中國信通院：數字孿生城市研究報告(2018)(65頁).pdf

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1、 數字孿生城市數字孿生城市研究報告研究報告 （2012018 8 年）年） 中國信息通信研究院中國信息通信研究院 2012018 8年年1212月月 版權聲明版權聲明 本本研究報告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本研究報告研究報告文字或者觀點的，應文字或者觀點的，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 2017 年，中國信息通信研究院在長期從事智慧城

2、市頂層設計實踐基礎上，提出“以數字孿生城市推進新型智慧城市建設”的創新理念，在業內引起強烈反響。2018 年，為推動“數字孿生城市”落地實施，中國信息通信研究院聯合數字經濟推進方陣，組織業內知名企業，圍繞數字孿生城市的理念內涵、技術方案與實施路徑，進行多次研討交流，形成研究報告合作成果。編制過程中各家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。限于編寫時間、項目組知識積累以及產業尚未完全定型等方面的因素，內容恐有疏漏，煩請不吝指正。 牽頭單位：中國信息通信研究院 支持單位：中國電信、中國移動、中國聯通、百度、廣聯達、騰訊、華為、神州數碼、中興、阿里 編寫指導：王愛華、胡堅波

3、、徐志發 編寫小組（排名不分先后） ：高艷麗、陳才、張育雄、王思博、崔穎、張競濤、劉泰、郭靚、李欣、郭中梅、馬偉強、劉剛、陳守雙、姚健奎、劉旭晶、李文東、郝景然等。 前前 言言 當前，以物聯網、大數據、人工智能等新技術為代表的數字浪潮席卷全球，物理世界和與之對應的數字世界正形成兩大體系平行發展、相互作用。數字世界為了服務物理世界而存在，物理世界因為數字世界變得高效有序，數字孿生技術應運而生，從制造業逐步延伸拓展至城市空間，深刻影響著城市規劃、建設與發展。 數字孿生因感知控制技術而起，因綜合技術集成創新而興。數字孿生城市是在城市累積數據從量變到質變，在感知建模、人工智能等信息技術取得重大突破的背

4、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、運營可持續化的前沿先進模式，也是一個吸引高端智力資源共同參與，從局部應用到全局優化，持續迭代更新的城市級創新平臺。 從技術角度看，數字孿生城市涵蓋“云-網-端”三大層次，成為數據驅動決策、技術綜合集成的智慧城市綜合技術支撐體系。端側實現群智感知、可視可控；網側實現泛在高速、天地一體；云測實現隨需調度，迭代學習。其本質是通過數據全域標識、狀態精準感知、數據實時分析、模型科學決策、智能精準執行，構建城市級數據閉環賦能體系，實現城市的模擬、監控、診斷、預測和控制，解決城市規劃、建設、運行、管理、服務的復雜性和不確定性。 從城市發展看，數字孿生城

5、市是未來實體城市的虛擬映射對象 和智能操控體， 形成虛實對應、 相互映射、 協同交互的復雜巨系統，實現孿生城市的 “六化發展” ， 即支撐城市全要素數字化和虛擬化、城市全狀態實時化和可視化、城市管理決策協同化和智能化，實現三類應用場景，城市規劃建設一張藍圖管到底、城市治理虛實融合一盤棋、城市服務情景交融個性主動一站式，驅動城市智能運行、迭代創新。 從建設重點看，基于多源數據融合的城市信息模型是核心，城市全域部署的智能設施和感知體系是前提，支撐孿生城市高效運行的智能專網是保障，實現智能操控的城市大腦是重點。 未來，數字孿生城市可在數字化水平相對較高、需要運行機理建模、實現虛實空間協同優化、彰顯多

6、維智能決策支撐等方向，如城市規劃、建筑、交通、能源等領域優先落地實施，以數字孿生城市為代表的新型智慧城市發展新理念和新模式或將變為現實，成為未來綠地型新城新區高水平建設的必由之路，棕地型城市數字化轉型的重要參考。 目目 錄錄 一、數字孿生城市出現的背景一、數字孿生城市出現的背景 . 1 （一）傳統條塊化智慧城市建設方式已現疲態 . 1 （二）信息技術加速突破驅動集成創新出現拐點 . 2 （三）數字孿生成為城市智能化升級的重要方向 . 3 （四）部分城市率先探索實踐數字孿生理念 . 4 （五）我國智慧城市建設升級具備現實基礎 . 10 二、數字孿生城市二、數字孿生城市的內涵特征的內涵特征 . 1

7、2 （一）數字孿生城市的內涵 . 12 （二）與新型智慧城市的關系 . 13 （三）數字孿生城市的特征 . 14 （四）數字孿生城市的價值 . 15 三、數字孿生城市的總體架構三、數字孿生城市的總體架構 . 17 （一）技術框架 . 17 （二）運行機理 . 20 四、數字孿生城市的典型場景四、數字孿生城市的典型場景 . 26 （一） “規建管”協同管控，助力一張藍圖干到底 . 26 （二）虛實互動以虛控實，支撐城市一盤棋治理 . 28 （三）情景交融以人為本，升級個性主動服務體驗 . 30 五、數字孿生城市核心：高精度城市信息模型五、數字孿生城市核心：高精度城市信息模型 . 32 （一）城市

8、初始建模的方法 . 33 （二）城市信息模型的構成 . 34 （三）模型與數據的協同運行 . 35 六、數字孿生城市前提：全域布局的智能設施六、數字孿生城市前提：全域布局的智能設施 . 36 （一）智能設施空間布局 . 36 （二）標識體系和編碼設計 . 38 （三）物聯設備連接管理平臺 . 39 七、數字孿生城市支撐：高效運行的智能專網七、數字孿生城市支撐：高效運行的智能專網 . 40 （一）數字孿生城市提出網絡新需求 . 40 （二）萬物互聯綜合接入智能專網 . 42 （三）智能專網對已有網絡延伸增強 . 43 八、數字孿生城市重點：智能操控的城市大腦八、數字孿生城市重點：智能操控的城市大

9、腦 . 46 （一）大腦凸顯自主學習與集中調度 . 46 （二）一體三翼構建數字孿生城市大腦 . 47 （三）創新全景全要素城市治理新模式 . 49 九、推進數字孿生城市的建議九、推進數字孿生城市的建議 . 50 （一）正視面臨的挑戰 . 50 （二）分領域優先落地 . 52 （三）分步驟務實推進 . 53 （四）分類別有序引導 . 54 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 1 一、數字孿生城市出現的背景一、數字孿生城市出現的背景 （一）（一）傳統傳統條塊化條塊化智慧城市建設方式已現疲態智慧城市建設方式已現疲態 當前全球已啟動或在建的智慧城市已達 1000 多個，我國提出

10、智慧城市規劃的城市有 300 多個，各類型試點城市高達 500 多個，成為全球智慧城市建設規模最大的國家。隨著理念層出不窮，技術推陳出新，大中城市智慧城市建設不斷向縱深推進，區縣級智慧城市依托后發優勢，也不甘落后。從特點看，國際上智慧城市建設集中在能源、交通和循環經濟方面，注重綠色低碳、節能環保，項目比較單一，缺乏城市級的整體性、系統性的設計和建設。國內倡導新型智慧城市建設，基礎設施、在線政府、信息經濟、城市治理、惠民服務全面展開，屬于規?；轿幌到y工程。建設模式上，大部分城市走的是邊補齊行業和領域信息化短板，邊進行資源整合和業務協同的路子，少數城市完成資源整合后率先進入了數據驅動治理的階段

11、。 建設智慧城市，對加快工業化、信息化、城鎮化、農業現代化融合，提升城市可持續發展能力具有重要意義。智慧城市建設發展已近十年， 至今卻無一個城市自我標榜已建成了智慧城市。 事實上，智慧城市面臨技術和非技術兩大瓶頸難以突破，可謂舉步維艱。所謂技術瓶頸，是指基于云計算和互聯網的聚合式的模式創新比較成功，而基于物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈、量子通信等技術數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 2 的原始創新極度缺乏，未出現殺手級應用，各功能模塊有機融合的ONE ICT 架構未能實現，造成創新只停留在表面，城市運行和治理的水平有量的提升，但沒有質的改變。所謂非技術瓶頸，表現在智慧

12、城市建設所需的龐大資金問題一直沒有找到解決之道，政府和市場邊界不好劃分，工程周期長投入大充滿變數，企業盈利和資本回報前景模糊，觀望躑躅之下，推進效果可想而知。此外，彰顯智慧所必須的資源共享與業務協同機制也一直沒有建立起來，信息打通仍困難，協同共治難實現。兩大瓶頸懸而未決導致智慧城市疲態盡顯停滯不前，現有的建設發展模式亟待突破。 （二）信息技術加速突破驅動集成創新出現拐點（二）信息技術加速突破驅動集成創新出現拐點 智慧城市是信息技術驅動下的城市創新發展的一種新模式，是信息技術綜合運用和集成創新的大平臺，但縱觀多年來智慧城市中的技術應用，基本上是單點的、割裂的，集成的、融合的少，比如云計算技術用于

13、政務云建設，物聯網技術用于城市管理的感知監測和數據采集，互聯網技術用于電子政務和公共服務的交互渠道，大數據用于城市治理的決策分析，人工智能則是用于提升各種應用的智能化體驗。這些技術對提升智慧能力的作用毋庸置疑，但技術間缺乏系統架構級的融會貫通，造成應用離散化，信息孤島化，平臺多元化，集成創新的乘數效應尚未釋放出來。 形勢已隨日新月異的技術演進悄然變化，物聯網、5G、人工智中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 3 能、 無人駕駛、 虛擬現實、 深度學習等技術研發和產業化加速突破，掀起數字化網絡化智能化新一輪浪潮，深刻影響著智慧城市的規劃建設與運行發展。此外，跨領域技術間的融合

14、創新已成主流趨勢，信息通信技術與 3D 建模、高精度地圖、全球定位系統、模擬仿真、虛擬現實、 智能控制等技術有機耦合， 集成應用驅動創新出現拐點，智慧城市面臨的技術瓶頸很大程度上得以破解， 數字孿生城市-數字城市與物理城市虛實融合孿生并行，虛擬服務現實，數據驅動治理，一種全新的智慧城市建設路徑和實踐模式呼之欲出，將引發城市治理規則的重大變革，為非技術瓶頸的破解也帶來了曙光，城市信息化或從量變迎來質變。 （三）數字孿生成為城市智能化升級的重要方向（三）數字孿生成為城市智能化升級的重要方向 數字孿生是指通過對物理世界的人、物、事件等所有要素數字化，在網絡空間再造一個與之對應的“虛擬世界”，形成物理

15、維度上的實體世界和信息維度上的數字世界同生共存、 虛實交融的格局。 數字孿生最早由密西根大學教授 Grieves 提出， 后來 NASA 用于對飛行器的真實運行活動進行鏡像仿真。最先用于工業領域，尤其是大型裝備制造業。通過搭建數字孿生生產系統，能夠實現從產品設計、生產計劃到制造執行的全過程數字化。據統計，全球 40%的大型生產商都將應用虛擬仿真技術來為他們的生產過程進行建模。 數字孿生的出現根本在于感知、網絡、大數據、人工智能、控數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 4 制、建模等技術的集中爆發。尤其是傳感器和低功耗廣域網技術的發展，將物理世界的動態，通過傳感器精準、實時地

16、反饋到數字世界。數字化、網絡化實現由實入虛，網絡化智能化實現由虛入實，通過虛實互動，持續迭代，實現物理世界的最佳有序運行。數字孿生現象是數字化浪潮的必然趨勢，是數字化的理想狀態，數字孿生城市也成為智慧城市建設發展的必經之路。 數字孿生城市是技術演進與需求升級驅動下新型智慧城市建設發展的一種新理念、新途徑、新思路。雖然數字城市的提出由來已久，但全域數字化一直未能實現，這與技術發展的局限性和成熟度有關，如今數字孿生城市的理念，才真正體現了數字城市意圖達到的理想愿景。數字孿生城市作為狹義數字城市的終點，卻是智慧城市建設的起點，它是城市實現智慧的重要設施和基礎能力，是城市信息化從量變走向質變的一個里程

17、碑。 （四）部分城市率先探索實踐數字孿生理念（四）部分城市率先探索實踐數字孿生理念 世界各國當前在數字孿生城市的實踐上，已初步完成城市靜態建模，主要用于指導城市規劃工作。未來，城市運行的動態數據與靜態模型的融合，將成為數字孿生城市構想落地，并發揮重要意義的關鍵與挑戰。隨著 5G、物聯網產業的快速發展，數字孿生城市的理念，正在堅定的向現實邁進。 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 5 1.雄安新區數字城市 雄安新區在規劃綱要中指出，堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，推動全域智能化應用服務實時可控，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市。借助大數據深度挖掘技術、人工

18、智能、物聯網技術和互聯網平臺等新一代信息技術，從數字呈現、網絡互聯到智能體驗進行全方位謀劃，實現數字城市與物理城市同步規劃同步建設，對物理世界的人、物、事件等所有要素數字化，生成全數字化城市。 物理城市與數字城市孿生并存， 精準映射， 實現虛擬服務現實，數據驅動決策，智能定義一切，促進管理一盤棋，服務一站式，扁平化、前后端打通，以高度智能化替代傳統的網格化管理，虛實融合蘊含無限應用創新空間，將引發城市智能化管理和服務模式的重大顛覆性創新。 圖 1 數字孿生城市：智能新區 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 6 2.虛擬新加坡平臺 2015 年，新加坡政府與法國達索系統等多

19、家公司、研究機構簽訂協議，啟動“虛擬新加坡”項目。該項目計劃完全依照真實物理世界中的新加坡，創建數字孿生城市信息模型。 模型內置海量靜態、動態數據，并可根據目的需求，實時顯示城市運營狀態。模型的關鍵在于真實世界與虛擬世界的精準映射。模型既是物理世界運行動態的展示，滿足城市管理的需求，也能夠指導城市未來的建設與運行優化。 “虛擬新加坡”平臺計劃于 2018年，面向政府、市民、企業和研究機構開放，可廣泛應用于城市環境模擬仿真、城市服務分析、規劃與管理決策、科學研究等領域。新加坡政府在 3 年時間內，累計投入 7300 萬美元，積累了 50TB 數據。 圖 2 數字孿生城市：虛擬新加坡 新加坡政府正

20、在同時打造“智慧國家傳感平臺” ，并計劃設立國家官方網站。該平臺部署了西門子公司基于云的開放式物聯網操作中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 7 系統，將統一負責新加坡境內的傳感網絡設備管理、數據交換、數據融合與理解。 2017 年，新加坡政府財政投入 2.16 億新加坡元用于平臺建設，占總預算比例 9%，比 2016 年增長 7.7 倍。其中，新加坡政府將部分預算用于信息桿的建設。 新加坡政府將11萬路燈互聯， 以集群的方式部署無線網絡設備、各類傳感器設備。新加坡政府既建立了安全、高速、經濟且具有擴展性的全國通訊基礎設施，又建立了遍布全國的傳感器網絡，采集實時數據（如環境

21、、人口密度、交通、天氣、能耗和廢物回收等） ，并對重要數據匿名化保護、管理以及適當共享。 圖 3 新加坡“智慧國家傳感平臺”構想 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 8 3.法國雷恩 3D 城市 法國城市雷恩與達索系統公司簽訂協議， 計劃在2017-2019年，建立城市的數字模型，用于城市規劃、決策、管理和服務市民。在3D 上繪制城市圖形，是他們構建數字孿生城市的想法。城市規模、治理結構以及城市的交通、能源和環境等問題是他們考慮的重要因素。他們通過設計與仿真的方法開發整個城市的 3D 模型，根據不同用戶群的需求對 3D 模型進行測試與評估， 來支持城市的決策過程與調解工作

22、。雷恩和達索系統公司構建的 3D 平臺是一個協作環境，允許各方進行溝通協作，共同設計創新項目、產品和服務。它提供了可視化設計，可模擬貿易環境，還原城市及其居民的市場，最充分地和現實貼合。雷恩和達索系統公司繼續在先進的理念進行研究探索，為我們的城市提供了一個更好的未來。 圖 4 數字孿生城市：法國雷恩 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 9 4.多倫多高科技社區 多倫多邀請了谷歌公司的 Sidewalk Labs 對其濱海的部分區域開發，計劃建成高科技社區（Quayside） 。Sidewalk Labs 的應用程序可記錄公共區域中每一個物件的位置（如道路、建筑等） 。安裝

23、的多類別傳感器設備，可用于收集多樣化信息（如車流密度，噪音，空氣質量，能耗，出行方式及垃圾處理等） 。模型與數據的融合，將助力數據專家生成深刻洞察，優化城市運營；并采用復雜的建模技術模擬極端情景，尋找解決方案。 該項目目前處于早期規劃和咨詢階段，并以精美的設計插圖為吸引點，充分地體現濱水區的特點。此項目將結合前瞻性的城市設計和新的數字技術，以實現可持續性、可負擔性、流動性和經濟機會等方面的領先水平。 圖 5 多倫多城市虛擬模型 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 10 （五）我國智慧城市建設升級具備現實基礎（五）我國智慧城市建設升級具備現實基礎 1.智慧城市態勢良好，基礎

24、設施不斷升級 從2012年我國中央政府首次提出的關于智慧城市建設的指導性文件國家智慧城市試點暫行管理辦法 國家智慧城市(區、鎮)試點指標體系(運行)肇始，到2017年“智慧社會”被正式寫進十九大報告中，指導智慧城市合理發展的指導性文件逐年增加，且指導內容更加規范，新型智慧城市已進入國家戰略規劃政策制定當中，正逐漸被廣大社會群體認可。 數字孿生城市建設的前提是具有完善的基礎設施，即感知層、連接層和計算層均具備開展數字孿生城市的能力，公共基礎設施的智能化是實現智慧城市有效發展的必然要求。我國智慧城市建設已近十年，大部分城市在高速寬帶網絡、政務云、核心平臺、基礎數據庫等基礎設施建設方面取得長足進展，

25、城市治理、便民惠民等應用成效顯著，并基于城市一張圖在多規合一、并聯審批和決策仿真方面開展積極探索， 這一切為數字孿生城市建設奠定了扎實的基礎。 隨著新型智慧城市的發展，我國基礎設施智能化轉型的范圍在不斷擴大，功能也在不斷提升。目前，通過移動通信技術、物聯網技術、Wi-Fi技術等，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” 。在市政環衛設施中安裝智能化傳感器，實現對環衛設施的遠程可控制和資源可調度；在公共交通設施中安裝中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 11 的感知監控設備可智能化支持不同移動狀態，確保城市的智能交通系統良好運行。通過物聯網總控和智慧城市

26、運營管理中心，利用大數據技術對海量的城市基礎設施狀態數據和運行數據進行數據挖掘和分析，并結合邊緣計算和深度學習技術讓城市基礎設施真正實現“智能化” ，實現城市運行狀態的智能感知和智能決策。 2.政策環境有力保障，技術產業強力支撐 在國家戰略和政策推動下，物聯網、云計算、大數據、人工智能、車聯網、5G、虛擬現實、深度學習等技術創新突飛猛進，實際應用日益顯著，為數字孿生城市建設提供強有力支撐。在國務院關于促進云計算創新發展培育信息產業新業態的意見 關于積極推進 “互聯網+” 行動的指導意見 云計算綜合標準化體系建設指南等利好政策作用下，我國云計算產業已經走過培育與成長階段，現已進入成熟發展期，產業

27、格局基本穩定。近兩年我國大數據發展政策陸續出臺，國務院發布促進大數據發展行動綱要 ，聚焦大數據發展中的三個關鍵環節，即政務數據應用、產業應用和應用安全。物聯網產業自2009年起就一直作為國家戰略在推動發展，政府和產業界高度重視，產業能級和技術實力在不斷提升。尤其近年來在物聯網領域，傳感和低功耗廣域網技術取得突破，產品和服務成本不斷下降，使城市級大規模的感知設施部署和萬物互聯成為可能。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 12 二、數字孿生城市的內涵特征二、數字孿生城市的內涵特征 （一）數字孿生城市的內涵（一）數字孿生城市的內涵 數字孿生城市是支撐新型智慧城市建設的復雜綜合

28、技術體系，是城市智能運行持續創新的前沿先進模式，是物理維度上的實體城市和信息維度上的虛擬城市同生共存、虛實交融的城市未來發展形態。 數字孿生城市的本質是城市級數據閉環賦能體系，通過數據全域標識、狀態精準感知、數據實時分析、模型科學決策、智能精準執行，實現城市的模擬、監控、診斷、預測和控制，解決城市規劃、設計、建設、管理、服務閉環過程中的復雜性和不確定性問題，全面提高城市物質資源、智力資源、信息資源配置效率和運轉狀態，實現智慧城市的內生發展動力。 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 13 圖 6 數字孿生城市虛實融合迭代優化 數字孿生城市基于數字化標識、自動化感知、網絡化連

29、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，在數字空間再造一個與物理城市匹配對應的數字城市，全息模擬、動態監控、實時診斷、精準預測城市物理實體在現實環境中的狀態，推動城市全要素數字化和虛擬化、全狀態實時化和可視化、城市運行管理協同化智能化，實現物理城市與數字城市協同交互、平行運轉。 （二）與新型智慧城市的關系（二）與新型智慧城市的關系 新型智慧城市建設以提升城市治理和服務水平為目標，以為人民服務為核心，以推動新一代信息技術與城市治理和公共服務深度融合為途徑，包括無處不在的惠民服務、透明高效的在線政府、精數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 14

30、細精準的城市治理、融合創新的數字經濟、自主可控的安全體系等五大核心要素，分級分類、標桿引領、標準統籌、改革創新、安全護航，注重城鄉一體，打破信息藩籬。 數字孿生因感知控制技術而起，因綜合技術集成創新而興。數字孿生城市一方面準確反映物理實體城市狀態， 另一方面精準操控、智能優化現實城市，將極大改變城市面貌，重塑城市基礎設施，形成虛實結合、孿生互動的城市發展新形態。 數字孿生城市是在城市累積數據從量變到質變，在感知建模、人工智能等信息技術取得重大突破的背景下，新型智慧城市建設的一條新興技術路徑， 是城市智能化、 運營可持續化的前沿先進模式，也是一個吸引高端智力資源共同參與，從局部應用到全局優化，持

31、續迭代更新的城市級創新平臺。 （三）數字孿生城市的特征（三）數字孿生城市的特征 數字孿生城市有四大特點：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，實現對城市道路、橋梁、井蓋、燈蓋、建筑等基礎設施的全面數字化建模，以及對城市運行狀態的充分感知、動態監測，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。 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 15 虛實交互： 城市基礎設施、 各類部件建設即有痕跡， 城市居民、來訪人員上網聯系即有信息。未來數字孿生城市中，在城市實體空間可觀察各類痕跡，在城市虛擬空間可搜

32、索各類信息，城市規劃、建設以及民眾的各類活動，不僅在實體空間，而且在虛擬空間得到極大擴充，虛實融合、虛實協同將定義城市未來發展新模式。 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 “數字孿生城市” 上規劃設計、 模擬仿真等，將城市可能產生的不良影響、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展軌跡和運行，進而指引和優化實體城市的規劃、管理、改善市民服務供給，賦予城

33、市生活“智慧” 。 （四）數字孿生城市的價值（四）數字孿生城市的價值 數字孿生城市的核心價值，在于通過建立基于高度集成的數據閉環賦能新體系，生成城市全域數字虛擬映像空間，并利用數字化仿真，虛擬化交互，積木式組裝拼接，形成軟件定義城市，數據驅動決策，虛實充分融合交織的數字孿生城市體，使得城市運行、管理、服務由實入虛，可以在虛擬空間的建模，仿真，演化，操控，數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 16 同時由虛入實，改變、促進物理空間中城市資源要素的優化配置，開辟新型智慧城市的建設和治理新模式。 在建設方面，對一張白紙零起步的城區，與物理城市同步規劃建設數字城市，規劃階段即開始建

34、模，建設階段不斷導入數據，運營階段則依托數字城市模型和全量數據管理物理城市。對已建成并運行多年的城市，通過后天物聯網設施的全面部署和對城市進行數字建模，同樣可以構建數字孿生城市。數字孿生模式不僅大大提升城市規劃建設的效率、質量，大幅降低時間、人工和物料成本，最重要的，它能夠使城市規劃建設少走彎路、不留遺憾。 在治理方面，數字城市與物理城市兩個主體虛實互動，孿生并行，以虛控實。通過物聯感知和泛在網絡實現由實入虛，再通過科學決策和智能控制由虛入實，實現對物理城市的最優管理。優化后的物理城市再通過物聯感知和泛在網絡實現由實入虛，數字城市仿真決策后再一次由虛入實， 這樣在虛擬世界仿真， 在現實世界執行

35、，虛實迭代， 持續優化， 逐步形成深度學習自我優化的內生發展模式，大大提升城市的治理能力和水平。此外數字孿生模式下，通過數字空間的信息關聯，可增進現實世界的實體交互，實現情景交融式服務，真正做到信息隨心至、萬物觸手及。 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 17 三、數字孿生城市的總體架構三、數字孿生城市的總體架構 （一）技術框架（一）技術框架 數字孿生城市建設依托以云、網、端為主要構成的技術生態體系，端側形成城市全域感知，深度刻畫城市運行體征狀態。網側形成泛在高速網絡，提供毫秒級時延的雙向數據傳輸，奠定智能交互基礎。云側形成普惠智能計算，以大范圍、多尺度、長周期、智能化地

36、實現城市的決策、操控。 圖 7 數字孿生城市運行機理 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 18 圖 8 數字孿生城市總體框架 1.端側群智感知、可視可控 城市感知終端“成群結隊”形成群智感知能力。感知設施將從單一的 RFID、 傳感器節點向更強感知、 通信、 計算能力的智能硬件、智能桿柱、智能無人車等迅速發展。同時，個人持有的智能手機、智能終端將集成越來越多的精密傳感能力，擁有日益強大的感知、計算、存儲和通信能力，成為感知城市周邊環境以及居民的“強”節點，形成大范圍、大規模、協同化普適計算的群智感知。 基于標識和感知體系全面提升傳統基礎設施智能化水平。通過建立基于智能標識

37、和監測的城市綜合管廊，實現管廊規劃協同化、建設運行可視化、過程數據全留存。通過建立智能路網實現路網、圍欄、橋梁等設施智能化的監測、養護和雙向操控管理。多功能信息桿柱等新型智能設施全域部署，實現智能照明、信息交互、無線服務、機車充電、緊急呼叫、環境監測等智能化能力。 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 19 2.網側泛在高速、天地一體 提供泛在高速、 多網協同的接入服務。 全面推進 4G、 5G、 WLAN、NB-IoT、eMTC 等多網協同部署，實現基于虛擬化、云化技術的立體無縫覆蓋，提供無線感知、移動寬帶和萬物互聯的接入服務，支撐新一代移動通信網絡在垂直行業的融合應用。

38、 形成天地一體綜合信息網絡支撐云端服務。綜合利用新型信息網絡技術，充分發揮空、天、地信息技術的各自優勢，通過空、天、地、海等多維信息的有效獲取、協同、傳輸和匯聚，以及資源的統籌處理、任務的分發、動作的組織和管理，實現時空復雜網絡的一體化綜合處理和最大有效利用，為各類不同用戶提供實時、可靠、按需服務的泛在、機動、高效、智能、協作的信息基礎設施和決策支持系統。 3.云側隨需調度、普惠便民 邊緣計算及量子計算設施提供高速信息處理能力。在城市的工廠、道路、交接箱等地，構建具備周邊環境感應、隨需分配和智能反饋回應的邊緣計算節點。部署以原子、離子、超導電路和光量子等為基礎的各類量子計算設施，為實現超大規模

39、的數據檢索、城市精準的天氣預報、計算優化的交通指揮、人工智能科研探索等海量信息處理提供支撐。 人工智能及區塊鏈設施提供泛在智能嵌入城市運行與合約執行。數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 20 搭建支持知識推理、概率統計、深度學習等人工智能統一計算平臺和設施，形成具有知識計算、認知推理、運動執行、人機交互能力的智能支撐能力。建立定制化強、個性化部署的區塊鏈服務設施，支撐各類應用的身份驗證、電子證據保全、供應鏈管理、產品追溯等領域商業智能合約的自動化執行。 部署云計算及大數據設施。建立虛擬一體化云計算服務平臺和大數據分析中心，基于 SDN 技術實現跨地域服務器、網絡、存儲資源

40、的調度能力，滿足智慧政務辦公和公共服務、綜合治理、產業發展等各類業務存儲和計算需求。 （二）運行機理（二）運行機理 與工業領域數字孿生體構建模式類似，數字孿生城市是在更大范圍、更多場景下，整合全域感知、歷史積累、運行監測等多元異構數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，集成指揮調度、運行決策、民生服務等智慧應用，共同構建與現實城市同生共存、虛實交融的復雜巨系統，反映現實城市運行全過程。 數字孿生城市，以全域數字化標識和一體化感知監測為數字孿生基礎， 以全域全量的數據資源 （數據） 、 高性能的協同計算 （算力） 、深度學習的機器智能平臺（算法）為城市信息中樞，以數字孿生模型平臺為城市運行信息集成展

41、示載體，操控城市治理、民生服務、產業發展等各系統協同運轉，形成一種自我優化的智能運行模式，中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 21 實現“全域立體感知、萬物可信互聯、泛在普惠計算、智能定義一切、數據驅動決策” 。 圖 9 數字孿生城市總體框架運行機理 1.全域終端數字化標識 數字化標識是萬物互聯的基礎，是數字孿生城市構建的前提條件，是數字空間中用于區分實體身份的基礎信息。數字孿生城市模式下，是一個實現物理世界與數字世界完全對應、融合和演進，并驅動整個世界數字化、智能化的過程，為了給城市構建準確的數字孿生模型（CIM） ，實現數字信息和實體之間的精準匹配、建立連接和管理控制

42、，數字化標識城市的每一個實體是必然趨勢，在城市范圍內所有智能終端具備唯一的全局身份標識，類似人的身份證號，作為數字孿生城市的唯一索引，記錄智能終端所有身份信息，便于數據實時采集、反饋，終端的遠程操控。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 22 2.一體化感知監測體系 一體化感知監測體系是萬物感知、 萬物互聯、 萬物智能的通道、入口和“神經系統” ，是數字孿生城市實現物理世界到虛擬世界轉化的“連接器” 。一體化感知監測體系主要包括感知設備、感知網絡、感知平臺等，設備層提供各類智能終端具有物聯網感知模塊，成為設備數據源；網絡層建立極速傳輸網絡，為城市各類傳感設備提供更深更廣的

43、網絡覆蓋、更可靠更大量的并行連接，使得感知數據從設備層高速傳輸到平臺層；平臺層匯聚所有感知數據，為城市大數據分析洞察提供支撐，進而為城市治理、民生服務、產業發展等提供綜合數據服務。一體化感知監測體系在全域終端數字化標識體系下，通過感知器件和互聯互通設施，感知和傳送城市環境和城市部件等監控對象的狀態信息，并實現受控的反向的遠程控制，最終實現物理空間和數字空間的雙向映射，達到萬物互聯、虛實交融的效果。 3.全域全量的數據資源 全域全量的城市數據是數字孿生城市構建的基礎，為深度學習自我優化功能提供“數據”要素（人工智能三要素之一） 。在數字化標識和一體化感知監測體系下，整合政府信息系統、行業領域信息

44、系統、第三方社會機構信息系統等多元數據，形成城市全域數據，如基于統一物聯網感知平臺的智能終端數據、基于衛星遙感的城市中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 23 地理信息、基于各種傳感設施的設備運行數據、面向手機和車輛等移動設備的動態數據、基于政府信息系統的業務數據、基于公用事業單位信息系統的業務數據、基于通信運營商和互聯網服務提供商等商業信息系統的數據等。搭建統一的數據管理平臺，實現數據的采集、匯集、清洗、分類、開放、共享，實現城市范圍內的數據的一致性保障、可靠性保證、快速定位和高效獲取，構成有效決策的數據基礎。 4.高性能的協同計算能力 高性能的協同計算是數字孿生城市構建

45、的效率保障，為深度學習自我優化功能提供“算力”要素（人工智能三要素之一） 。在數字孿生城市模式下，城市實現高度數字化，同時產生海量數據資源，高性能的協同計算將提供算力支撐，主要包括強大的數據處理中心和邊緣計算中心，在城市的所有網絡節點中根據需求部署云計算中心和邊緣計算設施，為孿生城市的高效運行提供運行決策。以自動駕駛車聯網應用為例，通過車輛獲得的車輛周邊感知數據和車路協同基礎設施獲得的路況數據，在邊緣計算中心進行環境理解、導航規劃、高精地圖更新等數據處理及決策，然后在交通部門的云計算中心進行指揮交通控制決策。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 24 5.深度學習機器智能

46、平臺 深度學習的機器智能平臺是數字孿生城市構建的運行決策保障，為深度學習自我優化功能提供 “算法” 要素 （人工智能三要素之一） ?；诤Ａ俊皵祿焙透咝阅堋八懔Α?，全面構建融合大數據、人工智能、區塊鏈等先進技術引領的深度學習機器智能平臺，應用機器學習和深度學習等機器智能算法， 更好的實現有效采樣、 模式識別、行動指南和規劃決策，將人類智能和機器智能相結合，把專業經驗和數據科學有機融合，利用機器學習驅動的交互可視分析方法迭代演進，不斷優化，提升智能算法執行的效率和性能，保證數據決策的有效性和高效性，以適應不斷變化的城市各種服務場景。如，運用大數據技術推動政企協同、定制化數據開發、大數據公共服務

47、等使能；運用人工智能技術提供人工智能基礎服務、自主無人系統智能支撐、群體智能服務等使能服務；運用區塊鏈技術，提供基礎數據安全可信的共享開放、簡化金融物流供應鏈等業務流程等定制化區塊鏈服務等。 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建數字孿生城市綜合信息載體平臺，是城市統一“展示窗口”“決策中心”。通過加載全域全量的數據資源構建城市多維數據空間，利用 GIS 系統實現城市從地下到地上地理信息的數字化，利用 BIM 和 CIM 模型構建城市的三維數據中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 25 空間畫像，同時，整合城市遙感、北斗導航、地理測繪信息、智能建筑等城市空

48、間數據，在數字空間模擬仿真組建出虛實映射的數字孿生城市模型。 數字孿生城市模型集中可視化呈現全域智能終端信息、城市運行效果、所有決策效果等，并且可通過操控系統遠程控制城市運行狀態。簡而言之，是在萬物互聯、萬物感知、萬物智能的基礎上，打破傳統設計規則，在靜止的二維平面中加入動態演示與模擬，由以往形態上的平面化、靜態化開始逐漸向動態化、立體化、智能化延伸。 7.智能操控現實的應用體系 智能操控現實的應用體系是構建數字孿生城市的“總控開關”“指揮中心”。在數字孿生城市中，所有的服務場景都將在網絡空間擁有對應的虛擬場景映射，智能操控現實的應用體系，可作為所有數字孿生城市下應用場景的操控平臺，在實體場景

49、中完成的服務可以在線上的虛擬場景中通過信息的傳輸開展， 打破了時空的界限，在提高服務效率、水平的同時，也將大大緩解服務資源不平衡的問題。智能操控現實的應用體系全面集成和融合安全、能源、交通、制造、醫療健康、物流、治理等城市各領域的運行平臺，形成集城市運行態勢監控、災害預警、應急指揮、信息發布等功能于一體的數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 26 數字孿生城市總控平臺、運行指揮平臺，助力實現城市資源配置自動優化，城市預警推演的毫秒級響應。 四、數字孿生城市的典型場景四、數字孿生城市的典型場景 數字孿生模式下，提供了一種能力，包括實時、動態、精準、定位、可視化展示，仿真、驗證

50、、回溯，協同、聯動等。城市的運行狀態將與以往大為不同，可以肯定的是，未來科學發現和智慧應用將會不斷涌現，使我們的生活充滿了驚喜體驗。 （一） “規建管”協同管控，助力一張藍圖干到底（一） “規建管”協同管控，助力一張藍圖干到底 數字孿生城市模式下，加載了數據和軟件的城市信息模型成為城市最重要的基礎設施之一，最典型的應用場景首推“規建管”全生命周期的協同管控，實現城市規劃布局仿真可計算、城市建設運行全程可操控、 城市管理服務要素資源可調配， 全面提升城市規劃、建設、管理的一體化運作水平，真正實現城市“一張藍圖繪到底、建到底和管到底” 。 在規劃前期，基于數字模型摸清城市家底、把握運行脈搏，推動規

51、劃有的放矢提前布局。通過快速的“假設”分析和發展推演，以更少的成本和更快的速度推動創新型城市頂層設計落地?？茖W評估規劃影響，避免不切實際的規劃設計浪費時間，防止在驗證階段重新進行設計。 在勘察階段，基于數字模型進行數值模擬、空間分析和可視化中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 27 表達，構建工程勘察信息數據庫，實現工程勘察信息的有效傳遞和共享。 在規劃階段，通過全面整合導入城鄉、土地、生態環境保護、市政等多方規劃數據，在數字孿生空間實現合并疊加，解決潛在沖突差異，統一空間邊界控制，形成多規合一的“一張底圖” ，以此為基礎進行規劃評估、多方協同、動態優化與實施監督。在充分保

52、證“一張圖”實時性和有效性的前提下，通過對各種規劃方案及結果進行模擬仿真及可視化展示，實現方案的優化和比選。 在設計階段，基于數字模型對設計方案進行性能和功能模擬、優化、審查和數字化成果交付，開展集成協同設計，提升質量和效率。 在建設階段，基于數字模型對工程項目從圖紙、施工到竣工交付全過程進行監管，對重大項目進度、資金、質量、安全、綠色施工、原材料、勞務和協同協作進行數字化監管，實現動態、集成和可視化施工管理，確保重大工程項目的按時、高質、安全交付。讓每一個竣工的建筑、基礎設施等建設主體，都包括物理實體和數字虛體兩大成果，可實時追蹤、定位、分析工程施工、交付、監管等環節的質量，實現各建造方的實

53、時溝通、多方協同，建設成果的模型預先比對、 實體多輪迭代， 確保城市建設的提質降本、 綠色低碳、保障安全。 在運行管理階段，基于數字模型和標識體系、感知體系以及各數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 28 類智能設施，實現對城市基礎設施、地下空間、能源系統、生態環境、道路交通等運行狀況的實時監測和統一呈現，通過數字模型和軟硬件系統，實現快速響應、決策仿真、應急處置以及設備的預測性維護，提升城市的綜合抗災、防災能力，讓城市運行更安全、可靠。 智慧城市項目效益評估?；跀底謱\生城市體系以及可視化系統,以定量與定性方式，建模分析城市交通路況、人流聚集分布、空氣質量、水質指標等各維

54、度城市數據，決策者和評估者可快速直觀了解智慧化對城市環境、城市運行等狀態的提升效果，評判智慧項目的建設效益，實現城市數據挖掘分析，輔助政府在今后信息化、智慧化建設中的科學決策，避免走彎路和重復建設低效益建設。 （二）虛實互動以虛控實，支撐城市一盤棋治理（二）虛實互動以虛控實，支撐城市一盤棋治理 數字孿生城市可實時展示城市運行全貌，助力形成城市一盤棋集中治理模式，立足城市運行監測、管理、處理、決策等治理領域，建立物理世界與虛擬世界的數據映射和數字展示平臺（數字孿生城市模型平臺） ，實現跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的城市治理協同，形成全程在線、高效便捷，精準監測、高效處置，主動發現、智能

55、處置的城市智能治理體系。 城市公共資源自動優化配置。在數字孿生城市中，可實時全景展示城市公共資源分布情況、 能源消耗情況、 城市突發事故情況等，中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 29 如地鐵線路、旅游景點、圖書館博物館、公園、醫院、道路等運行情況實時呈現人流熱力圖，可根據后臺計算平臺，智能決策城市治理方案，疏導城市人流、決策警力部署、遠程調控能源利用、指揮應急調度、推送交通誘導等。 城市異常問題的自我發現。通過感知監測或視頻監控圖像、加上圖像智能分析和識別，實時展示（生態破壞、環境衛生、各類警情、災害、違章違建、道路遺撒、交通事故等） ，并可視化展示，多發地帶在一張圖上

56、標注，提醒過往行人，并進行資源的優化配置。比如警力，多分布在警情多發地帶。線下視頻監控拍到打架斗毆盜竊，人流突然密集，交通事故等圖像，自動識別，通過機器學習，識別后自動及時在城市數字鏡像顯示位置，視頻，周邊情況，由執法者進行處置，自動或人工啟動相應處理流程預案。通過對警情類型和區域的深度學習和分析， 對警力資源的空間分布進行配置優化。 “城市大腦” 智能仿真控制交通。 通過視覺分析和道路， 人流，車流等數據的機器學習，掌握城市交通體征檢測，再通過不斷優化各路口信號燈時長，進行交通流量仿真，直到總體通行時間最短，全域信號燈實時精細化控制，根據特種車輛特殊需求定制路線，仿真后再進行沿線信號燈控制。

57、公交線路優化，根據各條線路公交擁擠度調整班次或路線進行運力平衡。 所有無人駕駛車輛和無人機 （執法、巡檢、跟蹤、配送）狀態和運行軌跡實時監測，動態展示，確保安全運行。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 30 城市基礎設施動態管理控制。任何進入數字孿生城市的人和車輛，都通過各種技術手段被感知、被記錄。一周之內軌跡可查，未來動向可預測。所有城市部件和建筑、燈柱、井蓋、消防栓、垃圾箱、公園座椅、公共衛生間、橋梁、建筑、樹木都有電子身份標識，在數字城市都有三維顯示，線下是二維碼或 RFID 卡，掃一掃即顯示相當信息，提供相關服務。狀態實時顯示，一旦故障或異常，如隨手拍上傳，則在

58、數字模型中高亮顯示，并啟動相應處置預案。 自動駕駛無人機巡檢。利用無線電遙控設備和自備的程序控制無人機，完成復雜空中飛行任務和各種負載任務，同時與成像設備等部件結合完成高空城市作業。在城市電力運營場景中，無人機巡檢有著機動靈活、安全性高、成本低、環境要求低、便于攜帶和運輸等人力巡檢及載人直升機巡檢無法比擬的優勢。在城市電力巡檢過程中，無人機替代工作人員到“需要的地方” （預先設定好的 GPS坐標點）去采集“需要的信息” （如故障點） ，如無人機可以圍繞目標進行 360 度零死角全方位拍攝，通過城市的 5G 網絡快速、準確地傳達給地面工作人員，供他們作分析、判斷、制定解決方案，提高電力巡檢工作效

59、率和安全性。此外，無人機巡檢還可應用于城市火情監測，重點道路路況監測等場景。 （三）情景交融以人為本，升級個性主動服務體驗（三）情景交融以人為本，升級個性主動服務體驗 在數字孿生城市中，所有的服務場景都將在網絡空間擁有對應中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 31 的虛擬場景映射，服務內容也將從實體向數字化轉變。數字孿生城市將全面采集城市居民的日常出行軌跡、收入水準、家庭結構、日常消費、生活習慣等，洞察提取居民行為特征，在“數字空間”上，預測人口結構和遷徙軌跡、推演未來的設施布局、評估商業項目影響等，以智能人機交互、網絡主頁提醒、智能服務推送等形式，實現城市居民政務服務、教

60、育文化、診療健康、交通出行等服務的快速響應，個性化服務，形成具有巨大影響力和重塑力的數字孿生服務體系。 全生命周期式智慧醫療服務。數字孿生城市模式下，整合智能可穿戴設備、醫療設備采集健康數據、電子病歷等各類個人健康數據，形成完備的個人醫療健康檔案?；颊叩牟√摂M歷及各項數據同步到云端，實現院際間、區域間、國際間數據互通共享，打通遠程會診的渠道，患者通過遠程醫療協同平臺，可以在“虛擬醫院”中實現在線掛號、遠程診斷，就醫時間更加靈活便捷，足不出戶解決“看病難” ，也減輕了醫院和醫生的壓力。同時，利用人工智能協助分析、診斷，應用輔助診療系統、智能導診系統、智能檢測儀器、手術機器人等智慧醫療設備系統提高

61、醫生判斷準確度，使患者可以接受更高水平的醫療服務。 虛擬政務大廳實現全線上政務服務。 通過搭建政務服務云平臺，建立“虛擬政務大廳” ，在數字孿生城市模式下，市民所有身份信息以身份證號為索引以電子證照形式在系統中存在，市民可在“虛擬數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 32 政務大廳” 一站式在線辦理各項政務和民生服務事項， 真正實現 “數據多跑路，群眾少跑腿” ，此外，系統可深度學習挖掘市民政務服務需求，提供主動式線上推送服務。 個人生活體征全面洞察。數字孿生城市使得每個個體的行為軌跡都會被精準映射，形成個人的大數據集，通過數據的分析與挖掘可得到每個人的個性化信息，如消費偏

62、好、生活習慣、甚至審美、價值取向等。根據這些信息，企業可充分了解用戶個性化需求，為其設計符合特性的專屬服務。比如酒店能夠在客人入住前獲取其對室溫、光亮、水溫、飲食等的偏好，提前做好相應準備，給客人帶來更舒適的入住體驗；出行時可以根據用戶常用路線、出行方式、交通情況等進行規劃。 個性化的虛擬制造服務。數字孿生模式下，不僅城市運行虛實并存，企業生產同樣可實現虛實融合。顧客提出對產品的樣式、功能、材料等個性化要求，企業根據要求進行虛擬設計、加工、制造，通過虛擬制造，告別過去傳統的批量化生產模式，實現產品的定制化與個性化，從而提供適銷對路的產品，既拉近企業與顧客之間的距離，也能夠避免企業庫存積壓，降低

63、企業運營成本。 五、數字孿生五、數字孿生城市城市核心：高精度城市信息模型核心：高精度城市信息模型 數字孿生城市可一定程度上對城市的人事物進行前瞻性預判， 進而通過智能交互，實現城市內各類主體的適應性變化和城市的最優中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 33 化運作。其核心是高精度、多耦合的城市信息模型。通過加載其上的全量全域數據，在城市系統內匯集交融，產生新的涌現，實現對城市規律的識別，為改善和優化城市系統提供有效的指引。 （一）城市初始建模的方法（一）城市初始建模的方法 城市信息模型的初始數字化建模，可綜合采用航空攝影測量、激光掃描、傾斜攝影、野外實地測量以及建筑信息模型

64、（BIM）等手段獲取原始數據，通過內業數據處理和多元數據融合處理，生成城市信息模型（CIM）。 空中城市 3D 模型：通過無人機傾斜攝影和攝影 3D 建模算法等技術，實現城市外輪廓的快速建模，形成逼真的城市建筑外輪廓模型，并通過圖像識別技術，自動區分河流、道路、建筑單體、建筑屋頂、樹木、停車場、車位、移動物體等對象。目前高精度的空中城市數據采集可以提供厘米級別的分辨率和逼真的建筑表面紋理。 地面高精度3D模型： 由于空中數據采集無法有效覆蓋近地數據，地面數據采集可以提供高精度的近地面城市 3D 數據， 和空中采集數據形成有效互補。地面數據采集一般借助地面車輛或者定點掃描，結合圖像拍攝、激光掃描

65、等技術，對城市地面、道路景觀進行高精度掃描成像。高精度的地面數據可以直接支持城市導航、自動駕駛等應用，精度可達到毫米級。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 34 室內 3D 模型：對于沒有 BIM 模型數據的城市建筑，可利用專用的室內 3D 模型數據采集設備及配套軟件，通過激光、圖像等手段捕獲室內數據，可以完成建筑內部的高精度、逆向建模。同時結合定位數據和專門的 3D 數據融合軟件和技術，室內采集的 3D 模型可以和空中、地面的模型數據進行高精度擬合，形成覆蓋室內外、近地表面的城市高精度 3D 模型。對于擁有 BIM 模型數據的城市建筑，可利用建筑 BIM 模型數據，

66、進行室內數字化建模。 BIM 是城市內部單體建筑或設施的詳細三維數字模型，包含建筑所有構件、設備的幾何和非幾何信息及之間關系信息。通過對竣工交付后的建筑物 BIM 模型數據進行格式轉換和輕量化處理，可以生成高精度的城市單體建筑 3D 模型。 （二）城市信息模型的構成（二）城市信息模型的構成 沒有城市三維地理信息模型數據，且對城市數字化建模止步于道路、橋梁等公用設施，而城市中巨大的建筑空間內部沒有實現數字化，是一個不徹底的數字孿生城市。 基于城市三維地理信息模型及 BIM 建筑信息模型數據，可構建起建立全空間、三維立體、高精度的城市數字化模型。三維地理信息模型實現了城市宏觀大場景的數字化模型表達

67、和空間分析，BIM則實現了對城市細胞級建筑物的物理設施、功能信息的精準表達，中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 35 將這兩者有機融合和集成，構建數字孿生智慧城市的 CIM 城市信息模型 （City Information Modeling)， 可實現城市徹底地 “數字化” 。 除城市三維地理信息模型及 BIM 建筑信息模型外， CIM 城市信息模型還需要納入城市 IOT 智能感知數據。智能感知數據包括城市各種公共設施及各類專業傳感器感知的具有時間標識的即時數據。智能感知數據可反映城市的即時運行動態情況，與城市 3DGIS/BIM 空間數據相疊加，將靜態的數字城市升級為可

68、感知、動態在線的數字孿生城市。 綜合了三維地理信息模型、 BIM 建筑信息模型及 IOT 智能感知數據的城市信息模型（CIM），可為城市規劃、建設、運行管理全過程的“智慧”進行賦能，包括：時空大數據匯聚、三維導覽和虛擬漫游、空間規劃推演、方案對比分析、方案模擬驗證、三維可視化管理、空間量測和分析、空間 3D 導航、應急預案模擬驗證等。 （三）模型與數據的協同運行（三）模型與數據的協同運行 CIM 作為多源異構城市模型數據匯聚中心， 在空間語義定義 （模型定義） 、空間數據發布、流數據分析、大數據分析、機器學習等方面需要有專業軟件技術支持。 CIM 數據在空間數據渲染上需要突破傳統 3D 模型數

69、據的呈現性能瓶頸。 例如在一個非常狹小的城市中心區域， 匯聚了巨量的 CIM 高精度 3D 模型數據、 智能感知數據、 公共資源數據、 行業活動數據等，數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 36 CIM 數據呈現需要借助于數據調度、壓縮、圖形加速、渲染等手段，在 Web 端和移動端完美的呈現三維數字城市的效果。 CIM 數據發布服務可以根據數字城市管理的不同領域的業務需求，將數字城市模型數據按照不同精度、業務場景組織、數據訪問管理權限發布成不同類型的模型數據。 數據發布可以采用多種渠道，例如 SaaS/PaaS 的數據服務，滿足城市多方位的業務需求。 六、數字孿生六、數字孿

70、生城市城市前提：全域布局的智能設施前提：全域布局的智能設施 當前城市在感知業務領域，處于各自為政、條塊分割、煙囪林立、信息孤島的狀態，數字孿生城市將針對不同的應用場景，統籌感知體系建設，統一采集匯聚，實現城市動態數據整合與共享，形成全域覆蓋、動靜結合、三維立體的規范化、智能化、全聯接的感知布局，實現物理城市在數字城市的精準映射。 （一）智能設施空間布局（一）智能設施空間布局 通過規模部署多功能信息桿柱、智能網關和邊緣計算節點，采集周圍傳感器收集到的信息，支持各種近距離及遠距離通信協議標準，統一匯聚處理后上傳統一物聯網平臺和城市大腦進行管理?？臻g維度上，可將感知載體和設施體系分為地上、地下、空中

71、、水域感知體系進行布局： -地上： 沿道路布設多功能信息桿柱、 智能路燈、 智能垃圾桶、智能井蓋、智能停車場、車路協同等感知載體和設施；在樓宇建筑中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 37 中布設監測排水、燃氣、熱力、電力、安防、消防等系統的傳感裝置；在城市能源系統布設自動計量水、電、氣、熱等能耗的智能儀表；在全域布設溫濕度、空氣、噪聲、輻射、土壤等環境監測裝置。 -地下： 在綜合管廊、 地下交通、 地下防務等地下空間和水務、燃氣、熱力、電力、通信地下管線等布設傳感設施。 -空中：可利用浮空平臺在空中進行氣象、環境等監測和區域視頻監控；可利用低空無人機搭載傳感器、攝像頭等對

72、特殊復雜環境和重點區域進行增強補充、定期巡檢和應急保障； -水域：在大型河流湖泊的水下布設水底觀測網，水面布置錨泊站，并運用無人監測船等進行水文、生態、環境等監測。 針對不同感知載體和設施特點，傳輸可采用無線為主或有線為主兩種方式進行布局。一是以無線為主，采用 4G/5G、無線專網等廣域無線網絡進行覆蓋，主要支持低功耗、大連接數、位置較分散的傳感裝置或具有移動性的裝備裝置。5G 網絡與邊緣計算相結合，可實現在網絡邊緣側對海量數據進行預處理，再回傳給中心云平臺，這樣節省傳輸帶寬，提供低時延服務。二是以有線為主，利用搭載物聯網關或邊緣計算設備的信息集控箱向周圍區域通過光纖、電纜或短距無線傳輸（Wi

73、-Fi、藍牙）等方式進行覆蓋，主要支持位置相對固定、需要持續大帶寬連接或持續供電的感知設備數據采集。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 38 （二）標識體系和編碼設計（二）標識體系和編碼設計 面對海量的物聯網設備，有必要建立設備的統一編碼標識，規范物聯網標識體系，是實現物聯網各領域信息互聯、產業提升的重要前提條件。IMSI(國際移動用戶識別碼)是移動通信中進行身份認證的編碼方式，資源較豐富，可延續至物聯網領域繼續使用。我國 IMSI 由 460+2 位移動網絡識別碼+10 位用戶識別碼組成，共計有 1 萬億 IMSI 資源，按當前 IMSI 的實際利用率約為 3-4%計

74、算，至少滿足 300-400 億終端的需求， 可滿足物聯網終端設備身份識別的需求。 但是僅通過蜂窩網通信接入的物聯網設備采用 IMSI 標識沒有實際意義，設備需要通過使用嵌入式 eSIM 卡將 IMSI 與物聯網終端設備進行有效綁定。 基于 eSIM 建立芯片管理平臺可以迅速生長出對基于蜂窩網的物聯網終端的管理能力。 芯片管理平臺對物聯網 eSIM 通信芯片和碼號資源進行全生命周期管理， 平臺應按照 eSIM 芯片流轉過程進行設計， 實現 eSIM 芯片管理與通信管理和連接服務相關平臺的高度集成，并從制度建設層面對 eSIM 運營流程進行梳理、規范，使 eSIM 在物聯網終端的標識可靠性得到驗

75、證。 對非蜂窩網接入的設備，應該建立異構兼容的城市級物聯標識解析體系,實現不同標識之間的互聯互通，包括公共標識之間（例如Handle、OID、Ecode） 、行業標識之間（例如藥品電子監管碼、汽車零部件編碼、動力電池編碼等） 、公共標識與私有標識之間等多種業務場景。通過吸收借鑒全球相關研究成果與探索經驗，并在實踐中中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 39 積極創新，逐步形成既順應國際發展趨勢，又符合我國產業需求的標識編碼與解析服務能力。應遵循唯一性、兼容性、可擴展性、安全性和實用性的原則，實現物品統一編碼、數據標識、中間件、解析系統、安全機制、信息查詢和發現服務、應用模式

76、構成一個完整的物聯網統一標識體系。 （三）物聯設備連接管理平臺（三）物聯設備連接管理平臺 隨著物聯網在網設備呈爆炸式增長，對物聯網快速接入、數據存儲和遠程監控等提出了更高的要求，物聯網平臺正是提供設備連接及后續服務等能力的平臺。城，市物聯網連接適配和管理平臺，是物聯網終端數據采集及運行狀況的信息匯聚點，通過協議適配和數據采集支撐城市大腦全景展示城市系統運行狀況，利用可視化技術和增強現實技術在信息空間中，完整的實時重現城市的活動，與城市應急指揮中心按照需求對接，相互支撐，確保城市的健康、安全、平穩的運行。手機和平板電腦等移動終端可借助移動互聯網，成為分級分區域的接入控制點。 城市物聯網連接適配和

77、管理平臺應滿足適應多語言、多操作系統的不同終端設備的接入和數據通訊需求，并保證通信安全性、實時性和穩定性，并具備包括 C、Java、.Net、iOS、Android 等在內的 SDK 開發工具，可以接受任何安裝有協議驅動程序的設備發送的數據。應適配不同場景下適用的不同協議，包括且不限于適用于低數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 40 功耗場景的 NB-IOT 協議，適用于單點控制模型的 EDP 協議，適用于訂閱發布模型的 MQTT 協議，適用于工控傳輸模型的 MODBUS 協議，適用于車載終端模型的 JTT808 協議， 適用家居穿戴模型的 RGMP 協議等。另外，應支持

78、依據規則添加新的協議。目前中國移動 OneNET平臺、華為 OceanConnectIoT 等物聯網聯平臺兼容各種傳輸協議，以 API 的形式輸出服務，目前已獲得廣泛推廣應用。 七、數字孿生七、數字孿生城市城市支撐：高效運行的智能專網支撐：高效運行的智能專網 為支撐數字孿生城市的高效運行，滿足城市各類智能化運行場景需求，保障城市全域空間布局的智能化設施感知信息流動，須建設地上地下全通達、有線無線全接入、萬物互聯全感知的城市智能專網，才能滿足數字城市與物理城市虛實融合孿生并行的運行模式需求。 （一）數字孿生城市提出網絡新需求（一）數字孿生城市提出網絡新需求 從安全、效率、成本三方面考慮建立智能城

79、市專網。數字孿生城市提供了基于虛實融合技術能力的管理一盤棋、服務一站式的模式，這種模式與傳統的智慧城市相比，有三個突出的特點：一是對于安全性有著更嚴苛的要求，必須保證網絡和信息的絕對安全，否則將可能導致對整個城市的毀滅性打擊；二是物理世界與數字世界虛實之間必須實現毫秒級響應，要求網絡傳輸高帶寬低時延，網絡資源虛擬化按需配置，可靈活調度和彈性組網，支持政府跨部門調中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 41 撥公共資源、突發事件中的聯動響應，以及應急搶險的及時性和準確性，滿足城市管理和服務高效率要求；三是滿足百萬、千萬級傳感器和智能化設施接入要求，海量的感知數據采集以及城市運行

80、、政務服務、產業發展、管理控制等信息傳輸將帶來巨大的通信傳輸成本。因此，從安全、效率、成本三方面考慮必須建立城市智能專網，以往信息化建設政府各部門分別租用運營商專線的方式已不能滿足需求。城市智能專網對于數字孿生城市的成敗起到舉足輕重的作用。 城市智能專網具有六大功能和優勢。一是綜合接入功能，提供包含寬帶無線網、寬帶有線網、視頻監控、應急通信、政務外網等專業服務，幫助政府提高城市管理運營效率、解決各種環境下的網絡部署問題。 二是融合指揮功能， 借助智能專網， 尤其是無線專網，實現跨部門、委辦的指揮通信。三是城市感知功能，面向城市中無所不在的傳感和數據采集設備采集城市信息、分析、整合城市運行核心系

81、統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、 工商業活動在內的各種需求做出智能響應。 四是專網專用，更流暢的網絡體驗， 避免公網環境下， 用戶數徒增導致的網絡擁塞，同時可根據需要，自主選擇建設的網絡疏密及帶寬大小。五是網絡基礎資源共享，更高效的利用率，避免重復建設及租賃帶來的資源浪費。 六是物理隔離， 更可靠的安全性， 從接入到傳輸的物理隔離，大大降低網絡被非法入侵的風險。智能專網使我們能夠將數字世界數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 42 與物理世界緊密連接，對城市提供新的服務以及人們的生產生活方式改變帶來深遠影響。 （二）萬物互聯綜合接入智能專網（二）

82、萬物互聯綜合接入智能專網 智能專網應積極應用各類接入、承載、控制和安全新技術進行組網。智能專網通過萬兆基礎網絡進行統一承載，通過綠色智能數據中心支撐城市信息管理中樞的高效運行。 推進 5G 網絡的大規模商用。打造多網協同的泛在無線網絡，實現城市的無縫接入，實現大數據量、大聯接數等多種人與人，物與物的連接，適配不同應用場景。按照不同的業務場景可以劃分為無線寬帶集群專網和無線物聯專網。在有條件的情況下申請智能城市專用無線頻率，建設高、中、低速全系列物聯網無線接入網絡，構建城市物聯網統一開放平臺，實現感知設備統一接入和集中管理?，F階段全系列的物聯網接入技術有 LTE （高速） 、 eMTC （中速）

83、 、 NB-IOT（低速）等，后續 5G 標準將會引入全新的 mMTC 技術，實現覆蓋全城的萬物互聯，服務智慧環保、智慧社區、平安城市、智慧監管、智慧交通等城市智慧應用。 推進有線網絡萬兆接入。通過大容量光纖鏈路構建城市智能專網主網平面，形成雙核心、雙鏈路、大容量、高可用和負載均衡的網絡架構，在網絡接入層支持邊緣計算，滿足業務本地化快速響應需求；在網絡控制層采用 SDN（軟件定義網絡）技術實現業務快速開中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 43 通和流量靈活調度，提升鏈路利用率，實現精細化管理。 智能專網須全程全網支持 IPv6。支持新業務的引入和部署。在城市智能專網中通過

84、 IP 新技術構建視音頻專網、 感知數據專網以及其他必須的行業邏輯專網，充分利用線路資源，減少重復建設。 智能專網應制定相應級別網域保護要求。部署對應的網絡和安全設備， 滿足不同級別業務安全需求， 符合國家安全等級保護要求，解決各廳局委辦中涉及敏感非涉密的業務的強隔離需求，統籌應急響應與災難備份能力建設。城市智能專網應建立完善的密鑰管理基礎設，推進信任體系建設，充分利用已依法設立的電子認證服務機構，實現面向智能專網與各級各類業務應用的身份認證、訪問授權和責任認定等安全管理，為跨部門、跨地區的政務業務應用提供安全保障。 （三）智能專網對已有網絡延伸增強（三）智能專網對已有網絡延伸增強 從功能上看

85、，智能專網一部分是政務外網及互聯網的補充和延伸，主要是運營商無線公網信號覆蓋不足或端口受限的場景，通過建設智能無線專網實現網絡接入能力的延伸和擴展；另有部分智能專網主要是出于對政務外網或互聯網在某些功能或特性方面的增強，比如出于安全性、可靠性等方面的考慮，通過自建區域型或特定應用的智能專網來保證業務數據的自主可控，從而提高相關業務的可靠性和安全性，如園區專網或 AGV 通信承載專網等。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 44 為實現資源的統一調用和靈活共享，智能專網應與公網以及其它外網在保證網絡安全的前提下通過統一的標準進行互通，允許數據在網絡之間實現信息交換和安全隔離

86、，滿足電子政務辦公需求和智能城市精細化管理所需的萬物互聯需求。智能專網的對外互通應重點關注專網與公網以及其它外網的安全邏輯隔離，通過統一的安全控制策略以及在網絡入口部署防火墻、入侵檢測、防病毒等基本安全防護，來保障智能城市專網的網絡安全。同時需提供公眾訪問智能城市專網的公開信息和非涉密信息系統的解決方案，響應公網以及城市外網用戶合法的訪問請求。對外出口的互聯網架構可按需動態優化部署。 目前一般采用構建 DMZ 專區實現智能城市專網與公網以及城市外網的分離。通過把允許外網訪問的公開信息放置在公用服務器，并連接在 DMZ 服務器的 DMZ(開放)端口上， 把不允許外部訪問的專網服務器連接在 DMZ

87、 服務器的 MZ(信任)端口上， 從而根據不同的需要，有針對性地采取隔離措施，在對外提供信息服務的同時，最大限度地保護智能城市專網內部網絡安全，實現內、外網的分離。DMZ 專區的設置，提高了智能專網內網資源的安全級別，同時也阻隔了外網用戶對內網資源的訪問。為了讓外網用戶的合法外部請求也能方便地訪問內網資源，可在 DMZ 基礎上構建 VPN 專網。同時可采用基于網閘的內外網安全隔離。網閘（或物理隔離網閘）是帶有多種控制功能的固態開關讀寫介質連接兩個獨立主機系統的信息安全設備。中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 45 由于網閘所連接的兩個獨立主機系統之間，不存在通信的物理連接

88、與邏輯連接，不存在依據協議的信息包轉發，只有數據文件的無協議“擺渡” ，所以網閘在物理上隔離、阻斷了具有潛在攻擊可能的一切連接，可以實現真正的安全。 綜合接入的專網光纜可依托城市綜合管廊進行統一規劃、統一預留在管廊內，單獨設立智能專網通信艙，統一對外的鏈接出口。纖芯應根據實際網絡需求進行布放并進行纖芯冗余，避免后續因擴容導致纖芯重復布放。局辦委專線采用 IP 承載網實現統一承載，通過二層/三層 VPN 實現邏輯隔離，保證各自的相對私密性。視頻監控業務回傳采用有線為主、無線為輔的方式實現，有線接入采用 xPON技術，無線采用 5G eMBB 方式。物聯網的傳感器采用 5G mMTC 方式，實現低

89、成本、低功耗。 為滿足智能城市有線無線綜合接入的專用網絡需求，接入網機房可利用社區綜合機房與其他運營商共址部署，并對智能專網區域單獨做保護隔離。無線網絡應滿足城市百萬級的感知設備聯網和采集需求，建議申請智能城市專用的無線頻率。依托智能停車場、多功能燈桿、綜合管廊等新型物聯網集成載體的建設，實現感知設備的部署。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 46 八、數字孿生八、數字孿生城市城市重點：智能操控的城市大腦重點：智能操控的城市大腦 數字孿生城市通過城市大腦，匯聚與交融不同來源的數據，如實記錄呈現城市動態， 盡可能預見到政策干預對各個子系統的影響，充分考慮各種規避行為、 時

90、間延遲和信息損失等問題， 將 “自學習、自優化”功能融入城市管理過程之中，最終達到增加城市系統整體福利的理想效果。 （一）大腦凸顯自主學習與集中調度（一）大腦凸顯自主學習與集中調度 傳統智慧城市的控制智慧中心比較簡單，基本上承擔城市大數據的綜合分析和決策職能。而數字孿生城市的大腦不僅具有數據涌動、知識發現、實時診斷、智能辨識、態勢認知等城市多元數據分析的基本能力，還應有模擬仿真、深度學習、自我決策等更高級能力，而且更重要的，是必須具備反向控制城市智能化設施和相關主體（如人、車）的能力，使城市自然資源、道路資源、電力資源、醫療資源、政務資源、警力資源等得以及時調配，問題得以快速處置，使整個城市越

91、來越美好。 數字孿生模式下城市大腦緊密圍繞城市信息模型（CIM）和疊加在模型上的多元數據集合，充分運用人工智能和深度學習的技術來治理城市。要能整體認知城市態勢，實時處理人所不能理解的超大規模全量多源數據；要能夠通過機器學習，洞悉人所沒有發現的城市復雜運行規律和自組織隱性秩序；要能制定超越局部次優決策的中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 47 全局最優策略，形成城市層面的全局統一調度與協同。通過物理城市和數字城市虛實互動，不斷交換數據和傳遞指令，在數字世界仿真，在物理世界執行，使城市運行不斷優化，向高度有序化演進。 （二）一體三翼構建數字孿生城市大腦（二）一體三翼構建數字孿

92、生城市大腦 城市全要素數據治理、城市信息模型和人工智能支撐下的大腦平臺，組成了數字孿生城市大腦。 1.全域數據治理 一方面，建立數字孿生城市統一共享的“數據中臺”，即城市數據資源平臺，包括數據共享交換、數據統一分析、數據匯聚等基礎努力。另一方面，構建可互操作、一體化的“數據語言”暨城市數據定義與標準，包括數據匯聚、數據模型、質量評價、數據應用等一系列城市大數據建設標準規范，進而形成城市數據標準匯聚生態， 為城市大腦生態中的跨渠道的多源數據融合分析奠定前提基礎。 多元數據主要包括： 一是城市語義信息， 即城市全要素語義化，將其幾何屬性、自然屬性、社會屬性以數據形式表征，被計算機所理解，形成統一的

93、城市知識圖譜。二是政府部門掌握的信息，如產權、戶籍、社保、法人、納稅、教育、醫療、交通、電信等等，據統計，80%的信息與空間地理相關。三是城市運行產生大量數據，如路況信息、導航信息、氣象信息、車輛軌跡、人口流動等等，將物聯網、傳感器、監控點等城市實時運行多源異構數據通過語義與空數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 48 間數據進行時空上的聚合，并向各政府部門和社會企事業單位提供基礎服務，突破傳統的時空云走不出政府應用的困境。 2.城市信息模型 數字孿生城市以城市作為整體對象，并不是建立一個單一城市整體模型，而是擁有一個模型集，模型之間具有耦合關系，其價值就在于通過對數據資源

94、的深度挖掘、分析，使不同來源的數據在城市系統內的匯集交融產生新的涌現，實現對城市規律的識別，為改善和優化城市系統提供有效的指引。 數字孿生模式下這些信息悉數加載在城市信息模型上，依靠人工智能技術進行結構化處理、量化索引一座城市，依靠深度學習技術實現自動檢測、分割、跟蹤矢量、掛接屬性入庫，形成全景視圖和各領域視圖，全局、直觀、量化可分析、可推演、預見未來，從而給城市管理帶來質的飛躍。如通過人口年齡段與學校、藥店、養老院等疊加分布分析，能夠為學校和藥店等選址提供數據支撐，輔助政府決策。 3.人工智能賦能 城市數據大腦匯聚城市海量數據，構建支持知識推理、概率統計、 深度學習等人工智能范式的城市級指揮

95、與調度平臺,形成兩方面賦能： 中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 49 一是提供感知識別、知識計算、認知推理、運動執行、人機交互能力的使能支撐能力，形成城市級視頻識別、語音識別、自然語言處理等基礎設施，為行業系統、區縣中樞（及其應用）提供智能化支持。 二是進行跨部門、跨領域、跨區域的即時數據處理，實現數據融合創新，協調各個職能系統，通過大數據、人工智能等技術支撐各行業系統有效運行，有效提升系統能級，解決城市綜合性問題，修正城市運行缺陷，提高城市運行效率。 （三）創新全景全要素城市治理新模式（三）創新全景全要素城市治理新模式 傳統的智慧城市還是條塊的管理，缺乏全景式一盤棋管

96、理的高度、廣度和深度，而數字孿生城市大腦以“城市信息模型&城市全要素語義化數據&人工智能”的治理模式有力彌補了這一短板，使城市管理更上層樓。 城市畫像、居民畫像在數字孿生模式下才能實現。通過政治、經濟、文化、社會、人文、歷史、地理、生態、環境、氣象、交通等全要素數據聚合，準確抓取城市體征，進行城市畫像，可洞察城市動態，摸清城市發展脈絡，制定正確的城市發展戰略和策略。通過民眾的衣食住行、文化、消費、興趣、愛好、收入、教育、醫療、衛生、職業等多元化數據聚合，臨摹出城市的人口特征，進行區域數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 50 人口畫像，可精準洞察民眾痛點和需求，便于對癥施藥

97、，改善公共服務和社會服務，提升百姓幸福感。 城市大腦實現運行管理“一盤棋”。人口實時分布熱力圖，城市機場、高鐵站、交通樞紐、地鐵站、熱門景點、博物館、圖書館、體育館運行狀態和實時利用率，人和車輛動態和軌跡追蹤、城市大型建筑、橋梁、游樂場、重點設施的安全監控，一張圖全景展現全市運行動態，常態下監控，應急態下統一指揮全城協作。 此外，如通過建筑幾何數據、聲學傳感器數據、專業分析模型以及可視化渲染進行城市噪音分析，通過道路橋梁幾何數據、地質傳感器數據、專業分析模型以及可視化渲染進行洪水分析、能效分析、地表光照分析、電信信號分析，進行電信規劃和仿真、交通模擬和規劃、環境和能源管理、智能決策分析、智能預

98、測和預警，最終形成自學習的優化運營。 九、推進數字孿生城市的建議九、推進數字孿生城市的建議 （一）正視面臨的挑戰（一）正視面臨的挑戰 數字孿生城市尚缺乏系統的基礎理論研究。城市全要素建模方法、空間語義數據表達、全域的數字化標識規則、全域傳感器的空間布設規則，城市多功能信息桿柱的設置規范，感知數據的采集規則與使用權限，城市邊緣計算和信息節點的設置規范，邊緣計算設備與物聯網以及云計算的關系。動態信息如城市事件如何在數字模中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 51 型中實現語義化表達，政府和社會數據在城市信息模型中的展現規則，數據、軟件和模型的關系，如何體現數字孿生模式下城市管理

99、和服務的優勢。如何根據靜態和動態數據進行決策的仿真優化。此外， “由虛控實”實現城市智能控制的軟硬件系統，更是前所未有，缺乏研究。 數字孿生城市缺乏系統的建設方案，五大環節亟待深入探索。數字孿生城市幾乎囊括了迄今為止所有的信息科技，這種前所未有的技術集成創新。不僅要能理解并體現非精確、模糊化的城市治理規則和運行機制，通過要實現對物理城市的模擬、監控、診斷、預測和控制等五大環節融合創新。第一層次是模擬，即建立物理對象的虛擬映射。鑒于城市的復雜性和要素的多樣性，其全量模擬的技術和標準還需要深入探索。第二個層次是監控，即在虛擬模型中反映物理對象的變化，物理對象數據的收集與傳遞離不開物聯網，其編碼、尋

100、址、標準、安全等問題還有待解決。第三個層次是診斷，當城市發生異常，基于人工智能的多維數據復雜處理與異常分析，我國與發達國家相比仍存在差距。第四層次是預測，即預測潛在風險，合理有效規劃城市或對城市設備進行維護。城市預測需要眾多技術融合集約，在靈活性和適應性方面存在巨大挑戰。第五層次是控制。需要龐大復雜的軟硬件系統支撐，尤其是通過軟件實現對城市管理與服務的賦能，設施控制。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 52 （二）分領域優先落地（二）分領域優先落地 從數字孿生城市基本特征看，在數字化水平相對較高、需要運行機理建模、實現虛實空間協同優化、彰顯多維智能決策支撐等方面，數字孿

101、生城市必將發揮更重要作用。同時考慮建設難易程度，遵循局部突破、示范帶動、有序建設的原則，數字孿生城市建設可優先考慮城市規劃、建筑、交通、能源等四大領域。 一是推進智能規劃建設，通過數字孿生城市模型，三維可視化展示城市環境溫度變化、水勢變化、空氣動力變化、霧霾分布情況等，為城市管理提供決策依據；通過模擬仿真、動態評估、深度學習城市規劃方案對未來城市帶來的影響， 保證規劃城市樓宇、 綠地、公路、橋梁、公共設施等每一寸土地時，實現經濟效益最優化。 二是開展基于 BIM 的智能建筑建設，推進規建管一體化建設，在建設過程中，賦予城市“一磚一瓦”以數據屬性，與物理空間同步建設數字孿生城市，建成后的數字孿生

102、城市可實時呈現建筑物內景細節， 類似于工業領域的數字孿生體一樣， 可遠程調控遠程維護，實現虛擬控制現實。此外，在水利、國土、環保等其他與基礎設施空間相關的領域同步開展落地建設。 三是推進智能交通建設，通過數字孿生城市對城市交通流量實時監控，和分析計算，基于人工智能算法預測交通流量變化，智能導引車流，智能調節交通信號燈，縮短車輛等待時間，優化城市道中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 53 路網絡的交通流量；實時顯示汽車定位位置周邊的車位信息，針對智能停車場和智能網絡汽車，可率先實現智能泊車。 四是建設智能能源體系，通過數字孿生城市可仿真城市太陽能光伏發電量，自我優化城市能源

103、供給結構、供給方式、供給量等，有利于實現發電與用電最佳匹配；數字孿生城市三維呈現實時能耗數據，智能發現能源浪費現象，制定能源梯度利用方案，降低城市總體能耗。 （三）分步驟務實推進（三）分步驟務實推進 從整體布局看，數字孿生城市建設要加強基礎理論與關鍵技術研究，同時聯合全國相關領域的優勢創新團隊和產學研用等多方主體，聚焦數字孿生城市中的共性、難點問題，統籌基礎研究、共性關鍵技術研發和典型應用等環節與任務的銜接，集中力量，聯合攻關。 從城市層面看， 數字孿生城市建設不可一蹴而就， 要循序漸進，穩步推進： 第一階段，“打基礎”。建設能夠精準映射實體城市的數字基礎設施，實現城市建設“由實入虛”。在城市

104、的天空、地面、地下、河道等各層面廣泛部署物聯網感知設施， 利用二維碼、 RFID、 3DGIS、北斗衛星定位等技術手段，實現對實體世界的人、物、事件等要素數字化；建設物聯網（傳感網）、通信網（寬帶、移動和無線）及數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 54 承載平臺，通過對象識別、數據采集、數據傳輸、數據存儲、數據處理，在城市建設之初同步形成與實體城市“孿生”的數字城市。 第二階段， “建模型”。構建基于“虛擬城市”的數字化模型，實現規建管一體化。利用 GIS、BIM、3DGIS 等技術，構建統一的城市信息模型，打通規劃、建設、管理的數據壁壘，將規劃設計、建設管理、竣工移交、

105、市政管理進行有機融合，將城市規劃數據、建筑數據、物聯感知的數據、政務業務的數據、城市運行的數據，全部實時準確地加載在城市數字化模型之上，形成關于城市運行的全面影像，為城市的可視化智能化管理創造條件。 第三階段，“強應用”?！坝商撊雽?，虛實結合”，實現智能化控制。通過對城市運行狀態的充分感知、動態監測，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，通過軟件定義實現城市的賦能，決策的仿真和指令的執行。進而逐步拓展應用范圍，實現由城市規劃和管理向城市服務方面擴展，通過服務場景、服務對象、服務內容等方面的數字孿生系統構建，引發服務模式向虛實結合、情景交融、個性化、主動化方向加速轉變。 （四）

106、分類別有序引導（四）分類別有序引導 1.綠地型（Green Field）新建城區的建設路徑 零起步城市主要是新城、新區，包括國家級新區、開發區、高新區等， 這類城市沒有各自為政的信息孤島壁壘和業務協同的屏障，中國信息通信研究院 數字孿生城市研究報告（2018 年） 55 城市中的數據、業務都能夠更便于集成和融合，能夠快速實現數據的交換共享和業務協同。 因此， 零起步城市應堅持高起點、 高標準、高水平的原則，與實體城市同步規劃、同步建設數字城市，孿生并行。 首先，在實體城市建設過程中，同步部署天、空、地一體的物聯網感知設施、物聯網（傳感網）、通信網（寬帶、移動和無線）及承載平臺等，實現城市的數字

107、化。其次，充分利用 BIM 和 3DGIS、云計算、大數據、物聯網和智能化等先進信息技術，構建統一的城市信息模型，實現城市可視化建模，并貫穿規劃、建設與管理的全過程、全要素、全方位的實現數字化、在線化和智能化。最后，結合城市特點及發展需求，逐步實現在重點領域應用的率先突破，支持新城新區的生長模擬與各種預案優化，支持相關政策決策的人口空間分析、公共設施布局、土地利用變化、基礎設施建設、城市治理服務等的分析，通過與實體城市之間的虛實互動，演繹城市未來的發展。 2.棕地型（Brown Field）已建城市的建設路徑 已建成城市有一定的基礎，如已建成物聯網、互聯網、城市服務平臺等基礎設施和應用系統，

108、一般存在信息孤島或業務協同屏障。因此，已建成城市應堅持資源整合、夯實基礎、重點突破的原則，在原有基礎之上， 按照數字孿生城市建設的要求， 進行補充、 完善。 數字孿生城市研究報告（2018 年） 中國信息通信研究院 56 首先，把提升基礎設施水平放在突出位置，結合應用需求及城市發展特點，推動網絡和傳感節點部署，建立新型城域物聯專網，實現城市運行的透徹感知及數據的共享， 逐步構建虛擬城市。 其次，以信息共享、 互聯互通為重點， 利用 BIM 和 3DGIS、 云計算、 大數據、物聯網和智能化等先進信息技術，構建統一的城市信息模型，實現城市可視建模，推進數據資源整合和開放共享，打通規劃、建設、管理的數據壁壘，改變傳統模式下規劃、建設、城市管理脫節的狀況， 實現規建管一體化和有機融合。 最后， 逐步拓展數字孿生應用，實現對城市運行狀態的充分感知、動態監測、智能管控。 中國信息通信研究院 地址：北京市海淀區花園北路 52 號 郵政編碼：100191 聯系電話：010- 68033745、62304839 傳真：010-62304980 網址：