數字孿生城市開啟城市數字化轉型新篇章

劉南余 陳寅 江浩

摘要：我國在智慧城市投資與建設方面走在了世界的前列，但要適應面向未來的數字化建造、敏捷服務、智慧交互場景的智慧城市發展建設工作還需要加強理論方法與實踐的探索。要建構“數字孿生”的智慧城市理論方法，為解決城市發展建設中的突出問題，推進城市空間價值增值，提高城市精細化治理能力，加強智能規劃決策等方面發揮積極作用。要量力而行推進以新一代信息網絡基礎設施、高效能運算中心、時空關聯大數據底盤為主體的數字基礎設施，積極推進城市級的數據資產管理體系建設;同時提出應大力支持新型業務場景落地，包括：綠色低碳與節能減排的智慧技術集成、規范引導智慧社區的規劃建設、引導智能空間設計等方面.

關鍵詞：數字孿生城市;城市數字化;轉型新篇章

1.國內外智慧城市發展動態及展望

1.1發展動態

當前中國智慧城市發展建設處于快速增長時期，無論是從ICT基礎設施投入、數據中心部署，還是在業務場景拓展方面都有了長足進步，在政府主導的公共安全、智慧交通、智慧文游、智慧水務、便民服務等城市治理領域方面帶來了新的氣象，也對于數字產業經濟發展起到了推波助瀾的作用。習近平總書記多次指出，要充分發揮大數據、人工智能、區塊鏈在提升國家治理現代化水平、促進保障和改善民生、保障國家數據安全方面的積極促進作用;要加快完善數字基礎設施，推進數據資源整合和開放共享，保障數據安全，加快建設數字中國。

2016年國務院出臺《國務院關于加快推進“互聯網+政務服務”工作的指導意見》[國發（2016）55號]文件指出要加快新型智慧城市建設，要創新應用互聯網、物聯網、云計算和大數據等技術，加強統籌，注重實效，分級分類推進新型智慧城市建設，要打造透明高效的服務型政府，建立大數據輔助決策的城市治理新方式，構建多元普惠的民生信息服務體系，并提升電力、燃氣、交通、水務、物流等公用基礎設施智能化水平。

目前國內典型的智慧城市落地項目有：阿里巴巴將“城市大腦”云計算技術運用到杭州市的城市管理方面，對優化城市交通管理、全域旅游、社區服務等方面起到積極作用。北京市海淀區與百度合作，發揮分布式云計算優勢，將公共治安、環境衛生、城市管理等部門積累的數據資源打通，并進行交匯分析，形成跨部門的城市治理決策模式。深圳市成立了專門的城市運營管理中心，可調度幾十個部門的數據實現對城市運行狀態的全面感知、態勢預測、事件預警和決策支持。云南省文旅廳（原文化廳）與騰訊合作“一部手機游云南”，將云南旅游業的全過程服務資源整合在一起，為游客、旅游業者、政府分別在享受服務、提供服務、管理服務等方面得到相應的解決方案。

1.2國外智慧城市新進展

方面，谷歌在多倫多的“SidewalkLabs”實驗室制定了“未來城市2050總體規劃”，為全面開展智慧城市建設奠定基礎。芝加哥通過“燈柱傳感器”來加強城市安全、環境衛生的監控，同時控制每臺傳感器設備的采購與運維成本。洛杉磯通過公共交通APP應用服務“WAZE”，使得每個人可以通過這個APP可以把自己的實時的交通信息傳輸到終端，使得個體、企業和社會之間搭建了互利共享服務體系，為政府解決交通擁堵問題提供支撐。此外，西方發達國家立足于應對全球氣候變化，在綠色低碳智慧場景建設，節能減排管理，資源可持續循環利用方面積極推進相關智能技術。

總體上看，我國的智慧城市發展建設走在世界各國前列，2018年底我國所有直轄市、副省級城市，85%以上的地級市均提出了智慧城市相關的實施工程。據艾瑞咨詢研究院統計，2013～2018年政府委托或采購的智慧城市項目增長了13.5倍，主要涉及智慧城市頂層設計、城市運營管理、大數據管理、電子政務等領域。由于我國政府的公共服務職能涵蓋更廣，借助信息化手段和第三方技術支持政府決策及政策執行已經成為現代化治理體系的重要舉措。存在的主要問題。我國是一個巨型社會生態系統，由于地域廣闊、人口密度大，眾多問題和矛盾相互交織，在城鎮化進入到中后期時代，解決這些矛盾問題迫切需要智慧城市的技術手段來支持，因此也促使我國的智慧城市解決方案需要更有系統性、針對性和可操作性。

2.從數字城市到智慧城市到數字孿生城市

隨著大數據時代的到來以及互聯網、云計算、物聯網、人工智能技術等新一代先進信息技術的發展，近年來陸續誕生了數字城市、智慧城市以及數字孿生城市等各種“新型城市”概念。數字城市是隨著1998年美國前副總統阿爾.戈爾提出“數字地球”之后而產生的概念。數字地球是一個三維的信息化地球模型，其核心思想是通過數字化的手段對地球上的自然、人文和社會等信息進行數字化、網絡化、智能化和可視化，以支撐社會的可持續發展決策。

而數字城市則是指通過空間信息技術、虛擬現實技術、數據庫管理技術以及計算機網絡技術，數字化、網絡化技術，對城市中的地理資源、生態資源、人文社會等各種信息進行數字化，形成綜合數據庫和城市虛擬服務平臺等。數字城市也就是把現實世界中的城市變為計算機中的城市，從而指導城市的規劃、管理和建設以及居民的日常生活。智慧城市起源于“智慧地球”的概念，是“智慧地球”的重要組成部分。

2008年，國際商業機器公司IBM提出智慧城市的新理念，2009年奧巴馬就任美國總統之后，與美國的工商業領袖舉行了一場“圓桌會議”。在這個會議中，IBM首席執行官彭明盛建議新的美國政府可以去投資新一代的智慧基礎設施，以打破當時的金融危機。“智慧地球”的主要理念是將通過物聯網和云計算等技術結合，實現數字地球與人類物理系統的整合，從而使地球達到“智慧”的狀態。2010年，IBM正式提出“智慧城市”建設的愿景，隨后便掀起了智慧城市建設的熱潮。智慧城市建設過程中涉及眾多技術，總結起來可以理解為：數字城市+物聯網+云計算+人工智能。

物聯網通過傳感器讓萬物互聯，我們在網上可以獲取實時的數據并將其傳到云端，通過云計算技術可對獲取的數據進行存儲、分析、控制、反饋等，進而通過人工智能技術對數據隱含的規則、知識進行挖掘。通過綜合運用這些先進的技術，讓計算機如同人腦一樣擁有“智慧”，打造人性化的智慧城市，應用于城市的各方各面，形成智慧政務、智慧交通、智慧醫療、智慧園區等。在我國，“數字孿生城市”的概念最早是由中國信息通信研究院的研究人員提出，相關的概念和要求在2018年被寫入《河北雄安新區規劃綱要》。

數字孿生城市實際上就是將工業領域所用的“數字孿生”概念運用到整個城市的治理中。數字孿生城市利用各類先進技術，使得物理世界的動態信息能夠通過傳感器被實時地、精準地反饋到數字世界中，使得數字孿生城市具有實時性以及保真性。利用數字化、網絡化技術，實現城市的由實入虛，再利用網絡化、智能化技術，實現城市的由虛入實，通過利用物理城市和數字孿生城市之間不斷的虛實互動、持續迭代，最終實現物理世界的最佳有序運行狀態。由此看出，數字孿生城市還具有互操作性、可拓展性以及閉環性。數字孿生城市將推動新型智慧城市建設，在信息空間上構建的虛擬城市映像與現實中物理城市空間相互疊加，將有利于完善城市基礎設施，改變城市面貌，形成虛實相映、孿生互動的城市發展新形態。

3數字孿生城市整體架構

數字孿生城市架構包含城市泛在感知層、孿生城市支撐層、孿生城市平臺層、孿生城市應用層和孿生城市規劃層，結構如圖1所示。

3.1城市泛在感知網

城市泛在感知網包含城市感知層和城市連接層兩部分主要內容。城市感知層顆粒度決定了城市孿生體的精細度。隨著芯片技術發展，各類物聯網終端的涌現使得物理城市被立體感知成為可能。智慧園區、智慧小區、智慧車站、智慧港口、智慧工地、智慧道路、智慧家庭等場景牽引各類城市基礎設施向智能化升級。越來越多的路燈、井蓋、消防栓、視頻監控、電梯等設備通過物聯網接入到各類系統平臺，城市內空氣質量監測、施工場地揚塵擴散監測、街道噪音監測、卡口車流量/人流量監測等數據被感知采集;家庭中燃氣表、電表、水表、電視、空調等設備開始聯網。城市連接層的成本、速度、帶寬等指標決定了城市孿生體應用的新鮮度。NB-IoT網絡在城市中覆蓋，城市各類傳感器/執行器設備可在無源情況下長時間工作。隨著5G網絡覆蓋，單位面積內物聯網終端的連接密度可提升上百倍。物聯網終端和業務開展成本下降明顯，城市中“萬物互聯、萬物生數”時代來臨。

3.2孿生城市支撐層

孿生城市支撐層包含城市數據層和數據融合處理層。城市數據層中數據的豐富程度決定了孿生服務的豐富程度。城市數據層數據來自各類云計算平臺和各個委辦局業務系統，數據中臺系統也可為城市數據層提供數據源。不同主題的數據源決定了孿生服務的不同主題，數字孿生城市是一個持續運營的過程，數據的積累隨著運營的深入而豐富。數據融合處理層主要運用大數據和人工智能等技術對數據進行處理，隨著計算機軟硬件性能提升，借助大數據、人工智能技術使得“數生萬物”成為可能，數據融合處理層為孿生城市平臺提供直接的分析、仿真等能力。

3.3孿生城市平臺層

孿生城市平臺層主要包含核心能力層和共性能力層。城市孿生體是數字孿生城市的核心，具有現實中物理城市的等效性。城市孿生體基于三維城市模型，按照不同行業或不同服務粒度分為不同的城市孿生對象，并把孿生對象集有序組合。各類孿生對象的屬性、方法與現實中城市各類元素一一對應，孿生對象的屬性、狀態等參與來自城市數據層，并通過數據融合處理層同步機制保持數據更新。共性算法模型和行業算法模型實現不同孿生對象之間各類屬性和狀態的組合運算。共性能力層包含城市顯示、城市分析、城市仿真和城市預測。城市顯示對城市三維模型直觀呈現，并可按照各類城市孿生對象分類實現在三維模型查找、定位、疊加各類數據傳感器/視頻等數據顯示等功能;城市分析是按照不同規則對城市孿生體中各類孿生對象實現關聯、組合、主題分析等功能;城市仿真、預測是基于各類數據，按照不同的算法模型對數字孿生體中各類孿生對象進行仿真處理，模擬物理城市在各類環節變量情況下可能產生的變化。

3.4孿生城市應用層

孿生城市應用層面包含各類行業和各類用戶。各類行業指數字孿生城市在政務、交通、環境、應急等行業均有廣泛應用場景。政務行業，城市安全、應急、規劃管理均可在數字孿生城市先行先試。交通行業，可根據道路實時流量、違法停車、交通信號燈、視頻等數據在城市孿生體內結合交通行業特定模型，實現城市路網、紅綠燈信號、停車場/位優化，提升城市路網效率和市民出行體驗。環保行業，基于城市污染源數據和三維城市模型數據，模擬在不同光照、風速等參數下污染源在城市孿生體內的影響范圍。

各類用戶指數字孿生城市服務的各參與方，包含政府、居民和各類商業組織。政府類用戶通過數字孿生城市各類應用可實現城市規建管一體化、實時了解城市運行狀態、實現城市精細化運營管理等功能，為政策制定、服務提供和各類決策提供更為精準的依據。居民可在數字孿生城市中發揮個體創造力，運用各類數據實現城市協同創造。各類商業組織可基于數字孿生城市開展針對性的商業分析，進一步提升商業服務水平。

3.5孿生城市規劃層

數字孿生城市是新型智慧城市建設的高級階段，按照分級分類建設新型智慧城市要求。數字孿生城市建設不但和城市級別、類別有關，也和城市范圍內數據積累關系密切。頂層規劃設計應基于新型智慧城市和各類信息系統建設成果，聚焦城市中的共性問題，并結合不同人口規模、不同類型城市面臨的個性問題，定義針對性的城市支撐層功能和城市應用層場景。

不同于傳統信息化項目重建設輕運營、重流程輕數據，數字孿生城市建設是一個循序漸進的過程，更強調數據資產的匯聚、管理和運營，強調通過城市各類數據治理、仿真實現。頂層規劃除了對業務整體進行規劃外，還需要對業務運營體系、端到端安全體系、標準規范體系等內容進行規劃設計。

結束語

數字孿生城市在我國的發展仍處于早期階段，缺少成熟路徑參考。可喜的是，越來越多的機構和公司開始開展數字孿生城市業務服務，越來越多的地方政府也開始布局數字孿生城市建設。相信未來數字孿生城市一定會為城市建設、運營帶來嶄新模式，并為政府、市民和各類參與企業創造新的價值。

參考文獻

[1]河北省人民政府.河北雄安新區規劃綱要[Z/OL].（2018-04-21）[2020-02-09]

[2]中國信息通信研究院.數字孿生城市研究報告[R]，2019.