数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章

刘南余 陈寅 江浩

摘要：我国在智慧城市投资与建设方面走在了世界的前列，但要适应面向未来的数字化建造、敏捷服务、智慧交互场景的智慧城市发展建设工作还需要加强理论方法与实践的探索。要建构“数字孪生”的智慧城市理论方法，为解决城市发展建设中的突出问题，推进城市空间价值增值，提高城市精细化治理能力，加强智能规划决策等方面发挥积极作用。要量力而行推进以新一代信息网络基础设施、高效能运算中心、时空关联大数据底盘为主体的数字基础设施，积极推进城市级的数据资产管理体系建设;同时提出应大力支持新型业务场景落地，包括：绿色低碳与节能减排的智慧技术集成、规范引导智慧社区的规划建设、引导智能空间设计等方面.

关键词：数字孪生城市;城市数字化;转型新篇章

1.国内外智慧城市发展动态及展望

1.1发展动态

当前中国智慧城市发展建设处于快速增长时期，无论是从ICT基础设施投入、数据中心部署，还是在业务场景拓展方面都有了长足进步，在政府主导的公共安全、智慧交通、智慧文游、智慧水务、便民服务等城市治理领域方面带来了新的气象，也对于数字产业经济发展起到了推波助澜的作用。习近平总书记多次指出，要充分发挥大数据、人工智能、区块链在提升国家治理现代化水平、促进保障和改善民生、保障国家数据安全方面的积极促进作用;要加快完善数字基础设施，推进数据资源整合和开放共享，保障数据安全，加快建设数字中国。

2016年国务院出台《国务院关于加快推进“互联网+政务服务”工作的指导意见》[国发（2016）55号]文件指出要加快新型智慧城市建设，要创新应用互联网、物联网、云计算和大数据等技术，加强统筹，注重实效，分级分类推进新型智慧城市建设，要打造透明高效的服务型政府，建立大数据辅助决策的城市治理新方式，构建多元普惠的民生信息服务体系，并提升电力、燃气、交通、水务、物流等公用基础设施智能化水平。

目前国内典型的智慧城市落地项目有：阿里巴巴将“城市大脑”云计算技术运用到杭州市的城市管理方面，对优化城市交通管理、全域旅游、社区服务等方面起到积极作用。北京市海淀区与百度合作，发挥分布式云计算优势，将公共治安、环境卫生、城市管理等部门积累的数据资源打通，并进行交汇分析，形成跨部门的城市治理决策模式。深圳市成立了专门的城市运营管理中心，可调度几十个部门的数据实现对城市运行状态的全面感知、态势预测、事件预警和决策支持。云南省文旅厅（原文化厅）与腾讯合作“一部手机游云南”，将云南旅游业的全过程服务资源整合在一起，为游客、旅游业者、政府分别在享受服务、提供服务、管理服务等方面得到相应的解决方案。

1.2国外智慧城市新进展

方面，谷歌在多伦多的“SidewalkLabs”实验室制定了“未来城市2050总体规划”，为全面开展智慧城市建设奠定基础。芝加哥通过“灯柱传感器”来加强城市安全、环境卫生的监控，同时控制每台传感器设备的采购与运维成本。洛杉矶通过公共交通APP应用服务“WAZE”，使得每个人可以通过这个APP可以把自己的实时的交通信息传输到终端，使得个体、企业和社会之间搭建了互利共享服务体系，为政府解决交通拥堵问题提供支撑。此外，西方发达国家立足于应对全球气候变化，在绿色低碳智慧场景建设，节能减排管理，资源可持续循环利用方面积极推进相关智能技术。

总体上看，我国的智慧城市发展建设走在世界各国前列，2018年底我国所有直辖市、副省级城市，85%以上的地级市均提出了智慧城市相关的实施工程。据艾瑞咨询研究院统计，2013～2018年政府委托或采购的智慧城市项目增长了13.5倍，主要涉及智慧城市顶层设计、城市运营管理、大数据管理、电子政务等领域。由于我国政府的公共服务职能涵盖更广，借助信息化手段和第三方技术支持政府决策及政策执行已经成为现代化治理体系的重要举措。存在的主要问题。我国是一个巨型社会生态系统，由于地域广阔、人口密度大，众多问题和矛盾相互交织，在城镇化进入到中后期时代，解决这些矛盾问题迫切需要智慧城市的技术手段来支持，因此也促使我国的智慧城市解决方案需要更有系统性、针对性和可操作性。

2.从数字城市到智慧城市到数字孪生城市

随着大数据时代的到来以及互联网、云计算、物联网、人工智能技术等新一代先进信息技术的发展，近年来陆续诞生了数字城市、智慧城市以及数字孪生城市等各种“新型城市”概念。数字城市是随着1998年美国前副总统阿尔.戈尔提出“数字地球”之后而产生的概念。数字地球是一個三维的信息化地球模型，其核心思想是通过数字化的手段对地球上的自然、人文和社会等信息进行数字化、网络化、智能化和可视化，以支撑社会的可持续发展决策。

而数字城市则是指通过空间信息技术、虚拟现实技术、数据库管理技术以及计算机网络技术，数字化、网络化技术，对城市中的地理资源、生态资源、人文社会等各种信息进行数字化，形成综合数据库和城市虚拟服务平台等。数字城市也就是把现实世界中的城市变为计算机中的城市，从而指导城市的规划、管理和建设以及居民的日常生活。智慧城市起源于“智慧地球”的概念，是“智慧地球”的重要组成部分。

2008年，国际商业机器公司IBM提出智慧城市的新理念，2009年奥巴马就任美国总统之后，与美国的工商业领袖举行了一场“圆桌会议”。在这个会议中，IBM首席执行官彭明盛建议新的美国政府可以去投资新一代的智慧基础设施，以打破当时的金融危机。“智慧地球”的主要理念是将通过物联网和云计算等技术结合，实现数字地球与人类物理系统的整合，从而使地球达到“智慧”的状态。2010年，IBM正式提出“智慧城市”建设的愿景，随后便掀起了智慧城市建设的热潮。智慧城市建设过程中涉及众多技术，总结起来可以理解为：数字城市+物联网+云计算+人工智能。

物联网通过传感器让万物互联，我们在网上可以获取实时的数据并将其传到云端，通过云计算技术可对获取的数据进行存储、分析、控制、反馈等，进而通过人工智能技术对数据隐含的规则、知识进行挖掘。通过综合运用这些先进的技术，让计算机如同人脑一样拥有“智慧”，打造人性化的智慧城市，应用于城市的各方各面，形成智慧政务、智慧交通、智慧医疗、智慧园区等。在我国，“数字孪生城市”的概念最早是由中国信息通信研究院的研究人员提出，相关的概念和要求在2018年被写入《河北雄安新区规划纲要》。

数字孪生城市实际上就是将工业领域所用的“数字孪生”概念运用到整个城市的治理中。数字孪生城市利用各类先进技术，使得物理世界的动态信息能够通过传感器被实时地、精准地反馈到数字世界中，使得数字孪生城市具有实时性以及保真性。利用数字化、网络化技术，实现城市的由实入虚，再利用网络化、智能化技术，实现城市的由虚入实，通过利用物理城市和数字孪生城市之间不断的虚實互动、持续迭代，最终实现物理世界的最佳有序运行状态。由此看出，数字孪生城市还具有互操作性、可拓展性以及闭环性。数字孪生城市将推动新型智慧城市建设，在信息空间上构建的虚拟城市映像与现实中物理城市空间相互叠加，将有利于完善城市基础设施，改变城市面貌，形成虚实相映、孪生互动的城市发展新形态。

3数字孪生城市整体架构

数字孪生城市架构包含城市泛在感知层、孪生城市支撑层、孪生城市平台层、孪生城市应用层和孪生城市规划层，结构如图1所示。

3.1城市泛在感知网

城市泛在感知网包含城市感知层和城市连接层两部分主要内容。城市感知层颗粒度决定了城市孪生体的精细度。随着芯片技术发展，各类物联网终端的涌现使得物理城市被立体感知成为可能。智慧园区、智慧小区、智慧车站、智慧港口、智慧工地、智慧道路、智慧家庭等场景牵引各类城市基础设施向智能化升级。越来越多的路灯、井盖、消防栓、视频监控、电梯等设备通过物联网接入到各类系统平台，城市内空气质量监测、施工场地扬尘扩散监测、街道噪音监测、卡口车流量/人流量监测等数据被感知采集;家庭中燃气表、电表、水表、电视、空调等设备开始联网。城市连接层的成本、速度、带宽等指标决定了城市孪生体应用的新鲜度。NB-IoT网络在城市中覆盖，城市各类传感器/执行器设备可在无源情况下长时间工作。随着5G网络覆盖，单位面积内物联网终端的连接密度可提升上百倍。物联网终端和业务开展成本下降明显，城市中“万物互联、万物生数”时代来临。

3.2孪生城市支撑层

孪生城市支撑层包含城市数据层和数据融合处理层。城市数据层中数据的丰富程度决定了孪生服务的丰富程度。城市数据层数据来自各类云计算平台和各个委办局业务系统，数据中台系统也可为城市数据层提供数据源。不同主题的数据源决定了孪生服务的不同主题，数字孪生城市是一个持续运营的过程，数据的积累随着运营的深入而丰富。数据融合处理层主要运用大数据和人工智能等技术对数据进行处理，随着计算机软硬件性能提升，借助大数据、人工智能技术使得“数生万物”成为可能，数据融合处理层为孪生城市平台提供直接的分析、仿真等能力。

3.3孪生城市平台层

孪生城市平台层主要包含核心能力层和共性能力层。城市孪生体是数字孪生城市的核心，具有现实中物理城市的等效性。城市孪生体基于三维城市模型，按照不同行业或不同服务粒度分为不同的城市孪生对象，并把孪生对象集有序组合。各类孪生对象的属性、方法与现实中城市各类元素一一对应，孪生对象的属性、状态等参与来自城市数据层，并通过数据融合处理层同步机制保持数据更新。共性算法模型和行业算法模型实现不同孪生对象之间各类属性和状态的组合运算。共性能力层包含城市显示、城市分析、城市仿真和城市预测。城市显示对城市三维模型直观呈现，并可按照各类城市孪生对象分类实现在三维模型查找、定位、叠加各类数据传感器/视频等数据显示等功能;城市分析是按照不同规则对城市孪生体中各类孪生对象实现关联、组合、主题分析等功能;城市仿真、预测是基于各类数据，按照不同的算法模型对数字孪生体中各类孪生对象进行仿真处理，模拟物理城市在各类环节变量情况下可能产生的变化。

3.4孪生城市应用层

孪生城市应用层面包含各类行业和各类用户。各类行业指数字孪生城市在政务、交通、环境、应急等行业均有广泛应用场景。政务行业，城市安全、应急、规划管理均可在数字孪生城市先行先试。交通行业，可根据道路实时流量、违法停车、交通信号灯、视频等数据在城市孪生体内结合交通行业特定模型，实现城市路网、红绿灯信号、停车场/位优化，提升城市路网效率和市民出行体验。环保行业，基于城市污染源数据和三维城市模型数据，模拟在不同光照、风速等参数下污染源在城市孪生体内的影响范围。

各类用户指数字孪生城市服务的各参与方，包含政府、居民和各类商业组织。政府类用户通过数字孪生城市各类应用可实现城市规建管一体化、实时了解城市运行状态、实现城市精细化运营管理等功能，为政策制定、服务提供和各类决策提供更为精准的依据。居民可在数字孪生城市中发挥个体创造力，运用各类数据实现城市协同创造。各类商业组织可基于数字孪生城市开展针对性的商业分析，进一步提升商业服务水平。

3.5孪生城市规划层

数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段，按照分级分类建设新型智慧城市要求。数字孪生城市建设不但和城市级别、类别有关，也和城市范围内数据积累关系密切。顶层规划设计应基于新型智慧城市和各类信息系统建设成果，聚焦城市中的共性问题，并结合不同人口规模、不同类型城市面临的个性问题，定义针对性的城市支撑层功能和城市应用层场景。

不同于传统信息化项目重建设轻运营、重流程轻数据，数字孪生城市建设是一个循序渐进的过程，更强调数据资产的汇聚、管理和运营，强调通过城市各类数据治理、仿真实现。顶层规划除了对业务整体进行规划外，还需要对业务运营体系、端到端安全体系、标准规范体系等内容进行规划设计。

结束语

数字孪生城市在我国的发展仍处于早期阶段，缺少成熟路径参考。可喜的是，越来越多的机构和公司开始开展数字孪生城市业务服务，越来越多的地方政府也开始布局数字孪生城市建设。相信未来数字孪生城市一定会为城市建设、运营带来崭新模式，并为政府、市民和各类参与企业创造新的价值。

参考文献

[1]河北省人民政府.河北雄安新区规划纲要[Z/OL].（2018-04-21）[2020-02-09]

[2]中国信息通信研究院.数字孪生城市研究报告[R]，2019.