數字孿生城市

根據億歐智庫《2021中國數字孿生城市研究報告》^[1]，數字孿生城市指數字孿生技術在城市規劃、建設、管理過程中的綜合應用，而不細化到具體行業。通過建立能感知現實城市變化并進行智能管控的虛擬孿生城市模型，實時反映城市基礎設施運行狀態，提升城市運行綜合水平和智能決策能力。

根據華為《2021數字孿生城市白皮書》^[2]，數字孿生(Digital Twin)是通過數字化手段將現實中人、物、事件對應到虛擬世界中，是對物理世界的鏡像，而數字孿生城市的概念表示為運用數字技術在物理城市與數字城市之間建立相互映射的關聯關系，通過對物理實體、規則、邊界、系統屬性的數字化映射，支持數字城市到物理城市的動態監測與模擬仿真，實現城市從規劃、建設、管理到服務的全過程、全要素、全方位、全周期的數字化、在線化和智能化，依此指導優化城市面貌，重塑城市現代化治理模式，促進城市的可持續高質量發展。

根據中國信通院的描述，數字孿生城市可以廣泛理解為通過對物理世界的人、物、事等所有要素數字化，在網絡空間再造一個與之對應的“虛擬世界”，形成物理維度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，實現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^[3]。

在學術界，毛子駿等指出數字孿生城市是數字孿生拓展到整個城市系統中的應用，基于物理城市再造一個與之精準映射、匹配對應的虛擬城市，形成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、虛實交融的城市發展形態。融合了豐富城市數據(比如人口普查數據、社會經濟數據、能源消耗數據等)和虛擬3D模型的城市信息模型(CIM)是數字孿生城市的基礎，在此基礎上虛擬城市與實體城市建立全面實時的聯系，從而實現對城市系統要素全生命周期的數字化記錄、對城市狀態的實時感知以及對城市發展的智能干預和趨勢預測^[4]

智慧城市

智慧城市是使用現代信息化技術手段來讓城市居民生活變得更便捷，城市運行變得更智慧，此概念在21世紀初由IBM公司提出。我國智慧城市概念最早是2016年在南京提出的。目前，我國的智慧城市發展建設正處于高速發展階段，并走在世界前列。如杭州市運用了阿里巴巴云計算技術，提高城市管理服務、旅游資源整合、交通基建運輸效率。然而，我國智慧城市發展也存在諸多問題，最大的問題是缺乏數字化技術的支持，數字孿生城市在智能城市建設中非常必要。

數字城市

數字城市主要是建立城市管理、城市服務的高效信息化平臺。它引人城市物資、實時信息、人力資源、政策規劃等眾多信息，可以容納城市經濟、就業物流、醫療養老、交通基建、人文活動等諸多信息，在規劃、建設、運營、管理及應急效率方面功勛卓著。

智慧城市、數字城市與數字孿生城市之間的關系

智慧城市、數字城市與數字孿生城市三者之間有著密不可分的關系。數字城市與數字孿生城市都被認為是實現智慧城市的重要技術平臺，數字城市可以為實現智慧城市建設和發展服務提供高效的信息流，是實時服務于城市管理、居民日常生活和便捷化基礎上的實時信息交互平臺；而數字孿生城市的出現則被認為是中國數字城市發展的一個重要階段。

數字孿生城市是未來智慧城市的技術核心和中流砥柱，而智慧城市的建設也將完善數字孿生技術以更加適應建筑業的獨特性。它不局限于城市服務管理，還有城市規劃、建設、應急等一系列城市問題，涉及城市建設與生活方方面面，關聯政府、居民、企業眾多群體^[5]。

初期：在國外，2002年，密歇根大學的MichaelGrieves將其命名為“信息鏡像模型”，而后美國國防部引人了“數字孿生”的概念，并將其作為解決航天飛行器健康維護等問題的技術手段；2017年，中國科協智能制造學會聯合體曾在世界智能制造大會上將數字孿生列為世界智能制造的十大科技進展之一。國內高校學者如北京航空航天大學教授陶飛、華南理工大學的數字孿生實驗室都對此展開了深入研究

中期：在國外，進入21世紀，美國和德國都建立了CyberPhysicalSystem(CPS)，即“信息物理系統”，作為核心支撐技術推動尖端制造業的發展。CPS的目標是實現物理世界和信息世界的交互融合。而數字孿生技術剛好可以支撐新一代技術如大數據、人工智能等在虛擬數據空間模擬物質世界的運行、管理與操作。由此，數字孿生技術成了CPS系統的技術核心。而建筑與城市規劃行業也是龐大的制造業，由此，數字孿生技術已經并將更加在城市建設中發揮中流砥柱的技術作用；在中國，2018年，《河北雄安新區規劃綱要》中，數字孿生城市的概念首次被提出：將物理世界的數字化映射，通過將人、車、物、空間等城市數據全域覆蓋，形成可視、可控、可管的數字孿生城市。這要求數字經濟占城市地區生產總值比重超過80%，大數據在城市精細化治理和應急管理中的貢獻率超過90%、基礎設施智慧化水平超過90%，高速寬帶實現千兆人戶、萬兆人企等

現在：在國外，2012年，NASA(美國航空航天局)明確了數字孿生的具體定義：數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它反映對應物質世界產品的全生命周期過程，是實體產品在虛擬世界中的鏡像。如今，“數字新加坡”“數字溫哥華”等數字孿生城市的實地項目也涌現于世界各地；在中國，2020年4月，國家發展改革委在《2020年新型城鎮化建設和城鄉融合發展重點任務》中提出“實施創新型智慧城市行動”，這也說明了數字孿生城市技術是符合我國城市化與基礎設施建設國情要求的，是為高效處理城市復雜巨系統，秩序化運行城市機器所需要的^[5]。

數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。

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。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索各類信息，城市規劃、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，賦予城市生活“智慧”

數字孿生城市功能框架有數字空間、鏡像平面、物理空間三個層面，數字空間有應用仿真層(模型參數調整、趨勢狀態模擬預覽)、數字模型層(物理主體要素、關系、邊界、約束文字)、數字規則層(人物、組織、環境內外部要素問邏輯關系與流程數字化)、數字要素層(人、物、組織、環境要素數字化；鏡像平面有數字鏡像層(平臺、網絡、智能終端)[要素與邏輯關系動態變量識別與數字化基礎能力(識別、傳輸、處理、控制)]；物理空間有物理模型層(物理主體要素、關系、邊界、約束)、物理規則層(人、物、組織、環境內外部要素間邏輯關系與流程)、物理要素層(人物、組織、環境要素、物理主體要素識別)^[2]

數字孿生城市技術體系復雜，幾乎融合了現有所有信息通信技術手段。技術框架主要由三部分構成，基礎設施端、信息中樞端和應用服務端，通過物理城市數據收集、傳輸、處理、數字城市可視化呈現，實現城市智能管理。構建核心是高精度、多耦合的數字孿生城市模型平臺，該模型在城市信息模型CIM的基礎上將智能感知的城市數據實時反映到3D城市模型上^[1]。

基礎設施端主要負責城市數據的收集與傳輸，通過BIM、GPS等技術收集城市基礎空間和3D模型等靜態數據；通過智能感知設備，包括傳感器等，獲取城市基礎設施、道路交通、自然環境等動態信息。通過全通達、全接入的的移動互聯網、局域無線網等泛在高速、多網協同城市智能網絡進行數據即時傳輸。

信息中樞端進行數據接收、處理、傳導。全域全量的城市數據是數字孿生城市構建基礎，需要建立數據管理平臺，通過多層次數據融合框架將來源不同、類型不同的多源異構數據接收集成，并以數據流的方式傳輸到城市模型，即數字孿生城市模型平臺。依靠高性能協同計算分析，以可視化方式呈現和表達城市狀態，分析城市空間場景。

應用服務端是數字孿生城市模型的實際應用。在數字孿生城市模型中建立智能操控體系，實現對智能市政設施、交通設施等設備的遠程操控。通過計算機視覺、機器學習、知識圖譜等人工智能技術整體認知城市狀態，洞悉城市運行規律，制定最優決策。

數字孿生城市的案例有很多，中國信通院在2021年發布了《數字孿生城市優秀案例匯編（2021年）》^[6]，整合了眾多數字孿生城市優秀案例。當前已經開始實施的數字孿生城市項目主要是虛擬新加坡(Virtual Singapore) ，新加坡計劃開發一個“動態的三維(3D)城市模型和協作數據平臺”，這個項目是新加坡國家研究基金會(NRF)發起的。該項目投資7300萬美元用于開發平臺以及在五年內研究最新技術和先進工具。虛擬新加坡的用途在于協作決策、溝通可視化、城市規劃決策以及太陽能能效分析等。這個項目的合作伙伴是DassaultSystèmes，基于其“3DExperience”設計平臺進行監督，提供四種主要功能：虛擬實驗，測試服務，以驗證服務的提供，決策和研究與開發：

虛擬實驗：虛擬新加坡可用于虛擬測試 - 床上用品或實驗。例如，虛擬新加坡可用于檢查3G / 4G網絡的覆蓋范圍，提供覆蓋率差的區域的真實可視化，并突出顯示可在3D城市模型中改進的區域。

VirtualTest-Bedding ：Virtual Singapore可用作測試平臺，以驗證服務的提供。例如，虛擬新加坡內具有語義信息的新體育中心的3D模型可用于模擬和模擬人群分散，以在緊急情況期間建立疏散程序。

規劃和決策：虛擬新加坡擁有豐富的數據環境，是開發分析應用程序(即應用程序)的整體和集成平臺。例如，可以開發應用程序來分析運輸流量和行人運動模式。此類應用在非連續的城市網絡中非常有用，例如我們在榜鵝的公園和公園連接器。

研究和開發 ：虛擬新加坡的豐富數據環境，當具有必要的訪問權限時，可供研究團體使用，可以使研究人員創新和開發新技術或新功能。具有語義信息的3D城市模型為研究人員開發先進的3D工具提供了充足的機會

(1)法國3D設計和工程軟件公司DassaultSystèmes。一家以設計廣泛用于航空和汽車領域的軟件而聞名的公司，其“3DExperiencity”平臺是在收購了Rennes(布列塔尼)的軟件公司Archividéo后成立的，該公司專門從事陸地區域的3D建模。

(2)法國3D城市建模和軟件開發商Siradel：SIRADEL的解決方案能夠對城市進行極其精確的3D建模，并在現實環境中提供一系列重要城市數據的直觀表示。行政，經濟，社會和技術數據

(3)微軟是數字孿生的一個新玩家，在2018年發布了Azure Digital Twins平臺，可用于全面的數字模型和空間感知解決方案，可應用于任何物理環境

(4)Cityzenith的Smart World Pro可訪問超過10億個經過地理標記的地理標記數據層，包括開放城市數據，付費信息服務，物聯網數據，并支持通過API導入或連接的任何數據。

參考資料：

[1]億歐智庫：2021中國數字孿生城市研究報告25頁.pdf

[2]華為：2021數字孿生城市白皮書（21頁）.pdf

[3]中國信通院：數字孿生城市白皮書（2020年）（56頁）.pdf

[4] 毛子駿，黃膺旭.數字孿生城市：賦能城市“全周期管理”的新思路[J].電子務，2021(08):67-79.

[5]許濤，都嘉城，鄧靖凡，吳婉琳，支昊寧，周雙敏，王苗. 數字孿生城市研究進展及其在國土空間規劃中的應用[C]//創新技術·賦能規劃·慧享未來——2021年中國城市規劃信息化年會論文集.，2021:19-28.

[6]中國信通院：數字孿生城市優秀案例匯編（2021年）（260頁）.pdf