智慧城市数字孪生技术应用及标准化研究

范德军　冯忠彬

摘 要：为推动实现智慧城市数字孪生技术应用及产业生态建设，对智慧城市数字孪生技术应用及标准化进行研究。本文重点介绍智慧城市数字孪生的概念、服务相关方及技术参考架构，为加快智慧城市数字孪生领域相关标准研制、助力智慧城市数字孪生技术集成创新与应用提供参考。

关键词：智慧城市，数字孪生技术，标准化

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.10.004

0 引 言

随着城市化进程加速，传统城市管理模式所面临的挑战，如资源配置效率低下、环境污染和交通拥堵等问题。智慧城市利用先进的信息技术实现城市管理的智能化和高效化，可有效解决传统城市管理中存在的问题[1]。在此背景下，数字孪生技术出现了，它通过创建实时的虚拟城市模型，为城市管理者提供了更精确的理解、分析和预测城市运行状态的手段。然而数字孪生技术在智慧城市中的应用尚处于初期阶段，缺乏统一标准和规范，限制了其发展和应用的广度与深度。因此，本研究旨在深入探索数字孪生技术在智慧城市中的应用的标准化问题。通过分析现有应用情况，提出一套适用于智慧城市数字孪生技术的标准化框架，旨在为技术的发展和应用提供理论和实践指导。

1 智慧城市数字孪生概念及内涵

1.1 智慧城市数字孪生概念

智慧城市数字孪生是指利用先进的信息技术，如物联网、大数据、云计算和人工智能，创建一个与现实城市相对应的虚拟模型。这个模型不仅包括城市的建筑物、交通网络和公共设施等物理结构，还包括城市运行的交通流量、能源消耗和环境质量等各种动态数据。通过这种方式，数字孪生技术能够实时地模拟和分析城市的运行状态，为城市规划、管理和决策提供支持。

1.2 技术特点

首先，数字孪生技术实时性体现在能够实时收集和分析城市数据，为城市管理者提供即时的反馈和预测，对于迅速响应城市变化至关重要。其次，互动性表现在通过数字孪生模型，管理者能够模拟不同的管理策略，预测这些策略对城市运行的潜在影响。再次，整合性在于它融合了多种数据源和技术手段，提供了一个全面的城市视图，使得城市管理更加全面和精准。最后，可视化能力通过高级的可视化技术，使复杂的城市数据和分析结果变得易于理解和操作。这些特点共同使得数字孪生技术成为优化交通流量、提高能源效率、减少环境污染、提升公共安全以及提高城市服务质量和效率的强大工具。

2 智慧城市数字孪生服务相关方分析

2.1 主要利益相关者

智慧城市数字孪生主要利益相关者有政府机构、企业和技术供应商、公众和社区成员、学术和研究机构、非政府组织和行业协会[2]。

（1）政府机构，政府部门是智慧城市数字孪生项目的主要发起者和监管者，负责制定相关政策、提供资金支持，并确保项目的公共利益和合规性。

（2）企业和技术供应商，包括提供数字孪生技术、数据分析服务、基础设施建设和维护的公司。这些企业是技术实现的关键，负责提供创新解决方案和技术支持。

（3）公众和社区成员，城市居民作为服务的最终受益者，他们的参与和反馈对于确保数字孪生服务满足实际需求至关重要。

（4）学术和研究机构，通过进行相关研究，提供专业知识和技术指导，帮助提升数字孪生技术的科学性和实用性。

（5）非政府组织和行业协会，参与标准制定、推广最佳实践、提供培训和教育，以及在政府、企业和公众之间进行沟通协调。

2.2 各方角色与需求

（1）政府机构，需要有效的技术解决方案来提高城市管理效率，确保项目符合政策和法规要求。

（2）企业和技术供应商，寻求商业机会，需要明确的市场需求和政策支持来开发和部署技术。

（3）公众和社区成员，需要透明、易于访问的服务，以及对智慧城市项目的参与和反馈机会。

（4）学术和研究机构，寻求研究资金和合作机会，以及将研究成果转化为实际应用的机会。

（5）非政府组织和行业协会，需要参与政策制定过程，推广可持续和包容性的智慧城市解决方案。

2.3 合作与协调

首先，建立一个包含所有主要利益相关者的多方对话平台是至关重要的，这不仅促进了信息共享，还有助于建立共识。其次，为了确保项目的成功，需要明确共同的目标，并制定统一的技术和服务标准。参与式决策过程也非常关键，特别是要确保公众能够参与其中，这样可以提高项目的透明度和接受度。此外，建立定期评估和反馈机制对于监控项目进展和成效、提供必要的调整至关重要。最后，通过签订合作协议、共享资源和知识，以及共同参与项目规划和实施，可以强化合作伙伴之间的关系。这些措施共同确保了智慧城市数字孪生项目在满足多方需求的同时，能够实现有效的管理和可持续发展。

3 智慧城市数字孪生技术架构

3.1 物理空间

物理空间在智慧城市数字孪生技术中是指城市的实际物理环境，包括建筑物、交通基础设施、公共空间、环境资源等。这些组成部分不仅包括道路、桥梁、建筑物等静态结构，还包括车辆流动、人群活动、环境变化等动态元素。物理空间的功能在于提供城市生活的基本框架和必要资源，支撑城市日常运作和居民生活活动[3]。

通过数字孪生技术对物理空间进行高效管理和优化的关键方面如下：首先，数字孪生技术具有实时监控与分析功能，利用传感器和物联网技术，使得数字孪生能够实时监控物理空间中的关键参数，如交通流量、空气质量和能源消耗，从而及时发现并解决问题。其次，具有预测与模拟能力，可以模拟各种城市情景，如交通拥堵和自然灾害，帮助城市管理者预测潜在问题并制定应对策略。此外，数字孪生在城市规划和建设中的应用，通过模拟不同设计方案，评估其对城市功能和居民生活的影响，从而优化规划决策。数字孪生还在维护与管理方面发挥作用，帮助监测城市基础设施状态，预测维护需求，并优化资源分配。最后，数字孪生技术通过提高城市治理的透明度和公众参与度，使居民能够更直观地了解和参与城市规划和管理决策。综合来看，数字孪生技术在物理空间的管理和优化中起着至关重要的作用，不仅提高城市管理的效率和效果，也增强了城市适应性和居民生活质量。

3.2 社会空间

社会空间在智慧城市中是指城市居民的生活、工作和社交活动空间，包括社区、公共场所、商业区等。这些空间主要作用是促进人与人之间交流和互动，提供社会服务，以及支持经济活动。社会空间的健康发展对于提高城市居民的生活质量、促进社会和谐以及推动经济增长至关重要。

数字孪生技术在促进社会空间互动和服务提升方面发挥着关键作用。通过虚拟社区平台，它增强了社区内居民之间的交流和互动，使居民能够参与到社区活动的规划和讨论中，从而提高了社区治理的参与度和透明度。此外，数字孪生技术使城市管理者能够更准确地理解居民需求，优化公共服务的分配和管理，如通过分析居民的活动模式来更有效地规划公共交通和医疗资源。在紧急情况下，如自然灾害或公共卫生事件，它还能快速评估影响并优化救援资源分配。数字孪生技术同样促进了经济活动，帮助商业区和企业更好地理解消费者行为，优化商业布局和服务。最后，通过数字孪生平台，居民可以直接参与城市规划和管理决策，提供反馈和建议，增强城市治理的互动性和包容性。综上所述，数字孪生技术不仅提高了城市服务的效率和质量，还促进了居民之间的互动和参与，提升整个社会空间的活力和可持续性。

3.3 数字空间

数字空间是智慧城市数字孪生技术的核心，它是一个虚拟的、数字化的城市环境，通过收集、整合和分析来自物理空间的大量数据构建而成。这个空间包括但不限于城市的三维模型、居民活动的数据、交通流量、环境监测数据等。数字空间的管理涉及到数据的收集、存储、处理和分析，确保数据的准确性、安全性和实时性。此外，数字空间的管理还包括对数字孪生系统的维护和更新，以适应城市不断变化的需求和技术的发展[4]。

在探索数字空间与物理空间、社会空间的交互关系中，数字空间扮演着至关重要的角色。它能够实时反映物理空间的状态，并通过模拟和预测辅助管理者理解潜在的变化和影响，如模拟不同城市规划方案对交通和环境的影响。同时，数字空间为社会空间提供了虚拟的交流和互动平台，使居民能够参与城市治理和社区活动，从而增强社会参与和公民意识。此外，数字空间通过分析物理和社会空间的数据，支持基于数据驱动的城市管理和政策制定，提高决策的效率和有效性。它还促进了物理空间和社会空间的融合，例如帮助城市规划者将居民的社会需求与物理空间规划结合起来。数字空间提供的实时数据和分析结果还可以用于调整物理空间的管理策略和社会服务，确保城市运行的高效和居民需求的满足。因此，数字空间不仅是连接物理空间和社会空间的纽带，也是推动城市智能化和可持续发展的关键因素，通过有效地构建和管理数字空间，可以优化城市管理，提高居民生活质量，并促进城市的整体发展。

4 结 语

对智慧城市数字孪生技术的应用及标准化进行研究。结果表明，数字孪生技术在智慧城市中能提供实时城市管理数据，通过模拟和预测辅助决策，优化城市规划和运营。此外，政府、企业、公众等多方利益相关者的合作与协调对于技术的成功实施至关重要。数字孪生技术的三维架构，即物理空间、社会空间和数字空间的相互作用，是实现智慧城市目标的关键。这对智慧城市的规划和管理提供了新视角和方法，显著提高了城市管理的效率，优化了资源配置，并增强了城市应对突发事件的能力。因此，数字孪生技术不仅是推动技术创新的关键，也是实现城市可持续发展目标的重要工具。

参考文献

[1]陈建平.提效与赋能：数字孪生技术助推智慧城市现代化的双维逻辑[J].河南社会科学，2023，31（12）：96-104.

[2]赵强.BIM技术在智慧城市“数字孪生”建设中的应用[J].智能建筑与智慧城市，2022（3）：108-110.

[3]徐岩，邓扬，袁奂青.数字孪生技术赋能下的智慧城市建设[J].城乡建设，2022（3）：54-56.

[4]李赟.智慧城市数字孪生技术应用探索及标准化研究[J].信息技术与标准化，2021（10）：13-19.

作者简介

范德军，本科，经济师，研究方向为标准制修订。

（责任编辑：袁文静）