數(shù)字孿生城市：智慧城市建設主流模式

數(shù)字孿生城市理念自提出以來，在國內(nèi)政產(chǎn)學研用各界引起廣泛關注，掀起研究和建設熱潮。

理念引領，各地紛紛提出建設數(shù)字孿生城市

雄安新區(qū)率先推進數(shù)字孿生城市建設。2018年《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中指出：堅持數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設，打造具有深度學習能力、全球領先的數(shù)字城市。目前，新區(qū)正推進BIM 管理平臺（一期）建設，這是一個具有國家自主產(chǎn)權的數(shù)字城市規(guī)建管智能審批平臺，通過創(chuàng)新城市“規(guī)、建、管”的新型標準體系、政策體系和流程體系，探索以數(shù)字城市的預建、預判、預防來支撐現(xiàn)實城市高質(zhì)量發(fā)展的模式，打造展現(xiàn)多維城市空間的數(shù)字平臺。平臺將建立不同階段的城市空間信息模型和循環(huán)迭代規(guī)則，采取GIS 和BIM 融合的數(shù)字技術記錄新區(qū)成長的每一個瞬間，結合5G、物聯(lián)網(wǎng)、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(shù)字孿生城市規(guī)劃和建設。數(shù)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(xiàn)代化治理體系以及高質(zhì)量發(fā)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(shù)字中國建設峰會數(shù)字經(jīng)濟分論壇上，貴陽市副市長徐昊發(fā)表了“數(shù)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(qū)治理、數(shù)博大道等小型城市生態(tài)系統(tǒng)入手打造數(shù)字孿生城市。南京江北新區(qū)著力推動城市發(fā)展向智能化高級形態(tài)邁進，提出力爭到2025年率先建成“全國數(shù)字孿生第一城”。浙江省發(fā)布未來社區(qū)建設試點實施方案，制定“未來社區(qū)”九大場景，提出構建現(xiàn)實和數(shù)字孿生社區(qū)要求。舟山市、西咸新區(qū)、重慶市、長三角一體化示范區(qū)等地紛紛采用數(shù)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(guī)劃，以數(shù)字孿生城市為導向推進智慧城市建設。

產(chǎn)業(yè)響應，各類企業(yè)搶抓商機激活ICT 產(chǎn)業(yè)鏈

數(shù)字孿生城市正在激活龐大的信息技術產(chǎn)業(yè)鏈。數(shù)字孿生城市自提出以來，吸引產(chǎn)業(yè)界廣泛關注，成為技術創(chuàng)新和業(yè)務拓展的重要方向。多地學術機構開展關于“數(shù)字孿生”的專題研討，探索數(shù)字孿生技術對于城市治理、工業(yè)制造等領域的應用和價值。以BIM、CIM、VR/AR、AI 等先進技術為主攻方向的科技公司發(fā)力“數(shù)字孿生”方案研發(fā)，并已應用到多個行業(yè)。數(shù)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(lián)感知、三維建模、圖像渲染、虛擬現(xiàn)實、仿真推演、深度學習、智能控制等，幾乎涉及信息產(chǎn)業(yè)所有鏈條，無論是傳統(tǒng)的智慧城市龍頭企業(yè)，還是新入局的創(chuàng)新型中小企業(yè)，對數(shù)字孿生城市均給予了高度重視，各類企業(yè)依托自身優(yōu)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(tǒng)智慧城市廠商順勢而為推出數(shù)字孿生城市解決方案。科大訊飛打造數(shù)字孿生城市的“城市超腦”，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等基礎設施，匯聚城市時間與空間數(shù)據(jù)，運用人工智能算法，挖掘城市發(fā)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(yōu)化。軟通動力與華為合作，發(fā)布支持數(shù)字孿生城市的aPaaS 平臺，為多個場景提供API 服務，涵蓋交通、環(huán)保、安全等各種領域。阿里巴巴聯(lián)合千方科技、銀江股份、浙大中控、數(shù)源科技、海康威視等眾企業(yè)，基于阿里云平臺，共同打造數(shù)字孿生城市大腦，提升杭州市交通系統(tǒng)和城管系統(tǒng)的智能化水平。紫光云集成數(shù)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(chǎn)“大數(shù)據(jù)”分析預測能力和“物聯(lián)網(wǎng)”動態(tài)感知能力，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。

圖1 數(shù)字孿生智慧園區(qū)

空間信息產(chǎn)業(yè)紛紛入局，成為數(shù)字孿生城市建設中堅力量。數(shù)字孿生和空間信息產(chǎn)業(yè)密切相關，需要空間信息采集、建模、開發(fā)、服務、應用全產(chǎn)業(yè)鏈的深度參與，同時空間信息產(chǎn)業(yè)通過數(shù)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(yōu)勢。國內(nèi)GIS 領頭企業(yè)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(shù)據(jù)，并推出國內(nèi)首個三維空間數(shù)據(jù)規(guī)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、地下管線、地形、動態(tài)水面、三維柵格等多源數(shù)據(jù)，突破了大規(guī)模三維數(shù)據(jù)傳輸和解析的技術瓶頸，進一步促進了數(shù)字孿生的廣泛應用。泰瑞數(shù)創(chuàng)提供了涵蓋高端航測傳感器、數(shù)據(jù)采集、處理服務到應用開發(fā)的數(shù)字孿生城市建模全產(chǎn)業(yè)鏈服務，還發(fā)布實景世界云平臺SmartEarth，利用結構化語義模型整合了BIM／CAD 和地理測繪等技術，高效自動地構建城市信息模型，已經(jīng)成功應用于智慧城市、智慧工業(yè)和自動駕駛等領域。51VR 公司運用GIS、高程、無人機斜拍點云、衛(wèi)星圖、街景圖等技術和數(shù)據(jù)，能夠快速自動化構建大規(guī)模數(shù)字孿生城市模型，復原城市的每個細節(jié)，并進行大場景動態(tài)實時渲染，在數(shù)據(jù)可視化和場景可視化基礎上，實現(xiàn)城市運營管理的可視化和精細化。

資本助力，數(shù)字孿生城市板塊崛起倍受市場關注

智慧城市相關投資持續(xù)保持高速穩(wěn)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(wěn)定增長。根據(jù)IDC《全球半年度智慧城市支出指南》發(fā)布的數(shù)據(jù)，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(shù)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(chǎn)業(yè)的技術研發(fā)投入，而且促進地方政府加大對智慧城市的建設投資。

數(shù)字孿生相關企業(yè)獲得資本青睞，斬獲融資。2017年5月，英國虛擬仿真初創(chuàng)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(shù)字孿生為概念的多只股票出現(xiàn)漲停，數(shù)字孿生城市的價值被資本市場初步認同。看好數(shù)字孿生創(chuàng)新發(fā)展前景，資本巨頭積極投資數(shù)字孿生相關企業(yè)，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(fā)融資。51VR 完成B 輪2.1億元融資，泰瑞數(shù)創(chuàng)獲得啟迪金控和中信建投等機構過億元投資。

場景先行，數(shù)字孿生部分應用先行先試初顯成效

數(shù)字孿生技術重新定義智慧園區(qū)。據(jù)預測，到2022年，85%的物聯(lián)網(wǎng)平臺將使用數(shù)字孿生技術進行監(jiān)控，產(chǎn)業(yè)園區(qū)有望率先利用數(shù)字孿生技術，重塑園區(qū)管理與服務模式。在華為和51VR 聯(lián)合研發(fā)數(shù)字孿生的深圳坂田園區(qū)及東莞松山湖園區(qū)，通過實時接入園區(qū)IOT 設備、資產(chǎn)、能源、設施及環(huán)境等信息，建立基于園區(qū)實時運行狀況的數(shù)字孿生場景，實現(xiàn)園區(qū)運營的可視分析、園區(qū)業(yè)務的閉環(huán)聯(lián)動、園區(qū)決策的仿真模擬以及園區(qū)數(shù)據(jù)的全量集成，開創(chuàng)新一代園區(qū)的立體多維管理新模式。華為在廊坊經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，利用GIS 空間信息平臺，構建虛擬城市數(shù)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。

大型工業(yè)生產(chǎn)制造數(shù)字孿生風行。通過數(shù)字孿生模型與仿真技術，對高成本高復雜性大型設備產(chǎn)品進行設計、生產(chǎn)、裝配全流程的數(shù)字化，并借助傳感器實時數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設備產(chǎn)品的遠程監(jiān)控和預測性維護，已成為大型工業(yè)制造企業(yè)的共識。西門子建立了貫穿于產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)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(shù)字孿生概念，提出物理機械和分析技術融合的實現(xiàn)途徑，讓每個引擎，每個渦輪，每臺核磁共振都擁有一個數(shù)字化的“雙胞胎”；德國軟件公司SAP 利用數(shù)字孿生概念，在產(chǎn)品試驗階段采集設備的運行狀況，通過分析后得出產(chǎn)品的實際性能，再與需求設計的目標比較，從而形成產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)體系。波音737 MAX8 不到半年發(fā)生兩次重大事故，而數(shù)字孿生技術可用于航空飛機的維護與保障。美國空軍已經(jīng)和波音合作構建了機體數(shù)字孿生模型。波音公司在最新的NMA 項目上，已經(jīng)率先使用數(shù)字孿生技術進行研發(fā)。

數(shù)字孿生提升智能駕駛試驗精度。通過搭建真實世界1:1 數(shù)字孿生場景，還原物理世界運行規(guī)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(shù)據(jù)，建立高精度地圖，構建自動駕駛數(shù)字孿生模型，完成厘米級道路還原，同時對道路數(shù)據(jù)進行結構化處理，變現(xiàn)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(fā)場景的能力，最終實現(xiàn)高精度自動駕駛的算法測試和檢測驗證。

數(shù)字孿生在醫(yī)療領域獲得突破性進展。數(shù)字孿生給予健康醫(yī)療新的視角和手段，通過對身體器官、血液循環(huán)、神經(jīng)系統(tǒng)、肌體骨骼、心率脈搏等進行“鏡象映射”，建立人體的數(shù)字孿生體，進而通過人體標準數(shù)據(jù)庫，記錄人體每個細節(jié)特征，進行人體健康的實時動態(tài)管理。通過引進小型化的穿戴式設備，實時對人體進行數(shù)據(jù)收集。孿生數(shù)據(jù)還可來源于CT、核磁、心電圖、彩超等醫(yī)療檢測和掃描儀器檢測的數(shù)據(jù)，血常規(guī)、尿檢、生物酶等生化數(shù)據(jù)，醫(yī)療機構基于人體數(shù)字孿生綜合數(shù)據(jù)，可對患者提供健康狀況預測與及時干預，同時人體的數(shù)字孿生還將大大提高診斷的準確性和手術的成功率。

數(shù)字孿生為智慧校園經(jīng)濟管理賦能。數(shù)字孿生將學校物理空間與數(shù)字空間有機銜接，全面感知校園物理環(huán)境，建立智能舒適的生活與教育環(huán)境，實現(xiàn)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(shù)字校園信息系統(tǒng)，在地上地下一體化、室內(nèi)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(xiàn)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。