田穎 楊滔 黨安榮

摘要：數(shù)字孿生概念自被提出以來便不斷發(fā)展，從在航天器、工業(yè)產(chǎn)品、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用到城市學(xué)領(lǐng)域，并在各國逐漸上升到國家戰(zhàn)略層次。隨著相關(guān)實踐工作推進(jìn)，數(shù)字孿生模型在理論和技術(shù)上也不斷發(fā)展和成熟，隨著數(shù)字孿生在城市方面認(rèn)識的深入，實踐者和學(xué)者們逐漸意識到僅通過數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生城市是不夠的，城市本身的復(fù)雜特性決定了基于數(shù)據(jù)的模型建構(gòu)及其交互機(jī)制更為重要。因此，面向可操作性的數(shù)字孿生城市建設(shè)，應(yīng)針對有限對象、有限目標(biāo)、有限能力，從城市中人、財、物等不同方面的需求入手，探索多時間和空間維度的“場景體系”，以場景中的“業(yè)務(wù)流程決策樹”搭建與數(shù)據(jù)、模型的關(guān)系，形成以場景為核心的“數(shù)據(jù)—模型生態(tài)系統(tǒng)”，借助多模態(tài)的大模型技術(shù)，建構(gòu)起城市超復(fù)雜系統(tǒng)的孿生演進(jìn)機(jī)制。同時，以上海數(shù)字孿生城市標(biāo)識系統(tǒng)、蘇州城市信息基礎(chǔ)平臺（CIM）建設(shè)為例，展示“業(yè)務(wù)流程”與“數(shù)據(jù)”和“模型”的互動而形成的場景迭代機(jī)制探索，展現(xiàn)以場景自主迭代為驅(qū)動力的城市發(fā)展過程，最終演化為全要素、全周期、全開放的數(shù)字孿生城市。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；決策樹；城市信息模型；場景體系

文章編號 1673-8985（2023） 05-0024-07 中圖分類號 TU984 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

數(shù)字孿生的概念最初于1970年代由美國宇航局提出，用于航空航天飛行器的模擬仿真，以確保航空安全，并提高運(yùn)行壽命[1]。2003年，邁克爾·格里夫（Michael Grieves）教授在美國密歇根大學(xué)正式提出數(shù)字孿生這一術(shù)語[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算以及跨專業(yè)仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的概念被用于城市學(xué)領(lǐng)域，推進(jìn)實時反饋的城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營的新模式探討，其中從宏觀到微觀的感知能力、從過去到未來的推演能力、從策劃到實施的整合能力構(gòu)成了新型城鎮(zhèn)化的智慧賦能路徑。隨著數(shù)字孿生能力在城市應(yīng)用方面進(jìn)一步發(fā)揮作用，全球各國紛紛高調(diào)宣布數(shù)字孿生推進(jìn)計劃。美國和英國將數(shù)字孿生上升為國家戰(zhàn)略。英國重磅發(fā)布《英國國家數(shù)字孿生體原則》，講述構(gòu)建國家級數(shù)字孿生體的價值、標(biāo)準(zhǔn)、原則及路線圖[3]；美國組建數(shù)字孿生聯(lián)盟，聯(lián)盟成員進(jìn)行跨行業(yè)協(xié)作、學(xué)習(xí)，并進(jìn)行應(yīng)用實踐，同時美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生定義、行業(yè)價值、設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例》白皮書。新加坡、德國、法國、澳大利亞等開展數(shù)字孿生城市建設(shè)。新加坡率先搭建虛擬新加坡，用于城市規(guī)劃、運(yùn)維和災(zāi)害預(yù)測[4]；法國推進(jìn)數(shù)字孿生巴黎建設(shè)，打造數(shù)字孿生城市樣板，虛擬教堂模型助力修復(fù)巴黎圣母院[5]；澳大利亞建設(shè)新南威爾士州空間數(shù)字孿生平臺，用于環(huán)境、交通監(jiān)測，應(yīng)急管理和城市規(guī)劃[6]。

我國也非常重視數(shù)字孿生城市發(fā)展，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出建設(shè)數(shù)字孿生城市，發(fā)改委、自資部、工信部、住建部等從2019年開始持續(xù)出臺相關(guān)政策。雖然各國都意識到數(shù)字孿生城市建設(shè)的重要性，但城市畢竟是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，除了物質(zhì)層面的基礎(chǔ)外，社會經(jīng)濟(jì)因素也是城市系統(tǒng)重要的構(gòu)成部分，其復(fù)雜性與多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出對航空飛行器或者工業(yè)流程的模擬仿真。如何利用大量的城市數(shù)據(jù)，生成促進(jìn)城市生產(chǎn)生活的有用信息，培育城市發(fā)展的集成智慧，推動人人參與的數(shù)字孿生城市建設(shè)，成為一個值得深入探討的議題。

本文認(rèn)為城市的復(fù)雜性在于其每個場景都是動態(tài)變化的綜合過程，涉及自下而上的多元參與方響應(yīng)及其資源要素配置，以及自上而下的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境規(guī)則約束與引導(dǎo)。在這種意義上，場景就是一種現(xiàn)象，看得見、摸得著、想得到。場景本身在持續(xù)迭代，融入事件或業(yè)務(wù)流程的交互機(jī)制，貫穿各自類型的決策環(huán)節(jié)，整合跨專業(yè)的模擬仿真計算，調(diào)用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，共同構(gòu)成城市的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，本文認(rèn)為數(shù)字孿生城市的建構(gòu)是圍繞社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等場景迭代生成，持續(xù)重新組織業(yè)務(wù)流程、決策環(huán)節(jié)、可視表達(dá)、信息傳輸、仿真計算以及數(shù)據(jù)治理等，以此推動虛實相生涌現(xiàn)的孿生城市復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展。

1 發(fā)展中的數(shù)字孿生概念

隨著應(yīng)用寬度和廣度的變化，數(shù)字孿生的內(nèi)涵也逐漸擴(kuò)展。諸多學(xué)者嘗試定義數(shù)字孿生不同的發(fā)展階段。埃文斯[7]將數(shù)字孿生分為5個要素階段（element）。數(shù)字孿生開始的最低要素，即要素0被定義為現(xiàn)實捕捉。通過各種方法收集數(shù)據(jù)，例如測繪、點云、攝影測量、無人機(jī)、飛行器等，構(gòu)建現(xiàn)有的物理資產(chǎn)、竣工圖和基本幾何設(shè)計。要素1指二維地圖或三維模型（僅基于對象）。這個階段的數(shù)字孿生僅限于物體的表面和形狀，不包括BIM數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)中具體的管理信息。要素2是鏈接，將要素的各種三維模型連接到動態(tài)和多樣的數(shù)據(jù)集，所有的要素被關(guān)聯(lián)和集成。這將減少錯誤、不確定性和成本，同時提高有效性。要素3包括傳感器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備和實時/半實時數(shù)據(jù)，但數(shù)字和物理資產(chǎn)之間只有單向流動。要素4階段，數(shù)字孿生不同部分之間的集成顯著發(fā)展。數(shù)字孿生體可以與其他數(shù)字孿生體或資產(chǎn)聯(lián)系起來。此外，人和機(jī)器之間形成雙向互動和整合。對于這種集成，傳感器技術(shù)和物理資產(chǎn)的機(jī)械增強(qiáng)至關(guān)重要。要素5階段創(chuàng)建了最高級別的數(shù)字孿生，以自主操作和維護(hù)系統(tǒng)為代表，實現(xiàn)了全面監(jiān)督和透明的完全自治和自我管理。

邁克爾·格里夫[8]總結(jié)數(shù)字孿生的發(fā)展，提出數(shù)字孿生進(jìn)化的5個階段。階段0定義為傳統(tǒng)階段，以藍(lán)圖或者計算機(jī)草圖（例如CAD制圖）形式捕捉二維信息，展示設(shè)計思想。階段1為數(shù)字孿生時代的開始。2000年后產(chǎn)生了將物理空間信息轉(zhuǎn)移到虛擬空間的巨大轉(zhuǎn)變。在計算機(jī)中開發(fā)3D模型是一個巨大飛躍，使幾何信息完全包含在計算機(jī)中，可以從任何角度直觀地表示產(chǎn)品。人們能夠在計算機(jī)空間中操縱虛擬對象，而不必讓它們在現(xiàn)實世界中形成物理實體的方案。階段2為概念階段，數(shù)字孿生基于不同來源，甚至碎片化的數(shù)據(jù)源創(chuàng)建的實體。構(gòu)建者使用不同的現(xiàn)有系統(tǒng)來提取數(shù)據(jù)，并嘗試構(gòu)建不同的模擬視圖，確定它們與現(xiàn)實的映射程度。這個階段采用手動流程從不同來源提取數(shù)據(jù)，即使是臨時的，也可以創(chuàng)建數(shù)字孿生視圖。階段3稱為復(fù)制階段，該階段要求擁有技術(shù)平臺，能夠像在概念階段所做的那樣，匯集必要的信息，從而展示真正的物理原型的數(shù)字孿生體。包括從設(shè)計到運(yùn)行的全部數(shù)據(jù)，并且可以通過模擬和預(yù)測降低風(fēng)險，提高績效，通過平臺信息的不斷匯聚和壯大，形成價值。階段4為超前運(yùn)行階段，該階段數(shù)字孿生是“智能的”，因為人工智能被用來不斷評估數(shù)據(jù)和做出預(yù)測，標(biāo)志是從一個對用戶詢問被動做出反應(yīng)的平臺轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€不斷主動向用戶提供信息的平臺。

從數(shù)字孿生不同發(fā)展階段的分析，可以看到數(shù)字孿生的能力是不斷提升和進(jìn)步的，本文總結(jié)為數(shù)字孿生第一階段為物理系統(tǒng)到數(shù)字孿生的仿真階段；第二階段為融合多元數(shù)據(jù)的分析診斷階段；第三階段逐漸推動學(xué)習(xí)預(yù)測和決策自治（見圖1）。

2 數(shù)字孿生城市中的有限數(shù)據(jù)

現(xiàn)有的數(shù)字孿生城市實踐是從數(shù)化仿真城市物理環(huán)境開始的，包括建筑、道路、橋梁、水系等。例如澳大利亞維多利亞州發(fā)布了高度詳細(xì)、高質(zhì)量的3D城市模型，覆蓋全州20個地區(qū)城市，作為開放數(shù)據(jù)[10]；在英國，已經(jīng)開發(fā)了地圖信息基礎(chǔ)設(shè)施，以允許地下基礎(chǔ)設(shè)施所有者與授權(quán)用戶安全共享現(xiàn)有的地下資產(chǎn)數(shù)據(jù)[11]。這種初步的物理世界到網(wǎng)絡(luò)世界的映射而產(chǎn)生的三維可視化環(huán)境，為城市信息的快速獲取和基于信息的判斷和交流提供了便捷的途徑，但這種模式往往忽視了城市內(nèi)系統(tǒng)的廣泛復(fù)雜性。現(xiàn)在創(chuàng)造的數(shù)字孿生依然停留在“唯物主義”或“物理主義”階段，通常基于建筑物、街道和自然環(huán)境功能的測量數(shù)據(jù)，而城市人口和活動往往很難反映和應(yīng)用[12]。

雖然基于測量傳感器和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法已經(jīng)變得相當(dāng)強(qiáng)大，但城市中有很多事情是無法很好地衡量的。包括測量局限（涉及樣本偏差和不確定性）、計算機(jī)的計算極限（如NP難計算問題）、數(shù)據(jù)分析問題（例如模型構(gòu)建中的“過度擬合”等），以及常見的機(jī)器學(xué)習(xí)方法中的“黑箱算法”，其算法背后的因果關(guān)系難以明晰。因此，更多的數(shù)據(jù)不一定有助于更深入地全面了解城市，反而會導(dǎo)致數(shù)字孿生和社會系統(tǒng)中出現(xiàn)問題。

在建設(shè)數(shù)字孿生城市時，并不是越多的數(shù)據(jù)就越有用，而是應(yīng)該換種思維，從應(yīng)用需求出發(fā)，打造“需要的全量”城市數(shù)據(jù)。因而，根據(jù)不同場景形成的決策樹（決策流程），如磁力一般吸引相應(yīng)的數(shù)據(jù)和模型，構(gòu)成不斷迭代的數(shù)據(jù)、模型和流程生態(tài)系統(tǒng)。與數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生相比，更應(yīng)探索多元場景，這些場景可能超越現(xiàn)有和過去的數(shù)據(jù)，考慮城市中人、財、物、事等不同方面的需求，搭建起物質(zhì)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的橋梁。

3 以場景迭代引導(dǎo)面向城市系統(tǒng)的數(shù)字孿生

一方面，數(shù)字孿生城市的建設(shè)需要建立可拓展的彈性系統(tǒng)，應(yīng)對城市復(fù)雜的形勢變化，讓數(shù)據(jù)可用于城市政府、企業(yè)和市民的決策，并且服務(wù)于城市在目標(biāo)領(lǐng)域的決策，從而形成數(shù)字孿生城市基底（即圖2中的場景矩陣）。另一方面，數(shù)字孿生城市的建設(shè)需要持續(xù)更新整合社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境的三維城市模型，并擴(kuò)展人機(jī)交互的方式，通過數(shù)據(jù)集成管理、模型建構(gòu)，提升數(shù)據(jù)的價值。

場景本身為數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建提供了基礎(chǔ)性牽引，以此來推動數(shù)據(jù)的重組以及搭建不同模型之間的參數(shù)聯(lián)系；數(shù)據(jù)的融合或模型的迭代又構(gòu)成多層場景的學(xué)習(xí)過程。正如東京數(shù)字孿生城市建設(shè)方案中提出，首先推動服務(wù)對象和不同目標(biāo)領(lǐng)域的擴(kuò)展，形成寬闊的基底支撐，然后通過提升數(shù)據(jù)精度、質(zhì)量和模型能力，提升數(shù)據(jù)的價值。這個過程將真實世界中的人、事、物抽象為數(shù)字世界中的知識，并在真實的空間場景中得以再生產(chǎn)，加速知識的迭代，孕育出人機(jī)互動的智慧。

（1）以場景為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)。圍繞場景構(gòu)建數(shù)據(jù)生態(tài)，已經(jīng)成為數(shù)據(jù)匯聚和融合的新趨勢。以應(yīng)用場景為載體，集聚城市多源數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、城市動態(tài)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗知識數(shù)據(jù)等，建立數(shù)字孿生城市的數(shù)據(jù)底座，通過場景為引導(dǎo)進(jìn)而向數(shù)據(jù)生態(tài)體系發(fā)展，以城市需求為導(dǎo)向引導(dǎo)數(shù)據(jù)生態(tài)具有自組織效應(yīng)，在場景的多源數(shù)據(jù)交互作用下，自動更新并產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造新數(shù)據(jù)價值。

（2）以場景為引導(dǎo)的模型生態(tài)系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)的特征是動態(tài)而非靜態(tài)，是概率活動而非確定性行為，因此，根據(jù)模型及其各自的參數(shù)調(diào)整，可以對未來不同場景的城市發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測[13]。數(shù)字孿生城市的模型體系目標(biāo)是模擬真實城市狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)測，以某種形式對系統(tǒng)中所求解問題的本質(zhì)屬性進(jìn)行描述，用以揭示系統(tǒng)中所求問題及其變化規(guī)律[14]。在數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)支撐下，形成服務(wù)不同場景的綜合模型，如水文分析、可視性分析、日照分析、視覺景觀分析等，并且模型與場景形成松耦合關(guān)系，不同的基礎(chǔ)算子組合形成服務(wù)不同應(yīng)用場景的模型。

（3）以場景中的業(yè)務(wù)流程決策樹搭建與數(shù)據(jù)、模型的關(guān)系。不同場景的應(yīng)用涉及不同的決策樹鏈條。一是指不同部門的決策流程共同構(gòu)成的綜合決策條線，一般指行政審批流程，如建設(shè)項目審批流程。二是指城市管理決策中關(guān)鍵要素構(gòu)成的鏈條，即為解決某個具體問題所需的行政與企業(yè)等各方的決策關(guān)鍵點構(gòu)成的“樹狀圖”，如人才公寓的審核發(fā)放、更新資金的核算。通過場景決策樹的梳理可以明確不同流程中涉及的數(shù)據(jù)需求以及需要的模型算法，從而以需求為導(dǎo)向構(gòu)建數(shù)據(jù)和模型的關(guān)系。

4 上海數(shù)字孿生城市標(biāo)識系統(tǒng)實踐案例

在數(shù)字孿生城市的實踐推進(jìn)中，數(shù)據(jù)匯聚難、關(guān)聯(lián)難、計算難等問題成為制約發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸。城市空間數(shù)據(jù)本身存在時空描述多樣性的問題，現(xiàn)有GIS、BIM數(shù)據(jù)及各類人文地理數(shù)據(jù)難以融合統(tǒng)一；城市中各種對象事物活動數(shù)據(jù)更是紛繁復(fù)雜、來源廣泛、描述格式多樣。從數(shù)據(jù)組織層面看，經(jīng)典面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方式采用人為定義的矢量圖形及ID碼作為數(shù)據(jù)組織模型，由于對象的多樣性及ID碼的自定義特性，多系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯聚時需要轉(zhuǎn)換或用元數(shù)據(jù)映射，工作量極大，且容易帶來空間語義及屬性信息損失。針對上述瓶頸問題，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識體系為啟發(fā)，數(shù)字孿生城市的標(biāo)識體系逐漸完善。2022年8月，雄安新區(qū)正式發(fā)布《雄安新區(qū)數(shù)字標(biāo)識（物）標(biāo)準(zhǔn)體系框架指南》，指導(dǎo)建立數(shù)字化標(biāo)識管理機(jī)制和工作體系。

上海進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)的相關(guān)課題研究，提出一種兼容性好的空間編碼思路，以社區(qū)安全為切入點，保證社區(qū)安全場景相關(guān)的構(gòu)件可以精準(zhǔn)與空間匹配。通過解析數(shù)字孿生城市構(gòu)成、提出編碼邏輯、以社區(qū)安全為例構(gòu)建編碼庫的3個步驟進(jìn)行研究，試圖通過業(yè)務(wù)流程的編碼形成“數(shù)據(jù)”和“模型”的互動（見圖3）。

（1）數(shù)字孿生城市構(gòu)成

數(shù)字孿生是集成物聯(lián)感知、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和空間信息技術(shù)，以數(shù)字化方式映射物理對象、流程、人、空間、系統(tǒng)和設(shè)備等實體創(chuàng)建的仿真模型。將實體城市以數(shù)字化方式進(jìn)行映射，首先應(yīng)該將物理城市的構(gòu)成以數(shù)字化方式進(jìn)行解析，其解析結(jié)果可以理解為城市數(shù)字化模型。數(shù)字化映射可以從具體的構(gòu)成要素、屬性、關(guān)聯(lián)關(guān)系3個方面進(jìn)行概括，因而要素、屬性、關(guān)聯(lián)是城市信息模型的基本構(gòu)成。

（2）編碼邏輯

為完成數(shù)字映射，編碼應(yīng)遵循以下原則：一是編碼唯一性，每一個實體只有一個編碼，在全國范圍內(nèi)不允許有重復(fù)編碼出現(xiàn)；二是編碼包容性，每組編碼組成的數(shù)字信息包含每份實體的基本信息；三是編碼可操作性，編碼編制要簡單易懂便于操作；四是編碼位置統(tǒng)一性，實體編碼統(tǒng)一刻制在實體的某一個固定位置，任何人不得隨意更改編碼刻制位置；五是編碼永久性，刻制在實體上的編碼必須永久保持，不易磨損和腐蝕損壞；六是編碼實施經(jīng)濟(jì)性，編碼刻制要簡單實用，少投入、低成本、有實效。

基于以上原則和數(shù)字孿生城市的構(gòu)成將編碼分為3部分：基于形狀要素編寫實體碼、基于特征屬性編寫空間碼、基于關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建語言規(guī)則，具體編碼形態(tài)如圖4。實體碼是將城市實體類別進(jìn)行數(shù)字編碼，例如生態(tài)環(huán)境、建成環(huán)境、設(shè)備設(shè)施、車輛、人員、物品等分類，代表物理實體的種類。并且可以顯示部件從屬關(guān)系，以及點、線、面、體等幾何類型。基于CityGML構(gòu)件等級（三維城市數(shù)據(jù)格式）體系，對社區(qū)安全的相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行編碼?；谔卣鲗傩孕畔⒕帉懣臻g碼，最主要的是反映要素的空間位置，還可以附帶時間、語義等擴(kuò)展屬性，其中空間位置是最重要的信息?；诰W(wǎng)格劃分體系、經(jīng)緯度坐標(biāo)系，對構(gòu)件空間位置進(jìn)行編碼。為實現(xiàn)實體和空間與具體應(yīng)用聯(lián)系，將具體場景、具體流程結(jié)合進(jìn)行編碼，添加對應(yīng)場景流程標(biāo)簽。通過構(gòu)件、空間位置、應(yīng)用場景、應(yīng)用流程這4項數(shù)據(jù)的標(biāo)定，輔助城市運(yùn)營管理者快速定位問題、解決問題。

（3）以社區(qū)安全為場景構(gòu)建編碼庫

根據(jù)社區(qū)調(diào)研，確定消防安全、生產(chǎn)安全、自然災(zāi)害為主要的社區(qū)安全場景。以消防安全為例梳理業(yè)務(wù)流程及各流程涉及的要素（見圖5）。

社區(qū)安全實體碼，反映在消防中涉及各部件的樹狀分類，確定涉及管道、交通和建筑3大類的要素信息（見圖6），并將其細(xì)化，二級表示具體所屬的模塊，三級是部件的名稱和信息。二級模塊中的建筑裝置涉及很多種類的感應(yīng)設(shè)備，考慮在三級部件中進(jìn)行細(xì)分，在智能安防監(jiān)控、智能消防監(jiān)控、公共設(shè)施智能監(jiān)測和公共環(huán)境智能監(jiān)測4大類設(shè)施的基礎(chǔ)上細(xì)化為具體的感知設(shè)備（見表1）。根據(jù)上述分類形成實體碼編碼庫，部分內(nèi)容如表2所示。

空間碼分為3個層次，分別基于城管網(wǎng)格、經(jīng)緯度網(wǎng)格、三維空間進(jìn)行定位。通過城管網(wǎng)格對部件進(jìn)行權(quán)責(zé)范圍定位，通過經(jīng)緯度以及三維空間定位確定部件的精確空間位置：通過城管網(wǎng)格，對構(gòu)件進(jìn)行較為宏觀的定位。同時，將權(quán)責(zé)范圍定位到所屬單位。經(jīng)緯度定位，將經(jīng)緯度精確到6—7位小數(shù)，精度0.4—4.0 m。通過經(jīng)緯度信息，對構(gòu)件進(jìn)行較為精確的空間位置定位；依據(jù)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過三維空間定位對社區(qū)常用空間進(jìn)行空間場所編碼，對構(gòu)件進(jìn)行快速定位。編碼邏輯是對空間類型進(jìn)行一級編碼，對具體空間場所進(jìn)行二級編碼。可參考公安標(biāo)準(zhǔn)地址，對層數(shù)、單元數(shù)進(jìn)行三級編碼。

基于流程的關(guān)系構(gòu)建：采用屬性標(biāo)簽的形式將不同場景和應(yīng)用階段的部件進(jìn)行標(biāo)注，以便快速調(diào)用，具體是對所有的場景和流程進(jìn)行編碼，關(guān)于社區(qū)安全的場景編碼如圖7所示。

5 蘇州古城更新CIM系統(tǒng)建設(shè)案例

“CIM+古城更新保護(hù)平臺”基于蘇州城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺[15]，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、實景三維、大數(shù)據(jù)等數(shù)字孿生技術(shù)為支撐，整合多元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建古城數(shù)據(jù)資源中心與信息服務(wù)平臺，并在其基礎(chǔ)上搭建面向古城利用、保護(hù)、業(yè)務(wù)管理及公共服務(wù)的智慧應(yīng)用系統(tǒng)，最終形成蘇州數(shù)字孿生古城平臺（見圖8）。該平臺針對古城中每個空間，圍繞土地、規(guī)劃、文化、人口、產(chǎn)業(yè)、金融等條線，重新建構(gòu)起“空間體塊”內(nèi)的條線關(guān)系，生成服務(wù)于古城更新場景的新數(shù)據(jù)、新模型、新流程集合。例如地塊潛力評估分析業(yè)務(wù)及實際使用的流程，通過流程中不同階段的需求確定所需構(gòu)建的模型及需要的數(shù)據(jù)，形成互動協(xié)同的新數(shù)據(jù)、新模型和新流程集合（見圖9）。

（1）新數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)工作底圖模塊

標(biāo)準(zhǔn)工作底圖模塊集成影像圖、三維白模、傾斜攝影、規(guī)劃管控等多維度數(shù)據(jù)（見圖10）。通過信息框可快速查看范圍內(nèi)的建筑、用地、設(shè)施、人口等信息，也可以查看單個建筑的質(zhì)量、風(fēng)貌年代以及人口信息，實現(xiàn)由點到面聯(lián)動查看。同時生成相應(yīng)的報告，節(jié)省現(xiàn)狀摸底的工作量。可以進(jìn)行基本的測距、剖切、切換視圖、點選、屬性篩選、卷簾對比、分屏對比、查詢統(tǒng)計、差異分析等基本的二、三維空間分析，實現(xiàn)城市全生命管理周期的信息整合，為古城保護(hù)與更新專項規(guī)劃編制提供數(shù)據(jù)支持。

（2）新模型：多維度評估模塊

平臺通過對古城用地畫像、經(jīng)濟(jì)畫像等構(gòu)建城市精細(xì)化畫像，最終構(gòu)成“資源—領(lǐng)域—實現(xiàn)”3個維度的城市畫像應(yīng)用體系，可以隨時掌握古城的人口流動等信息、城市資源等情況，對城市各要素的發(fā)展情況進(jìn)行實時跟蹤和動態(tài)預(yù)測，有效推動專項規(guī)劃對城市發(fā)展方向以及整體定位的把控。在空間畫像中可通過視廊管控功能查看規(guī)劃中確定的各級視線廊道及其管控要求，便于識別超過高度管控要求的建筑，保護(hù)古城整體格局（見圖11）。在設(shè)施畫像中可以查看古城內(nèi)各類設(shè)施的分布情況，校核相關(guān)覆蓋率指標(biāo)，評估每個地塊、每個建筑能夠獲得的公共服務(wù)設(shè)施水平，有效識別公共服務(wù)設(shè)施供給缺口（見圖12）。

地塊更新潛力評估：通過各類畫像評價，量化分析規(guī)劃地塊特征，識別古城發(fā)展?jié)摿μ嵘齾^(qū)域。根據(jù)不同條件對城市更新備選地塊進(jìn)行綜合比較和判斷，展示符合用戶篩選要求的城市更新潛力地塊，為古城更新具體項目的地塊選擇提供科學(xué)依據(jù)和有效支撐。

（3）新流程：輔助更新決策模塊

①完善項目選址流程。平臺支持上傳或繪制預(yù)選址紅線；結(jié)合地塊控規(guī)要求、特征畫像、項目需求信息等，提供合規(guī)性分析、合理性分析、備選地塊排序等功能，實現(xiàn)項目前期選址階段對地塊適宜性的綜合評價以及不同方案的對比。

②提升項目影響評價科學(xué)性。圍繞項目選址、項目規(guī)劃設(shè)計條件、項目設(shè)計方案等環(huán)節(jié)輔助項目全流程科學(xué)決策，通過數(shù)字模擬手段分析項目建成對城市人口、交通、經(jīng)濟(jì)、公共服務(wù)設(shè)施配套等帶來的影響，為項目的實施提供科學(xué)有效評估。

6 結(jié)語

通過上述兩個案例，可見城市的復(fù)雜性體現(xiàn)在應(yīng)用場景動態(tài)變化的綜合過程，涉及自下而上的多元參與方及其資源要素配置，以及自上而下的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境規(guī)則約束與引導(dǎo)。場景是一種持續(xù)迭代的城市現(xiàn)象，融入事件或業(yè)務(wù)流程的交互機(jī)制，貫穿各自類型的決策環(huán)節(jié)，整合跨專業(yè)的模擬仿真計算，調(diào)用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，共同構(gòu)成城市的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，數(shù)字孿生城市的建構(gòu)是圍繞社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等場景迭代生成，持續(xù)推動業(yè)務(wù)流程、決策環(huán)節(jié)、仿真計算和數(shù)據(jù)治理等自動迭代，推動虛實相生涌現(xiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展。現(xiàn)有數(shù)字孿生城市建設(shè)中會面臨“數(shù)據(jù)煙囪”、重復(fù)建設(shè)、應(yīng)用性不強(qiáng)等一系列問題，因而更需要從城市實際需求出發(fā)，以場景為切入點進(jìn)行可持續(xù)迭代發(fā)展。本文提出數(shù)字孿生城市建設(shè)應(yīng)針對有限對象、有限目標(biāo)、有限能力，從城市中人、財、物等不同方面的需求入手，探索多時間和空間維度的“場景體系”，形成以場景自主迭代為驅(qū)動力的城市發(fā)展過程，最終演化為全要素、全周期、全開放的數(shù)字孿生城市。

參考文獻(xiàn) References

[1]SHAFTO M， CONROY M， DOYLE R， et al. Modeling， simulation， information technology & processing roadmap[R]. 2012.

[2]GRIEVES M， VICKERS J. Digital twin： mitigating unpredictable， undesirable emergent behavior in complex systems[M]//KAHLEN F-J， FLUMERFELT S， ALVES A. Transdisciplinary perspectives on complex systems. New York City： Springer， 2017： 85-113.

[3]BOLTON A， ENZER M， SCHOOLING J， et al. The Gemini Principles： guiding values for the national digital twin and information management framework[Z]. 2018.

[4]Virtual Singapore website[EB/OL]. [2023-10-06]. https：//www.nrf.gov.sg/programmes/virtualsingapore.

[5]DE LUCA L. Towards the semantic-aware 3D digitisation of architectural heritage： the "Notre-Dame de Paris" Digital Twin Project[C]//Proceedings of the 2nd Workshop on Structuring and Understanding of Multimedia heritAge Contents， 2020.

[6]New South Wales Digital Twin[EB/OL]. [2023-10-06]. https：//nsw.digitaltwin.terria.io/.

[7]EVANS S， SAVIAN C， BURNS A， et al. Digital twins for the built environment： an introduction to the opportunities， benefits， challenges and risks[R]. 2019.

[8]GRIEVES M. Digital twins： past， present， and future[M]//CRESPI N， DROBOT A T， MINERVA R. The digital twin. Cham： Springer International Publishing， 2023： 97-121.

[9]中國電信研究院. 數(shù)字孿生技術(shù)體系綜述[EB/OL]. （2022-10-14）[2023-10-06]. https：//zhuanlan.zhihu.com/p/365935682．

China Academy of Telecommunication Technology. Overview of digital twin technology system[EB/OL]. （2022-10-14） [2023-10-06]. https：//zhuanlan.zhihu.com/p/365935682．

[10]TZACHOR A， SABRI S， RICHARDS C E， et al. Potential and limitations of digital twins to achieve the sustainable development goals[J]. Nature Sustainability， 2022， 5（10）： 822-829.

[11]BRAMMALL N， KESSLER H. An update on the UK government's plans for a national underground asset register[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Civil Engineering， 2020， 173（2）： 56.

[12]CALDARELLI G， ARCAUTE E， BARTHELEMY M， et al. Complexity science for digital twins[Z]. 2022.

[13]CALDARELLI G， ARCAUTE E， BARTHELEMY M， et al. The role of complexity for digital twins of cities[J]. Nature Computational Science， 2023， 3： 374-381.

[14]胡愛民. 一種可視化模型庫管理系統(tǒng)的開發(fā)策略和應(yīng)用[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2000（3）：43-46．

HU Aimin. Development strategy and application of visual MBMS[J]. Journal of Chongqing University （Social Science Edition）， 2000（3）： 43-46．

[15]楊滔，李晶，張月朋，等. 城市信息模型（CIM）平臺頂層設(shè)計的理論與方法探討——以蘇州為例[J]. 城市發(fā)展研究，2022，29（7）：24-29.

YANG Tao， LI Jing， ZHANG Yuepeng， et al. A discussion on the theory and method of conceptually designing city information modeling platform： a pilot study of Suzhou[J]. Urban Development Studies， 2022， 29（7）： 24-29.