基于數(shù)字孿生的智慧城市建設(shè)發(fā)展研究

高志華

一、智慧城市與數(shù)字孿生

信息化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，城市的建設(shè)與發(fā)展越來(lái)越離不開(kāi)數(shù)字化的賦能，構(gòu)建新型智慧城市是當(dāng)前國(guó)內(nèi)各大城市發(fā)展的重要舉措，也是新時(shí)代提升城市治理效能的必然要求。智慧城市的概念高于數(shù)字城市，數(shù)字城市是智慧城市建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)。雖然數(shù)字城市的概念也很早提出，但還沒(méi)有上升到數(shù)字孿生的層次，數(shù)字孿生城市是智慧城市建設(shè)與發(fā)展的新高度。

所謂數(shù)字孿生是指針對(duì)物理世界中的實(shí)體，通過(guò)數(shù)字化的手段構(gòu)建一個(gè)在虛擬世界中一模一樣的虛擬映射，借此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的分析和控制。從更加專(zhuān)業(yè)的角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生集成了人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立物理對(duì)象的虛擬映射，在虛擬模型中實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)際物理對(duì)象的變化，通過(guò)對(duì)多維數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理與異常分析，及時(shí)預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)物理對(duì)象的科學(xué)有效及時(shí)的管理與控制。

數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建城市物理世界與虛擬數(shù)字空間的一一對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜巨系統(tǒng)，在虛擬空間中再造一個(gè)與物理城市對(duì)應(yīng)的孿生城市，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化。數(shù)字孿生城市是支撐新型智慧城市建設(shè)的復(fù)雜綜合技術(shù)體系，更是物理維度上的實(shí)體城市和信息維度上的虛擬城市的同生共存、虛實(shí)交融的城市未來(lái)發(fā)展新形態(tài)。

二、數(shù)字孿生城市的核心能力

2017年雄安新區(qū)提出建設(shè)數(shù)字孿生城市，首次將數(shù)字孿生技術(shù)用于城市建設(shè)與發(fā)展。“數(shù)字孿生城市”將物理城市中的所有物、人、事等動(dòng)態(tài)要素?cái)?shù)字化，在虛擬空間進(jìn)行精準(zhǔn)映射，形成信息維度上的虛擬世界與物理維度上的實(shí)體共存。《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告（2019 年）》中指出數(shù)字孿生城市至少具備九大核心能力，即物聯(lián)感知操控能力、全要素?cái)?shù)字化表達(dá)能力、可視化呈現(xiàn)能力、數(shù)據(jù)融合供給能力、空間分析計(jì)算能力、模擬仿真推演能力、 實(shí)融合互動(dòng)能力、自學(xué)習(xí)自?xún)?yōu)化能力和眾創(chuàng)擴(kuò)展能力，要實(shí)現(xiàn)這些能力必須要加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

數(shù)字孿生系統(tǒng)是物理實(shí)體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)超現(xiàn)實(shí)映射，因此數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和更新對(duì)數(shù)字孿生具有至關(guān)重要的支撐作用，大量分布的各類(lèi)型高精度傳感器在整個(gè)孿生系統(tǒng)的前線工作，起著最基礎(chǔ)的感官作用，搭建快速可靠的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)具有十分重要的意義。另外，數(shù)字孿生系統(tǒng)復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴(lài)其背后的計(jì)算平臺(tái)，其重要支撐是復(fù)雜系統(tǒng)的全生命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，采用云服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀取和安全冗余備份，為數(shù)據(jù)智能算法提供充分可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)維持整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用。

目前我國(guó)正在大力推進(jìn)“新基建”，一方面帶動(dòng)5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算等支撐數(shù)字孿生城市的技術(shù)更加成熟，另一方面推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施融合，形成智能融合基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)物理城市向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變，城市建設(shè)將在“新基建”的推動(dòng)下，逐漸形成以數(shù)據(jù)為核心要素的泛在標(biāo)識(shí)、泛在感知、泛在連接，泛在計(jì)算和泛在智能的總體格局。

三、推進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)的建議

（一）統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字孿生城市的頂層設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循目標(biāo)導(dǎo)向與需求導(dǎo)向相結(jié)合的原則統(tǒng)籌規(guī)劃，充分考慮到城市未來(lái)的發(fā)展規(guī)律和信息技術(shù)的演進(jìn)方向，將數(shù)字孿生城市的建設(shè)與城市治理、公共服務(wù)等應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合，穩(wěn)妥務(wù)實(shí)的推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用落地。數(shù)字孿生城市建設(shè)需要建立統(tǒng)籌推進(jìn)的組織體系和長(zhǎng)效管理機(jī)制，避免條線分割的單兵作戰(zhàn)，建議設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)工作組，指定牽頭單位及其他相關(guān)部門(mén)配合，共同參與、協(xié)同推進(jìn)。建立基于統(tǒng)一底座的數(shù)字孿生應(yīng)用體系，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的平臺(tái)上逐步推動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景的豐富和系統(tǒng)的迭代發(fā)展。

確立城市信息模型標(biāo)準(zhǔn)，建立并完善統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，形成兼容不同數(shù)據(jù)類(lèi)型、不同信息系統(tǒng)的統(tǒng)一城市信息模型，實(shí)現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確集成，以及多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合表達(dá)。將矢量、柵格、網(wǎng)格、模型、點(diǎn)云、政務(wù)、感知等各類(lèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式和編碼，形成全周期的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。建立城市級(jí)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，以及政府與社會(huì)各行業(yè)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，制定數(shù)字孿生城市信息共享制度和數(shù)據(jù)安全保護(hù)規(guī)范。

（二）試點(diǎn)先行、逐步迭代

由于數(shù)字孿生城市的建設(shè)涉及到的技術(shù)領(lǐng)域眾多且其技術(shù)體系仍在不斷更新和演進(jìn)，建設(shè)成本較高，因此其建設(shè)發(fā)展不宜采用“一刀切”方式，建議采用多種類(lèi)、多層次的配置版本，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字孿生顆粒度。充分考慮不同地區(qū)采用的數(shù)據(jù)和信息的類(lèi)型、數(shù)據(jù)和信息的顆粒度、數(shù)據(jù)和信息的時(shí)效性等因素，同時(shí)考慮場(chǎng)景渲染、數(shù)據(jù)集成、空間計(jì)算、模擬仿真等技術(shù)能力成熟度，形成不同孿生精度的配置版本，便于城市、小區(qū)、園區(qū)等管理者進(jìn)行選擇。

從局部區(qū)域切入，試點(diǎn)先行，根據(jù)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)梳理存在的問(wèn)題改進(jìn)推進(jìn)方案，再逐步拓展覆蓋范圍。例如從社區(qū)、園區(qū)、校園、港口等范圍較小且具有一定封閉性的區(qū)域開(kāi)始建設(shè)，或按優(yōu)先級(jí)制定實(shí)施計(jì)劃。優(yōu)先將新城區(qū)建設(shè)開(kāi)發(fā)為具有良好新型基礎(chǔ)設(shè)施的智能發(fā)展區(qū)域，部署傳感器等智能終端，逐步建立完善數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)治理機(jī)制和智能定義運(yùn)行機(jī)制，再逐步向城市全域、城鄉(xiāng)一體化過(guò)渡。

（三）政府主導(dǎo)、加強(qiáng)合作

政府層面應(yīng)主動(dòng)開(kāi)放數(shù)據(jù)資源，為數(shù)字孿生城市技術(shù)方案和應(yīng)用場(chǎng)景的迭代開(kāi)發(fā)與測(cè)試驗(yàn)證創(chuàng)造條件，促進(jìn)建設(shè)方案不斷成熟，應(yīng)用不斷深化，與此同時(shí)應(yīng)從機(jī)制上進(jìn)行變革，建立適應(yīng)數(shù)字孿生技術(shù)的管理架構(gòu)，更好地推動(dòng)城市治理現(xiàn)代化發(fā)展。另一方面，由于數(shù)字孿生本質(zhì)是一個(gè)知識(shí)集成、技術(shù)集成、數(shù)據(jù)集成、算法集成、工具集成、應(yīng)用集成、智力集成的巨大工程，因此必須有一個(gè)強(qiáng)有力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)提供支撐并進(jìn)行緊密協(xié)作才能成功，產(chǎn)學(xué)研應(yīng)加強(qiáng)戰(zhàn)略、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)等全方位協(xié)作，形成協(xié)同攻關(guān)的局面。

數(shù)字孿生城市賦予了城市政府全局規(guī)劃和實(shí)時(shí)治理的能力，使公共機(jī)構(gòu)更快響應(yīng)并進(jìn)行彈性治理，是數(shù)字城市的高級(jí)階段，也是智慧城市的新高度。政府、學(xué)者、企業(yè)等各方面應(yīng)齊心協(xié)力推動(dòng)基于數(shù)字孿生的各種智能化應(yīng)用落地，推動(dòng)新型智慧城市的升級(jí)發(fā)展，更好地服務(wù)與國(guó)家和人民。

作者單位：中共武漢市委黨校