劉南余 陳寅 江浩

摘要：我國在智慧城市投資與建設(shè)方面走在了世界的前列，但要適應(yīng)面向未來的數(shù)字化建造、敏捷服務(wù)、智慧交互場景的智慧城市發(fā)展建設(shè)工作還需要加強理論方法與實踐的探索。要建構(gòu)“數(shù)字孿生”的智慧城市理論方法，為解決城市發(fā)展建設(shè)中的突出問題，推進城市空間價值增值，提高城市精細化治理能力，加強智能規(guī)劃決策等方面發(fā)揮積極作用。要量力而行推進以新一代信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、高效能運算中心、時空關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)底盤為主體的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，積極推進城市級的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系建設(shè);同時提出應(yīng)大力支持新型業(yè)務(wù)場景落地，包括：綠色低碳與節(jié)能減排的智慧技術(shù)集成、規(guī)范引導(dǎo)智慧社區(qū)的規(guī)劃建設(shè)、引導(dǎo)智能空間設(shè)計等方面.

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生城市;城市數(shù)字化;轉(zhuǎn)型新篇章

1.國內(nèi)外智慧城市發(fā)展動態(tài)及展望

1.1發(fā)展動態(tài)

當(dāng)前中國智慧城市發(fā)展建設(shè)處于快速增長時期，無論是從ICT基礎(chǔ)設(shè)施投入、數(shù)據(jù)中心部署，還是在業(yè)務(wù)場景拓展方面都有了長足進步，在政府主導(dǎo)的公共安全、智慧交通、智慧文游、智慧水務(wù)、便民服務(wù)等城市治理領(lǐng)域方面帶來了新的氣象，也對于數(shù)字產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展起到了推波助瀾的作用。習(xí)近平總書記多次指出，要充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈在提升國家治理現(xiàn)代化水平、促進保障和改善民生、保障國家數(shù)據(jù)安全方面的積極促進作用;要加快完善數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，推進數(shù)據(jù)資源整合和開放共享，保障數(shù)據(jù)安全，加快建設(shè)數(shù)字中國。

2016年國務(wù)院出臺《國務(wù)院關(guān)于加快推進“互聯(lián)網(wǎng)+政務(wù)服務(wù)”工作的指導(dǎo)意見》[國發(fā)（2016）55號]文件指出要加快新型智慧城市建設(shè)，要創(chuàng)新應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，加強統(tǒng)籌，注重實效，分級分類推進新型智慧城市建設(shè)，要打造透明高效的服務(wù)型政府，建立大數(shù)據(jù)輔助決策的城市治理新方式，構(gòu)建多元普惠的民生信息服務(wù)體系，并提升電力、燃氣、交通、水務(wù)、物流等公用基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平。

目前國內(nèi)典型的智慧城市落地項目有：阿里巴巴將“城市大腦”云計算技術(shù)運用到杭州市的城市管理方面，對優(yōu)化城市交通管理、全域旅游、社區(qū)服務(wù)等方面起到積極作用。北京市海淀區(qū)與百度合作，發(fā)揮分布式云計算優(yōu)勢，將公共治安、環(huán)境衛(wèi)生、城市管理等部門積累的數(shù)據(jù)資源打通，并進行交匯分析，形成跨部門的城市治理決策模式。深圳市成立了專門的城市運營管理中心，可調(diào)度幾十個部門的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對城市運行狀態(tài)的全面感知、態(tài)勢預(yù)測、事件預(yù)警和決策支持。云南省文旅廳（原文化廳）與騰訊合作“一部手機游云南”，將云南旅游業(yè)的全過程服務(wù)資源整合在一起，為游客、旅游業(yè)者、政府分別在享受服務(wù)、提供服務(wù)、管理服務(wù)等方面得到相應(yīng)的解決方案。

1.2國外智慧城市新進展

方面，谷歌在多倫多的“SidewalkLabs”實驗室制定了“未來城市2050總體規(guī)劃”，為全面開展智慧城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)。芝加哥通過“燈柱傳感器”來加強城市安全、環(huán)境衛(wèi)生的監(jiān)控，同時控制每臺傳感器設(shè)備的采購與運維成本。洛杉磯通過公共交通APP應(yīng)用服務(wù)“WAZE”，使得每個人可以通過這個APP可以把自己的實時的交通信息傳輸?shù)浇K端，使得個體、企業(yè)和社會之間搭建了互利共享服務(wù)體系，為政府解決交通擁堵問題提供支撐。此外，西方發(fā)達國家立足于應(yīng)對全球氣候變化，在綠色低碳智慧場景建設(shè)，節(jié)能減排管理，資源可持續(xù)循環(huán)利用方面積極推進相關(guān)智能技術(shù)。

總體上看，我國的智慧城市發(fā)展建設(shè)走在世界各國前列，2018年底我國所有直轄市、副省級城市，85%以上的地級市均提出了智慧城市相關(guān)的實施工程。據(jù)艾瑞咨詢研究院統(tǒng)計，2013～2018年政府委托或采購的智慧城市項目增長了13.5倍，主要涉及智慧城市頂層設(shè)計、城市運營管理、大數(shù)據(jù)管理、電子政務(wù)等領(lǐng)域。由于我國政府的公共服務(wù)職能涵蓋更廣，借助信息化手段和第三方技術(shù)支持政府決策及政策執(zhí)行已經(jīng)成為現(xiàn)代化治理體系的重要舉措。存在的主要問題。我國是一個巨型社會生態(tài)系統(tǒng)，由于地域廣闊、人口密度大，眾多問題和矛盾相互交織，在城鎮(zhèn)化進入到中后期時代，解決這些矛盾問題迫切需要智慧城市的技術(shù)手段來支持，因此也促使我國的智慧城市解決方案需要更有系統(tǒng)性、針對性和可操作性。

2.從數(shù)字城市到智慧城市到數(shù)字孿生城市

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來以及互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)等新一代先進信息技術(shù)的發(fā)展，近年來陸續(xù)誕生了數(shù)字城市、智慧城市以及數(shù)字孿生城市等各種“新型城市”概念。數(shù)字城市是隨著1998年美國前副總統(tǒng)阿爾.戈爾提出“數(shù)字地球”之后而產(chǎn)生的概念。數(shù)字地球是一個三維的信息化地球模型，其核心思想是通過數(shù)字化的手段對地球上的自然、人文和社會等信息進行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化，以支撐社會的可持續(xù)發(fā)展決策。

而數(shù)字城市則是指通過空間信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，對城市中的地理資源、生態(tài)資源、人文社會等各種信息進行數(shù)字化，形成綜合數(shù)據(jù)庫和城市虛擬服務(wù)平臺等。數(shù)字城市也就是把現(xiàn)實世界中的城市變?yōu)橛嬎銠C中的城市，從而指導(dǎo)城市的規(guī)劃、管理和建設(shè)以及居民的日常生活。智慧城市起源于“智慧地球”的概念，是“智慧地球”的重要組成部分。

2008年，國際商業(yè)機器公司IBM提出智慧城市的新理念，2009年奧巴馬就任美國總統(tǒng)之后，與美國的工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一場“圓桌會議”。在這個會議中，IBM首席執(zhí)行官彭明盛建議新的美國政府可以去投資新一代的智慧基礎(chǔ)設(shè)施，以打破當(dāng)時的金融危機?！爸腔鄣厍颉钡闹饕砟钍菍⑼ㄟ^物聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字地球與人類物理系統(tǒng)的整合，從而使地球達到“智慧”的狀態(tài)。2010年，IBM正式提出“智慧城市”建設(shè)的愿景，隨后便掀起了智慧城市建設(shè)的熱潮。智慧城市建設(shè)過程中涉及眾多技術(shù)，總結(jié)起來可以理解為：數(shù)字城市+物聯(lián)網(wǎng)+云計算+人工智能。

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器讓萬物互聯(lián)，我們在網(wǎng)上可以獲取實時的數(shù)據(jù)并將其傳到云端，通過云計算技術(shù)可對獲取的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、控制、反饋等，進而通過人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)隱含的規(guī)則、知識進行挖掘。通過綜合運用這些先進的技術(shù)，讓計算機如同人腦一樣擁有“智慧”，打造人性化的智慧城市，應(yīng)用于城市的各方各面，形成智慧政務(wù)、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧園區(qū)等。在我國，“數(shù)字孿生城市”的概念最早是由中國信息通信研究院的研究人員提出，相關(guān)的概念和要求在2018年被寫入《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》。

數(shù)字孿生城市實際上就是將工業(yè)領(lǐng)域所用的“數(shù)字孿生”概念運用到整個城市的治理中。數(shù)字孿生城市利用各類先進技術(shù)，使得物理世界的動態(tài)信息能夠通過傳感器被實時地、精準(zhǔn)地反饋到數(shù)字世界中，使得數(shù)字孿生城市具有實時性以及保真性。利用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，實現(xiàn)城市的由實入虛，再利用網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，實現(xiàn)城市的由虛入實，通過利用物理城市和數(shù)字孿生城市之間不斷的虛實互動、持續(xù)迭代，最終實現(xiàn)物理世界的最佳有序運行狀態(tài)。由此看出，數(shù)字孿生城市還具有互操作性、可拓展性以及閉環(huán)性。數(shù)字孿生城市將推動新型智慧城市建設(shè)，在信息空間上構(gòu)建的虛擬城市映像與現(xiàn)實中物理城市空間相互疊加，將有利于完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，改變城市面貌，形成虛實相映、孿生互動的城市發(fā)展新形態(tài)。

3數(shù)字孿生城市整體架構(gòu)

數(shù)字孿生城市架構(gòu)包含城市泛在感知層、孿生城市支撐層、孿生城市平臺層、孿生城市應(yīng)用層和孿生城市規(guī)劃層，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1城市泛在感知網(wǎng)

城市泛在感知網(wǎng)包含城市感知層和城市連接層兩部分主要內(nèi)容。城市感知層顆粒度決定了城市孿生體的精細度。隨著芯片技術(shù)發(fā)展，各類物聯(lián)網(wǎng)終端的涌現(xiàn)使得物理城市被立體感知成為可能。智慧園區(qū)、智慧小區(qū)、智慧車站、智慧港口、智慧工地、智慧道路、智慧家庭等場景牽引各類城市基礎(chǔ)設(shè)施向智能化升級。越來越多的路燈、井蓋、消防栓、視頻監(jiān)控、電梯等設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)接入到各類系統(tǒng)平臺，城市內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測、施工場地揚塵擴散監(jiān)測、街道噪音監(jiān)測、卡口車流量/人流量監(jiān)測等數(shù)據(jù)被感知采集;家庭中燃氣表、電表、水表、電視、空調(diào)等設(shè)備開始聯(lián)網(wǎng)。城市連接層的成本、速度、帶寬等指標(biāo)決定了城市孿生體應(yīng)用的新鮮度。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在城市中覆蓋，城市各類傳感器/執(zhí)行器設(shè)備可在無源情況下長時間工作。隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，單位面積內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)終端的連接密度可提升上百倍。物聯(lián)網(wǎng)終端和業(yè)務(wù)開展成本下降明顯，城市中“萬物互聯(lián)、萬物生數(shù)”時代來臨。

3.2孿生城市支撐層

孿生城市支撐層包含城市數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)融合處理層。城市數(shù)據(jù)層中數(shù)據(jù)的豐富程度決定了孿生服務(wù)的豐富程度。城市數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)來自各類云計算平臺和各個委辦局業(yè)務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中臺系統(tǒng)也可為城市數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)源。不同主題的數(shù)據(jù)源決定了孿生服務(wù)的不同主題，數(shù)字孿生城市是一個持續(xù)運營的過程，數(shù)據(jù)的積累隨著運營的深入而豐富。數(shù)據(jù)融合處理層主要運用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，隨著計算機軟硬件性能提升，借助大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)使得“數(shù)生萬物”成為可能，數(shù)據(jù)融合處理層為孿生城市平臺提供直接的分析、仿真等能力。

3.3孿生城市平臺層

孿生城市平臺層主要包含核心能力層和共性能力層。城市孿生體是數(shù)字孿生城市的核心，具有現(xiàn)實中物理城市的等效性。城市孿生體基于三維城市模型，按照不同行業(yè)或不同服務(wù)粒度分為不同的城市孿生對象，并把孿生對象集有序組合。各類孿生對象的屬性、方法與現(xiàn)實中城市各類元素一一對應(yīng)，孿生對象的屬性、狀態(tài)等參與來自城市數(shù)據(jù)層，并通過數(shù)據(jù)融合處理層同步機制保持?jǐn)?shù)據(jù)更新。共性算法模型和行業(yè)算法模型實現(xiàn)不同孿生對象之間各類屬性和狀態(tài)的組合運算。共性能力層包含城市顯示、城市分析、城市仿真和城市預(yù)測。城市顯示對城市三維模型直觀呈現(xiàn)，并可按照各類城市孿生對象分類實現(xiàn)在三維模型查找、定位、疊加各類數(shù)據(jù)傳感器/視頻等數(shù)據(jù)顯示等功能;城市分析是按照不同規(guī)則對城市孿生體中各類孿生對象實現(xiàn)關(guān)聯(lián)、組合、主題分析等功能;城市仿真、預(yù)測是基于各類數(shù)據(jù)，按照不同的算法模型對數(shù)字孿生體中各類孿生對象進行仿真處理，模擬物理城市在各類環(huán)節(jié)變量情況下可能產(chǎn)生的變化。

3.4孿生城市應(yīng)用層

孿生城市應(yīng)用層面包含各類行業(yè)和各類用戶。各類行業(yè)指數(shù)字孿生城市在政務(wù)、交通、環(huán)境、應(yīng)急等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用場景。政務(wù)行業(yè)，城市安全、應(yīng)急、規(guī)劃管理均可在數(shù)字孿生城市先行先試。交通行業(yè)，可根據(jù)道路實時流量、違法停車、交通信號燈、視頻等數(shù)據(jù)在城市孿生體內(nèi)結(jié)合交通行業(yè)特定模型，實現(xiàn)城市路網(wǎng)、紅綠燈信號、停車場/位優(yōu)化，提升城市路網(wǎng)效率和市民出行體驗。環(huán)保行業(yè)，基于城市污染源數(shù)據(jù)和三維城市模型數(shù)據(jù)，模擬在不同光照、風(fēng)速等參數(shù)下污染源在城市孿生體內(nèi)的影響范圍。

各類用戶指數(shù)字孿生城市服務(wù)的各參與方，包含政府、居民和各類商業(yè)組織。政府類用戶通過數(shù)字孿生城市各類應(yīng)用可實現(xiàn)城市規(guī)建管一體化、實時了解城市運行狀態(tài)、實現(xiàn)城市精細化運營管理等功能，為政策制定、服務(wù)提供和各類決策提供更為精準(zhǔn)的依據(jù)。居民可在數(shù)字孿生城市中發(fā)揮個體創(chuàng)造力，運用各類數(shù)據(jù)實現(xiàn)城市協(xié)同創(chuàng)造。各類商業(yè)組織可基于數(shù)字孿生城市開展針對性的商業(yè)分析，進一步提升商業(yè)服務(wù)水平。

3.5孿生城市規(guī)劃層

數(shù)字孿生城市是新型智慧城市建設(shè)的高級階段，按照分級分類建設(shè)新型智慧城市要求。數(shù)字孿生城市建設(shè)不但和城市級別、類別有關(guān)，也和城市范圍內(nèi)數(shù)據(jù)積累關(guān)系密切。頂層規(guī)劃設(shè)計應(yīng)基于新型智慧城市和各類信息系統(tǒng)建設(shè)成果，聚焦城市中的共性問題，并結(jié)合不同人口規(guī)模、不同類型城市面臨的個性問題，定義針對性的城市支撐層功能和城市應(yīng)用層場景。

不同于傳統(tǒng)信息化項目重建設(shè)輕運營、重流程輕數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生城市建設(shè)是一個循序漸進的過程，更強調(diào)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的匯聚、管理和運營，強調(diào)通過城市各類數(shù)據(jù)治理、仿真實現(xiàn)。頂層規(guī)劃除了對業(yè)務(wù)整體進行規(guī)劃外，還需要對業(yè)務(wù)運營體系、端到端安全體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系等內(nèi)容進行規(guī)劃設(shè)計。

結(jié)束語

數(shù)字孿生城市在我國的發(fā)展仍處于早期階段，缺少成熟路徑參考?？上驳氖牵絹碓蕉嗟臋C構(gòu)和公司開始開展數(shù)字孿生城市業(yè)務(wù)服務(wù)，越來越多的地方政府也開始布局?jǐn)?shù)字孿生城市建設(shè)。相信未來數(shù)字孿生城市一定會為城市建設(shè)、運營帶來嶄新模式，并為政府、市民和各類參與企業(yè)創(chuàng)造新的價值。

參考文獻

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