基于数字孪生的智慧城市建设发展研究

高志华

一、智慧城市与数字孪生

信息化技术飞速发展的今天，城市的建设与发展越来越离不开数字化的赋能，构建新型智慧城市是当前国内各大城市发展的重要举措，也是新时代提升城市治理效能的必然要求。智慧城市的概念高于数字城市，数字城市是智慧城市建设与发展的基础。虽然数字城市的概念也很早提出，但还没有上升到数字孪生的层次，数字孪生城市是智慧城市建设与发展的新高度。

所谓数字孪生是指针对物理世界中的实体，通过数字化的手段构建一个在虚拟世界中一模一样的虚拟映射，借此来实现对物理实体的分析和控制。从更加专业的角度来说，数字孪生集成了人工智能、机器学习等技术，将数据、算法和决策分析结合在一起，建立物理对象的虚拟映射，在虚拟模型中实时监控实际物理对象的变化，通过对多维数据的复杂处理与异常分析，及时预测潜在风险，以实现针对物理对象的科学有效及时的管理与控制。

数字孪生城市是数字孪生技术在城市建设中的应用，通过构建城市物理世界与虚拟数字空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在虚拟空间中再造一个与物理城市对应的孪生城市，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。数字孪生城市是支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，更是物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市的同生共存、虚实交融的城市未来发展新形态。

二、数字孪生城市的核心能力

2017年雄安新区提出建设数字孪生城市，首次将数字孪生技术用于城市建设与发展。“数字孪生城市”将物理城市中的所有物、人、事等动态要素数字化，在虚拟空间进行精准映射，形成信息维度上的虚拟世界与物理维度上的实体共存。《数字孪生城市研究报告（2019 年）》中指出数字孪生城市至少具备九大核心能力，即物联感知操控能力、全要素数字化表达能力、可视化呈现能力、数据融合供给能力、空间分析计算能力、模拟仿真推演能力、 实融合互动能力、自学习自优化能力和众创扩展能力，要实现这些能力必须要加快新型基础设施建设。

数字孪生系统是物理实体系统的实时动态超现实映射，因此数据的实时采集、传输和更新对数字孪生具有至关重要的支撑作用，大量分布的各类型高精度传感器在整个孪生系统的前线工作，起着最基础的感官作用，搭建快速可靠的信息传输网络具有十分重要的意义。另外，数字孪生系统复杂功能的实现在很大程度上依赖其背后的计算平台，其重要支撑是复杂系统的全生命周期数据存储和管理，采用云服务器对系统的海量运行数据进行分布式管理，实现数据的高速读取和安全冗余备份，为数据智能算法提供充分可靠的数据来源，对维持整个数字孪生系统的运行起着重要作用。

目前我国正在大力推进“新基建”，一方面带动5G、物联网、边缘计算、云计算等支撑数字孪生城市的技术更加成熟，另一方面推动互联网、大数据、人工智能等技术与传统基础设施融合，形成智能融合基础设施，推动物理城市向数字化、网络化、智能化转变，城市建设将在“新基建”的推动下，逐渐形成以数据为核心要素的泛在标识、泛在感知、泛在连接，泛在计算和泛在智能的总体格局。

三、推进数字孪生城市建设的建议

（一）统筹规划、统一标准

数字孪生城市的顶层设计应当遵循目标导向与需求导向相结合的原则统筹规划，充分考虑到城市未来的发展规律和信息技术的演进方向，将数字孪生城市的建设与城市治理、公共服务等应用场景紧密结合，稳妥务实的推进数字孪生技术的应用落地。数字孪生城市建设需要建立统筹推进的组织体系和长效管理机制，避免条线分割的单兵作战，建议设立专项工作组，指定牵头单位及其他相关部门配合，共同参与、协同推进。建立基于统一底座的数字孪生应用体系，在标准统一的平台上逐步推动应用场景的丰富和系统的迭代发展。

确立城市信息模型标准，建立并完善统一的数据标准，形成兼容不同数据类型、不同信息系统的统一城市信息模型，实现多源空间数据的准确集成，以及多模态数据的融合表达。将矢量、栅格、网格、模型、点云、政务、感知等各类数据统一格式和编码，形成全周期的数据标准规范。建立城市级海量数据的实时接入服务标准，以及政府与社会各行业数据联动机制，制定数字孪生城市信息共享制度和数据安全保护规范。

（二）试点先行、逐步迭代

由于数字孪生城市的建设涉及到的技术领域众多且其技术体系仍在不断更新和演进，建设成本较高，因此其建设发展不宜采用“一刀切”方式，建议采用多种类、多层次的配置版本，实现不同数字孪生颗粒度。充分考虑不同地区采用的数据和信息的类型、数据和信息的颗粒度、数据和信息的时效性等因素，同时考虑场景渲染、数据集成、空间计算、模拟仿真等技术能力成熟度，形成不同孪生精度的配置版本，便于城市、小区、园区等管理者进行选择。

从局部区域切入，试点先行，根据试点经验梳理存在的问题改进推进方案，再逐步拓展覆盖范围。例如从社区、园区、校园、港口等范围较小且具有一定封闭性的区域开始建设，或按优先级制定实施计划。优先将新城区建设开发为具有良好新型基础设施的智能发展区域，部署传感器等智能终端，逐步建立完善数据驱动治理机制和智能定义运行机制，再逐步向城市全域、城乡一体化过渡。

（三）政府主导、加强合作

政府层面应主动开放数据资源，为数字孪生城市技术方案和应用場景的迭代开发与测试验证创造条件，促进建设方案不断成熟，应用不断深化，与此同时应从机制上进行变革，建立适应数字孪生技术的管理架构，更好地推动城市治理现代化发展。另一方面，由于数字孪生本质是一个知识集成、技术集成、数据集成、算法集成、工具集成、应用集成、智力集成的巨大工程，因此必须有一个强有力的产业生态提供支撑并进行紧密协作才能成功，产学研应加强战略、技术、标准、市场等全方位协作，形成协同攻关的局面。

数字孪生城市赋予了城市政府全局规划和实时治理的能力，使公共机构更快响应并进行弹性治理，是数字城市的高级阶段，也是智慧城市的新高度。政府、学者、企业等各方面应齐心协力推动基于数字孪生的各种智能化应用落地，推动新型智慧城市的升级发展，更好地服务与国家和人民。

作者单位：中共武汉市委党校