数字孪生技术助力实现智慧城市目标

当今社会是科技大爆发的时代，从来不缺乏科技新概念，每年都会有新热点推出，云计算、大数据、物联网、VR、区块链、人工智能、数字孪生、5G等层出不穷。科技创新不仅给社会发展带来巨大推动力，同时也对人类社会乃至人类本身的演进产生了深远的影响。

其中，VR行业经过2015—2016年的暴热，2017—2018年的冷静，浮躁泡沫已挤压干净，留下来的一批坚定务实的企业正在扎实推进VR技术的产业化发展。VR不是仅指VR头盔式眼镜，而是泛指基于3D技术实现的虚拟场景或应用内容的全新交互体验方式；VR代表了虚拟现实、增强现实、混合现实、3D视觉等丰富的产品及应用形态。5G作为可期待的未来新一代通信技术基础设施，其商用化进程的日益逼近，也为IOT，VR应用的普及起到了推波助澜的作用。

每一次媒介革新都将使内容产业进行重构，也将对IT产业、信息消费、社会生活产生深刻的影响。继报刊、电视、互联网、智能手机作为主流媒介之后，VR是媒介又一次的重大革新。这次革新，绝不止于VR技术的孤立使用，而是与云计算、大数据、IOT、人工智能、5G等下一代ICT技术的融合创新。

每一次人类社会组织形式的升级和变革，反过来也将拉动科技的创新发展，以便有效解决所必须面临的新问题。从部落、村镇、城邦发展到现代都市，进一步演进到数字城市、智慧城市。城市规模越来越大，大城市病日益严重，快速发展的新一代ICT技术，正在铺就一条更加有效的城市治理之路。

数字孪生，是建设智慧城市的前提条件。运用云计算、大数据、区块链、人工智能、智能硬件、AR/VR等新技术，可建立起全域感知、万物互连、泛在计算、数据驱动、算法辅助决策的强大管理支撑平台。唯如此，才能实现新型智慧城市建设目标。

基于数字孪生技术的智慧城市［113］具有精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预四个特征。数字孪生城市作为数字城市的目标，也是智慧城市的新起点。随着信息通信技术的高速发展，当前社会已经基本具备了构建数字孪生城市的能力［114］。全域立体感知、数字化标识、万物可信互联、泛在普惠计算、数据驱动决策等，构成了数字孪生城市的强大技术模型；大数据、人工智能、虚拟现实等技术推进技术模型不断完善，使模拟、仿真、分析城市的实时动态成为可能［115，116］。借助数字孪生技术，参照数字孪生五维模型，构建数字孪生城市，将极大改变城市面貌，重塑城市基础设施，实现城市管理决策协同化和智能化，确保城市安全、有序运行。

7.2.1　数字孪生是智慧城市发展的必然趋势

2008年IBM提出智慧地球的理念，触发了各国政府的智慧城市建设，积极探索可持续发展的城市治理模式。自2010年以来，我国在中华人民共和国住房和城乡建设部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、科学技术部等多个部委的积极推动下，目前作为智慧城市试点的城市已超过400个。这些试点，主要以IT基础设施、信息化平台建设为主，取得了一些阶段性成果，但并未形成质的跃升。

2016年，国务院印发《关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》，城镇化建设作为重大创新和投资的驱动力，已成为重要的国家战略。要建设智慧城市，首先要构建城市的数字模型，实现物理城市与数字城市之间的虚实映射和实时交互的融合机制，这就是“数字孪生城市”。

数字孪生，是建设智慧城市的前提条件。运用云计算、大数据、区块链、人工智能、智能硬件、AR/VR等新技术，可建立起全域感知、万物互连、泛在计算、数据驱动、算法辅助决策的强大管理支撑平台。唯有如此，才能实现《国家新型城镇化规划》（2014—2020年）确立的新型智慧城市建设目标：

（1）信息网络宽带化：推进光纤到户和“光进铜退”，实现光纤网络基本覆盖城市家庭，加快4G/5G在城市公共区域的网络覆盖，提升网络接入服务品质，普惠降低资费。

（2）规划管理信息化：发展数字化城市管理，建立城市统一的地理空间信息平台和公共信息平台，统筹推进城市规划、国土利用、城市管网、园林绿化、环境保护等市政基础设施管理的数字化和精准化。

（3）基础设施智能化：发展智能交通、智能电网、智能水务、智能管网、智能建筑，实现城市秩序、应急处理、绿色节能的智慧化管控。

（4）公共服务便捷化：建立跨部门跨地区业务协同、共建共享的信息服务体系，创新发展教育、就业、社保、养老、医疗和文化的服务模式。

（5）产业发展现代化：加快传统产业信息化改造，推进制造业向数字化、网络化、智能化转变，积极发展信息服务业、电商和物流业信息化集成发展，创新培育新型业态。

（6）社会治理精细化：在市场监督、环境监管、信用服务、应急保障、治安防控、公共安全等领域，深化信息应用及服务体系，创新社会治理方式。

目前智慧城市建设虽然在全国各地积极推进，但提出以数字孪生为基础构建智慧城市的还是凤毛麟角，多数地方只注重宽带网络、IDC数据中心、IOT物联网等基础设施的建设，只能说触及了智慧城市的“皮毛”。针对数字孪生城市新范式，产业界已做了一些研究及应用探索，逐渐形成了成功的标杆案例，后续将会得到迅速推广。

7.2.2　CIM模型将是智慧城市的核心资产

智慧城市建设过程中，信息共享与流程打通是关键，同时也是难点，所以必须是“一把手”工程，才有可能切实做到位。

国家层面为推进智慧城市进程，2015年开始已专门成立了中华人民共和国国家发展和改革委员会、教育部、科学技术部等25个部门参加的新型智慧城市建设部际协调工作组，充分说明了工作的难度和重要性。同时，如何提高智慧城市建设的标准化也非常重要，2016年《新型智慧城市评价指标》（GB/T 33356—2016）正式发布，此后每年都有相关细化标准制定并出台，这为智慧城市建设提供了必要的依据和规范。

城市时空信息平台，是数字孪生城市的信息化底座。依托3DGIS，BIM，IOT等ICT技术，对城市地上地下空间规划数据、城市二三维GIS数据、城市建筑BIM数据、市政设施BIM数据、城市IOT感知数据，以及产业经济、社会民生、政务服务、交通出行等应用数据进行多元异构集成，形成基于统一标准和规范的城市信息模型（city information modeling，CIM），积累完整的城市大数据资产，为智慧城市的规划、建设、管理提供统一的云平台基础支撑。

基于CIM的智慧城市/新区“规建管”一体化云平台，可为城市规划、建设、运行管理全过程的进行赋能，全面提升城市规划、建设、管理的一体化运作水平，真正实现城市“一张蓝图绘到底、一张蓝图建到底、一张蓝图管到底”。

（1）在规划阶段，通过在CIM模型中全面整合导入城乡、土地、环境、水系、市政、交通、能源、通信、产业等规划数据，实现城市规划一张图，实现多规合一的动态监管、集成可视和冲突检测，提供自动化、信息化技术手段支撑，有效解决空间规划冲突问题。(www.chuimin.cn)

（2）在建设阶段，以CIM模型为基础对工程项目从深化设计、建造施工到竣工交付全过程的项目进度、成本、质量、安全、绿色施工、劳务进行数字化综合监管，实现多建造参与方的实时沟通、多方协同协作，确保重大工程项目的按时、高质、安全交付。

（3）在运管阶段，结合城市现场布设的各种传感器和智能终端，基于CIM模型可实现对城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一呈现，实现设备的预测性维护，实现基于模拟仿真的决策推演，实现综合防灾的快速响应和应急处置，让城市运行更稳定、安全、高效。

事实上，智慧城市“规建管”一体化方案与平台已从概念迈向了成果落地阶段，目前已在雄安新区、北京新机场临空经济区、北京城市副中心、福州滨海新城、青岛中央商务区、北京未来科学城等进行了落地实践，起到很好的创新示范效应和社会价值。

7.2.3　3D交互UI是新一代应用的基本特征

到目前为止，互联网应用及IT应用系统的UI还是以HTML页面、App为主要呈现形式，或配以2D的数据可视化。这受限于人的思维惯性、目前的终端计算能力和互联网带宽等因素。

3D建模及交互应用在影视CG、游戏、高端装备、工业设计等领域已成为主流形式。VR发展的浪潮冲破了许多原有的屏障，教育、军事、医疗、文旅、地产等细分领域都已开始引入3D交互UI，随着CG，Game，GIS，BIM的进一步交叉融合，在智慧城市、融合媒体等更广阔的领域将进一步释放出更大的创新活力。

数字孪生智慧城市建设是个异常复杂的工程，政府领导、决策者往往很少使用电脑，具体业务管理人员对IT系统操作能力往往也不强。对智慧城市规划建设管理云平台的人机界面进行创新，采用新一代3D交互图形界面，将大大降低用户使用门槛，提高沟通、执行效率。

（1）规划阶段，对各种规划方案进行三维方案审批核查、竣工审查、区域控高审查、日照指标审查、通视审查、视域审查、城市天际线审查、沿街立面审查、规划推演和拆迁规模分析等辅助审查功能，为规划方案的审查、决策提供3D可视化的全新界面。同时，可实现包括城市总体规划、控制性详细规划、各专项规划、项目BIM设计方案的3D交互展示，可广泛应用于接待展示、汇报演示、宣传推广、招商推介等场景。

（2）建设阶段，基于3D建模场景与工程现场视频监控、物联网传感数据的有机结合，可实现对大规模建造项目的可视化智能监管。通过对项目的技术、进度、质量、安全有效管理，对于重大投资建设项目，若发现项目进度出现滞后，平台通过大数据分析与预判自动分析滞后原因，并及时采取对应处置措施，可将管理信息传递效率提高15%～20%，决策效率提升10%以上，在工地安全方面实时获取报警信息，及时处理设备故障及违章操作，提供工地安全保障。

（3）运管阶段，基于3D建模场景与视频监控、物联网传感数据有机结合，可实现对城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一可视化呈现，通过指挥中心大屏、电脑、智能手机等终端，让城市、园区管理者可随时掌握生态环境及水电气暖的城市生命线运行态势、市政设施及城市部件的运行状态，车流、人流、企业、经济的运行态势，让日常工作人员，可进行现场和远程相结合的巡检维护，对故障报警、异常状况进行及时处理。

随着5G技术的规模商用，其高带宽、大连接、低时延的特性，将允许3D交互UI得到广泛普及。不断演进中的VR设备，正在克服穿戴不便、时延晕动、显示纱窗、画面畸变等问题，使日常佩戴成为可能。互联网应用的新一轮更新迭代将不可避免，数字孪生城市应用将成为新一代互联网的核心应用。

7.2.4　Cyber City将是智慧城市的自然延伸

电影《头号玩家》，描述出一个叫作OASIS（绿洲）的虚拟世界，人们在OASIS里娱乐、交友、学习、工作、赚钱、购物……无所不能。到目前为止，绝大多数游戏仍是脱离现实的虚幻题材，对青少年一代的健康成长并没有多少正面的影响。

以数字孪生城市为基础的新一代3D互联网，将打造出一个类似OASIS的虚拟空间，我们将其称为Cyber City。Cyber City将可实现虚拟世界和现实世界的高度融合，可实现真实人生与游戏体验的打通，为大众提供超越现实的全新体验和选择机会。在Cyber City里，场景、人物、物品的3D视觉访问，打破现有互联网的页面访问模式；虚拟世界与现实世界紧密结合，将融入高度社会化的网络人际关系；对待虚拟世界和现实世界的态度，需要同样认真，而不仅仅是逃避现实。进入Cyber City，就不止是玩游戏，要玩就是玩“真”的！

Cyber City将是数字孪生智慧城市的自然延伸。Matrix，OASIS不会仅仅是电影，而是不久后即将到来的现实。

7.2.5　数字孪生城市与现有智慧城市实践的区别

数字孪生城市是数字时代城市实践的1.0版本，并不是“智慧城市”的N.0版本。它的最大创新在于物理维度上的实体城市和信息维度上的数字城市同生共长、虚实交融，这也决定了数字孪生城市与现有智慧城市实践在底层逻辑上有着根本区别，也有着不同的技术方案和城市治理理念，如图7-1所示。

第一，数字孪生城市的最大创新是全过程“写实”，建立起统一和广泛的数据源。以雄安新区为例，数字孪生城市与雄安新区的实体城市同步规划、同步建设，同生共长，它将人、机、物等各类城市主体，从一开始就接入数字化系统，并能够实时或定期动态更新，代表了完整的城市环境和过程状态，而现有智慧城市方案是在已有城市系统之上的技术补丁，“竖井式”方案在反映城市系统全貌和真实状态上存在先天缺陷。

第二，数字孪生城市与实体城市具有同步的生命周期和建设时序，能够不断更新。雄安新区从地上到地下，从生态环境到基础设施，从产业发展到公共服务都将随着建设时序在数字城市中同步构建，并随着城市发展而不断更新，始终与城市建设发展中的问题、需求和任务共同迭代，是一个不断进化的生态系统。相比之下，现有智慧城市实践仅限于城市的某一局部或某一阶段，零敲碎打的实施方式难以形成生态系统，无法沉淀有全景价值的数据，更无法形成城市发展取之不尽、用之不竭的数据资源。

第三，数字孪生城市是一个可计算的“城市实验室”，可以在与实体系统对应一致的情况中进行预测和验证。一方面，数字孪生城市通过归集的全主体、全要素和全过程数据，运用人工智能等不断进步的新技术识别和提取实体城市系统的特征和规律，将城市“隐秩序”显性化；另一方面，数字孪生城市通过数字城市系统的人工智能，结合实体城市中人的智慧，实现虚实交互，为科学合理的城市决策和管理提供支持。

图7-1　数字孪生城市与智慧城市的区别