近年來，各省市加大了ICT技術(shù)在城市建設(shè)治理方面的投入，對城市信息化的認(rèn)識也從數(shù)字城市、智慧城市升級為新型智慧城市。數(shù)字孿生作為新一代ICT領(lǐng)域的代表性技術(shù)之一，能夠在虛擬空間中以較低成本模擬完成在物理空間中需要高成本才能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，在新型智慧城市建設(shè)中擁有廣闊的應(yīng)用空間。
一、數(shù)字孿生對新型智慧城市的賦能及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字孿生（Digital Twin，簡稱DT）技術(shù)最早運(yùn)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，通過數(shù)字建模對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)等環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，繼而反映機(jī)器設(shè)備的全生命周期過程。隨著城市傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模鋪設(shè)，數(shù)字孿生技術(shù)已成為當(dāng)前建設(shè)新型智慧城市的重要技術(shù)手段。數(shù)字孿生城市繼承了“一張圖”的優(yōu)勢，同時(shí)又融合了新一代信息通信技術(shù)，可以對城市歷史數(shù)據(jù)與傳感器更新數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析。數(shù)字孿生通過構(gòu)建多尺度的城市信息模型（CIM），將相對宏觀靜態(tài)的地理空間信息模型（GIM）、相對微觀靜態(tài)的建筑信息模型（BIM）以及反映城市動(dòng)態(tài)運(yùn)行的社會感知信息模型（SIM）進(jìn)行綜合集成，構(gòu)造城市全域數(shù)字虛擬映像空間，為各類決策提供有效支持。
在建模方式上，城市信息模型的構(gòu)建分為正向設(shè)計(jì)和逆向測繪。正向設(shè)計(jì)建模主要基于現(xiàn)有城市空間地理信息，以二維矢量信息或者利用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具來完成，無需現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)；逆向測繪建模針對城市物理實(shí)體反向構(gòu)建模型，通過手工測繪與傳感器數(shù)據(jù)完成對城市結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集，再利用CIM模型實(shí)現(xiàn)城市數(shù)字化三維重建。其中，前者適用于正處在規(guī)劃建設(shè)中的城市建筑，而后者更適合已建成的區(qū)域。
整體上看，數(shù)字孿生在技術(shù)集成與業(yè)務(wù)應(yīng)用兩方面對新型智慧城市賦能。其中，技術(shù)層面通過打造數(shù)字孿生平臺，聚合多源數(shù)據(jù)、算法、各類建模技術(shù)和工具集，構(gòu)成強(qiáng)大的城市大腦，為應(yīng)用場景提供開放賦能服務(wù)。平臺下層是由大數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)城構(gòu)成的城市信息基礎(chǔ)設(shè)施，憑借感知、傳輸、計(jì)算和智能化控制能力，營造智能運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生與城市實(shí)體間虛實(shí)交互、精準(zhǔn)映射支撐。應(yīng)用層面基于數(shù)字孿生平臺，城市大腦進(jìn)一步開發(fā)多元化的SDK與微服務(wù)，制定全域一體的閉環(huán)流程和處置預(yù)案，全面對接城市治理、民生服務(wù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、綠色環(huán)保等不同領(lǐng)域系統(tǒng)，對重大事件和特殊場景需求進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，按需調(diào)用相關(guān)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力，從而實(shí)現(xiàn)城市治理的協(xié)同聯(lián)動(dòng)和一網(wǎng)統(tǒng)管。在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，城市大腦是城市治理的主要載體，而數(shù)字孿生平臺（CIM平臺）是城市大腦的核心，對城市治理和運(yùn)營進(jìn)行賦能賦智。上述邏輯關(guān)系可由下圖展示，其中城市大腦相當(dāng)于云計(jì)算架構(gòu)中的平臺層，大數(shù)據(jù)中心相當(dāng)于數(shù)據(jù)層，通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源中心相當(dāng)于基礎(chǔ)設(shè)施層，各領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)于軟件層。
圖1融合數(shù)字孿生的新型智慧城市技術(shù)架構(gòu)
相對“一張圖”對空間地理信息的前期實(shí)踐，數(shù)字孿生更加強(qiáng)調(diào)虛擬空間對現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)性與互動(dòng)性。其中，實(shí)時(shí)性指借助物聯(lián)網(wǎng)時(shí)刻感知現(xiàn)實(shí)城市的動(dòng)態(tài)運(yùn)營狀況，并在虛擬空間隨時(shí)監(jiān)測、分析和發(fā)現(xiàn)城市實(shí)際運(yùn)營中存在的問題，如城市生態(tài)問題、災(zāi)害問題、交通問題、治安問題、疫情問題等。而互動(dòng)性指針對現(xiàn)實(shí)城市所面臨的管理問題和發(fā)展訴求，通過虛擬空間的仿真模擬和分析反作用于現(xiàn)實(shí)城市的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營與治理，最終形成虛實(shí)結(jié)合、孿生互動(dòng)的城市發(fā)展新形態(tài)。數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)對城市千萬級別的點(diǎn)數(shù)據(jù)、百萬級別的區(qū)和線數(shù)據(jù)的秒級響應(yīng)，并利用矢量大數(shù)據(jù)高性能計(jì)算提供區(qū)域熱力圖、人口遷徙圖、時(shí)空立方體等多維度可視化分析，整體上超過了“一張圖”所提供的技術(shù)能力。
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字孿生城市的建設(shè)水平可分為六個(gè)等級：
1）第一級：視覺城市（Virtual City Visions）。在該等級下，城市建立了一個(gè)城市環(huán)境的數(shù)字模型，并模擬人口、交通、噪聲、光、粒子、風(fēng)、水等要素，生成各種監(jiān)測數(shù)據(jù)。
2）第二級：數(shù)字陰影（Digital Schatten）。在該等級下，提供在線驗(yàn)證的模型。城市管理者可以通過數(shù)字技術(shù)模擬各類場景遇到的問題，并制定解決方案。
3）第三級：數(shù)字診斷（Digital Diagnostics）。在該等級下，提供診斷并跟蹤實(shí)體的使用壽命，并進(jìn)行故障排查。
4）第四級：智能預(yù)測（Intelligent Prediction）。在該等級下，數(shù)字孿生城市可以提供預(yù)測功能，為即將發(fā)生的事情制定解決方案。
5）第五級：自主學(xué)習(xí)（Autonomous Learning）。在該等級下，數(shù)字孿生城市可以通過人工智能學(xué)習(xí)新知識，可以直觀地獲取城市管理者需要的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是充分挖掘人工識別不到的各種映射關(guān)系。
6）第六級：自動(dòng)優(yōu)化（Automatic Optimization）。在該等級下，數(shù)字孿生城市具備自行評估并優(yōu)化處理問題的能力，同時(shí)向城市管理者反饋。
二、數(shù)字孿生城市的政策框架及建設(shè)情況
隨著數(shù)字孿生技術(shù)的日益成熟，國家和地方政府紛紛將其納入智慧城市頂層設(shè)計(jì)框架，在全國范圍加快CIM平臺的落地建設(shè)，并協(xié)調(diào)解決各種建模技術(shù)之間的兼容性以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等問題。在國家層面，發(fā)改委、科技部、工信部、自然資源部、住建部等部委密集出臺政策文件，有力地推動(dòng)了城市信息模型相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展與落地。
地方層面，數(shù)字孿生建設(shè)理念深入到各省市新型智慧城市及信息建規(guī)劃中。在雄安新區(qū)建設(shè)中率先投入數(shù)字孿生技術(shù)的示范帶動(dòng)下，2020年，上海市發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加快智慧城市建設(shè)的若干意見》，明確提出“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”；浙江省出臺《未來社區(qū)建設(shè)試點(diǎn)工作方案》，提出構(gòu)建現(xiàn)實(shí)和數(shù)字孿生社區(qū)；廣東省推出《推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年實(shí)施方案（2020-2022年）》，提出“將探索構(gòu)建‘數(shù)字孿生城市’實(shí)時(shí)模型，打造全要素‘數(shù)字孿生城市’一網(wǎng)通管系統(tǒng)”；海南省發(fā)布《智慧海南總體方案》，提出“到2025年底，基本建成‘數(shù)字孿生第一省’”。
在政策引領(lǐng)之下，數(shù)字孿生正在成為新型智慧城市的發(fā)力點(diǎn)。多維度的城市信息模型在交通、公安、水利、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域得以迅速推廣和復(fù)制，跨行業(yè)多部門的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)正在形成。在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，空間信息、BIM建模、VR/AR、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域加速融合，運(yùn)營商、技術(shù)提供商、集成商、設(shè)備供應(yīng)商等數(shù)字產(chǎn)業(yè)部門與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)部門全面合作布局?jǐn)?shù)字孿生場景應(yīng)用，初步形成數(shù)字孿生平臺的開放式生態(tài)化共建模式。
圖2數(shù)字孿生城市的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)
三、數(shù)字孿生城市案例
1.雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市建設(shè)案例
2018年4月20日，《雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出“堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，適度超前布局智能基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)全域智能化應(yīng)用服務(wù)實(shí)時(shí)可控，建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市”。作為國內(nèi)首個(gè)依照“數(shù)字孿生”理念設(shè)計(jì)的城市，雄安通過打造CIM平臺優(yōu)化時(shí)空資源配置，從時(shí)間的維度去重新審視空間資源的配置，建立起實(shí)時(shí)協(xié)同反饋的規(guī)劃與治理模式。
首先，雄安CIM平臺強(qiáng)調(diào)全周期，以“時(shí)間”為核心集成創(chuàng)新。平臺在監(jiān)測及展示雄安新區(qū)空間成長建設(shè)的全過程中充分發(fā)揮正向設(shè)計(jì)和逆向測繪的作用。通過實(shí)現(xiàn)城市全生命周期信息化和城市審批管理全流程數(shù)字化，推動(dòng)數(shù)字城市數(shù)據(jù)匯聚和逐步成長，構(gòu)建數(shù)據(jù)積累、迭代的閉合流程。其次，雄安CIM平臺強(qiáng)調(diào)全要素，以“空間”為坐標(biāo)的方法創(chuàng)新。平臺通過智能感知網(wǎng)絡(luò)納入地質(zhì)、自然地理、地理信息、市政管線、建筑模型等地上地下空間數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)信息，建立空間編碼體系，完成雄安地上地下全息數(shù)字模型，統(tǒng)籌立體時(shí)空數(shù)據(jù)資產(chǎn)，促進(jìn)數(shù)字城市全時(shí)空要素管理。同時(shí)，雄安CIM平臺強(qiáng)調(diào)不同技術(shù)模塊之間的協(xié)同運(yùn)行。作為雄安的城市大數(shù)據(jù)中心，“塊數(shù)據(jù)平臺”打破現(xiàn)實(shí)城市發(fā)展中各領(lǐng)域數(shù)據(jù)的邊界，全面整合地質(zhì)勘測、自然地理、市政交通、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等多個(gè)類型的數(shù)據(jù)和信息，協(xié)同規(guī)劃、市政、建筑、勘測等多領(lǐng)域?qū)＜夜餐⒅R圖譜，為城市大腦的智能決策提供大數(shù)據(jù)支撐。
基于當(dāng)前的CIM平臺，雄安正在進(jìn)一步探索建立面向數(shù)據(jù)應(yīng)用的全開放試點(diǎn)，建立老百姓看得見、看得懂、看得清的規(guī)建管可視化系統(tǒng)和城市管理運(yùn)營APP，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多跑路、群眾少跑腿。
2.南京江北新區(qū)數(shù)字孿生城市建設(shè)案例
南京江北新區(qū)發(fā)布的《江北新區(qū)智慧城市2025規(guī)劃》明確提出，新區(qū)要依托“數(shù)字孿生城市”新理念、新技術(shù)，著力推動(dòng)城市發(fā)展向智能化高級形態(tài)邁進(jìn)。為建設(shè)數(shù)字孿生城市，特別設(shè)立了江北區(qū)智慧城市指揮中心。指揮中心通過打造CBD智慧城市系統(tǒng)，兼?zhèn)淞?ldquo;智慧城建”、“智慧城管”和“企業(yè)服務(wù)”三大主要功能，為數(shù)字孿生城市奠定了基礎(chǔ)。
CBD智慧城市系統(tǒng)通過采用國內(nèi)先進(jìn)的數(shù)字孿生還原技術(shù)，利用各類傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)和千兆光網(wǎng)傳輸，利用BIM模型、圖像識別等方法，精準(zhǔn)定位江北商務(wù)區(qū)城市細(xì)節(jié)、呈現(xiàn)發(fā)展趨勢、推演城市未來，實(shí)現(xiàn)商務(wù)區(qū)“全域感知、數(shù)據(jù)共享、交叉指揮、精準(zhǔn)反饋”。
基于數(shù)字孿生的智慧城市管理模式可提升城市精細(xì)化、智能化管理水平，通過超清攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測市容市貌、停車秩序，交通狀況等，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、主動(dòng)干預(yù)，切實(shí)解決江北中央商務(wù)區(qū)城市管理運(yùn)行領(lǐng)域的現(xiàn)存問題，提高城市管理、公共服務(wù)效率，優(yōu)化部門協(xié)同機(jī)制與流程。
四、結(jié)語
數(shù)字孿生城市具有精準(zhǔn)映射、虛實(shí)融合模擬仿真等核心能力，對于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)城市風(fēng)險(xiǎn)、自發(fā)洞察城市運(yùn)行規(guī)律、追蹤回溯人物軌跡、時(shí)間控管及空間定位、分析推演治理決策、仿真演練預(yù)案以及高效配置要素資源等方面發(fā)揮著重要的作用。通過打造數(shù)字孿生城市，推進(jìn)新一代信息通信技術(shù)與城市信息化發(fā)展戰(zhàn)略深度融合，最終提升城市綜合治理能力的數(shù)字化水平，已成為當(dāng)前新型智慧城市現(xiàn)代化全周期管理的“最后一公里”。在這一過程中，城市管理者如何因勢利導(dǎo)，轉(zhuǎn)變職能，值得進(jìn)一步思考。
