中國信通院：數字孿生城市研究報告（2019年）(87頁).pdf

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1、 數字孿生城市研究報告數字孿生城市研究報告 （2012019 9 年）年） 中國信息通信研究院中國信息通信研究院 20192019年年1010月月 版權聲明 本研究報告本研究報告版權屬于版權屬于中國信息通信研究院中國信息通信研究院及數字孿生及數字孿生 城市研究合作伙伴城市研究合作伙伴，并受法律保護，并受法律保護。轉載、摘編或利用其轉載、摘編或利用其 它方式使用它方式使用本研究報告文字或者觀點的，應本研究報告文字或者觀點的，應注明來源。違注明來源。違 反上述聲明者，本反上述聲明者，本院院將追究其相關法律責任。將追究其相關法律責任。 致致 謝謝 2018 年，中國信息通信研究院聯合業內知名企業，圍

2、繞數字孿 生城市的概念、內涵和總體架構，進行研討并發布了數字孿生城市 研究報告（2018 年） 。進入 2019 年，面對各地數字孿生城市規劃和 建設的迫切需求，中國信通院再次牽頭組織業界，尤其是與城市三 維建模密切相關的創新型企業，聚焦數字孿生城市建設要素之核心 平臺、關鍵技術和典型場景，開展深入研究，旨在融會貫通細化建 設方案，引領各地政府和相關產業，推進數字孿生城市落地實施。 本次報告編制過程中合作企業提供了大量素材并直接參與了部分章 節的撰寫，在此致以衷心感謝。限于時間和能力，內容疏漏在所難 免，煩請各界不吝指正。 牽頭單位：中國信息通信研究院 支持單位：泰瑞數創、51VR、超圖公司、

3、中電?？导瘓F研究院、 中科院地理科學與資源研究所、中科院生態環境研究中心、中科院 廣州電子技術有限公司、國家互聯網應急中心、中國電信、中國移 動、中國聯通、騰訊等 編寫指導：何桂立、胡堅波、王愛華、陳金橋、徐志發 編寫小組（排名不分先后）：高艷麗、陳才、張育雄、崔穎、 劉小林、夏磊、張競濤、張東、黃棟、劉曉倫、石偉偉、陳正、馬 亮、劉笑寒、王蕊、陳守雙、王瑜、周旗、肖麗、熊銳、李翀、陳 婉玲、王瀟、孫旭、李文卿、劉中金、周玉科等 前前 言言 數字孿生城市理念自提出以來不斷升溫，已成為新型智慧城市 建設的熱點，受到政府和產業界的高度關注和認同。當前，各地對 數字孿生城市規劃和建設的需求非常強烈，

4、但數字孿生城市究竟如 何建設，各方仍是感到非常困惑，技術方案和實施路徑亟待規范和 明晰。本報告通過對數字孿生城市所涉及的關鍵技術以及技術之間 的集成關系、所包含的核心平臺以及平臺之間的協同性，以及體現 數字孿生特色的典型應用場景進行深入剖析，力圖對數字孿生城市 的建設方案進行通用化提煉抽取，并對國內外相關產業和服務供給 進行梳理，從而為各地建設實施數字孿生城市提供幫助和引導。 從關鍵技術看，與傳統智慧城市相比，數字孿生城市技術要素 更復雜，不僅覆蓋新型測繪、地理信息、語義建模、模擬仿真、智 能控制、深度學習、協同計算、虛擬現實等多技術門類，而且對物 聯網、人工智能、邊緣計算等技術賦予新的要求，

5、多技術集成創新 需求更加旺盛。其中，新型測繪技術可快速采集地理信息進行城市 建模，標識感知技術實現實時“讀寫”真實物理城市，協同計算技 術高效處理城市海量運行數據，全要素數字表達技術精準“描繪” 城市前世今生，模擬仿真技術助力在數字空間刻畫和推演城市運行 態勢，深度學習技術使得城市具備自我學習智慧生長能力。 從核心平臺看，數字孿生城市在傳統智慧城市建設所必須的物 聯網平臺、大數據平臺、共性技術賦能與應用支撐平臺基礎上，增 加了城市信息模型平臺，該平臺不僅具有城市時空大數據平臺的基 本功能，更重要的是成為在數字空間刻畫城市細節、呈現城市體征、 推演未來趨勢的綜合信息載體。此外，在數字孿生理念加持

6、下，傳 統的物聯網平臺、大數據平臺和共性技術賦能與應用支撐平臺的深 度和廣度全面拓展，功能、數據量和實時性大大增強，如與數字孿 生相關的場景服務、仿真推演、深度學習等能力將著重體現。 從應用場景看，數字孿生城市的全局視野、精準映射、模擬仿 真、虛實交互、智能干預等典型特性正加速推動城市治理和各行業 領域應用創新發展。尤其在城市治理領域，將形成若干全域視角的 超級應用，如城市規劃的空間分析和效果仿真，城市建設項目的交 互設計與模擬施工，城市常態運行監測下的城市特征畫像，依托城 市發展時空軌跡推演未來的演進趨勢，洞察城市發展規律支撐政府 精準施策，城市交通流量和信號仿真使道路通行能力最大化，城市

7、應急方案的仿真演練使應急預案更貼近實戰等。在公共服務領域， 數字孿生模擬仿真和三維交互式體驗，將重新定義教育、醫療等服 務內涵和服務手段。同時，基于個體在數字空間的孿生體，城市將 開啟個性化服務新時代。 從未來發展看，隨著數字孿生城市建設持續深入和功能的不斷 完善，未來生活場景將發生深刻改變，超級智能時代即將到來。同 時，技術加速集成創新將打破智慧城市現有產業格局，促使產業重 新洗牌，新的獨角獸可能出現。此外，技術的變革將倒逼管理模式 的變革，正如生產力進步引發生產關系的變化，數字孿生城市的建 設和運行，將推動現有城市治理結構和治理規則重塑調整。 目目 錄錄 一、一、 數字孿生城市發展概況數字

8、孿生城市發展概況 . 1 1 （一）理念引領，各地紛紛提出建設數字孿生城市 . 1 （二）產業響應，各類企業搶抓商機激活 ICT 產業鏈 . 2 （三）資本助力，數字孿生城市板塊崛起倍受市場關注 . 4 （四）場景先行，數字孿生部分應用先行先試初顯成效 . 4 二、二、 數字孿生城市總體架構與核心平臺數字孿生城市總體架構與核心平臺 . 8 8 （一）三橫兩縱總體架構 . 8 （二）泛在感知與智能設施管理平臺 . 11 （三）城市大數據平臺 . 13 （四）城市信息模型平臺 . 16 （五）共性技術賦能與應用支撐平臺 . 18 三、三、 數字孿生城市關鍵技術要素數字孿生城市關鍵技術要素 . 21

9、21 （一）新型測繪：快速采集地理信息 . 21 （二）標識感知：實時“讀寫”真實城市 . 27 （三）協同計算：高效處理海量數據 . 33 （四）全要素表達：精準“描繪”城市前世今生 . 36 （五）模擬仿真：在數字世界推演城市運行態勢 . 44 （六）深度學習：推動城市自我學習智慧成長 . 48 四、四、 數字孿生城市典型應用場景數字孿生城市典型應用場景 . 5353 （一）城市規劃仿真：形成全局最優決策 . 53 （二）城市建設管理：項目進度可視化管控 . 55 （三）城市常態管理：“一盤棋”綜合治理 . 59 （四）交通信號仿真：最大化道路通行效能 . 62 （五）應急演練仿真：應急預

10、案更加貼近實戰 . 67 （六）公共安全防范：讓“雪亮”更“明亮” . 70 （七）公共服務升級：感同身受的體驗 . 72 五、五、 數字孿生城市未來發展展望數字孿生城市未來發展展望 . 7474 （一）有望全面激活智慧城市產業 . 74 （二）有望重塑城市治理結構和規則 . 75 （三）數字孿生城市的推進實施建議 . 76 1 一、 數字孿生城市發展概況 數字孿生城市理念自提出以來，在國內政產學研用各界引起廣 泛關注，掀起研究和建設熱潮。數字孿生城市已成為各地政府推進 智慧城市建設的主流模式選擇，產業界也將其視為技術創新的風向 標、發展的新機遇，數字孿生應用已在部分領域率先展開。 （一）理念

11、引領，各地（一）理念引領，各地紛紛紛紛提出建設數字孿生城市提出建設數字孿生城市 雄安新區率先推進數字孿生城市建設。2018 年河北雄安新 區規劃綱要中指出：堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建 設，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市。目前，新區正 推進 BIM 管理平臺（一期）建設，這是一個具有國家自主產權的數 字城市規建管智能審批平臺，通過創新城市“規、建、管”的新型 標準體系、政策體系和流程體系，探索以數字城市的預建、預判、 預防來支撐現實城市高質量發展的模式，打造展現多維城市空間的 數字平臺。平臺將建立不同階段的城市空間信息模型和循環迭代規 則，采取 GIS 和 BIM 融合的數

12、字技術記錄新區成長的每一個瞬間， 結合 5G、物聯網、人工智能等新型基礎設施的建設，逐步建成一個 與實體城市完全鏡像的虛擬世界。 全國各地搶抓先機，開展數字孿生城市規劃和建設。數字孿生 城市為各地智慧城市建設提供了新思路、新模式，讓城市治理者看 到城市現代化治理體系以及高質量發展的曙光，讓城市居民憧憬隨 需而動、無處不在的智能化服務。2019 年 5 月，在第二屆數字中國 建設峰會數字經濟分論壇上，貴陽副市長徐昊發表了“數字孿生城 市的貴陽探索”主題演講。在實踐上，貴陽提出從花果園超大型社 區治理、數博大道等小型城市生態系統入手打造數字孿生城市。南 2 京江北新區著力推動城市發展向智能化高級形

13、態邁進，提出力爭到 2025 年率先建成“全國數字孿生第一城”。浙江省發布未來社區建 設試點實施方案，制定“未來社區”九大場景，提出構建現實和數 字孿生社區要求。舟山市、西咸新區、重慶市、長三角一體化示范 區等地紛紛采用數字孿生城市的建設理念和模式，先后制定智慧城 市頂層設計和規劃，以數字孿生城市為導向推進智慧城市建設。 （二）產業響應，（二）產業響應，各類各類企業搶抓商機激企業搶抓商機激活活 ICT 產業產業鏈鏈 數字孿生城市正在激活龐大的信息技術產業鏈。數字孿生城市 自提出以來，吸引產業界廣泛關注，成為技術創新和業務拓展的重 要方向。多地學術機構開展關于“數字孿生”的專題研討，探索數 字孿

14、生技術對于城市治理、工業制造等領域的應用和價值。以 BIM、 CIM(City Information Model)、VR/AR、AI 等先進技術為主攻方向 的科技公司發力“數字孿生”方案研發，并已應用到多個行業。數 字孿生城市涉及技術門類較多，諸如新型測繪、地理信息、物聯感 知、三維建模、圖像渲染、虛擬現實、仿真推演、深度學習、智能 控制等，幾乎涉及信息產業所有鏈條，無論是傳統的智慧城市龍頭 企業，還是新入局的創新型中小企業，對數字孿生城市均給予了高 度重視，各類企業依托自身優勢加緊布局，搶占市場先機，同時推 動技術方案不斷完善。 傳統智慧城市廠商順勢而為推出數字孿生城市解決方案?？拼?訊飛

15、打造數字孿生城市的“城市超腦”，基于互聯網、物聯網等基 礎設施，匯聚城市時間與空間數據，運用人工智能算法，挖掘城市 發展與運行軌跡，進行即時分析和仿真建模，促進物理城市公共資 源最優化。軟通動力與華為合作，發布支持數字孿生城市的 aPaaS 平臺，為多個場景提供 API 服務，涵蓋交通、環保、安全等各種領 3 域。阿里巴巴聯合千方科技、銀江股份、浙大中控、數源科技、海 康威視等眾企業，基于阿里云平臺，共同打造數字孿生城市大腦， 提升杭州市交通系統和城管系統的智能化水平。紫光云集成數字孿 生底座，推出“1+4+N”智慧城市應用體系，重點打造安全生產“大 數據”分析預測能力和“物聯網”動態感知能力

16、，有效防范和遏制 重特大事故發生。 空間信息產業紛紛入局，成為數字孿生城市建設中堅力量。數 字孿生和空間信息產業密切相關，需要空間信息采集、建模、開發、 服務、應用全產業鏈的深度參與，同時空間信息產業通過數字孿生 在智慧城市中找到了新的支點，多年的技術積累在巨大的市場空間 得以釋放活力，并造就獨特的競爭優勢。國內 GIS 領頭企業超圖公 司在新推出的新一代三維 GIS 技術體系中，全方位支持傾斜攝影建 模、激光點云、BIM 等多源異構的三維模型數據，并推出國內首個 三維空間數據規范標準 Spatial 3D Model（S3M），該標準融合了 傾斜攝影模型、BIM、精模、激光點云、矢量、地下管

17、線、地形、動 態水面、三維柵格等多源數據，突破了大規模三維數據傳輸和解析 的技術瓶頸，進一步促進了數字孿生的廣泛應用。泰瑞數創提供了 涵蓋高端航測傳感器、數據采集、處理服務到應用開發的數字孿生 城市建模全產業鏈服務，還發布實景世界云平臺 SmartEarth，利用 結構化語義模型整合了 BIMCAD 和地理測繪等技術，高效自動地構 建城市信息模型，已經成功應用于智慧城市、智慧工業和自動駕駛 等領域。51VR 公司運用 GIS、高程、無人機斜拍點云、衛星圖、街 景圖等技術和數據，能夠快速自動化構建大規模數字孿生城市模型， 復原城市的每個細節，并進行大場景動態實時渲染，在數據可視化 和場景可視化基

18、礎上，實現城市運營管理的可視化和精細化。 4 （三）資本助力，數字孿生城市板塊崛起（三）資本助力，數字孿生城市板塊崛起倍倍受受市場關注市場關注 智慧城市相關投資持續保持高速穩定增長。IDC 預計，中國智 慧城市技術相關投資在 2016-2021 年間將保持年復合增長率 19.3% 的穩定增長。根據 IDC全球半年度智慧城市支出指南發布的數 據，2018 年中國智慧城市技術相關投資達到 208 億美元，相比 2017 年的 173 億美元增長了 20.2%，成為全球第二大的智慧城市技術相 關支出市場（僅次于美國）。數字孿生城市的提出，無疑為新型智 慧城市建設注入了新的活力，不僅帶動相關產業的技術

19、研發投入， 而且促進地方政府加大對智慧城市的建設投資。 數字孿生相關企業獲得資本青睞，斬獲融資。2017 年 5 月，英 國虛擬仿真初創公司 Improbable 完成了 5.02 億美元的 B 輪融資， 由軟銀國際領投，公司估值突破 10 億美金。該公司基于 Google 的 計算平臺“SpatialOS 平臺”，構建了一個基于蜂窩云服務的“超 級虛擬世界”。2019 年以來，我國以數字孿生為概念的多只股票出 現漲停，數字孿生城市的價值被資本市場初步認同?？春脭底謱\生 創新發展前景，資本巨頭積極投資數字孿生相關企業，如阿里巴巴 入股銀江股份，超圖公司獲得中國人壽與光大銀行的定向增發融資。 5

20、1VR 完成 B 輪 2.1 億元融資，泰瑞數創獲得啟迪金控和中信建投等 機構過億元投資。 （四）場景先行，數字孿生（四）場景先行，數字孿生部分部分應用先行應用先行先試先試初顯成效初顯成效 數字孿生技術重新定義智慧園區。據預測，到 2022 年，85的 物聯網平臺將使用數字孿生技術進行監控，產業園區有望率先利用 數字孿生技術，重塑園區管理與服務模式。在華為和 51VR 聯合研發 數字孿生的深圳坂田園區及東莞松山湖園區，通過實時接入園區 IOT 設備、資產、能源、設施及環境等信息，建立基于園區實時運 5 行狀況的數字孿生場景，實現園區運營的可視分析、園區業務的閉 環聯動、園區決策的仿真模擬以及園

21、區數據的全量集成，開創新一 代園區的立體多維管理新模式。華為在廊坊經濟技術開發區，利用 GIS 空間信息平臺，構建虛擬城市數字資源體系，一方面支撐 IOC 運營，同時為各個政務部門提供全空間的地理信息服務。 6 圖 1 數字孿生智慧園區 大型工業生產制造數字孿生風行。通過數字孿生模型與仿真技 術，對高成本高復雜性大型設備產品進行設計、生產、裝配全流程 的數字化，并借助傳感器實時數據與運行數據，實現對設備產品的 遠程監控和預測性維護，已成為大型工業制造企業的共識。西門子 建立了貫穿于產品生命周期各環節間的數據模型，仿真模擬一些工 廠的實際操作空間；通用電氣與 ANSYS 公司借助數字孿生概念，提

22、 出物理機械和分析技術融合的實現途徑，讓每個引擎，每個渦輪， 7 每臺核磁共振都擁有一個數字化的“雙胞胎”；德國軟件公司 SAP 利用數字孿生概念，在產品試驗階段采集設備的運行狀況，通過分 析后得出產品的實際性能，再與需求設計的目標比較，從而形成產 品研發的閉環體系。波音 737 MAX8 不到半年發生兩次重大事故，而 數字孿生技術可用于航空飛機的維護與保障。美國空軍已經和波音 合作構建了機體數字孿生模型。波音公司在最新的 NMA 項目上，已 經率先使用數字孿生技術進行研發。泰瑞數創在能源電力行業，利 用數字孿生技術建立了電廠規劃設計和運營服務的一體化系統，目 前已經在國家能源集團和中石油等企

23、業投入使用。 數字孿生提升智能駕駛試驗精度。通過搭建真實世界 1:1 數字 孿生場景，還原物理世界運行規律，滿足智能駕駛場景下人工智能 算法的訓練需求，大幅提升訓練效率和安全度。如通過采集激光點 云數據，建立高精度地圖，構建自動駕駛數字孿生模型，完成厘米 級道路還原，同時對道路數據進行結構化處理，變現為機器可理解 的信息，通過生成大量實際交通事故案例，訓練自動駕駛算法處理 突發場景的能力，最終實現高精度自動駕駛的算法測試和檢測驗證。 數字孿生在醫療領域獲得突破性進展。數字孿生給予健康醫療 新的視角和手段，通過對身體器官、血液循環、神經系統、肌體骨 骼、心率脈搏等進行“鏡象映射”，建立人體的數字

24、孿生體，進而 通過人體標準數據庫，記錄人體每個細節特征，進行人體健康的實 時動態管理。通過引進小型化的穿戴式設備，實時對人體進行數據 收集。孿生數據還可來源于 CT、核磁、心電圖、彩超等醫療檢測和 掃描儀器檢測的數據，血常規、尿檢、生物酶等生化數據，醫療機 構基于人體數字孿生綜合數據，可對患者提供健康狀況預測與及時 8 干預，同時人體的數字孿生還將大大提高診斷的準確性和手術的成 功率。 數字孿生為智慧校園經濟管理賦能。數字孿生將學校物理空間 與數字空間有機銜接，全面感知校園物理環境，建立智能舒適的生 活與教育環境，實現二維三維一體、虛實一體的校園精細化管理。 我國多所大學已建立三維數字校園信息

25、系統，在地上地下一體化、 室內室外一體化的全三維校園空間信息中整合地下管理、能源、安 全等多種傳感器信息，實現對校園后勤資源、教學教育設施、能源 管控、校園安全等多種管理功能。 二、 數字孿生城市總體架構與核心平臺 （一）三橫兩縱總體架構（一）三橫兩縱總體架構 本質上，數字孿生城市是面向新型智慧城市的一套復雜技術和 應用體系，多門類技術的集成、多源數據的整合和各類平臺功能的 打通是數字孿生城市成功的關鍵要素。 因此，數字孿生城市并沒有脫離智慧城市的總體架構布局，由 新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系三大橫向層，以及城 市安全防線和標準規范兩大縱向層構成。 區別在于延展與增強。技術體系內涵

26、延展，新增強化了新型測 繪、標識感知、三維建模、仿真模擬等技術應用，核心平臺能力增 強，強化了全要素數字表達、大數據模型驅動與反向智能控制，應 用體系更強調集約一體，突出跨領域、跨行業、全域視角的超級應 用地位。 城市新型基礎設施包括全域感知設施(包括泛智能化的市政設施 和城市部件)、網絡連接設施和智能計算設施。與傳統智慧城市不同 的是，數字孿生城市的基礎設施還包括激光掃描、航空攝影、移動 9 測繪等新型測繪設施，旨在采集和更新城市地理信息和實景三維數 據，確保兩個世界的實時鏡像和同步運行。 智能運行中樞是數字孿生城市的能力中臺，也是城市大腦，由 五個核心平臺承載，一是泛在感知與智能設施管理平

27、臺，對城市感 知體系和智能化設施進行統一接入、設備管理和反向操控；二是城 市大數據平臺，匯聚全域全量政務和社會數據，與城市信息模型平 臺整合，展現城市全貌和運行狀態，成為數據驅動治理模式的強大 基礎。三是城市信息模型平臺，與城市大數據平臺融合，成為城市 的數字底座，是數字孿生城市精準映射虛實互動的核心。四是共性 技術賦能與應用支撐平臺，匯聚人工智能、大數據、區塊鏈、AR/VR 等新技術基礎服務能力，以及數字孿生城市特有的場景服務、數據 服務、仿真服務等能力，為上層應用提供技術賦能與統一開發服務 支撐。五是泛在網絡與計算資源調度平臺，主要是基于未來軟件定 義網絡（SDN）、云邊協同計算等技術，滿

28、足數字孿生城市高效調度 使用云網資源，由于本部分內容發展尚不充分，未納入本次研究范 圍。 智慧應用體系不僅包括基于數字孿生內核的各行業領域應用， 如城管、應急、醫療等，更包括凸顯數字孿生“一盤棋”管理特征 的超級應用，如城市畫像、人口畫像、虛擬服務、決策仿真等。 10 圖 2 數字孿生城市總體架構 隨著城市數據的不斷匯聚累積，各類新技術交叉集成創新賦能， 以及共性應用支撐能力加大封裝力度，數字孿生城市的智能中樞作 為連接底層終端設施、驅動上層行業應用的核心環節，在傳統智慧 城市重大平臺的建設基礎上，進一步形成泛在感知與智能設施管理 平臺、城市大數據平臺、城市信息模型平臺、共性技術賦能與應用 支

29、撐平臺等核心平臺。 圖 3 數字孿生城市核心平臺與傳統智慧城市平臺關系 11 （二）（二）泛在感知與智能設施管理平臺泛在感知與智能設施管理平臺 泛在感知與智能設施管理平臺，是終端設備與智能應用之間的 紐帶。是數字孿生城市的基礎性支撐平臺，以全域物聯感知和智能 化設施接入為基礎，以統籌建設運維服務為核心，以開放共享業務 賦能為理念，服務于設備開發者、應用開發者、業務管理者、運維 服務者等各參與者，向下接入設備，兼容適配各類協議接口，提供 感知數據的接入和匯聚，支持多級分布式部署，推進信息基礎設施 集約化建設，實現設備統籌管理和協同聯動；向上開放共享數據， 為各類物聯網應用賦能，支撐物聯數據創新應

30、用的培育。物聯感知 平臺是數字孿生城市與真實世界的連接入口，泛在感知粒度決定數 字孿生城市的精細化程度。 圖 4 泛在感知與智能設施管理平臺功能架構 1、接入管理。針對不同類型感知設備采用的多種傳輸協議接口， 平臺提供通用協議適配模塊、接口適配模塊、協議模型適配模塊、 插件適配模塊等，支持 CoAP、LWM2M、HTTP、MQTT 等多種協議接口， 確保各類感知終端設備統一接入。各類行業通常自建的業務系統， 12 可通過 SOA/DOA 等方式接入到城市大數據平臺，也可通過部署行業 傳感器的方式接入到泛在感知與智能設施管理平臺。 2、數據管理。平臺根據物聯網協議模型和設備插件，對各類感 知設備

31、采集的數據進行解析、清洗、預處理，并通過調用開放 API 接口，為設備管理、上層應用開發提供高質量數據支撐服務，包括 數據協議管理、數據分析、數據統計、數據調用等。 3、設備管理與反向控制。面向城市能源設施、水利設施、交通 設施、通信設施、環衛設施、防災設施、建設設施、地下管廊等各 類設施中的感知終端，平臺將根據設備開發者、應用開發者、業務 管理者、運維服務者不同業務需求，提供設施設備健康狀態監測管 理、遠程運營維護、設備遠程指令控制、故障問題告警等管理和服 務能力。 通過泛在感知與智能設施管理平臺，城市建筑、橋梁、道路、 管網、燈桿等公共基礎設施可實現“被感知”，從而提高設施的安 全性和可維

32、護性；交通違章、違法停車、垃圾滿溢、井蓋破損等城 市運行狀態及市容秩序可實現“智能發現”，為非現場執法和政府 監督管理提供技術保障，提高城市管理效能，提升城市品位和形象； 車輛、人員等位置及移動軌跡可實現“被追溯”，從而提高城市管 理力量和資源的科學調度，用數據管理。 目前，國內的城市物聯網平臺主要聚焦在設施管理、生態監測、 物流運輸、智能抄表等領域，城市級物聯網平臺建設仍處于起步探 索階段，在技術功能、領域覆蓋、建設模式等方面有待完善。例如， 重慶市巴南區打造的物聯網管理平臺，覆蓋區域面積達 83.08 平方 千米，主要對超過 63 萬個城市部件進行統一管理。上海市制定出臺 13 新型城域物

33、聯專網建設導則 ，對全市感知設備的部署進行統籌指 導和規范約束，明確泛在感知與智能設施管理平臺的技術架構，各 區縣、街道按照統一架構自行建設區域內平臺，實行分級部署和分 層管理，形成市-區-街道三級物聯感知體系。 （三）城市大數據平臺（三）城市大數據平臺 數字孿生城市的數據資源體系具備三個特征：一是從政務信息 資源到城市大數據的轉變。數據更加多元多源，從政府業務數據擴 展到感知數據、互聯網數據、企業數據等，實現從封閉自用的政務 信息資源到多方共建共享共用的城市大數據的跨越。二是與物理世 界動態連續映射。所有主體數據都將疊加時空信息，每個物理實體 任何時間、任何地點的狀態，均可以映射到數字孿生世

34、界，實現物 理實體在時空上的連續精準映射。三是從封閉割裂到有機整體的跨 越。以往每一條獨立的空間地理數據、建筑數據、業務數據、傳感 器數據、互聯網數據如今均可關聯到實體上，形成該實體的全量屬 性數據，并以實體為基礎形成城市知識圖譜。 圖 5 城市大數據平臺的功能架構 數字孿生城市以城市信息模型為底座，以物理實體映射的一個 14 個數字孿生體為對象，將城市大數據作為對象的屬性進行疊加。與 傳統智慧城市相比，數字孿生城市不僅包括傳統測繪數據、新型測 繪數據等常規 GIS 數據類型，也包括基于傾斜攝影、BIM、激光點云 的三維模型數據，基于移動互聯網的地理位置數據、基于物聯網的 實時感知數據等，以及

35、非結構化的視頻、圖片、文檔等。城市大數 據平臺以城市 BIM 數據為骨架，整合城市規劃、建設、管理等數據， 同時不斷融入物聯網感知數據、位置數據和各種運行數據，保證城 市數據的實時性，展示城市真實運行狀態。除此之外，通過對接已 建政務系統、行業系統的政務數據和行業數據，實現城市數據的協 同共享。 城市信息模型的數據組織應基于開放共享的城市信息模型和三 維傳輸交換標準來構建。城市信息模型可參照國際標準組織 OGC 框 架下的 CityGML 標準實現。CityGML 核心模塊定義了 CityGML 數據 模型的基本概念和組件?；?CityGML 核心模塊，每個模塊包含一 個邏輯上獨立的主題組成

36、的 CityGML 數據模型。具有十三個專題擴 展模塊包括外觀、橋、建筑、城市部件、城市目標組類、泛型、土 地利用、救援物資、交通、隧道、植被、水體以及紋理面。CityGML 數據模型的主題分解可以實現支持任何組合的擴展模塊與核心模塊。 擴展模塊可以根據應用程序或應用領域的信息需求任意組合。城市 三維信息的傳輸和交換，國際上最常用的有開源的 3D Tiles 格式， 國內可采用中國地理信息產業協會審查批準的空間三維模型數據 格式 (T/CAGIS 12019)團體標準，這些格式適用于海量、多源 異構三維地理空間數據和 Web 環境下的傳輸與解析，為多源空間數 據在不同終端(移動設備、瀏覽器、桌

37、面電腦)地理信息平臺中的存 儲、高效繪制、共享與互操作等問題提供了解決方案。 15 基礎數據基礎數據需要需要融合處理融合處理。融合處理方法通常包含：一是識別， 主要針對空間測繪圖像數據和半結構文本類數據。對圖像數據目前 多采用機器學習中卷積神經網絡圖片識別的方法進行識別，如識別 出空間數據中的道路、橋梁、建筑、井蓋等等；對半結構化文本數 據多采用語義識別的方法進行識別。二是標識，識別出的數據對象 需要進行標簽化處理，才能被業務系統使用。數據對象通常會關聯 到一套標識系統之上，用來對數據標識對象的唯一性進行識別。例 如建筑物編號、建筑物內房間編號、房間內門窗編號等等。三是關 聯，不同數據對象之間

38、存在一定的關聯關系，例如井蓋對象與部署 在井蓋內的傳感器實時數據之間的關聯關系；道路網格數據與部署 在道路上的不同視頻監控設備關聯關系等。四是知識圖譜，不同的 數據對象關聯后形成不同類別的知識圖譜。 城市大數據平臺城市大數據平臺對外提供對外提供各層次數據各層次數據服務服務。一是基礎數據，包 含城市各類基礎設施等相對不變的結構化文本描述數據，如道路橋 梁、人口經濟等數據，通過 SOA、DOA 等多種組件模型對外部系統提 供統計查詢、挖掘分析等服務。二是空間數據，包含城市各類基礎 設施等相對不變的圖形圖像數據，以結構化文本方式對外提供顯示 服務，同時可結合圖形處理引擎，以 3D 的方式提供 VRA

39、R 交互展示 服務。三是業務數據，一般是動態變化的數據，包含城市內交通流 量、教育醫療、氣候環境、城市能耗等數據。四是專題數據，指面 向不同專題領域，關聯基礎數據、空間數據和業務數據的融合數據。 城市大數據服務平臺已初露端倪。部分地區提出建設城市級大 數據平臺，但內涵與數字孿生城市數據平臺仍存在較大差距。數字 孿生城市新增城市骨架庫、實體信息庫和城市運行庫等數據庫。大 部分城市的數據平臺以數據庫和共享交換平臺為主，少數發達地區 16 正在向具有橫向貫通、統一運營、一站服務能力的綜合性數據服務 平臺轉型。如北京市提出建設統一的市級大數據管理平臺，建立共 享交換平臺、清洗平臺、存儲平臺、數據開放平

40、臺等 9 個功能，實 現數據資源的全量匯聚編目和按需留存使用，但距離數字孿生城市 多源融合的時空全量數據仍有很大差距。 （四）城市信息模型平臺（四）城市信息模型平臺 實時映射的城市信息模型平臺是數字孿生城市建設的核心，是 刻畫城市細節、呈現城市趨勢、推演未來趨勢的綜合信息載體。城 市信息模型平臺是指具有城市語義信息的三維模型，是語義建模的 數據成果，其核心功能主要由模型數據源采集、模型平臺構建、數 據呈現與模型渲染三大部分組成。 1、多源模型數據采集是模型平臺構建的基礎。目前廣泛應用于 建筑物、構筑物、道路、地下管線、地質、水體和地表高程屬性數 據和紋理數據的采集方法有傳統三維建模軟件、三維激

41、光掃描、航 空攝影測量、移動測繪系統等。數據類型主要包括基礎地理數據、 BIM/CAD 建筑模型數據、城市街景數據、傾斜攝影數據、激光點云 數據等多源異構的三維數據。 2、模型平臺是數字孿生城市運行“骨架” （信息載體） 。主要是 基于城市 GIS 地圖，利用影像多視匹配技術、點云構 TIN 技術、紋 理映射技術、三維模型存儲優化技術等建模技術，按照地形層、道 路層、建筑層、綠化層、水域層等順序逐層從城市大數據平臺加載 數據組建而成，并對建筑物、橋梁、停車場、綠地等城市部件進行 單體化處理。在模型單體化的基礎上，利用語義化技術，可以形成 一個量化并可索引的城市單體信息模型（類似于傳統的 BIM

42、） ，同步 可以接入人口、房屋、公司法人、安防設施、公安警務數據、住戶 17 水電燃氣信息、交通信息、公共醫療等諸多城市公共系統的信息資 源。 3、實時數據呈現與模型渲染是模型賦能業務應用的核心基礎。 第一方面是物聯網感知數據實時在模型平臺上快速加載、融合和實 時呈現，實現實時運行監測數據可視化，如實時視頻圖像、空氣污 染指數、交通流量、行人軌跡等；第二方面是根據城市地理信息數 據源、模型精度、業務場景需求，不同精度標準呈現現實場景，如 城市管理應用場景可以按百米級或十米級呈現，交通、應急等特殊 場景的模擬仿真和 AI 訓練可以按照米級或厘米級呈現；第三方面是 對數據模擬和真實場景效果渲染，比

43、如通過圖形學技術，對光源、 聚光燈、天光等多種光源類型的實時模擬；根據天氣動態數據如云 層高度、風向、邊緣噪波尺寸等，對陰、晴、雨、雪等多種真實天 氣的模擬；運用動態光追蹤距離場陰影技術，實時計算陰影狀態， 最終模擬還原物理世界的運行情況。 圖 6 城市信息模型平臺的三層架構 模型平臺全面激活數據資源價值，助力模擬仿真城市運行狀態。 18 城市信息模型平臺源于智慧城市時空大數據平臺，是時空大數據平 臺的演進和再發展。在數據集成范疇，模型平臺集成了與城市經濟 社會運行的各類數據和物聯感知數據，不僅僅局限于城市靜態數據 呈現；在城市運行模擬上，模型平臺運用模擬仿真、深度學習等技 術，仿真推演城市發

44、展態勢；在實時數據呈現上，模型平臺集成了 智能終端運行數據，可視化展示城市運行狀態，可動態預警城市問 題；在支撐政府決策上，模型平臺可快速模擬管理者決策效果，支 撐城市管理者制定全局最優化決策方案。 總體上看，四大陣營已初步形成，但整體發展仍處于初級階段。 一是傳統地理信息和測繪相關企業基于多年建設時空大數據平臺經 驗，構筑數字孿生城市先發優勢，如 GIS 平臺產品企業超圖公司、 提供語義數據服務和全產業鏈平臺的泰瑞數創等；二是傳統 BIM 企 業擴大建設范疇，逐漸轉向城市、園區領域搭建一體化 CIM 平臺， 如廣聯達軟件、魯班軟件等；三是傳統 3D 建模、模擬仿真類企業借 助制造業、交通等領

45、域積累的優勢，快速進軍城市信息模型市場， 搭建城市模型平臺，如 51VR、達索系統等；四是傳統智慧城市廠商、 運營商紛紛著手與模型企業合作，開始布局城市信息模型市場，如 中國電信、華為等。從建設進展看，各大陣營企業基本搭建完成城 市信息模型的“骨架” ，但對城市運行機理和規則的實時模擬仿真、 對全域數據的深度學習自我優化等方面的能力構筑上，受制于機制、 關鍵技術等因素，仍處于探索階段。 （五）（五）共性技術賦能與共性技術賦能與應用支撐平臺應用支撐平臺 共性技術賦能與應用支撐平臺是城市關鍵共性技術、應用開發 組件和城市模型服務組件的模塊化封裝集成平臺，是整個數字孿生 城市的“決策大腦” 。 19

46、 從核心功能來看，平臺為上層的數字孿生應用提供底層技術支 撐、元數據集、城市元部件模型等資源，實行自定義分析與調用、 靈活配置和高效開發利用。功能架構包括三大類：第一類是核心使 能共性技術，包括大數據、人工智能（深度學習） 、區塊鏈技術等； 第二類是面向應用場景的信息模型服務，包括城市場景服務、數據 更新和追蹤服務、事件模擬仿真推演服務、自定義渲染服務；第三 類是基于底層數據的共性應用服務能力，包括信用服務、身份認證、 電子證照、非稅支付等。 圖 7 共性技術賦能與應用支撐平臺功能架構 與智慧城市賦能平臺相比，數字孿生城市的信息模型賦能服務 體現出四大優勢。一是場景服務，提供建筑物、城市部件等基礎設 施的空間地理信息服務。二是數據服務，可獲取移動物體的實時動 態數據及更新