老、医疗、社交等领域采用的人工智能技术体系可能具有较大差异，需针对场景特点具体研究、研发相应的人工智能技术与产品，实现真正需求驱动下的AI城市。

3）构建人工智能赋能的智慧城市产业互联网。要充分吸纳“互联网+”思想精髓，充分借鉴工业互联网的发展思路，构筑“AI+智慧城市产业互联网”。“AI+智慧城市产业互联网”将为城市数字化转型提供切实可行的路径，更是城市经济发展的核心驱动力（见图5）。

图5 人工智能内涵

为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国，国务院2017年7月发布《新一代人工智能发展规划》（国发〔2017〕35号）。目前，人工智能及其应用正逐步走向“深水区”。随着AI通用理论和技术的不断成熟，AI正逐步成为经济社会发展的通用智能基础设施，影响范围和深度不断加大。可以预见，“十四五”期间，人工智能将加速渗透至城市和产业的各个细分领域，对经济社会数字化转型、智能化发展起到强劲催化作用，以城市和产业为核心的人工智能体系将被逐步构建并得到不断完善。因此，人工智能在城市中的应用具有光明的前景。

区块链

Q 您怎样看待区块链技术？区块链在我国城市发展中如何应用？

A区块链本质上是去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法而产生的数据块，每个数据块中包含一批次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块。区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链技术非独立的技术，其是由4个存在30多年的技术巧妙综合而成。

目前，社会各界对于区块链的研究与应用正在加速推进中，集中反映在区块链作用的探讨、区块链基础技术研究及区块链在重点领域的应用。党中央提出，抓住区块链技术融合、功能拓展、产业细分的契机，发挥区块链在促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率、建设可信体系等方面的作用。当前工程建设行业协同、智慧城市业务协同中的痛点难点是需要提升协同效率、降低协同成本。区块链技术的发展有望助力以上问题的解决，这也是发展和推动区块链技术应用的重要原因。关于区块链应用的重点领域，党中央强调“要探索‘区块链+’在民生领域的运用，积极推动区块链技术在教育、就业、养老、精准脱贫、医疗健康、商品防伪、食品安全、公益、社会救助等领域的应用，为人民群众提供更加智能、更加便捷、更加优质的公共服务。要推动区块链底层技术服务和新型智慧城市建设相结合，探索其在信息基础设施、智慧交通、能源电力等领域的推广应用，提升城市管理的智能化、精准化水平”。这体现出中美两国推进区块链技术应用的侧重点存在差异。美国更专注于国家层面的应用，如美国国土安全部正寻求利用区块链技术保证美国边境摄像头的安全解决方案。我国区块链应用更贴近于民生需求。区块链必须赋能实体经济，落地到真实的需求场景。