唐懷坤，史一飛

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司；2.北京世紀(jì)晟輝咨詢服務(wù)有限公司；3.北京世紀(jì)晟輝新基建數(shù)字孿生城市研究院）

1 引言

智慧城市的需求點(diǎn)在哪里？智慧城市的落地基礎(chǔ)是什么？智慧城市的底座是什么？智慧城市的頂層設(shè)計(jì)需要怎樣的重構(gòu)？

2 智慧城市頂層設(shè)計(jì)和實(shí)施中出現(xiàn)的問題

2.1 對(duì)城市的本質(zhì)認(rèn)識(shí)不足

城市是人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物，從市場(chǎng)交易為主，逐步兼顧生活、政治、商業(yè)、金融、體育、交通、醫(yī)療、安全、文化等各個(gè)層面的功能，但最核心的還是以“人”為中心的生活和企業(yè)發(fā)展載體，但是我們過去的智慧城市頂層設(shè)計(jì)過多的強(qiáng)調(diào)城市功能需求，忽視“人”的訴求。人的訴求即人的需求，對(duì)應(yīng)到城市的發(fā)展上來說，從最基本到高層的需求為：城市安全的需求、城市治理的需求、城市服務(wù)的需求、城市發(fā)展的需求、城市智能的需求。發(fā)展是循序漸進(jìn)的，我們引入智慧地球進(jìn)而落地為智慧城市建設(shè)時(shí)，并沒有立足于城市的本質(zhì)的認(rèn)知。未來，全球?qū)⒂?0%以上的人口生活在城市，如果不能很好的認(rèn)清城市這個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，不能抽絲剝繭出核心要素則難以推動(dòng)城市的健康發(fā)展。

2.2 對(duì)為什么建設(shè)智慧城市認(rèn)知不足

智慧地球的本質(zhì)是通過物聯(lián)網(wǎng)措施提高城市的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，從本質(zhì)來說屬于城市治理層面的技術(shù)框架，屬于系統(tǒng)集成范疇，但是我們現(xiàn)在回頭看近10 年智慧城市的發(fā)展，基本上是在做信息化，包括數(shù)字政務(wù)、行業(yè)管理信息化，物聯(lián)網(wǎng)成分也有，但是很少。關(guān)鍵是對(duì)于為什么做，也就是對(duì)于城市的本質(zhì)認(rèn)識(shí)不足?；緩某鞘幸?guī)劃、民生、政務(wù)、產(chǎn)業(yè)、服務(wù)，整個(gè)智慧城市無所不包，但沒有找到主線，包括時(shí)間軸演進(jìn)主線、技術(shù)軸主線、物理載體主線，各種城市要素大而全一哄而上，最終導(dǎo)致智慧城市頂層規(guī)劃變成了一紙空文，依然是城市的各個(gè)條線是各干各的，只不過加了一個(gè)前綴“智慧”，比如智慧水務(wù)、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧社區(qū)等等。

2.3 對(duì)智慧城市的呈現(xiàn)載體認(rèn)識(shí)不足

當(dāng)前絕大部分智慧城市建設(shè)實(shí)際開展的是數(shù)字政務(wù)工作，邊做行業(yè)信息化、邊進(jìn)行橫向整合以及業(yè)務(wù)協(xié)同；一些新城新區(qū)則吸收經(jīng)驗(yàn)，先集約打造云計(jì)算中心、運(yùn)營(yíng)中心、大數(shù)據(jù)平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施和共性能力，再開發(fā)建設(shè)行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)際上這些數(shù)據(jù)都是后臺(tái)輸入或者半同步的模式。智慧城市的載體、底座究竟是什么？

3 數(shù)字孿生理念

數(shù)字孿生[2]（Digital Twin）：在2002年，密歇根大學(xué)的Dr.Michael Grieves教授首次提出Digital Twin(數(shù)字孿生)技術(shù)概念，他在發(fā)表的一篇文章中第一次提出了數(shù)字孿生概念，他認(rèn)為通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個(gè)表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起的。數(shù)字孿生就是針對(duì)物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構(gòu)建一個(gè)數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，最先用在了制造業(yè)，其他領(lǐng)域，如3D 打印、模擬仿真、建筑BIM 設(shè)計(jì)都是對(duì)物理環(huán)境的映射，從內(nèi)涵來說都屬于數(shù)字孿生。但是，從廣義上來說，數(shù)字孿生不僅僅是指物理環(huán)境，還包括各種行業(yè)管理、城市管理、企業(yè)管理流程、商業(yè)活動(dòng)等所有人們行為過程被映射到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的現(xiàn)象?？傊瑪?shù)字孿生包括兩方面：物理環(huán)境、流程活動(dòng)。

4 基于數(shù)字孿生城市的智慧城市頂層設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵與外延

數(shù)字孿生城市內(nèi)涵就是在城市信息的建設(shè)過程中，在虛擬的數(shù)字環(huán)境中再映射出城市環(huán)境中的物理環(huán)境和管理流程活動(dòng)，通過數(shù)字孿生理念和統(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧的城市[3]。當(dāng)前的“城市大腦”是基于管理流程中數(shù)據(jù)輸出的大數(shù)據(jù)挖掘，還沒有到人工智能城市的程度，最終還是要回到數(shù)字孿生的實(shí)踐上來。而數(shù)字孿生的外延包除了ICT 系統(tǒng)以外，還有城市安全、環(huán)境治理、居民生活服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、商業(yè)機(jī)制、法律配套等。

4.2 數(shù)字孿生城市持續(xù)演進(jìn)階段

4.2.1 總體演進(jìn)步驟

數(shù)字孿生城市的發(fā)展是循序漸進(jìn)的，數(shù)字孿生城市概念并沒有廣泛推進(jìn)，但是由于其理念是遵循物本原則，即在數(shù)字世界里孿生一個(gè)城市，因此無論智慧城市進(jìn)程發(fā)展到哪一步，數(shù)字孿生城市都是不可逾越的階段，而且演進(jìn)必然遵循以下規(guī)律：從建筑行業(yè)向園區(qū)規(guī)劃、城市規(guī)劃行業(yè)、公共安全、交通行業(yè)、水利行業(yè)、商業(yè)、旅游行業(yè)等逐步擴(kuò)展；從單體的建筑向建筑群、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、園區(qū)、整個(gè)城市擴(kuò)展；從平面2D 圖向3D 圖、3DGIS 圖擴(kuò)展；從單純的平面展示向立體VR 展示、全息投影顯示；從最基本的城市建設(shè)向城市安全、城市治理、城市服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展延伸；從單體智能向群體智能、城市電腦逐步演進(jìn)。

4.2.2 L1 級(jí)別：總圖GIS 階段與城市規(guī)劃

GIS，全稱：Geographic-Information-Science，地理信息科學(xué)的縮寫，地方政府在處理日常行政事務(wù)中70%～80%與地理信息有關(guān)，傳統(tǒng)的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）用于城市規(guī)劃缺乏屬性數(shù)據(jù)支持，軟件地理信息系統(tǒng)(GIS)作為一種應(yīng)用性極強(qiáng)的系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在包括城市規(guī)劃，交通運(yùn)輸，測(cè)繪，環(huán)保等領(lǐng)域，總圖運(yùn)輸工程是工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)中的重要組成部分。目前GIS 系統(tǒng)用于城市規(guī)劃主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)庫管理、地圖顯示、空間分析、空間建模等方面。

4.2.3 L2 級(jí)別：GIS+BIM 階段與智慧建筑

GIS 展現(xiàn)的是室外的空間環(huán)境參數(shù)，利用地理信息系統(tǒng)可以對(duì)室外進(jìn)行定位和信息管理。而室內(nèi)環(huán)境也是人們活動(dòng)的主要區(qū)域，包括博物館、體育館、商場(chǎng)、地下設(shè)施空間都可以通過BIM 加以展示，可以幫助未來BIM 的模型自動(dòng)化地轉(zhuǎn)入GIS 利用。已建置完成的BIM 資料轉(zhuǎn)入GIS，可以節(jié)省重新建置GIS 檔案的時(shí)間，直接利用BIM 模型轉(zhuǎn)換成GIS使用的數(shù)據(jù)，便可以減少重新建置GIS數(shù)據(jù)的人力物力消耗。BIM 銜接我國(guó)公共設(shè)施管線數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化共同管道的信息架構(gòu)。

4.2.4 L3 級(jí)別：GIS+CIM 階段

CIM 的全名是城市信息模型也就是City-information-model(CIM)，從范圍上講是大場(chǎng)景的GIS 數(shù)據(jù)+小場(chǎng)景的BIM數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合。有了L2 和L3 級(jí)別之后，再加上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，CIM 可以應(yīng)用的空間很廣泛：城市規(guī)劃，國(guó)土資源管理，交通管控，水利資源管理，安防與公共安全，人防設(shè)施管理，環(huán)境保護(hù)，文物保護(hù)，能源燃?xì)獾雀鞔笮袠I(yè)領(lǐng)域和一切智慧城市相關(guān)的領(lǐng)域。

4.2.5 L4 級(jí)別：3DGIS 階段

二維GIS 技術(shù)的城市規(guī)劃與分析已經(jīng)無法完全對(duì)城市進(jìn)行表達(dá)，二維GIS表達(dá)的是平面的土地規(guī)劃、用不同的顏色區(qū)塊表達(dá)不同的規(guī)劃用途，但是我們都知道，城市土地使用是有限的，不能突破基本農(nóng)田紅線，而城市人口不斷在增加、經(jīng)濟(jì)密度在增加，發(fā)展是向上、向下空間要資源，因此需要利用三維GIS 對(duì)整個(gè)城市的三維立體空間進(jìn)行統(tǒng)一描述，包括地下的地質(zhì)、管線、構(gòu)筑物，地上的土地、交通、建筑、植被，以及室內(nèi)的設(shè)施、房產(chǎn)、人口等，形成與現(xiàn)實(shí)世界映射的一致的三維立體空間框架。

5 結(jié)語

隨著新基建的深入推進(jìn)，在智慧城市領(lǐng)域的新基建依然是側(cè)重?cái)?shù)字基建，且必將聚焦在數(shù)字孿生領(lǐng)域，而且這個(gè)發(fā)展進(jìn)程是循序漸進(jìn)的。