一、前言
中共中央、國務院在對《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》的批復中要求堅持“數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設”的發(fā)展模式，打造展現(xiàn)多維城市空間的數(shù)字平臺，數(shù)字孿生平臺逐漸成為新型智慧城市建設的核心創(chuàng)新要素之一，成為支撐城市大腦，推進數(shù)字城市建設的重要基礎。
二、數(shù)字孿生與智慧城市
數(shù)字孿生技術源于軍工領域，近年來在工業(yè)制造的發(fā)展中得到深入研究與應用，疫情期間，中國航空制造技術研究院就采用了數(shù)字孿生技術迅速研制生產(chǎn)出全自動口罩機。數(shù)字孿生技術的能力正在不斷向各行各業(yè)延伸，建筑領域基于BIM（Building Information Modeling）模型完成規(guī)劃設計、施工、運維等全流程服務；市政領域基于數(shù)字孿生技術實現(xiàn)城市規(guī)劃布局、交通擁堵管理等，各項應用正在為數(shù)字孿生城市建設打開大門。
智慧城市數(shù)字孿生平臺的核心是在網(wǎng)絡數(shù)字空間再造一個與現(xiàn)實物理城市相匹配的數(shù)字城市，通過虛擬實體與城市物理空間實體的一一對應、關聯(lián)協(xié)同，使數(shù)字孿生城市與物理城市平行運轉，實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化、虛擬化、可視化。
數(shù)字孿生平臺是新型智慧城市架構的重要組成部分，通過實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化表達，將城市物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等抽象化的信息和能力呈現(xiàn)于城市三維空間，集數(shù)字建模、聯(lián)動控制、仿真模擬、孿生共智等功能于一體，為安防軌跡跟蹤、交通擁堵模擬、市政管網(wǎng)監(jiān)控等城市智慧應用提供生動的可視化交互界面和一比一的精準仿真模擬能力支持。
智慧城市架構
三、數(shù)字孿生平臺演進
1、全域感知，由虛映實
數(shù)字孿生平臺的初級階段以城市數(shù)字基礎設施為主體，基于報警終端、傳感終端、控制終端等采集的城市信息，通過數(shù)字化建模形成虛擬映射。傳統(tǒng)的城市要素集合于二維平面，達不到智慧化要求，數(shù)字孿生平臺的關鍵內(nèi)容即實現(xiàn)要素三維化，包括城市建筑、道路、管網(wǎng)等基礎設施，能夠實現(xiàn)精確到室內(nèi)的數(shù)字化建模。同時，根據(jù)城市運行管理需求，數(shù)字孿生平臺還同步承載人口信息、氣象信息、視頻監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)，成為城市大數(shù)據(jù)的集中展示載體?，F(xiàn)階段，北京、上海、廣州、深圳、嘉興、成都等多地嘗試了城市三維模型，大到上海市建立的全域數(shù)字化城市花園，小到城市CBD片區(qū)，三維數(shù)字孿生平臺已經(jīng)成為創(chuàng)新型智慧城市（智慧園區(qū)）的建設趨勢。
2、要素聯(lián)動，由虛控實
數(shù)字孿生平臺發(fā)展的第二階段是實現(xiàn)數(shù)字對象與其物理對象之間的實時互動，數(shù)字孿生平臺的操作指令能夠通過傳輸網(wǎng)絡、感知控制設備傳輸?shù)轿锢韺嶓w，進而實現(xiàn)對物理對象的控制。第二階段的要素聯(lián)動主要基于市政、交通、建筑等各類設施的感知終端，根據(jù)業(yè)務需求和終端功能，提供設施健康監(jiān)測、遠程控制、故障告警等管理和服務能力，實現(xiàn)統(tǒng)籌管理和業(yè)務閉環(huán)聯(lián)動?，F(xiàn)階段數(shù)字孿生平臺已開展了基于業(yè)務需求的設施設備管控功能開發(fā)，包括車輛、人員等軌跡跟蹤，管網(wǎng)、橋梁等狀態(tài)感知，違法停車、垃圾滿溢等市容監(jiān)控，為城市安全文明建設提供技術支持。
3、仿真模擬，由虛演實
數(shù)字孿生平臺發(fā)展的第三階段是實現(xiàn)對物理世界的仿真模擬和動態(tài)預測，同步形成優(yōu)化解決方案，在數(shù)字世界推演城市運行態(tài)勢。仿真模擬的實現(xiàn)依賴于對物理世界運行機理的認知，通過對自然現(xiàn)象、物理學規(guī)律、人群活動等的建模，為城市規(guī)劃、管理、治理、服務等提供科學的決策支持。數(shù)字城市仿真模擬的出發(fā)點是讓城市建設及發(fā)展少走彎路，是數(shù)字孿生價值的真正體現(xiàn)?，F(xiàn)階段尚未出現(xiàn)對整個城市進行仿真模擬的產(chǎn)品，但交通等細分領域已逐步開展相關研究，百度、51World、之江實驗室等企業(yè)及科研單位正在開展面向自動駕駛應用的實際路況仿真模擬。
4、自主研判，虛實共智
數(shù)字孿生平臺發(fā)展的第四階段是城市細節(jié)的不斷深化，與人工智能等技術實現(xiàn)深度融合與應用。泛在感知的顆粒度決定了數(shù)字孿生的精細化程度，隨著數(shù)字孿生平臺的建設發(fā)展，將逐步從粗顆粒的規(guī)?；O施設備感知，發(fā)展為精細化的以個人等實體為單位的信息感知，不斷豐富數(shù)據(jù)來源，提升城市運行管理的精度。包括計算機視覺、自然語言處理、生物特征識別、知識圖譜等在內(nèi)的人工智能技術進一步應用，從歷史數(shù)據(jù)中學習、分析、識別、總結并發(fā)現(xiàn)城市運行規(guī)律，依托城市發(fā)展時空軌跡，推演未來演進趨勢，賦能城市智能化運行管理，成為數(shù)字孿生平臺發(fā)展的高級形態(tài)。
四、數(shù)字孿生典型應用場景
1、城市建設管理
利用數(shù)字孿生技術復刻城市建設項目，為城市“一磚一瓦”賦予數(shù)據(jù)屬性，已在雄安新區(qū)、深圳坂田園區(qū)、東莞松山湖園區(qū)等多地的城市級、園區(qū)級建設項目中得到應用。城市建設管理的數(shù)字孿生應用以GIS、BIM等技術為基礎，打造多維城市數(shù)字孿生平臺，覆蓋項目規(guī)劃、設計、審批、施工、驗收、運維等建設運行的全生命周期，提供可視化的交互設計環(huán)境，及時展示施工進度，并為驗證、審查、分析、管理等提供直觀的判斷依據(jù)，提升了城市建設管理過程中檢測風險、預知風險的能力。
2、城市智慧交通
智慧交通數(shù)字孿生應用，通過對交通信息的結構化處理，構建城市交通數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)車輛、道路、行人、信號燈等交通實體數(shù)字化。通過模擬大量交通事故案例、氣象環(huán)境場景，訓練自動駕駛算法、信號燈控制算法等智慧交通領域關鍵技術，實現(xiàn)高精度的智能交通場景測試驗證，助力自動駕駛性能的提升和道路通行能力的最大化。
3、城市現(xiàn)代化治理
城市現(xiàn)代化治理的數(shù)字孿生應用以“雪亮工程”、警用地理信息系統(tǒng)（PGIS）等資源為基礎，實現(xiàn)精確到小區(qū)、樓宇甚至室內(nèi)的公共安全場景動態(tài)監(jiān)控。數(shù)字孿生平臺成為多元復雜信息融合的載體，充分匯聚人口、車輛、能耗等數(shù)據(jù)，在高精度攝像頭、邊緣計算、人工智能等技術設備的支持下，實現(xiàn)流動人口智能管控，可疑人員出入告警，違法集聚、傳銷窩點排查等功能的一體化，支持公安、消防、物業(yè)、住戶等多主體聯(lián)動，提升城市基層治理的精細化水平。
五、結語
數(shù)字孿生平臺已經(jīng)成為繼城市大腦之后，新型智慧城市規(guī)劃布局的重要組成之一，是城市大數(shù)據(jù)匯集、融合、應用不可或缺的載體?，F(xiàn)階段已經(jīng)掀起了數(shù)字孿生平臺建設的熱潮，不可忽視的是，由于技術、標準的不成熟，各地區(qū)、各區(qū)塊的獨立建設可能存在相互不兼容的“孤島”問題，導致數(shù)字孿生平臺的建設停留在試點示范階段。因此，數(shù)字孿生平臺需要進一步突破技術桎梏，完善標準規(guī)范，才能真正成為賦能智慧城市的基礎設施。
