陳才 張育雄 張競濤 孟楠

摘要：在城市資源、環(huán)境、物理空間發(fā)展約束日益增加的新常態(tài)背景下，以數(shù)字孿生等為代表的數(shù)字技術(shù)正加快推進(jìn)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等進(jìn)行體系重構(gòu)、流程再造、能力重塑。數(shù)字孿生城市成為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的前沿方向和重要實(shí)踐，背后是轉(zhuǎn)型需求、技術(shù)演進(jìn)、政策引導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)促進(jìn)4大驅(qū)動(dòng)力。提出涵蓋數(shù)字設(shè)施、底座平臺(tái)、場景建設(shè)，以及組織機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)營支撐、安全保障體系的數(shù)字孿生城市發(fā)展框架。在深入分析數(shù)字孿生城市認(rèn)知、技術(shù)、模式、安全等4方面挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，從分類規(guī)劃有序布局、堅(jiān)持需求引領(lǐng)建設(shè)場景、強(qiáng)化底座平臺(tái)賦能、注重?cái)?shù)據(jù)安全保障與加快產(chǎn)業(yè)培育等方面，提出符合我國城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展要求的數(shù)字孿生城市規(guī)劃策略與發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生城市；城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型；功能框架

文章編號(hào) 1673-8985（2023）05-0011-07 中圖分類號(hào) TU981 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

1 數(shù)字孿生城市的建設(shè)背景與內(nèi)涵

當(dāng)今世界，超過半數(shù)的人口居住在城鎮(zhèn)地區(qū)，城市已成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和社會(huì)活動(dòng)的主要載體。城市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出目前已占全球GDP的約80%以上，到2050年全球城鎮(zhèn)人口的占比將上升至68%[1]。聯(lián)合國《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》提出“建設(shè)包容、安全、韌性和可持續(xù)城市和社區(qū)”的目標(biāo)[2]，城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，既依賴數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新與賦能，也需要政策支持與機(jī)制變革。

數(shù)字孿生城市（digital twin city）正是面向未來可持續(xù)發(fā)展提出的城市規(guī)劃建設(shè)新理念與新模式，是數(shù)字技術(shù)革新與城市運(yùn)行機(jī)制創(chuàng)新的有效結(jié)合，是城市升級(jí)的可行路徑。數(shù)字孿生城市通過物理城市與數(shù)字城市的精準(zhǔn)映射、虛實(shí)融合、軟件定義、智能干預(yù)，實(shí)現(xiàn)城市全要素的數(shù)字化、全狀態(tài)的實(shí)時(shí)化，解決城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、服務(wù)閉環(huán)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，驅(qū)動(dòng)城市治理模式、服務(wù)模式、運(yùn)營模式快速變革，促進(jìn)城市生產(chǎn)協(xié)同高效、數(shù)字生活便捷包容、生態(tài)環(huán)境綠色低碳，助力城市可持續(xù)發(fā)展[3]。

1.1 全球數(shù)字孿生的當(dāng)前態(tài)勢

目前，數(shù)字孿生城市已成為城市轉(zhuǎn)型發(fā)展、構(gòu)筑城市競爭新優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇和重要路徑。中國、美國、歐盟、英國、法國、新加坡等多地區(qū)均發(fā)布相關(guān)政策，引導(dǎo)數(shù)字孿生城市探索建設(shè)。

數(shù)字孿生應(yīng)用向經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域全面延伸。從國內(nèi)應(yīng)用實(shí)踐看（見圖1），在大基建政策和投資帶動(dòng)下，制造、能源、城市/園區(qū)、交通、水利領(lǐng)域?qū)\生應(yīng)用成為現(xiàn)階段集中度和熱度最高的板塊，其中數(shù)字孿生技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用占比高達(dá)10%，在能源方面的應(yīng)用占比達(dá)9%[4]。

從海外應(yīng)用實(shí)踐看（見圖2），在城市可持續(xù)發(fā)展理念引導(dǎo)下，公共服務(wù)/管理、社區(qū)發(fā)展，以及智能建筑孿生應(yīng)用較熱，在統(tǒng)計(jì)案例中占比達(dá)到40%以上[5]12。

1.2 數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵特征

從全球來看，智慧城市數(shù)字孿生體、數(shù)字孿生城市領(lǐng)域的應(yīng)用得到多國學(xué)者的廣泛關(guān)注。2002年，Michael Grieves[6]首次提出“鏡像空間模型”（Mirrored Spaces Model）概念，為數(shù)字孿生的概念提出奠定了基礎(chǔ)。2017年，佐治亞理工學(xué)院Neda Mohammadi等[7]提出“智慧城市數(shù)字孿生體”的概念，智慧城市數(shù)字孿生體是一個(gè)智能的、支持物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)豐富的城市平臺(tái)，用于模擬真實(shí)城市中發(fā)生的變化，以提升城市的韌性、可持續(xù)性和宜居性。2019年，Qiuchen Lu等[8]提出面向建筑和城市領(lǐng)域的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，涵蓋數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)字建模層、數(shù)據(jù)與模型集成層和應(yīng)用層，并在英國劍橋大學(xué)西劍橋校區(qū)開展數(shù)字孿生試點(diǎn)，為資產(chǎn)管理者、政策制定者和研究人員提供參考。Fabian Dembski等[9]在德國Herrenberg構(gòu)建了城市數(shù)字孿生模型，融合了建筑環(huán)境3D模型、街道網(wǎng)絡(luò)模型、風(fēng)流模擬等數(shù)據(jù)，在城市規(guī)劃、市民參與等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字孿生應(yīng)用。Petrova-Antonova D[10]提出“六階段”構(gòu)建數(shù)字孿生城市的方法論，包含創(chuàng)建CIM模型、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)聚合、分析、洞察、輔助決策6個(gè)階段，助力城市實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策。

從國內(nèi)來看，產(chǎn)學(xué)界圍繞數(shù)字孿生單體、數(shù)字孿生技術(shù)等提出多重觀點(diǎn)，為數(shù)字孿生城市研究提供了參考。2017年，中國信息通信研究院在雄安新區(qū)智能城市規(guī)劃中首次提出“數(shù)字孿生城市”概念，迅速得到政府、產(chǎn)業(yè)界、科技界的高度關(guān)注與認(rèn)可，成為智慧城市規(guī)劃建設(shè)的新方向和新路徑。2019—2020年，中國信息通信研究院提出數(shù)字孿生城市涵蓋感知標(biāo)識(shí)、地理信息、建模渲染、算法仿真、虛實(shí)交互5大技術(shù)[11]，呈現(xiàn)9大核心能力[12]15，為各地?cái)?shù)字孿生城市建設(shè)提供了重要參考。李德仁[13]提出數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的目標(biāo)，也是智慧城市建設(shè)的新高度，數(shù)字孿生賦予城市實(shí)現(xiàn)智慧化的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力，將引領(lǐng)智慧城市進(jìn)入新的發(fā)展階段。工業(yè)4.0研究院[14]提出“數(shù)字孿生水平”（Digital Twin level，DTL）5等級(jí)劃分，分別為幾何模型、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)融合、動(dòng)態(tài)孿生和自主孿生，為數(shù)字孿生單體精細(xì)度劃分提供了參考。陶飛等[15]提出數(shù)字孿生五維度結(jié)構(gòu)模型，張新長等[16]提出數(shù)字孿生城市的4大支撐技術(shù)，為各地各行業(yè)推動(dòng)數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了參考。

筆者認(rèn)為，數(shù)字孿生城市是通過數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、物聯(lián)感知、網(wǎng)絡(luò)連接、智能控制等技術(shù)，在數(shù)字空間再造一個(gè)與物理城市相互映射的數(shù)字城市，全息模擬、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)診斷、精準(zhǔn)預(yù)測現(xiàn)實(shí)城市的運(yùn)行狀態(tài)，推動(dòng)城市全要素?cái)?shù)字化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化，準(zhǔn)確反映物理實(shí)體城市狀態(tài)的同時(shí)，可精準(zhǔn)操控、智能優(yōu)化現(xiàn)實(shí)城市，實(shí)現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市平行運(yùn)轉(zhuǎn)、協(xié)同交互的城市發(fā)展新形態(tài)。數(shù)字孿生城市是智慧城市發(fā)展的新型支撐技術(shù)體系，是城市智能運(yùn)行持續(xù)創(chuàng)新的前沿先進(jìn)模式，具備精準(zhǔn)映射、分析洞察、虛實(shí)融合、智能干預(yù)4大特點(diǎn)[5]1。

1.3 我國數(shù)字孿生城市發(fā)展背后的4大驅(qū)動(dòng)力

1.3.1 轉(zhuǎn)型需求驅(qū)動(dòng)，城市轉(zhuǎn)型升級(jí)亟待科技賦能

改革開放以來，我國經(jīng)歷了世界歷史上規(guī)模最大、速度最快的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，同時(shí)也積累了一些問題。在供給側(cè)，我國的超大城市已有資源承載力、中小城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)集聚力均面臨挑戰(zhàn)，部分城市老舊房屋和市政管線存在安全隱患。在需求側(cè)，政企民各方對城市生產(chǎn)生活、城市治理精細(xì)化、城市服務(wù)便利化、城市應(yīng)急響應(yīng)敏捷化等提出更高需求。以數(shù)字孿生技術(shù)等為代表的新一代信息技術(shù)，緩解城市發(fā)展中人口膨脹、交通擁堵、資源緊張等“城市病”問題，滿足政企民對城市發(fā)展多元化的需求，為數(shù)字孿生城市發(fā)展奠定現(xiàn)實(shí)需求基礎(chǔ)。

1.3.2 數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)，集成創(chuàng)新時(shí)空深度融合日漸成型

從技術(shù)賦能發(fā)展歷程看，我國數(shù)字技術(shù)賦能城市轉(zhuǎn)型大致經(jīng)歷4個(gè)階段。一是表單數(shù)字化（2008—2012年），驅(qū)動(dòng)力來自醫(yī)療、交通等行業(yè)條線信息化、數(shù)字化建設(shè)，企業(yè)引導(dǎo)帶動(dòng)。二是業(yè)務(wù)流程數(shù)字化（2012—2016年），驅(qū)動(dòng)力來自以數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)流程融合和系統(tǒng)整合，“一網(wǎng)通辦”“互聯(lián)網(wǎng)+城市服務(wù)”興起，加速數(shù)字技術(shù)全面應(yīng)用。三是決策數(shù)字化（2016—2020年），以數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)為主，通過大數(shù)據(jù)等技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)背后的復(fù)雜規(guī)則，推動(dòng)決策從經(jīng)驗(yàn)化向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)變。四是全面數(shù)字化（2020年之后），以數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)為主，在單行業(yè)數(shù)字化水平較高、單項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用較深、靜態(tài)數(shù)據(jù)匯聚較全的基礎(chǔ)上，逐步向業(yè)務(wù)時(shí)空化、技術(shù)集成化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化發(fā)展。通過推進(jìn)空間孿生、單體孿生、關(guān)系孿生、流程孿生等，帶動(dòng)城市物理空間、數(shù)字空間深度融合，進(jìn)入以“數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)”的城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型新階段。

1.3.3 政策引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字中國藍(lán)圖下的政策協(xié)同支持

我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃綱要中明確提出“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”。住建部、自然資源部、水利部等多部委加強(qiáng)了對數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)、人才、技術(shù)、應(yīng)用等政策支持力度。工信部聯(lián)合五部門印發(fā)《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》，提出強(qiáng)化虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字孿生等技術(shù)相結(jié)合，在工業(yè)生產(chǎn)、文化旅游、智慧城市開展應(yīng)用。水利部提出“數(shù)字孿生流域是智慧水利建設(shè)的核心和關(guān)鍵”，并發(fā)布《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法》，明確具體建設(shè)內(nèi)容。自然資源部印發(fā)7個(gè)新型基礎(chǔ)測繪與實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)文件。國家能源局、鐵路局也提出要加快數(shù)字孿生等前沿技術(shù)的應(yīng)用。國家多部委政策支持，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了良好的政策環(huán)境。

1.3.4 產(chǎn)業(yè)促進(jìn)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)城融合提供創(chuàng)新孵化土壤

以數(shù)字孿生城市為抓手，驅(qū)動(dòng)城市設(shè)施互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)城融合，為各地?cái)?shù)字孿生城市提供了有效的參考路徑和廣闊的發(fā)展空間。我國數(shù)字孿生城市的相關(guān)技術(shù)企業(yè)數(shù)量保持快速增長趨勢，已成為帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進(jìn)市場主體壯大的新興力量。2015—2018年，我國數(shù)字孿生企業(yè)數(shù)量保持每年50—60家快速增長。2019—2021年，企業(yè)增長數(shù)量高達(dá)100余個(gè)。同時(shí)，深圳、上海、蘇州等地積極布局?jǐn)?shù)字孿生新賽道，以數(shù)字孿生城市促進(jìn)產(chǎn)城融合發(fā)展：深圳市發(fā)布《數(shù)字孿生先鋒城市建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃（2023）》，加大對涉及數(shù)字孿生城市建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)研究、科研課題、工程項(xiàng)目、人才培訓(xùn)等保障；上海市臨港數(shù)字孿生城獲批數(shù)字化轉(zhuǎn)型市級(jí)示范區(qū)，“數(shù)字孿生”技術(shù)已被應(yīng)用到交通、管網(wǎng)監(jiān)測等場景中；蘇州工業(yè)園區(qū)成立數(shù)字孿生城市創(chuàng)新坊，共建數(shù)字孿生園區(qū)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)基地。

2 數(shù)字孿生城市的功能框架

2.1 數(shù)字孿生城市的運(yùn)行邏輯

數(shù)字孿生是指數(shù)字實(shí)體和物理實(shí)體之間的相互共生狀態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)是一種整合了數(shù)據(jù)、模型和物理設(shè)施的綜合集成技術(shù)。數(shù)字孿生城市是通過數(shù)字孿生技術(shù)收集一個(gè)城市實(shí)體的數(shù)字孿生體[17]127。本文從信息流的視角，充分考慮現(xiàn)實(shí)城市與數(shù)字空間城市的虛實(shí)共生，按照信息流從實(shí)到虛、信息重組（分析洞察）、以虛控實(shí)的全過程，將數(shù)字孿生城市的運(yùn)行邏輯分成4部分，即現(xiàn)實(shí)城市的數(shù)字設(shè)施域、數(shù)字空間城市的數(shù)據(jù)域、能力域和業(yè)務(wù)域（見圖3）。

從現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)施域看，有助于實(shí)現(xiàn)城市狀態(tài)全要素的監(jiān)測與優(yōu)化調(diào)控?，F(xiàn)實(shí)城市是有形的、動(dòng)態(tài)變化的，數(shù)字孿生城市需要不斷采集、監(jiān)控、管理城市各類數(shù)據(jù)。數(shù)字設(shè)施作為重要的數(shù)據(jù)生成源頭，是建設(shè)數(shù)字孿生城市的先決條件，涵蓋城市中一切采集、承載、傳輸、計(jì)算數(shù)據(jù)的數(shù)字設(shè)施。依托數(shù)字設(shè)施，實(shí)現(xiàn)城市靜態(tài)可視化表達(dá)呈現(xiàn)，以及城市動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)感知，并高效安全地反饋到現(xiàn)實(shí)城市。

從數(shù)字空間的數(shù)據(jù)域看，依托全域多維數(shù)據(jù)融合數(shù)字孿生城市底座。由于城市數(shù)據(jù)是多維度的、異構(gòu)的、混雜的，需要通過系統(tǒng)全面的數(shù)據(jù)治理才能得以應(yīng)用。全域數(shù)據(jù)融合是建設(shè)數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)。城市3D模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)，需要圍繞城市對象、城市業(yè)務(wù)流程等，融合重構(gòu)數(shù)字孿生體、主題數(shù)據(jù)倉、數(shù)字孿生業(yè)務(wù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跨域共享，便于有效組織開發(fā)利用。

能力域方面，通過數(shù)字技術(shù)綜合集成，形成數(shù)字孿生城市統(tǒng)一支撐能力。數(shù)字孿生技術(shù)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及要素圖形可視化、時(shí)空跟蹤分析、虛實(shí)人機(jī)交互、要素關(guān)系分析、故障預(yù)測預(yù)警等諸多技術(shù)能力，關(guān)系到GIS、BIM、IOT、VR/AR、AI等多項(xiàng)技術(shù)交叉集成。技術(shù)是支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的基礎(chǔ)保障，如何“松散解耦”各類技術(shù)要素，并搭建開放式支撐平臺(tái)，支持各個(gè)利益相關(guān)者之間的高效協(xié)作，成為建設(shè)數(shù)字孿生城市的重要一環(huán)。

業(yè)務(wù)域方面，依托規(guī)則與機(jī)制實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃決策仿真推演。在數(shù)字空間中仿真推演并預(yù)測城市交通、能源、應(yīng)急、城管、水利、管網(wǎng)等運(yùn)行狀態(tài)，是建設(shè)數(shù)字孿生城市的最終目的。但城市各領(lǐng)域運(yùn)行都有其業(yè)務(wù)規(guī)則、管理制度和運(yùn)行機(jī)理模型。以消防救援為例，數(shù)字孿生城市系統(tǒng)既要分析火勢變化機(jī)理模型，又要理解消防業(yè)務(wù)流程和制度辦法，還要分析災(zāi)害影響人群等，最終制定可行的消防救援方案，反饋指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)城市決策、調(diào)度與運(yùn)行，每一業(yè)務(wù)場景都是一個(gè)復(fù)雜的推演決策系統(tǒng)工程。

2.2 數(shù)字孿生城市的總體規(guī)劃框架

數(shù)字孿生城市還處于發(fā)展的初期總體框架在持續(xù)完善中。Tianhu Deng等[17]130提出，數(shù)字孿生城市由基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市大腦平臺(tái)和創(chuàng)新應(yīng)用場景組成，城市大腦平臺(tái)是城市運(yùn)營的智能中心，包括基于BIM+GIS的地理信息平臺(tái)、城市數(shù)據(jù)資產(chǎn)平臺(tái)、智能應(yīng)用管理平臺(tái)、基礎(chǔ)設(shè)施信息感知與反饋平臺(tái)。Ehab Shahat等[18]確定了5大主題，即數(shù)據(jù)管理、可視化、動(dòng)態(tài)感知、計(jì)劃與預(yù)測以及集成與協(xié)作。

本文基于智慧城市技術(shù)演進(jìn)、需求迭代與機(jī)制變革，充分考慮數(shù)字孿生城市的運(yùn)行邏輯，提出數(shù)字孿生城市的“三橫四縱”的七要素總體規(guī)劃架構(gòu)，其中數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生中樞、數(shù)字孿生應(yīng)用是“主體規(guī)劃框架”，組織機(jī)制、安全防線、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)營體系是“支撐保障支柱”（見圖4）。

2.2.1 主體規(guī)劃框架

數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，助力現(xiàn)實(shí)城市精準(zhǔn)映射至數(shù)字空間。涵蓋采集設(shè)施、連接設(shè)施、計(jì)算設(shè)施等3大類數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，承載著城市全要素?cái)?shù)據(jù)的采集生產(chǎn)、傳輸與分析計(jì)算。采集設(shè)施可獲取城市風(fēng)貌、建筑、道路、山川等靜態(tài)數(shù)據(jù)，以及城市車輛、行人、時(shí)空位置、壓力、溫濕度等動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，主要包括傳感設(shè)施、視頻監(jiān)控設(shè)施、測繪設(shè)施等。連接設(shè)施可將視頻、音頻、感知、指令等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生中樞平臺(tái)，主要包括光纖網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、感知專網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)施等。計(jì)算設(shè)施可滿足數(shù)字城市的數(shù)據(jù)分析、可視呈現(xiàn)、仿真推演、系統(tǒng)運(yùn)行等需求，包括面向城市的邊緣計(jì)算設(shè)施、云設(shè)施及部分超算設(shè)施，其中要大力發(fā)展以GPU為代表的智能算力，為數(shù)字孿生城市實(shí)時(shí)呈現(xiàn)與仿真提供基礎(chǔ)支持。

數(shù)字孿生中樞平臺(tái)，形成核心能力全面賦能數(shù)字城市發(fā)展。數(shù)字孿生中樞作為轉(zhuǎn)化城市數(shù)據(jù)要素價(jià)值、賦能業(yè)務(wù)場景構(gòu)建的綜合載體。一方面，通過數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建可視化的數(shù)據(jù)底座，將源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為支撐業(yè)務(wù)場景仿真推演需要的“數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)”，融合城市對象的對象標(biāo)識(shí)、幾何模型、時(shí)空位置、運(yùn)行狀態(tài)、行業(yè)屬性等全維度數(shù)據(jù)。另一方面，依托城市已有的IOT平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、AI平臺(tái)等分析計(jì)算平臺(tái)，通過能力重構(gòu)和綜合集成，對上層業(yè)務(wù)提供可視化、時(shí)空分析、虛實(shí)交互、仿真推演、自學(xué)習(xí)等核心能力。

數(shù)字孿生應(yīng)用場景，是實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)管理運(yùn)行各領(lǐng)域仿真推演的舞臺(tái)。數(shù)字孿生城市建設(shè)目的之一是低成本、高效安全地仿真推演現(xiàn)實(shí)城市交通、能源、城管、應(yīng)急等運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化現(xiàn)實(shí)城市運(yùn)行效率，提升服務(wù)質(zhì)量。數(shù)字孿生應(yīng)用將更突出基于“數(shù)據(jù)融合”的多跨領(lǐng)域融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)城市治理能力現(xiàn)代化，如綜合治理、應(yīng)急安全、交通物流、城市規(guī)建、水利流域、綠色低碳、工業(yè)制造、公共服務(wù)等典型場景，需要多業(yè)務(wù)協(xié)同、多部門協(xié)調(diào)的應(yīng)用場景。

2.2.2 支撐保障支柱

一是確保組織機(jī)制創(chuàng)新，適配數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙輪驅(qū)動(dòng)發(fā)展。數(shù)字孿生城市是典型的系統(tǒng)工程，需要協(xié)調(diào)技術(shù)、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)等多類要素資源，以及與之相關(guān)的多方主體，組織機(jī)制創(chuàng)新，要開展部門大部制業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)改革，建立總體設(shè)計(jì)部、實(shí)施孿生攻關(guān)專班、推進(jìn)首席信息官和首席數(shù)據(jù)官等機(jī)制，以適應(yīng)數(shù)字孿生扁平化、高協(xié)同性的建設(shè)需求。

二是高標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建城市安全防線，保障數(shù)據(jù)要素合規(guī)流通、系統(tǒng)安全互聯(lián)。數(shù)字孿生城市建設(shè)需要跨行業(yè)數(shù)據(jù)深度融合、跨部門業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通，數(shù)字空間的城市運(yùn)行安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)日益增大。沒有數(shù)字孿生城市安全，即難保城市安全，要充分利用區(qū)塊鏈、隱私計(jì)算、數(shù)據(jù)非線性變化等脫敏、安全流通等技術(shù)加持，也要形成與之匹配的數(shù)字安全管理機(jī)制。

三是重視建立源頭技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)多方快速協(xié)同、業(yè)務(wù)走深拓廣。數(shù)字孿生城市建設(shè)涉及大量的數(shù)據(jù)互認(rèn)互信、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)接口、技術(shù)集成、業(yè)務(wù)流程打通等協(xié)同工作，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的重要性逐漸顯現(xiàn)。通過建立涵蓋數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、平臺(tái)等方面的體系化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推動(dòng)場景應(yīng)用邁向融合互通、價(jià)值釋放的深層次應(yīng)用。

四是建立可持續(xù)運(yùn)營體系，推動(dòng)由點(diǎn)及面、迭代式建設(shè)發(fā)展。數(shù)字孿生城市建設(shè)是一項(xiàng)長期性的、艱巨的建設(shè)工作。數(shù)字設(shè)施需要不斷完善、增強(qiáng)，中樞平臺(tái)需要常見迭代演進(jìn)和升級(jí)，應(yīng)用場景需要由淺入深、由點(diǎn)及面的建設(shè)。建立完善的運(yùn)營體系，要建立合理完善的運(yùn)營模式、可持續(xù)投資收益機(jī)制、專業(yè)技術(shù)運(yùn)營隊(duì)伍等，形成可持續(xù)發(fā)展局面。

3 數(shù)字孿生城市面臨的挑戰(zhàn)

3.1 對數(shù)字孿生新生事物的認(rèn)知不足

對數(shù)字孿生系統(tǒng)過度樂觀與盆景式展現(xiàn)觀念并存。一方面，對數(shù)字孿生系統(tǒng)過度樂觀，忽視了數(shù)字孿生城市在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的實(shí)際難題，一蹴而就反而帶來負(fù)面影響。另一方面，認(rèn)為數(shù)字孿生城市是盆景式展現(xiàn)的觀點(diǎn)，需要有更全面的理解。數(shù)字孿生城市并非完美，但伴隨技術(shù)演進(jìn)與機(jī)制創(chuàng)新，數(shù)字孿生城市潛力逐步釋放，可高效為城市管理者提供更全面、準(zhǔn)確的信息以優(yōu)化決策。

注重?cái)?shù)字孿生場景價(jià)值挖掘而忽視“社會(huì)”孿生。部分城市過于注重對城市實(shí)景的精細(xì)化三維建模重現(xiàn)，同等重要的實(shí)時(shí)仿真、云端建模、虛實(shí)互動(dòng)、智能操控等未能得到相應(yīng)重視，也缺乏對應(yīng)用需求與目標(biāo)的深入分析，導(dǎo)致孿生技術(shù)城市業(yè)務(wù)發(fā)展脫節(jié)。

此外，對數(shù)字孿生城市普遍存在重“物理”屬性、輕“社會(huì)與環(huán)境”屬性的現(xiàn)象[19]。構(gòu)造的數(shù)字孿生城市模型通常基于建筑物、街道和自然環(huán)境功能的測量數(shù)據(jù)，而缺乏對城市中的人類交互、活動(dòng)及社會(huì)習(xí)俗等社會(huì)屬性進(jìn)行建模分析。

3.2 集大成的技術(shù)體系亟待新能力培育與國產(chǎn)化

數(shù)據(jù)缺乏有效標(biāo)準(zhǔn)化指引，異構(gòu)融合依然困難。在數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集源頭，過去往往忽視對物理傳感設(shè)備數(shù)據(jù)采集的尺度、更新頻率、存儲(chǔ)格式等進(jìn)行源頭規(guī)范[20]6。此外，在數(shù)字孿生城市中，異構(gòu)數(shù)據(jù)融合問題一方面涉及數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間融合，另一方面，數(shù)據(jù)往往以“多圖層與興趣點(diǎn)”疊加式融合為主，缺乏對天然對象化、事件化的城市業(yè)務(wù)的綜合式融合，造成孿生數(shù)據(jù)應(yīng)用難[12]42。

技術(shù)路線鎖定帶來能力與生態(tài)綁定，難以解耦服務(wù)。由于不同技術(shù)供應(yīng)商之間缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和互操作性，數(shù)字孿生城市系統(tǒng)中的技術(shù)生態(tài)往往存在著高度的封閉性和緊密綁定。這使得客戶在嘗試切換到其他供應(yīng)商的系統(tǒng)時(shí)面臨著巨大的技術(shù)和成本挑戰(zhàn)，從而限制了市場競爭，加大了客戶的投資風(fēng)險(xiǎn)。例如部分技術(shù)供應(yīng)商利用獨(dú)有數(shù)據(jù)格式與技術(shù)平臺(tái)，構(gòu)建私有生態(tài)，限制了其他技術(shù)供應(yīng)商與其進(jìn)行集成或替換，導(dǎo)致互操作性問題。

數(shù)字孿生渲染與建模等核心環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化能力不足。當(dāng)前以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)的圖形渲染中，很多核心技術(shù)和關(guān)鍵算法依然擺脫不了依賴局面，例如以CAX為代表的基礎(chǔ)建模與設(shè)計(jì)軟件、以UE/Unity為代表的渲染引擎等。此外，從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，目前我國數(shù)字孿生城市領(lǐng)域的上下游產(chǎn)業(yè)鏈還有待完善。從圖形算力支持、數(shù)據(jù)采集、模型建立和決策優(yōu)化，都亟需配套的技術(shù)和服務(wù)支持與協(xié)同合作。

3.3 協(xié)同治理機(jī)制與商業(yè)模式存在短板

分而治之的模式亟待形成多部門協(xié)同統(tǒng)一治理。當(dāng)前城市物理空間的“分部而治、分業(yè)監(jiān)管”，在城市數(shù)字孿生空間亟需“統(tǒng)一治理、協(xié)同監(jiān)管”。例如，實(shí)景三維工作與城市信息模型、建筑信息模型等工作之間，還有部分交叉甚至不一致。再如，地方城市中“人車物”等要素的體系化表達(dá)，在不同部門管理下，已然各自形成不同的數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)表達(dá)范式等，若缺乏有效協(xié)同的管理機(jī)制，將造成數(shù)字孿生、CIM、時(shí)空信息平臺(tái)等數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)投資與浪費(fèi)。

政企協(xié)同不足導(dǎo)致缺乏商業(yè)化長效運(yùn)營機(jī)制。數(shù)字孿生城市的商業(yè)模式尚不清晰、融資渠道單一、價(jià)值挖掘深度不足等成為非技術(shù)因素排名前3的關(guān)注因素[20]8。目前孿生城市商業(yè)模式依賴政府投入，相對單一：數(shù)字孿生城市的數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建等投入，與業(yè)務(wù)價(jià)值增值產(chǎn)出難成正比。政府財(cái)政投入較多，小規(guī)模領(lǐng)域試點(diǎn)應(yīng)用與大規(guī)模數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用突破之間，其成本和收益、研究和應(yīng)用間的差距短期內(nèi)尚未能彌合。

3.4 集中攻擊風(fēng)險(xiǎn)與數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)加大

數(shù)據(jù)集聚后帶來系統(tǒng)性攻擊風(fēng)險(xiǎn)增大。數(shù)字孿生要承載城市級(jí)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、加工和呈現(xiàn)，數(shù)字孿生與物理世界的“孿生性”“開放性”使得網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)范圍變大、損害也更具關(guān)聯(lián)性。隨著數(shù)字孿生城市虛實(shí)互動(dòng)的演進(jìn)與不斷深化，網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、平臺(tái)安全保障體系變得愈發(fā)重要。從基礎(chǔ)設(shè)施到服務(wù)安全，數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)的多層次安全保障體系亟待完善。

公民數(shù)據(jù)隱私面臨挑戰(zhàn)。結(jié)合元宇宙、AIGC等數(shù)字技術(shù)，數(shù)字孿生城市正演化成為一個(gè)高并發(fā)、大規(guī)模、充分開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，深度融入人們的生活、生產(chǎn)中。通過數(shù)字孿生城市使用或者生成的數(shù)據(jù)可深入了解人們的行為、偏好和其他敏感信息，如果受到非正常使用或惡意泄露，將對個(gè)人，企業(yè)、機(jī)構(gòu)組織等產(chǎn)生負(fù)面影響。

4 推進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)的路徑建議

4.1 堅(jiān)持開放創(chuàng)新，形成面向數(shù)字孿生體的分級(jí)分類數(shù)字孿生城市系統(tǒng)

引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)論等理論，構(gòu)建基于數(shù)字孿生體的巨系統(tǒng)。要理性認(rèn)識(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng)，更加客觀和全面地看待數(shù)字孿生系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿εc局限性。城市作為一個(gè)開放復(fù)雜的社會(huì)物理系統(tǒng)，是持續(xù)生長、開放發(fā)展的有機(jī)體，不應(yīng)局限在物理空間?？梢砸霃?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)概念，從不同的尺度進(jìn)行關(guān)系建模，讓市民作為人體傳感器記錄交互習(xí)慣、當(dāng)?shù)丨h(huán)境，為孿生城市更好地分析決策奠定基礎(chǔ)[21]。此外，要引入系統(tǒng)論思想，將同一實(shí)體的不同維度模型數(shù)據(jù)匯聚、融合在同一數(shù)字孿生體上，按照分級(jí)分類原則，將城市全要素實(shí)體充分表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市孿生體的軟件定義和資產(chǎn)化管理。

面向不同層級(jí)城市形成分類規(guī)劃、分級(jí)引導(dǎo)的孿生城市規(guī)劃體系。省會(huì)型的數(shù)字孿生城市建設(shè)應(yīng)發(fā)揮區(qū)域示范引領(lǐng)和輻射帶動(dòng)作用，堅(jiān)持高端高位發(fā)展，注重智慧創(chuàng)新孿生樞紐建設(shè)和品牌打造。地級(jí)市數(shù)字孿生城市建設(shè)應(yīng)樹立產(chǎn)城融合、以城帶產(chǎn)等理念，提高城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展、規(guī)劃建設(shè)和城市服務(wù)的智慧化水平?？h域城市數(shù)字孿生城市建設(shè)注重因地制宜，特色優(yōu)先，盡量復(fù)用中心城市數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，積極推進(jìn)公共服務(wù)延伸。新城新區(qū)數(shù)字孿生城市建設(shè)要積極創(chuàng)新孿生城市運(yùn)行機(jī)制，以機(jī)制改革為引領(lǐng)，提升新區(qū)數(shù)字科技應(yīng)用水平和管理服務(wù)效能。

4.2 堅(jiān)持需求導(dǎo)向，引領(lǐng)城市因地制宜釋放數(shù)字孿生應(yīng)用價(jià)值

堅(jiān)持需求引領(lǐng)，并堅(jiān)持應(yīng)用導(dǎo)向、以人為本，優(yōu)先開放推進(jìn)一批數(shù)字孿生成效顯著的綜合場景。一是高難度不可見場景，如地下管網(wǎng)、地下水保護(hù)等地下空間場景。二是高危險(xiǎn)災(zāi)害性場景，如火災(zāi)、爆炸、暴雨、城市內(nèi)澇等應(yīng)急預(yù)演場景，提高城市安全韌性。三是高復(fù)雜度治理場景，如復(fù)雜交通路口疏導(dǎo)、社區(qū)綜合治理等復(fù)雜場景。四是反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)場景，如城市規(guī)劃布局優(yōu)化、碳排放政策優(yōu)化、智能供熱流程優(yōu)化等。

構(gòu)建場景成熟度模型，迭代推進(jìn)場景建設(shè)。分級(jí)形成外觀孿生、實(shí)景呈現(xiàn)的初級(jí)應(yīng)用；機(jī)理孿生、點(diǎn)狀應(yīng)用的二級(jí)應(yīng)用；孿生互動(dòng)、綜合集成的三級(jí)應(yīng)用；智能優(yōu)化、動(dòng)態(tài)推演的四級(jí)應(yīng)用；虛實(shí)共生、創(chuàng)新引領(lǐng)的五級(jí)應(yīng)用。并基于場景成熟度模型，開展數(shù)字孿生城市場景遴選，建立場景機(jī)會(huì)識(shí)別、場景創(chuàng)新研發(fā)、場景應(yīng)用示范等環(huán)節(jié)的全流程數(shù)字孿生城市應(yīng)用場景工作體系，加強(qiáng)場景示范推廣和動(dòng)態(tài)評(píng)估評(píng)價(jià)。

積極探索構(gòu)建數(shù)字孿生商業(yè)化可持續(xù)運(yùn)營機(jī)制。支持建立面向數(shù)字孿生城市的投資基金，成立數(shù)字孿生平臺(tái)和孿生體資產(chǎn)運(yùn)營公司，開展數(shù)據(jù)資產(chǎn)運(yùn)營、孿生技術(shù)服務(wù)，提供可互操作、安全調(diào)用的渲染仿真等云服務(wù)，以滿足數(shù)字孿生的SAAS服務(wù)需求。根據(jù)數(shù)字孿生城市模型的不同精度，將孿生服務(wù)有序開放給產(chǎn)業(yè)界，促進(jìn)數(shù)字孿生模型二次開發(fā)應(yīng)用。

4.3 強(qiáng)化主流兼容，提升能力解耦的孿生底座平臺(tái)全局賦能作用

構(gòu)建能力解耦、場景賦能的數(shù)字孿生底座平臺(tái)。數(shù)字孿生城市底座平臺(tái)應(yīng)采用能力解耦和模塊化設(shè)計(jì)的方法，將不同的功能和服務(wù)拆分為獨(dú)立的模塊，針對物聯(lián)感知、全要素表達(dá)、可視化呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合供給、空間分析計(jì)算、仿真推演、虛實(shí)交互、自學(xué)習(xí)自優(yōu)化等數(shù)字孿生城市核心能力，通過API等接口進(jìn)行連接，形成一個(gè)靈活、可擴(kuò)展的系統(tǒng)，推動(dòng)不同功能模塊的獨(dú)立升級(jí)和迭代演進(jìn)，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)“功能組件”和兼容主流的開發(fā)接口。同時(shí)需要基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和語義模型，進(jìn)行各類能力引擎的調(diào)用與融合，形成協(xié)同賦能的支撐能力。

橫向融合形成多部門協(xié)同的底座共用模式。統(tǒng)籌推進(jìn)數(shù)字孿生城市組織體系和管理機(jī)制，避免條線分割的單兵作戰(zhàn)，逐步形成由城市大數(shù)據(jù)管理部門統(tǒng)一扎口，統(tǒng)一征集各委辦局?jǐn)?shù)字孿生城市底座服務(wù)的共性需求，避免出現(xiàn)城市信息模型CIM平臺(tái)、時(shí)空信息GIS平臺(tái)等重復(fù)建設(shè)、需求過度滿足等問題。大數(shù)據(jù)管理部門統(tǒng)一管理底座平臺(tái)建設(shè)、共性賦能、數(shù)據(jù)治理與標(biāo)準(zhǔn)框架，由業(yè)務(wù)局分頭推進(jìn)領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集、提供底座業(yè)務(wù)需求、共用底座核心能力，形成底座共用、需求共提、成效共享的模式。

4.4 堅(jiān)持安全發(fā)展，推進(jìn)國產(chǎn)化加快培育數(shù)字孿生城市新產(chǎn)業(yè)

強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全及數(shù)據(jù)安全。分級(jí)分類構(gòu)建孿生城市數(shù)據(jù)體系，確保分布式安全保障與個(gè)人隱私保護(hù)。面對全域全時(shí)下構(gòu)建的數(shù)字孿生城市，逐步建立起針對不從精度、密級(jí)數(shù)據(jù)的分級(jí)分類數(shù)據(jù)資源體系和監(jiān)管機(jī)制。同時(shí)，要充分采取數(shù)據(jù)去標(biāo)識(shí)化、脫敏等技術(shù)手段，并建立有效的用戶隱私協(xié)議，以最大程度地減少個(gè)人身份的識(shí)別與泄露風(fēng)險(xiǎn)。

加快數(shù)字孿生技術(shù)國產(chǎn)化進(jìn)程與產(chǎn)業(yè)培育。在數(shù)字孿生渲染、城市仿真推演等領(lǐng)域，要進(jìn)一步加大基礎(chǔ)技術(shù)、底層技術(shù)研發(fā)投入，以龍頭企業(yè)為創(chuàng)新主體，組建產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合體，通過集中優(yōu)勢資源，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，向底層算力設(shè)施、渲染引擎、實(shí)時(shí)仿真等領(lǐng)域創(chuàng)新突破，支持國產(chǎn)廠商研發(fā)商用數(shù)字孿生產(chǎn)品。同時(shí)，以大型城市數(shù)字孿生城市建設(shè)為試點(diǎn)載體平臺(tái)，培育建立基于信息技術(shù)創(chuàng)新的完整數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈支持體系，加快推進(jìn)開源開放模式，加速創(chuàng)新生態(tài)的發(fā)展壯大。

5 結(jié)語

本文提出涵蓋數(shù)字設(shè)施、底座平臺(tái)、場景建設(shè)，以及組織機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)營支撐、安全保障體系的數(shù)字孿生城市發(fā)展框架。在深入分析數(shù)字孿生城市認(rèn)知、技術(shù)、模式、安全等4方面挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，從分類規(guī)劃有序布局、堅(jiān)持需求引領(lǐng)建設(shè)場景、強(qiáng)化底座平臺(tái)賦能、注重?cái)?shù)據(jù)安全保障與加快產(chǎn)業(yè)培育等方面，提出符合我國城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展要求的數(shù)字孿生城市規(guī)劃策略與發(fā)展建議，以期為我國數(shù)字孿生城市相關(guān)研究提供思考和啟發(fā)。

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