編者按
隨著“數(shù)字孿生城市”在雄安新區(qū)先行先試，數(shù)字孿生理念日漸在多地智慧城市規(guī)劃建設中體現(xiàn)并實施，極大拓展了人們對未來城市形態(tài)的認知。我們將用兩期內(nèi)容，介紹數(shù)字孿生城市相關內(nèi)涵、特征、運作機理及應用情況。
一、 “數(shù)字孿生城市”建設背景
2019年11月底，雄安智能城市與物理城市同步進入大規(guī)模開工建設階段，全力打造智能城市“一個中心、四個平臺”基礎設施體系，雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市的“數(shù)據(jù)基底”正在成型。此外，北京通州副中心、南京江北新區(qū)、重慶兩江、貴州貴陽等眾多城市和地區(qū)的“數(shù)字孿生城市”基礎設施建設和落地應用如火如荼推進。潮流比想象中來得更快。在2017年“數(shù)字孿生城市”的說法出現(xiàn)以后，短短一年多時間，“數(shù)字孿生城市”方案和模式已如“雨后春筍”般在我國多地涌現(xiàn)。
我國數(shù)字孿生城市建設尚處于起步階段。在許多城市已經(jīng)開展的智慧城市建設中，雖然政務云化和數(shù)據(jù)共享取得明顯進展，但實際上仍處于垂直領域信息化建設的后期階段，面向城市一體化運行管理的技術架構(gòu)和業(yè)務架構(gòu)尚未真正建立起來。因此，大數(shù)據(jù)雖得以匯聚，其價值卻得不到有效發(fā)揮；城市運營雖已有共識，但缺乏平臺抓手。數(shù)字孿生本質(zhì)是一個集成了技術、數(shù)據(jù)、算法、工具、應用的巨大工程，需要社會各界構(gòu)建能力互補的產(chǎn)業(yè)合作生態(tài)系統(tǒng)，積極探索數(shù)字孿生城市解決方案，推動我國數(shù)字孿生城市盡快落地實施并持續(xù)健康發(fā)展。
二、 數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵及特征
數(shù)字孿生城市是城市累積數(shù)據(jù)從量變到質(zhì)變，在感知建模、人工智能等新型技術取得重大突破的背景下，建設新型智慧城市的一條新興技術路徑，是城市智能化、運營可持續(xù)化的前沿先進模式，也是一個從局部應用到全局優(yōu)化，持續(xù)迭代更新的城市級創(chuàng)新平臺。
數(shù)字孿生城市的本質(zhì)是城市級數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，通過數(shù)據(jù)全域標識、狀態(tài)精準感知、數(shù)據(jù)實時分析、模型科學決策、智能精準執(zhí)行，實現(xiàn)城市的模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制，解決城市規(guī)劃、設計、建設、管理、服務閉環(huán)過程中的復雜性和不確定性問題，全面提高城市物質(zhì)資源、智力資源、信息資源配置效率和運轉(zhuǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)智慧城市的內(nèi)生發(fā)展動力。
數(shù)字孿生城市基于數(shù)字化標識、自動化感知、網(wǎng)絡化連接、普惠化計算、智能化控制、平臺化服務的信息技術體系和城市信息空間模型，在數(shù)字空間再造一個與物理城市匹配對應的數(shù)字城市，全息模擬、動態(tài)監(jiān)控、實時診斷、精準預測城市物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的狀態(tài)，推動城市全要素數(shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實時化和可視化、城市運行管理協(xié)同化智能化，實現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市協(xié)同交互、平行運轉(zhuǎn)。
數(shù)字孿生城市具有四大特點：精準映射、虛實交互、軟件定義、智能干預。
精準映射：數(shù)字孿生城市通過空天、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設，實現(xiàn)對城市道路、橋梁、井蓋、燈蓋、建筑等基礎設施的全面數(shù)字化建模，以及對城市運行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測，形成虛擬城市在信息維度上對實體城市的精準信息表達和映射。
虛實交互：城市基礎設施、各類部件建設即有痕跡，城市居民、來訪人員上網(wǎng)聯(lián)系即有信息。數(shù)字孿生城市中，在城市實體空間可觀察各類痕跡，在城市虛擬空間可搜索各類信息，城市規(guī)劃、建設以及民眾的各類活動，在虛擬空間得到極大擴充，虛實融合、虛實協(xié)同將定義城市未來發(fā)展新模式。
軟件定義：孿生城市針對物理城市建立相對應的虛擬模型，并以軟件的方式模擬城市人、事、物在真實環(huán)境下的行為，通過云端和邊緣計算，軟性指引和操控城市的交通信號控制、電熱能源調(diào)度、重大項目周期管理、基礎設施選址建設。
智能干預：通過在“數(shù)字孿生城市”上規(guī)劃設計、模擬仿真等，將城市可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險進行智能預警，并提供合理可行的對策建議，以未來視角智能干預城市原有發(fā)展軌跡和運行，進而指引和優(yōu)化實體城市的規(guī)劃、管理、改善市民服務供給，賦予城市生活“智慧”。
三、數(shù)字孿生城市總體架構(gòu)及運行機理
數(shù)字孿生城市建設依托以云、網(wǎng)、端為主要構(gòu)成的技術生態(tài)體系。端側(cè)形成城市全域感知，深度刻畫城市運行體征狀態(tài)；網(wǎng)側(cè)形成泛在高速網(wǎng)絡，提供毫秒級時延的雙向數(shù)據(jù)傳輸，奠定智能交互基礎；云側(cè)形成普惠智能計算，以大范圍、多尺度、長周期、智能化地實現(xiàn)城市的決策、操控。
圖1 智慧城市總體架構(gòu)及運行機理
人工智能三要素分別為數(shù)據(jù)、算力、算法。數(shù)字孿生城市，以全域數(shù)字化標識和一體化感知監(jiān)測為數(shù)字孿生基礎，以全域全量的數(shù)據(jù)資源（數(shù)據(jù)）、高性能的協(xié)同計算（算力）、深度學習的機器智能平臺（算法）為城市信息中樞，以數(shù)字孿生模型平臺為城市運行信息集成展示載體，操控城市治理、民生服務、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統(tǒng)協(xié)同運轉(zhuǎn)，形成一種自我優(yōu)化的智能運行模式，實現(xiàn)“全域立體感知、萬物可信互聯(lián)、泛在普惠計算、智能定義一切、數(shù)據(jù)驅(qū)動決策”。
1.全域終端數(shù)字化標識
數(shù)字化標識是萬物互聯(lián)的基礎，是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的前提條件，是數(shù)字空間中用于區(qū)分實體身份的基礎信息。
2.一體化感知監(jiān)測體系
一體化感知監(jiān)測體系是萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能的通道、入口和“神經(jīng)系統(tǒng)”，是數(shù)字孿生城市實現(xiàn)物理世界到虛擬世界轉(zhuǎn)化的“連接器”。
3.全域全量的數(shù)據(jù)資源
全域全量的城市數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的基礎，為深度學習自我優(yōu)化功能提供“數(shù)據(jù)”要素。
4.高性能的協(xié)同計算能力
高性能的協(xié)同計算是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的效率保障，為深度學習自我優(yōu)化功能提供“算力”要素。
5.深度學習機器智能平臺
深度學習的機器智能平臺是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的運行決策保障，為深度學習自我優(yōu)化功能提供“算法”要素。
6.實時映射的孿生模型平臺
實時映射的孿生模型平臺是構(gòu)建數(shù)字孿生城市綜合信息載體平臺，是城市統(tǒng)一“展示窗口”、“決策中心”。
7.智能操控現(xiàn)實的應用體系
智能操控現(xiàn)實的應用體系是構(gòu)建數(shù)字孿生城市的“總控開關”、“指揮中心”。
四、 數(shù)字孿生城市的功能
數(shù)字孿生城市為智慧城市建設明確了技術集成與業(yè)務協(xié)同的層次和路徑。
技術層面，通過數(shù)字孿生城市模型平臺，聚合多源數(shù)據(jù)、算法、各類技術能力和工具集，構(gòu)成強大能力中臺，為應用場景提供開放賦能服務。平臺下層是城市公共數(shù)字底座，以其強大的感知、傳輸、計算、控制和智能化能力，重塑城市數(shù)字基因，營造智能運行環(huán)境，支撐數(shù)字孿生城市虛實交互、精準映射。
業(yè)務層面，通過建立城市大腦的協(xié)同平臺，對接城市管理、生態(tài)治理、交通治理、市場監(jiān)管、應急管理、公共安全等不同領域系統(tǒng)，以重大事件和特殊場景需求為驅(qū)動，以數(shù)字孿生城市模型平臺為基礎，制定全域一體的閉環(huán)流程和處置預案，按需調(diào)用相關子系統(tǒng)業(yè)務能力，從而實現(xiàn)城市治理的協(xié)同聯(lián)動和一網(wǎng)統(tǒng)管。城市大腦是城市治理的主要載體，數(shù)字孿生城市平臺是城市大腦的核心平臺，以此為依托，面向未來啟動基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市治理和城市運營。
隨著新基建的大規(guī)模推進，數(shù)字孿生城市的建設成本將大大降低，為數(shù)字孿生城市虛實交互提供基礎支撐環(huán)境，數(shù)字孿生城市的精準映射從主要依靠物聯(lián)網(wǎng)擴展到新基建的全部領域，包括5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、數(shù)據(jù)中心，市政設施、行業(yè)設施和公共服務設施的智能化，實現(xiàn)萬物互聯(lián)和智能定義一切。
作者簡介
鄭樹泉，上海產(chǎn)業(yè)技術研究院工程大數(shù)據(jù)創(chuàng)新服務中心主任， 教授級高級工程師。曾獲多項省部級科技進步獎及國家發(fā)明專利， “全國大數(shù)據(jù)信標委工業(yè)大數(shù)據(jù)”標準專家組成員，主編專著《工業(yè)大數(shù)據(jù)：架構(gòu)與應用》、《工業(yè)智能技術與應用》。
