数字孪生城市

根据亿欧智库《2021中国数字孪生城市研究报告》^[1]，数字孪生城市指数字孪生技术在城市规划、建设、管理过程中的综合应用，而不细化到具体行业。通过建立能感知现实城市变化并进行智能管控的虚拟孪生城市模型，实时反映城市基础设施运行状态，提升城市运行综合水平和智能决策能力。

根据华为《2021数字孪生城市白皮书》^[2]，数字孪生(Digital Twin)是通过数字化手段将现实中人、物、事件对应到虚拟世界中，是对物理世界的镜像，而数字孪生城市的概念表示为运用数字技术在物理城市与数字城市之间建立相互映射的关联关系，通过对物理实体、规则、边界、系统属性的数字化映射，支持数字城市到物理城市的动态监测与模拟仿真，实现城市从规划、建设、管理到服务的全过程、全要素、全方位、全周期的数字化、在线化和智能化，依此指导优化城市面貌，重塑城市现代化治理模式，促进城市的可持续高质量发展。

根据中国信通院的描述，数字孪生城市可以广泛理解为通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化^[3]。

在学术界，毛子骏等指出数字孪生城市是数字孪生拓展到整个城市系统中的应用，基于物理城市再造一个与之精准映射、匹配对应的虚拟城市，形成物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市发展形态。融合了丰富城市数据(比如人口普查数据、社会经济数据、能源消耗数据等)和虚拟3D模型的城市信息模型(CIM)是数字孪生城市的基础，在此基础上虚拟城市与实体城市建立全面实时的联系，从而实现对城市系统要素全生命周期的数字化记录、对城市状态的实时感知以及对城市发展的智能干预和趋势预测^[4]

智慧城市

智慧城市是使用现代信息化技术手段来让城市居民生活变得更便捷，城市运行变得更智慧，此概念在21世纪初由IBM公司提出。我国智慧城市概念最早是2016年在南京提出的。目前，我国的智慧城市发展建设正处于高速发展阶段，并走在世界前列。如杭州市运用了阿里巴巴云计算技术，提高城市管理服务、旅游资源整合、交通基建运输效率。然而，我国智慧城市发展也存在诸多问题，最大的问题是缺乏数字化技术的支持，数字孪生城市在智能城市建设中非常必要。

数字城市

数字城市主要是建立城市管理、城市服务的高效信息化平台。它引人城市物资、实时信息、人力资源、政策规划等众多信息，可以容纳城市经济、就业物流、医疗养老、交通基建、人文活动等诸多信息，在规划、建设、运营、管理及应急效率方面功勋卓著。

智慧城市、数字城市与数字孪生城市之间的关系

智慧城市、数字城市与数字孪生城市三者之间有着密不可分的关系。数字城市与数字孪生城市都被认为是实现智慧城市的重要技术平台，数字城市可以为实现智慧城市建设和发展服务提供高效的信息流，是实时服务于城市管理、居民日常生活和便捷化基础上的实时信息交互平台；而数字孪生城市的出现则被认为是中国数字城市发展的一个重要阶段。

数字孪生城市是未来智慧城市的技术核心和中流砥柱，而智慧城市的建设也将完善数字孪生技术以更加适应建筑业的独特性。它不局限于城市服务管理，还有城市规划、建设、应急等一系列城市问题，涉及城市建设与生活方方面面，关联政府、居民、企业众多群体^[5]。

初期：在国外，2002年，密歇根大学的MichaelGrieves将其命名为“信息镜像模型”，而后美国国防部引人了“数字孪生”的概念，并将其作为解决航天飞行器健康维护等问题的技术手段；2017年，中国科协智能制造学会联合体曾在世界智能制造大会上将数字孪生列为世界智能制造的十大科技进展之一。国内高校学者如北京航空航天大学教授陶飞、华南理工大学的数字孪生实验室都对此展开了深入研究

中期：在国外，进入21世纪，美国和德国都建立了CyberPhysicalSystem(CPS)，即“信息物理系统”，作为核心支撑技术推动尖端制造业的发展。CPS的目标是实现物理世界和信息世界的交互融合。而数字孪生技术刚好可以支撑新一代技术如大数据、人工智能等在虚拟数据空间模拟物质世界的运行、管理与操作。由此，数字孪生技术成了CPS系统的技术核心。而建筑与城市规划行业也是庞大的制造业，由此，数字孪生技术已经并将更加在城市建设中发挥中流砥柱的技术作用；在中国，2018年，《河北雄安新区规划纲要》中，数字孪生城市的概念首次被提出：将物理世界的数字化映射，通过将人、车、物、空间等城市数据全域覆盖，形成可视、可控、可管的数字孪生城市。这要求数字经济占城市地区生产总值比重超过80%，大数据在城市精细化治理和应急管理中的贡献率超过90%、基础设施智慧化水平超过90%，高速宽带实现千兆人户、万兆人企等

现在：在国外，2012年，NASA(美国航空航天局)明确了数字孪生的具体定义：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它反映对应物质世界产品的全生命周期过程，是实体产品在虚拟世界中的镜像。如今，“数字新加坡”“数字温哥华”等数字孪生城市的实地项目也涌现于世界各地；在中国，2020年4月，国家发展改革委在《2020年新型城镇化建设和城乡融合发展重点任务》中提出“实施创新型智慧城市行动”，这也说明了数字孪生城市技术是符合我国城市化与基础设施建设国情要求的，是为高效处理城市复杂巨系统，秩序化运行城市机器所需要的^[5]。

数字孪生城市具有四大特点：精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

精准映射：数字孪生城市通过空天、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字化建模，以及对城市运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。

虚实交互：城市基础设施、各类部件建设即有痕迹，城市居民、来访人员上网联系即有信息。数字孪生城市中，在城市实体空间可观察各类痕迹，在城市虚拟空间可搜索各类信息，城市规划、建设以及民众的各类活动，在虚拟空间得到极大扩充，虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。

软件定义：孪生城市针对物理城市建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控城市的交通信号控制、电热能源调度、重大项目周期管理、基础设施选址建设。

智能干预：通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等，将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行，进而指引和优化实体城市的规划、管理、改善市民服务供给，赋予城市生活“智慧”

数字孪生城市功能框架有数字空间、镜像平面、物理空间三个层面，数字空间有应用仿真层(模型参数调整、趋势状态模拟预览)、数字模型层(物理主体要素、关系、边界、约束文字)、数字规则层(人物、组织、环境内外部要素问逻辑关系与流程数字化)、数字要素层(人、物、组织、环境要素数字化；镜像平面有数字镜像层(平台、网络、智能终端)[要素与逻辑关系动态变量识别与数字化基础能力(识别、传输、处理、控制)]；物理空间有物理模型层(物理主体要素、关系、边界、约束)、物理规则层(人、物、组织、环境内外部要素间逻辑关系与流程)、物理要素层(人物、组织、环境要素、物理主体要素识别)^[2]

数字孪生城市技术体系复杂，几乎融合了现有所有信息通信技术手段。技术框架主要由三部分构成，基础设施端、信息中枢端和应用服务端，通过物理城市数据收集、传输、处理、数字城市可视化呈现，实现城市智能管理。构建核心是高精度、多耦合的数字孪生城市模型平台，该模型在城市信息模型CIM的基础上将智能感知的城市数据实时反映到3D城市模型上^[1]。

基础设施端主要负责城市数据的收集与传输，通过BIM、GPS等技术收集城市基础空间和3D模型等静态数据；通过智能感知设备，包括传感器等，获取城市基础设施、道路交通、自然环境等动态信息。通过全通达、全接入的的移动互联网、局域无线网等泛在高速、多网协同城市智能网络进行数据即时传输。

信息中枢端进行数据接收、处理、传导。全域全量的城市数据是数字孪生城市构建基础，需要建立数据管理平台，通过多层次数据融合框架将来源不同、类型不同的多源异构数据接收集成，并以数据流的方式传输到城市模型，即数字孪生城市模型平台。依靠高性能协同计算分析，以可视化方式呈现和表达城市状态，分析城市空间场景。

应用服务端是数字孪生城市模型的实际应用。在数字孪生城市模型中建立智能操控体系，实现对智能市政设施、交通设施等设备的远程操控。通过计算机视觉、机器学习、知识图谱等人工智能技术整体认知城市状态，洞悉城市运行规律，制定最优决策。

数字孪生城市的案例有很多，中国信通院在2021年发布了《数字孪生城市优秀案例汇编（2021年）》^[6]，整合了众多数字孪生城市优秀案例。当前已经开始实施的数字孪生城市项目主要是虚拟新加坡(Virtual Singapore) ，新加坡计划开发一个“动态的三维(3D)城市模型和协作数据平台”，这个项目是新加坡国家研究基金会(NRF)发起的。该项目投资7300万美元用于开发平台以及在五年内研究最新技术和先进工具。虚拟新加坡的用途在于协作决策、沟通可视化、城市规划决策以及太阳能能效分析等。这个项目的合作伙伴是DassaultSystèmes，基于其“3DExperience”设计平台进行监督，提供四种主要功能：虚拟实验，测试服务，以验证服务的提供，决策和研究与开发：

虚拟实验：虚拟新加坡可用于虚拟测试 - 床上用品或实验。例如，虚拟新加坡可用于检查3G / 4G网络的覆盖范围，提供覆盖率差的区域的真实可视化，并突出显示可在3D城市模型中改进的区域。

VirtualTest-Bedding ：Virtual Singapore可用作测试平台，以验证服务的提供。例如，虚拟新加坡内具有语义信息的新体育中心的3D模型可用于模拟和模拟人群分散，以在紧急情况期间建立疏散程序。

规划和决策：虚拟新加坡拥有丰富的数据环境，是开发分析应用程序(即应用程序)的整体和集成平台。例如，可以开发应用程序来分析运输流量和行人运动模式。此类应用在非连续的城市网络中非常有用，例如我们在榜鹅的公园和公园连接器。

研究和开发 ：虚拟新加坡的丰富数据环境，当具有必要的访问权限时，可供研究团体使用，可以使研究人员创新和开发新技术或新功能。具有语义信息的3D城市模型为研究人员开发先进的3D工具提供了充足的机会

(1)法国3D设计和工程软件公司DassaultSystèmes。一家以设计广泛用于航空和汽车领域的软件而闻名的公司，其“3DExperiencity”平台是在收购了Rennes(布列塔尼)的软件公司Archividéo后成立的，该公司专门从事陆地区域的3D建模。

(2)法国3D城市建模和软件开发商Siradel：SIRADEL的解决方案能够对城市进行极其精确的3D建模，并在现实环境中提供一系列重要城市数据的直观表示。行政，经济，社会和技术数据

(3)微软是数字孪生的一个新玩家，在2018年发布了Azure Digital Twins平台，可用于全面的数字模型和空间感知解决方案，可应用于任何物理环境

(4)Cityzenith的Smart World Pro可访问超过10亿个经过地理标记的地理标记数据层，包括开放城市数据，付费信息服务，物联网数据，并支持通过API导入或连接的任何数据。

参考资料：

[1]亿欧智库：2021中国数字孪生城市研究报告25页.pdf

[2]华为：2021数字孪生城市白皮书（21页）.pdf

[3]中国信通院：数字孪生城市白皮书（2020年）（56页）.pdf

[4] 毛子骏，黄膺旭.数字孪生城市：赋能城市“全周期管理”的新思路[J].电子务，2021(08):67-79.

[5]许涛，都嘉城，邓靖凡，吴婉琳，支昊宁，周双敏，王苗. 数字孪生城市研究进展及其在国土空间规划中的应用[C]//创新技术·赋能规划·慧享未来——2021年中国城市规划信息化年会论文集.，2021:19-28.

[6]中国信通院：数字孪生城市优秀案例汇编（2021年）（260页）.pdf