數字孿生在城市治理中的應用研究

郭嫻

（國家工業信息安全發展研究中心，北京 100036）

0 引言

據住建部公布的《2019年城市建設統計年鑒》，2019年，我國城區常住人口超過300萬人的城市有30個，其中，超過500萬特大、超大城市達到16個。城鎮化的加速發展不可避免的帶來人口集聚，隨之帶來的交通擁堵、教育醫療資源緊缺、環境惡化、應急能力不足等問題日益凸顯，傳統部門化、條塊化的城市治理手段已捉襟見肘，如近兩年在新冠疫情防控、城市水災防災減災等方面都體現了傳統城市治理能力的不足，亟需建立一套信息化綜合治理體系，推動實現治理能力的整體性、現代化。隨著云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的發展，始用于工業制造領域的數字孿生得到了學術界和應用界越來越多的關注，其可以通過將物理世界鏡像成“孿生”的數字世界的思路，實現了兩個世界的互聯互通與智能化操作。

目前，數字孿生技術已在交通、醫療、科學研究等領域中得到了實踐應用，城市作為一個復雜的“巨系統”，也成為數字孿生應用的主要領域，利用該技術，可以不用實際的“修一條路”、“建一座樓”，直接通過數字孿生城市模擬仿真來準確支撐決策，大大降低了試錯成本，有效有力破解“大城市病”。

1 數字孿生的定義與關鍵要素

1.1 數字孿生的定義

學術界對于數字孿生沒有明確的定義，一般認為，數字孿生以數字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等[1]。簡單來，說就將現實世界數據化成與其同生共存、虛實交融的“虛擬世界”。數字孿生的思想最早由美國密歇根大學的Michael Grieves教授在2002年提出，2011年美國空軍研究實驗室首次明確提出數字孿生的概念并將之命名為“數字孿生體”。根據運行機制，數字孿生在表述-診斷-預測-決策四個環節循環交替，其中：在描述表述環節，主要利用收集的多源異構數據對物理實體建模，形成機器可讀的模型化模塊和描述；在診斷環節，則利用表述重點模塊和描述，通過數據分析技術，發現處置對物理實體的運行、活動過程中的內在邏輯、影響因素、發展規律等，形成需要的分析診斷結果；三是在預測環節，主要以診斷結果為依據，進一步深化研究，綜合采用各類智能算法預測物理實體未來趨勢；最后在決策階段，則綜合利用歷史成果、現實需求與預測結果來支撐最終決策，而決策結果也將作為數字孿生系統的數據進行表述，而進入下一個循環階段。

1.2 數字孿生的關鍵要素

數據是數字孿生的基礎和核心，沒有數據的數字孿生的應用就無從談起。數據是數字孿生建造物理世界孿生體的“磚瓦”，又是幫助數字孿生技術實現虛擬世界和物理世界互通互動的“橋梁”，一方面利用數字建模將物理世界映射成虛擬世界，另一方面通過“孿生”的虛擬世界進行模擬動態仿真，實現對物理世界中的分析決策。同時，在廣義上數字孿生也可以看作是大數據的一個子集，隨著大數據的發展，無論是從技術、應用，還是法律的角度，大數據技術涵蓋數據采集、存儲、傳輸、分析、應用、交易、保護全流程已成為共識，而數字孿生則聚焦大數據應用的某些層面，即數據建模與動態分析優化。數字孿生和大數據的關系如圖1所示。

圖1 數字孿生與大數據技術關系圖

虛擬現實是數字孿生的突出特點。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，使用戶沉浸到該環境中。雖然從概念上講，虛擬現實是指構建一個虛擬的世界（可能是完全不存在的虛擬世界），數字孿生對一個真實存在的世界構建一個虛擬孿生體，但在構建過程中，都是用現有的數據構建人們可看、可操作性、可互動的虛擬場景，因此可以將數據孿生看成是特殊需求的虛擬現實，且是數據孿生區別于其他技術應用的顯著特點。未來，數字孿生也會整個融入到增強現實、混合現實中

人工智能是實現數字孿生價值的關鍵。無論應用到什么領域，數據孿生的最終目的還是為現實世界提供決策支撐，而在動態分析、行為預測等方面正是人工智能所能解決的問題，在虛擬世界執行的任何操作，同可以通過機器學習、深度學習等人工智能技術進行分析得出以物理世界一直的結果，同時根據用戶的需求結果反向給出最佳決策建議。因此可將人工智能看成實現數字孿生目標的最有利工具。阿里巴巴集團副總裁劉松就曾指出，人工智能利用到數字孿生是解決城市治理、產業鏈協同等物理世界難以解決的復雜問題的關鍵，為數字孿生的深入發展應用提供了新動能。

2 數字孿生的應用

云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的深入發展，大大拓展和豐富了數字孿生的理論技術體系和應用的深度和廣度，可已在智慧車間、智慧城市、產品設計、醫療、工程建設等領域得到實際應用，并成為西門子、GE、阿里、華為等行業巨頭重點布局的領域。2017年，洛克希德馬丁公司將其列為未來國防和航天工業6大頂尖技術之首。2017年至2019年，數字孿生連續三年被Gartner公司評為為年度十大戰略性技術，該公司還指出，到2021年，將有一半的大型工業企業通過運用數字孿生技術提高企業的生產效率，降低生產成本。

2.1 裝備制造

數字孿生生于工業、制造業的產品設計、生命周期管理等，目前仍是智能車間、智慧工廠等領域研究的熱點，也是其應用最成熟的領域。早期，洛克馬丁公司就宣稱將數字孿生應用到了F-35戰斗機生產線，最近研究和應用的方向更是得到了更大的拓展，既有如機翼健康監測、剎車系統模擬、零件損傷設計等獨立具體的應用，也有車間管理、數字孿生車間、制造系統裝配等系統性、綜合性應用。在我國，數字孿生技術也有了實際的應用，中冶京誠工程技術有限公司基于BIM技術構建基礎的數字孿生工廠，實現了對生產控制、設備監控、物流管理、節能減排等環節的全過程、可視化管理。在理論研究方向，其中典型的一個研究方向就是數字孿生車間。

數字孿生車間的概念由我國陶飛教授等首次提出，指綜合運用物理車間“人-機-物-環境”互聯共融技術、車間孿生數據構建及管理技術等關鍵技術提出的一個數字孿生模型，以實現生車間智能化管理與運行，如圖2所示。該模型主要包括物理車間、虛擬車間、車間服務系統、車間孿生數據及其相互間的連接五個部分，形成一個相互關聯、融合交互的有機整體[2]。

圖2 數字孿生車間

2.2 數字孿生醫療

醫療是當前社會保障體系中，人民群眾最關心、最直接、最現實的利益問題之一，隨著生活水平的提高以及老齡化程度的不斷加深，人民對醫療水平的要求日益苛刻，單靠加大設備采購、增加人才供給已不能滿足日益困擾醫療服務的發展“看病難”、“看病貴”、“資源缺”、“預防弱”等問題，必須改變發展思路，運用新技術、新理念，而數字孿生技術的優勢正好為改善當前醫療行業提供了新的方向，無論在理論研究、模型搭建，還是實際應用中，都有了豐富的案例。

Ilya N等[3]用數字孿生技術對人體心臟冠狀血管系統進行了模擬以協助開展心臟病治療等工作。法國達索公司主導的數字心臟的“跳動心臟”項目，通過3維可視化發現心臟存在的缺陷，協助外科醫生制定最佳手術方案。在2020年，在我國疫情防控的關鍵時期，技術人員通過利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術建立醫院的數字孿生模型[4]，提供設計和建設的支撐，僅用不到10天就建成了抗疫應急醫院雷神山醫院，有效降低了疫情防控壓力。胡天亮等[5]提出了一種數字孿生診療系統，將現代診療系統中的醫患、醫療設備和治療方案等三個要素建模，并探討了該系統在臨床診療、基礎醫學研究、教育培訓、醫療設備研發等領域的應用。

2.3 城市管理中需要數字孿生解決的問題

（1）城市各部門協同聯動能力不足問題。在我國政府機構條塊化劃分明顯，城市建設初期，利用傳統的城市管理方式，清晰的職責界限，在稅收、戶籍、信息化建設等獨立的業務中能夠提高服務效率和質量。但隨著城市規模不斷擴大，在城市整體規劃、自然災害防治、流行病防控等方面，各部門整體協同聯動能力仍顯不足。

（2）趨勢預測能力有限的問題。精準的趨勢研判能力對于城市管理具有重要意義，特別是在重大自然災害、公共衛生事件防治方面，提前預知哪怕幾分鐘，也能極大的保護人民生命財產安全、降低國家損失，隨著應急保障系統、應急設備的裝備、城市重要基礎設施建設的完善，在硬件上城市突發事件的應急能力取得長足進展，但在整體的事件預警與總體部署上還有一定差距，城市管理過程常常出現“后知后覺”的問題。

（3）試錯成本過高的問題。現代城市是一個復雜的“巨系統”，城市建設過程中牽一發而動全身，在落實一項重點政策或修路、建樓等重大工程建設試錯成本非常高。首先，在建設前，都需要反復權衡，耗費大量的人、財、物資源，而工程建成后一旦因外力或未考慮的因素導致無法使用，則將造成更大的損失和輿論壓力。

3 數字孿生在城市管理中的建議

結合前面的分析介紹，不難發現，運用數字孿生技術能很好的解決當前城市管理中的棘手問題。然而，數字孿生在城市管理的應用仍處在應用初級階段，數據收集不夠、關鍵技術待突破、管理體制不適應等問題相對突出，建議以“由簡到難、循序漸進、急用先行”的原則，首先解決當前城市管理中影響大、易處置的問題，不斷完善數字孿生城市系統。

一是加強數據的收集共享。近幾年，在政務信息化、智慧城市等的建設過程中，城市收集了大量的數據，但城市部門的條塊化劃分注定數據的分散，“數據孤島”、“數據煙囪”的現象明顯。數字孿生城市是建設一個完整的實體城市孿生體，需要城市中的全量數據，因此，一方面要推動政府部門間歷史數據共享，一方面在未來要打造統一的新數據收集機制，打牢數字孿生城市的“底座”。同時，數據的高度集中必然帶來更多的安全風險，在數據收集過程中更要關注數據的防護。

二是加強信息關鍵技術突破。數字孿生城市的建設離不開大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術，其發展水平直接影響數字孿生城市建設的效果及成敗，目前我國高度重視科學技術的發展，應該以此為契機，突破多源異構數據融合、海量數據加載技術、超精度3D可視化等關鍵技術，培育一批技術能力強、產品應用廣的本地化骨干企業。

三是改變管理思路。數據時代的到來深刻改變了生活方式、重塑了產業格局、顛覆了管理模式，對于城市管理者來說，積極轉變管理思路，扁平的管理架構、數據的管理思維、靈活的管理機制和服務模式能夠更好地發揮數字孿生城市的作用，同時政府還應積極鼓勵市民與信息技術公司投入城市管理工作，重視專業化人才培養，創建以人為本的新型智慧城市。

4 結語

受益于新一代信息技術的發展，數字孿生已經加速從理論研究到行業應用推進，形成了一大批的學術成果。本文介紹了數字孿生的定義及特點，在梳理當前主要的應用領域和技術框架模型的基礎上，分析了當前數字孿生技術在城市管理中應用的優勢和問題。最后，作者按照“由簡到難、循序漸進、急用先行”的原則，提出當前建設數字孿生城市的三條建議，對于后期開展相關工作具有一定的參考意義。