數字化改革背景下的數字孿生城市技術創新與應用研究
——以寧波市為例

文｜陳劍波 方侃

在數字化改革大背景下，數字孿生城市應運而生，如何運用數字孿生技術驅動城市數字化改革應用創新，是當前亟需研究的新課題。本文分析研究了數字孿生城市的概念內涵及發展歷程，并以寧波市為例，分析目前數字孿生城市取得的成績和存在的問題，提出戰略目標和思路，并從理念創新、技術創新、場景創新、業務創新、體制創新等方面提出對策建議。

所謂數字孿生（Digital Twin），是通過數字化手段將現實中人、物、事件對應到虛擬世界中，是對物理世界的鏡像。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。數字化改革是圍繞建設數字浙江目標，統籌運用數字化技術、數字化思維、數字化認知，把數字化、一體化、現代化貫穿到經濟、政治、文化、社會、生態文明建設全過程各方面，對省域治理的體制機制、組織架構、方式流程、手段工具進行全方位、系統性重塑的過程。數字孿生城市建設是數字化改革背景下實現市域治理現代化的重要內容之一，是充分利用前沿數字技術實現數字空間與現實空間、制度流程與數據流動的精準映射、虛實交互、軟件定義與智能干預。

一、數字孿生城市的概念、特征與核心技術

（一）概念解析

數字孿生城市是指在虛擬空間構建起的與城市物理世界一一對應、相互映射、協同交互的，以數據驅動優化現實城市治理秩序的城市復雜巨系統。從概念中衍生出數字孿生城市的三大內涵：第一，數字孿生城市的本質是數字化城市復雜巨系統。這一本質的理論基礎是復雜系統論，這也決定了其具有城市系統的所有特征，具有開放性、復雜性、自組織和自適應性。第二，數字孿生城市同現實物理城市是一一對應、相互映射、協同交互的。數字孿生城市同現實物理世界具有同步的生命周期和建設時序，將人、機、物等各類城市主體，全過程“寫實”數據，并定時或定期動態更新，同城市發展中的問題、需求和任務共同迭代，是一個不斷進化的系統。第三，數字孿生城市的目標是以數據優化現實物理城市的秩序。

（二）特征分析

數字孿生城市的特征可以歸納為“四全三化”，具體“四全”指的是全立體感知、全周期把控、全領域覆蓋、全人群參與；“三化”指的是城市全要素數字化和虛擬化、城市全狀態實時化和可視化、城市管理決策協同化和智能化。其中，全立體感知意味著全時、全域、全覆蓋、不間斷地感知城市信息，類似于拷貝一樣把現實世界原貌進行編碼，形成數字化的要素特征值。全周期把控意味著以數據定義每一個城市運行行為的開始與結束，通過每天24小時不停地信息流動與數據積累，每一個城市運行流程都將實現數據留痕，并且可追溯。全領域覆蓋意味著實現跨行業、跨界別、跨領域的全場景治理，打通城市中的生活、工作、娛樂、管理等場景。全人群參與引導全社會人群參與城市治理，引領各類組織和廣大群眾共商、共建、共治、共享，最終建成開放的城市運行生態。城市全要素數字化和虛擬化指的是數字孿生城市用數字化的方式來定義城市功能，同時以軟件的方式模擬物理城市中人、 事、物在真實環境下的行為，對城市功能進行定義。城市全狀態實時化和可視化指的是實現了對城市運行狀態的充分感知、動態監測，形成虛擬城市在信息維度上對實體城市的精準信息表達和映射。城市管理決策協同化和智能化指的是通過“大腦”的思維、判斷和決策，立體感知城市出現的狀況，對物理世界的運行狀態進行干預，選擇最優化的方案，對現實世界進行指引和優化。

數字化改革同數字孿生城市發展彼此影響、緊密關聯。數字化改革將從政策、技術、經濟、社會等方面影響數字孿生城市。其中，政策環境為數字孿生提供方向指引，信息技術為數字孿生提供關鍵支撐，數字經濟為數字孿生提供產業生態，社會需求為數字孿生提供發展機遇，信息科技帶來城市時空壓縮，虛擬世界的作用力不斷增強。數字孿生技術則助力治理理念、流程、模式的變革，首先，“交互映射”助力治理問題情境化；其次，“暴力算法”助力治理方式智能化；再次，“多方協同”助力治理流程精簡化；最后，“開放平臺”助力治理主體多元化。

（三）核心技術要素

數字孿生城市的核心技術要素主要包括六大方面：一是新型測繪，通過三維激光掃描、實景三維重建、激光點三維構建、多源數據融合等技術，實現對城市地理空間信息要素的快速采集，實現全息、高清、高精的結構化實體和城市數字空間；二是標識感知，通過各種傳感器、射頻識別、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，實時“讀寫”真實城市；三是協同計算，主要通過在網絡節點根據需求統籌部署調度云計算和邊緣計算資源，建立虛擬一體機計算資源池，實現從終端到中心的“云-邊-端”無縫協同計算，并推動數字孿生系統的自我學習優化的閉環；四是全要素表達，即將城市物理實體的三維模型表達，通過空天、地面、地下、水下的不同層面和不同級別的數據采集，結合新型測繪技術，對城市進行全要素數字化和語義化建模，最終構建出涵蓋建筑、交通、植被、水系、城市設施、管線等全要素地理實體類型；五是模擬仿真，基于面向對象的仿真技術、智能仿真技術、分布交互仿真技術、虛擬現實仿真技術，在數字空間中通過數據建模、事態擬合，進行某些特定事件的評估、計算、推演；六是深度學習，包括計算機視覺、自然語言處理、生物特征識別、知識圖譜等核心應用技術，實現機器對城市數據信息的可看、可讀、可感以及自我學習。

二、寧波市數字孿生城市建設發展現狀

寧波市數字化改革背景下推進數字孿生城市在理念創新、體制機制、發展基礎等方面較有優勢，在理念方面，寧波市是全國率先提出建設智慧城市的城市，足見其理念的超前性，同時也與時俱進地提出新型智慧城市、數字政府、城市大腦、數字孿生等新舉措。在體制機制方面，2019年機構改革方案中，寧波市重組了大數據發展管理局，是推進全市大數據工作、政府數字化轉型、數據平臺建設、數據資源管理的主要機構；發布的《公共數據管理辦法》也為匯聚數據、應用數據提供了制度保障。在發展基礎方面，寧波市經過多年智慧城市的建設應用，已積累沉淀了較多的數據資源，各領域應用系統建設也相對成熟，這為數字孿生應用奠定數據基礎。此外，寧波市無線城市和網絡融合建設水平一直走在全國前列，先行探索的5G網絡也取得了較大進展，這為數字孿生融合應用奠定了網絡基礎。

寧波市數字孿生城市同標桿地區相比，尚存在不足之處：第一，寧波市數字孿生城市處于起步階段，建設落地尚在摸索階段，尚未形成具有寧波特色的“口碑應用”。第二，數字化改革落地應用的廣度和深度均略顯不足。在廣度方面，新技術尚沒有覆蓋到城市建設的方方面面；在深度方面，新技術更多的還是技術工具使用，尚沒有涉及到思維、理念及模式上的融合。第三，數字化改革尚未同數字孿生城市產生有效的融合互動，彼此相對獨立。

三、寧波市數字孿生城市創新發展思考與建議

依托寧波市“城市大腦”現有平臺基礎，積極探索開發“數字孿生”應用場景，以“微單元”孿生化為基礎，以能力樞紐的平臺化為支撐，以數據融合流通為主線，賦能應用場景實戰效能，健全孿生建設機制，試點搭建數字孿生體，支撐物理世界城市難題“一眼明”、城市治理“一盤棋”，驅動城市治理秩序持續優化。

其中，發展基礎方面的“‘微單元’孿生化”，主要指通過城市運行實時采集物聯數據，實現城市要素全面AIoT化，并建立起數字化基層治理最小單元“感知終端”；發展支撐方面的“能力中樞平臺化”，即建立完善“數字孿生”的數字底座，通過提供公共技術組件、公共業務組件、共性開發資源等，為市各項數字應用提供“平臺支撐”；發展主線方面的“數據資源流動化”，主要指推進數字孿生城市體系層級間的數據流動，構建起“數據→平臺→微單元→應用”自下而上的匯聚體系，以及自上而下的反哺體系，形成以數據為支撐的治理能力；發展核心方面的“孿生應用場景化”，即聚焦民生服務、城市治理、產業經濟等領域，結合寧波市已有基礎，試點搭建數字孿生應用，以場景為突破口，實現數字孿生城市內部以及不同城市孿生體之間的協同“共智”，最終達到理想狀態。

在數字化改革背景下建設和發展數字孿生城市，其關鍵在于凸顯理念創新，突破傳統城市思維定勢；重塑數據結構，形成以問題為中心的協同工作機制；建立數據思維方式，重新理解和構建數字空間與城市空間的數據關系。因此，寧波數字孿生城市建設可主要聚焦于四個方面：

一是強調技術賦能，夯實“數字孿生底座”支撐。部署“神經元”感知終端，“全時段”讀寫真實城市。建設物聯基礎設施體系，實現城市要素全面AIoT化。推進“塊數據”高效歸集，“全口徑”摸清城市底數。健全歸集標準，按照“一數一源、一源多用”的原則，制定完善重點領域公共數據專項標準。全量歸集“塊數據”，推動全市各部門數據資源統一向大數據中心匯集。升級“平臺化”能力中樞，“全要素”表達城市模型。完善共性技術賦能與應用支撐平臺，匯聚數字孿生城市特有的場景服務、數據服務、仿真服務、模型服務等能力，為應用提供技術賦能與統一開發服務支撐。探索“微單元”數字化轉型，“全方位”推演運行態勢。精準識別“微單元”，搭建“微單元”模型，繪制“微單元”數據圖譜，梳理邏輯關系，可視化運行態勢，提供數據供給服務。

二是探索場景創新，拓展“數字孿生場景”應用。推進城市規劃應用，實時仿真城市“前世今生”。構建數字孿生城市模型，對城市規劃方案進行模擬仿真和推演，從而選擇出最優設計方案。推進城市建設應用，“全周期式”管理城市建筑體。全方位獲取建筑數據，搭建建筑孿生體，實時感知、動態監測建筑運行狀態，實現“所見即所得”。推進城市管理應用，“繡花針式”精細治理城市。為城市部件賦予“唯一身份證”，構建“數字孿生生命體”。推行AI全域化執法，實現街面案件自動識別、自動定位派遣，執法隊員一點通查、掌上通辦。推進文化旅游應用，“虛實融合”打造旅游新體驗。融合物聯感知、GIS、LBS、3D等多維數據，探索建立“虛擬景區”，實現“暢想云游”。

三是聚焦業務創新，賦能“數字孿生實戰”效能。“實時映射”賦能發現能力，緊緊圍繞更早更準的發現，在重點區域，試點搭建數字孿生體，對其進行全要素的數字化表達，疊加感知、視頻、業務等數據，實現數字空間和物理空間數據的一一映射，精細化、動態化、三維可視化展現事件發生點位、事件變化情況等。探索運用數字孿生的模擬仿真推演能力，模擬特定環境/參數下的變化態勢，實時發現“隱性”事件。“虛實結合”賦能指揮能力，以重點區域為基礎單元，打造實景三維可視化指揮系統，在一張“全局三維實景圖”中，支持三維實景內嵌視頻，實時監控畫面無縫嵌入三維背景，實現全區所有資源快速統一調配、可視化呈現、智能化應用。針對人員尚無法進入或還沒有物理實現的特殊空間，通過遠程VR控制以及AR方式，實現跨終端的人機交互，最終實現對控制終端的操作，完成虛實信息融合和控制融合。“智能干預”賦能決策能力，運用孿生數學模型，探索城市規劃設計推演、產業政策調整效果評估、綜合交通態勢仿真推算、人群疏散推演等，為管理方案和設計方案及時提供反饋參考。

四是變革體制機制，固化數字孿生建設流程。分步驟分領域推進，考慮到數字孿生城市建設的資金成本、技術成熟度等因素，寧波市可試點推進、持續迭代，從局部區域選擇城市規劃、交通等領域率先切入。健全組織架構體系，由大數據管理部門牽頭，從各部門抽調人員，組成數字孿生場景建設專班，逐步明確各業務部門和市大數據發展管理局的職責邊界。規范場景項目管理，實行“統籌建設、管運協同、縱橫聯動、權責清晰”的管理機制，明確“數字孿生”場景建設流程規范，細化“提出需求→確認需求→設計場景→開發場景→場景迭代”全流程管理細則。建立健全標準規范，加快確定城市信息模型標準，完善多元異構數據融合處理標準規范，建立城市級海量數據的實時接入服務標準。