數(shù)字孿生城市視角的城市信息模型及現(xiàn)代城市治理研究

文｜杜明芳

（作者為清華大學(xué)信息國家研究中心副教授、研究員）

一、新基建背景下的城市信息模型（CIM）

1.CIM發(fā)展的戰(zhàn)略背景

十九屆中央委員會(huì)第四次全體會(huì)議著重研究了堅(jiān)持和完善中國特色社會(huì)主義制度、推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的若干重大問題。

2020年4月，國家發(fā)改委首次明確新型基礎(chǔ)設(shè)施的范圍，初步研究認(rèn)為新型基礎(chǔ)設(shè)施是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系。當(dāng)前，新基建正引發(fā)新一輪投資建設(shè)熱潮，全國各省市紛紛推出新基建行動(dòng)計(jì)劃，近百萬億投資大單正在逐步落地實(shí)施。從中央會(huì)議內(nèi)容看，新基建側(cè)重于5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)。新基建需為中國創(chuàng)新發(fā)展、綠色環(huán)保發(fā)展，特別是搶占全球新一代信息技術(shù)制高點(diǎn)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件，最受益的可能就是智慧城市建設(shè)。

習(xí)近平總書記2020年3月10日在赴湖北省武漢市考察疫情防控時(shí)表示，要著力完善城市治理體系和城鄉(xiāng)基層治理體系，樹立“全周期管理”意識(shí)，努力探索超大城市現(xiàn)代化治理新路子。習(xí)近平總書記也曾深刻指出，“治理”和“管理”一字之差，體現(xiàn)的是系統(tǒng)治理、依法治理、源頭治理、綜合施策，要實(shí)現(xiàn)從“管理”向“治理”轉(zhuǎn)變，激發(fā)基層活力，提升社區(qū)能力。當(dāng)前，就城市而言，已經(jīng)進(jìn)入從管理升華到治理的歷史階段。在信息新基建、城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造、城市治理體制機(jī)制改革多重力量驅(qū)動(dòng)下，網(wǎng)格化精細(xì)管理模式將逐步向數(shù)字孿生強(qiáng)智能化自治模式演進(jìn)。2017年4月1日，中共中央、國務(wù)院決定設(shè)立雄安新區(qū)。《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出要堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，適度超前布局智能基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)全域智能化應(yīng)用服務(wù)實(shí)時(shí)可控，建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市，描繪出了數(shù)字孿生城市的雛形，也為正處于“深水區(qū)”的智慧城市建設(shè)提供了新思路。

2.如何理解城市信息模型（CIM）

當(dāng)前，對城市信息模型（CIM)比較普遍的一種理解是：以城市的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機(jī)綜合體。城市信息模型目前尚無統(tǒng)一的明確定義，CIM的內(nèi)涵和外延目前仍處于探索期，業(yè)內(nèi)較有代表性的解釋為：一是CIM=GIS+BIM；二是CIM= BIM+GIS+物聯(lián)網(wǎng)（IOT）；三是CIM= BIM+城市業(yè)務(wù)實(shí)體。本文作者認(rèn)為，CIM=以數(shù)字技術(shù)為治理引擎（簡稱數(shù)字引擎）的數(shù)字孿生城市之?dāng)?shù)字孿生體。其中，數(shù)字技術(shù) = BIM+GIS+IOT+AI+5G+Block Chain+衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+……。

建立城市信息模型的目地是：使城市信息得到更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、統(tǒng)一、明確的表達(dá)，作為數(shù)字引擎驅(qū)動(dòng)城市建設(shè)與發(fā)展。

數(shù)字孿生城市的目標(biāo)是：構(gòu)建“城市規(guī)劃建設(shè)一張圖，城市治理虛實(shí)一盤棋，城市服務(wù)情景一站式”的現(xiàn)代城市治理模式。

二、基于數(shù)字線索和數(shù)字工程打造數(shù)字孿生城市

1.數(shù)字孿生、數(shù)字工程及基于模型的系統(tǒng)工程

圖1 數(shù)字孿生城市（DT 城市）概念模型

數(shù)字孿生城市的理論基礎(chǔ)是數(shù)字孿生，而數(shù)字孿生又和數(shù)字工程、系統(tǒng)工程特別是基于模型的系統(tǒng)工程密切相關(guān)。美空軍在2013年發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件中，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機(jī)遇。西門子公司提出了“綜合數(shù)字孿生體”的概念，其中包含數(shù)字孿生體產(chǎn)品、數(shù)字孿生體生產(chǎn)和數(shù)字孿生體運(yùn)行的精準(zhǔn)的連續(xù)映射遞進(jìn)關(guān)系，最終達(dá)成理想的高質(zhì)量產(chǎn)品交付。2018年7月5日，美國國防部正式對外發(fā)布“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”。數(shù)字工程戰(zhàn)略旨在推進(jìn)數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，將國防部以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移。

2.數(shù)字孿生與數(shù)字孿生城市

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過程。數(shù)字孿生的本質(zhì)是基于數(shù)據(jù)線索的控制。數(shù)字孿生七要素是：物理空間、數(shù)字空間、數(shù)據(jù)、模型、控制、管理、服務(wù)。信息物理系統(tǒng)(CPS)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C 技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。數(shù)字孿生建立在信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，更加側(cè)重于數(shù)據(jù)和模型，聚焦數(shù)字工程管理與技術(shù)兩個(gè)層面，促進(jìn)管理與技術(shù)深度融合，為世界提供一種通用的智能基礎(chǔ)理論及發(fā)展范式。

為什么要發(fā)展數(shù)字孿生？數(shù)字孿生具有如下重要作用：提升生產(chǎn)效率，提升協(xié)作效率，提供通用智能基礎(chǔ)設(shè)施。因此，數(shù)字孿生提供了一種產(chǎn)業(yè)新引擎，可賦能城市和社會(huì)治理。一個(gè)事實(shí)是：工業(yè)界有一種“工業(yè)領(lǐng)域1%的革命”的說法，即全球工業(yè)的生產(chǎn)效率提升1%，成本將減少300億。數(shù)字孿生能在工業(yè)、城市、交通、建筑、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域帶來顯著的效率提升，未來將帶來成本的極大下降。在新一代智能基礎(chǔ)設(shè)施的推動(dòng)下，數(shù)字孿生理念逐步延伸拓展至多行業(yè)。數(shù)字孿生正在成為通用智能基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)字孿生城市三要素是：數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)。當(dāng)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)、智能無人系統(tǒng)等技術(shù)充分發(fā)展起來以后，傳統(tǒng)城市電子地圖精度提升近百倍，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)城市三維建模成為可能，數(shù)字城市孿生具備技術(shù)條件。各類業(yè)務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)、城市三維模型數(shù)據(jù)通過有序組合形成城市之?dāng)?shù)字孿生體，在城市數(shù)字孿生體中存在各類智能模型與算法，與城市業(yè)務(wù)融合后，可產(chǎn)生各類有價(jià)值的城市服務(wù)。

三、基于多粒度數(shù)字孿生城市的現(xiàn)代城市治理模式構(gòu)建

1.多粒度數(shù)字孿生城市

從系統(tǒng)工程視角看，智慧城市可看作是以城市信息模型（CIM）為數(shù)字孿生體的復(fù)雜系統(tǒng)工程。由于城市要素的多元化、多顆粒度現(xiàn)實(shí)，城市復(fù)雜系統(tǒng)工程具有多粒度特點(diǎn)，因此，需要構(gòu)建多粒度數(shù)字孿生城市才能刻畫出真實(shí)的智慧城市。

從系統(tǒng)工程視角分析，數(shù)字孿生城市系統(tǒng)可以按粒度分為設(shè)備級、系統(tǒng)級、復(fù)雜系統(tǒng)級、復(fù)雜巨系統(tǒng)級四個(gè)系統(tǒng)層級，且自頂向下具有包含關(guān)系。

多粒度數(shù)字孿生城市的建模仿真可采用SysML 工具。通過將SysML模型和領(lǐng)域?qū)I(yè)模型之間建立雙向數(shù)據(jù)映射和交換，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)領(lǐng)域模型與系統(tǒng)框架模型之間的跨域集成。利用SysML 為數(shù)字樣機(jī)提供準(zhǔn)確的系統(tǒng)框架，通過定義好的系統(tǒng)框架模型將大量的數(shù)字信息交織在一起，系統(tǒng)框架模型有助于緊密連接系統(tǒng)邏輯和行為設(shè)計(jì)的需求。

2.數(shù)字孿生視角的城市信息模型構(gòu)建

數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)仿真、建模、分析和輔助決策，側(cè)重的是物理世界對象在數(shù)據(jù)世界的重現(xiàn)、分析、決策，而可視化做的就是對物理世界的真實(shí)復(fù)現(xiàn)和決策支持。基于海量數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)可視化建立一系列業(yè)務(wù)決策模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對當(dāng)前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預(yù)測，為業(yè)務(wù)決策提供全面、精準(zhǔn)的決策依據(jù)。

圖2 工業(yè)制造視角的數(shù)字孿生城市內(nèi)涵

圖3 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)比較

基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)工程的多粒度城市治理需要一套能夠指導(dǎo)實(shí)踐的模型，本文提出一種數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)閉環(huán)生態(tài)模型，如圖5。

數(shù)字孿生城市應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模思路：以“業(yè)務(wù)需求”為起點(diǎn)和中心，以“數(shù)據(jù)互聯(lián)互通”為根本，從數(shù)據(jù)源抽取以下城市核心主題：人、物品、交通工具、環(huán)境、制度、案件、事件。構(gòu)建包括以下四大組成部分的閉環(huán)數(shù)據(jù)生態(tài)模型：（1）數(shù)據(jù)中臺(tái)。又包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、模型庫。（2）數(shù)據(jù)服務(wù)總線。（3）城鄉(xiāng)應(yīng)用生態(tài)。包括國家級、省級、市級、縣級、鄉(xiāng)村級5個(gè)層級。（4）數(shù)據(jù)反饋線。提供定期和實(shí)時(shí)兩類數(shù)據(jù)。基于閉環(huán)數(shù)據(jù)生態(tài)模型構(gòu)建形成融智能業(yè)務(wù)體系和數(shù)據(jù)資源體系為一體的數(shù)據(jù)綜合集成模型，可滿足城市復(fù)雜多變的應(yīng)用場景需求，同時(shí)具有抗突發(fā)事件的足夠應(yīng)急能力和持久韌性。

知識(shí)庫和模型庫融合貫通后形成大數(shù)據(jù)智能體系，包括三部分：業(yè)務(wù)知識(shí)圖譜、知識(shí)應(yīng)用操作系統(tǒng)、決策駕駛艙。知識(shí)應(yīng)用操作系統(tǒng)的核心機(jī)制是：業(yè)務(wù)可編程，業(yè)務(wù)流程可定義，智能業(yè)務(wù)模型可定制開發(fā),智能業(yè)務(wù)模型可自動(dòng)生成。

基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)引擎的城市數(shù)字孿生體系構(gòu)建方法如圖6。

3.智慧城市建設(shè)和治理的瓶頸及發(fā)展建議

圖4 數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)閉環(huán)生態(tài)模型

圖5 基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)引擎的城市數(shù)字孿生體系構(gòu)建

一方面，開發(fā)構(gòu)建數(shù)字技術(shù)體系，充分發(fā)揮數(shù)字新基建的支撐作用；另一方面，加強(qiáng)現(xiàn)代城市治理體系建設(shè)，城市信息模型與數(shù)字孿生城市同步推進(jìn)。數(shù)字技術(shù)體系建設(shè)方面包括以下重點(diǎn)：提升底層技術(shù)自主可控能力，打造海量數(shù)據(jù)智能敏捷互聯(lián)城市；基于數(shù)字新基建構(gòu)建城市信息模型CIM。現(xiàn)代治理體系建設(shè)方面包括以下重點(diǎn)：擁抱系統(tǒng)思維，打造數(shù)字孿生城市；構(gòu)建人-機(jī)融合智慧治理體系；推進(jìn)多元共治體系建設(shè)，構(gòu)建更加公平化、公正化、法制化、民主化、文明化的社會(huì)環(huán)境。

基于城市信息模型的城市現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑，實(shí)現(xiàn)邏輯為：（1）構(gòu)建城市信息模型CIM；（2）建設(shè)城市信息模型驅(qū)動(dòng)的智慧城市；（3）基于CIM和智慧城市構(gòu)建現(xiàn)代城市治理體系；（4）在現(xiàn)代城市治理體系的推動(dòng)下，逐步完成城市現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型發(fā)展。在以上進(jìn)程中，數(shù)字孿生城市將貫穿于智慧城市和現(xiàn)代城市治理體系之中，城市信息模型（CIM）、智慧城市、現(xiàn)代城市治理體系共同勾勒出基于模型的城市治理體系總體框架。

基于數(shù)字孿生的城市信息模型及城市治理進(jìn)一步發(fā)展建議：（1）以數(shù)字孿生為理論和技術(shù)支撐構(gòu)建超大城市及城市群現(xiàn)代治理體系，構(gòu)建數(shù)字孿生城市理論體系，豐富中國現(xiàn)代城市治理理論體系；（2）研發(fā)城市多數(shù)字技術(shù)融合引擎（CityDTEngine），并基于CityDTEngine和數(shù)字孿生城市構(gòu)建城市信息模型（CIM）；（3）面向城市超大規(guī)模物聯(lián)感知場景需求，提出并研究多物聯(lián)點(diǎn)感知、多觸點(diǎn)控制、多業(yè)務(wù)領(lǐng)域協(xié)作、多城市系統(tǒng)協(xié)同的泛在并行協(xié)同計(jì)算理論、方法與技術(shù)；（4）提出并研究超大規(guī)模城市數(shù)據(jù)治理方法與技術(shù)，提出分布式實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)智能處理新算法，從采集層到管控層構(gòu)建貫穿城市群全領(lǐng)域的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；（5）提出并研究超大規(guī)模城市網(wǎng)絡(luò)融合方法與技術(shù)，構(gòu)建“一張網(wǎng)”下的高效便捷業(yè)務(wù)處理體系，制定感知層、邊緣計(jì)算層等關(guān)鍵技術(shù)裝置的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。