編者按
隨著“數(shù)字孿生城市”在雄安新區(qū)先行先試，數(shù)字孿生理念日漸在多地智慧城市規(guī)劃建設(shè)中體現(xiàn)并實(shí)施，極大拓展了人們對(duì)未來(lái)城市形態(tài)的認(rèn)知。我們將用兩期內(nèi)容，介紹數(shù)字孿生城市相關(guān)內(nèi)涵、特征、運(yùn)作機(jī)理及應(yīng)用情況。
一、 “數(shù)字孿生城市”建設(shè)背景
2019年11月底，雄安智能城市與物理城市同步進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)工建設(shè)階段，全力打造智能城市“一個(gè)中心、四個(gè)平臺(tái)”基礎(chǔ)設(shè)施體系，雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市的“數(shù)據(jù)基底”正在成型。此外，北京通州副中心、南京江北新區(qū)、重慶兩江、貴州貴陽(yáng)等眾多城市和地區(qū)的“數(shù)字孿生城市”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和落地應(yīng)用如火如荼推進(jìn)。潮流比想象中來(lái)得更快。在2017年“數(shù)字孿生城市”的說(shuō)法出現(xiàn)以后，短短一年多時(shí)間，“數(shù)字孿生城市”方案和模式已如“雨后春筍”般在我國(guó)多地涌現(xiàn)。
我國(guó)數(shù)字孿生城市建設(shè)尚處于起步階段。在許多城市已經(jīng)開(kāi)展的智慧城市建設(shè)中，雖然政務(wù)云化和數(shù)據(jù)共享取得明顯進(jìn)展，但實(shí)際上仍處于垂直領(lǐng)域信息化建設(shè)的后期階段，面向城市一體化運(yùn)行管理的技術(shù)架構(gòu)和業(yè)務(wù)架構(gòu)尚未真正建立起來(lái)。因此，大數(shù)據(jù)雖得以匯聚，其價(jià)值卻得不到有效發(fā)揮；城市運(yùn)營(yíng)雖已有共識(shí)，但缺乏平臺(tái)抓手。數(shù)字孿生本質(zhì)是一個(gè)集成了技術(shù)、數(shù)據(jù)、算法、工具、應(yīng)用的巨大工程，需要社會(huì)各界構(gòu)建能力互補(bǔ)的產(chǎn)業(yè)合作生態(tài)系統(tǒng)，積極探索數(shù)字孿生城市解決方案，推動(dòng)我國(guó)數(shù)字孿生城市盡快落地實(shí)施并持續(xù)健康發(fā)展。
二、 數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵及特征
數(shù)字孿生城市是城市累積數(shù)據(jù)從量變到質(zhì)變，在感知建模、人工智能等新型技術(shù)取得重大突破的背景下，建設(shè)新型智慧城市的一條新興技術(shù)路徑，是城市智能化、運(yùn)營(yíng)可持續(xù)化的前沿先進(jìn)模式，也是一個(gè)從局部應(yīng)用到全局優(yōu)化，持續(xù)迭代更新的城市級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)。
數(shù)字孿生城市的本質(zhì)是城市級(jí)數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，通過(guò)數(shù)據(jù)全域標(biāo)識(shí)、狀態(tài)精準(zhǔn)感知、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、模型科學(xué)決策、智能精準(zhǔn)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)城市的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制，解決城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、服務(wù)閉環(huán)過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題，全面提高城市物質(zhì)資源、智力資源、信息資源配置效率和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智慧城市的內(nèi)生發(fā)展動(dòng)力。
數(shù)字孿生城市基于數(shù)字化標(biāo)識(shí)、自動(dòng)化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、普惠化計(jì)算、智能化控制、平臺(tái)化服務(wù)的信息技術(shù)體系和城市信息空間模型，在數(shù)字空間再造一個(gè)與物理城市匹配對(duì)應(yīng)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(cè)城市物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)，推動(dòng)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市運(yùn)行管理協(xié)同化智能化，實(shí)現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市協(xié)同交互、平行運(yùn)轉(zhuǎn)。
數(shù)字孿生城市具有四大特點(diǎn)：精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、軟件定義、智能干預(yù)。
精準(zhǔn)映射：數(shù)字孿生城市通過(guò)空天、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路、橋梁、井蓋、燈蓋、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字化建模，以及對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成虛擬城市在信息維度上對(duì)實(shí)體城市的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。
虛實(shí)交互：城市基礎(chǔ)設(shè)施、各類(lèi)部件建設(shè)即有痕跡，城市居民、來(lái)訪人員上網(wǎng)聯(lián)系即有信息。數(shù)字孿生城市中，在城市實(shí)體空間可觀察各類(lèi)痕跡，在城市虛擬空間可搜索各類(lèi)信息，城市規(guī)劃、建設(shè)以及民眾的各類(lèi)活動(dòng)，在虛擬空間得到極大擴(kuò)充，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將定義城市未來(lái)發(fā)展新模式。
軟件定義：孿生城市針對(duì)物理城市建立相對(duì)應(yīng)的虛擬模型，并以軟件的方式模擬城市人、事、物在真實(shí)環(huán)境下的行為，通過(guò)云端和邊緣計(jì)算，軟性指引和操控城市的交通信號(hào)控制、電熱能源調(diào)度、重大項(xiàng)目周期管理、基礎(chǔ)設(shè)施選址建設(shè)。
智能干預(yù)：通過(guò)在“數(shù)字孿生城市”上規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬仿真等，將城市可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突、潛在危險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警，并提供合理可行的對(duì)策建議，以未來(lái)視角智能干預(yù)城市原有發(fā)展軌跡和運(yùn)行，進(jìn)而指引和優(yōu)化實(shí)體城市的規(guī)劃、管理、改善市民服務(wù)供給，賦予城市生活“智慧”。
三、數(shù)字孿生城市總體架構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理
數(shù)字孿生城市建設(shè)依托以云、網(wǎng)、端為主要構(gòu)成的技術(shù)生態(tài)體系。端側(cè)形成城市全域感知，深度刻畫(huà)城市運(yùn)行體征狀態(tài)；網(wǎng)側(cè)形成泛在高速網(wǎng)絡(luò)，提供毫秒級(jí)時(shí)延的雙向數(shù)據(jù)傳輸，奠定智能交互基礎(chǔ)；云側(cè)形成普惠智能計(jì)算，以大范圍、多尺度、長(zhǎng)周期、智能化地實(shí)現(xiàn)城市的決策、操控。
圖1 智慧城市總體架構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理
人工智能三要素分別為數(shù)據(jù)、算力、算法。數(shù)字孿生城市，以全域數(shù)字化標(biāo)識(shí)和一體化感知監(jiān)測(cè)為數(shù)字孿生基礎(chǔ)，以全域全量的數(shù)據(jù)資源（數(shù)據(jù)）、高性能的協(xié)同計(jì)算（算力）、深度學(xué)習(xí)的機(jī)器智能平臺(tái)（算法）為城市信息中樞，以數(shù)字孿生模型平臺(tái)為城市運(yùn)行信息集成展示載體，操控城市治理、民生服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，形成一種自我優(yōu)化的智能運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)“全域立體感知、萬(wàn)物可信互聯(lián)、泛在普惠計(jì)算、智能定義一切、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策”。
1.全域終端數(shù)字化標(biāo)識(shí)
數(shù)字化標(biāo)識(shí)是萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)，是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的前提條件，是數(shù)字空間中用于區(qū)分實(shí)體身份的基礎(chǔ)信息。
2.一體化感知監(jiān)測(cè)體系
一體化感知監(jiān)測(cè)體系是萬(wàn)物感知、萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的通道、入口和“神經(jīng)系統(tǒng)”，是數(shù)字孿生城市實(shí)現(xiàn)物理世界到虛擬世界轉(zhuǎn)化的“連接器”。
3.全域全量的數(shù)據(jù)資源
全域全量的城市數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的基礎(chǔ)，為深度學(xué)習(xí)自我優(yōu)化功能提供“數(shù)據(jù)”要素。
4.高性能的協(xié)同計(jì)算能力
高性能的協(xié)同計(jì)算是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的效率保障，為深度學(xué)習(xí)自我優(yōu)化功能提供“算力”要素。
5.深度學(xué)習(xí)機(jī)器智能平臺(tái)
深度學(xué)習(xí)的機(jī)器智能平臺(tái)是數(shù)字孿生城市構(gòu)建的運(yùn)行決策保障，為深度學(xué)習(xí)自我優(yōu)化功能提供“算法”要素。
6.實(shí)時(shí)映射的孿生模型平臺(tái)
實(shí)時(shí)映射的孿生模型平臺(tái)是構(gòu)建數(shù)字孿生城市綜合信息載體平臺(tái)，是城市統(tǒng)一“展示窗口”、“決策中心”。
7.智能操控現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用體系
智能操控現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用體系是構(gòu)建數(shù)字孿生城市的“總控開(kāi)關(guān)”、“指揮中心”。
四、 數(shù)字孿生城市的功能
數(shù)字孿生城市為智慧城市建設(shè)明確了技術(shù)集成與業(yè)務(wù)協(xié)同的層次和路徑。
技術(shù)層面，通過(guò)數(shù)字孿生城市模型平臺(tái)，聚合多源數(shù)據(jù)、算法、各類(lèi)技術(shù)能力和工具集，構(gòu)成強(qiáng)大能力中臺(tái)，為應(yīng)用場(chǎng)景提供開(kāi)放賦能服務(wù)。平臺(tái)下層是城市公共數(shù)字底座，以其強(qiáng)大的感知、傳輸、計(jì)算、控制和智能化能力，重塑城市數(shù)字基因，營(yíng)造智能運(yùn)行環(huán)境，支撐數(shù)字孿生城市虛實(shí)交互、精準(zhǔn)映射。
業(yè)務(wù)層面，通過(guò)建立城市大腦的協(xié)同平臺(tái)，對(duì)接城市管理、生態(tài)治理、交通治理、市場(chǎng)監(jiān)管、應(yīng)急管理、公共安全等不同領(lǐng)域系統(tǒng)，以重大事件和特殊場(chǎng)景需求為驅(qū)動(dòng)，以數(shù)字孿生城市模型平臺(tái)為基礎(chǔ)，制定全域一體的閉環(huán)流程和處置預(yù)案，按需調(diào)用相關(guān)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)能力，從而實(shí)現(xiàn)城市治理的協(xié)同聯(lián)動(dòng)和一網(wǎng)統(tǒng)管。城市大腦是城市治理的主要載體，數(shù)字孿生城市平臺(tái)是城市大腦的核心平臺(tái)，以此為依托，面向未來(lái)啟動(dòng)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的城市治理和城市運(yùn)營(yíng)。
隨著新基建的大規(guī)模推進(jìn)，數(shù)字孿生城市的建設(shè)成本將大大降低，為數(shù)字孿生城市虛實(shí)交互提供基礎(chǔ)支撐環(huán)境，數(shù)字孿生城市的精準(zhǔn)映射從主要依靠物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到新基建的全部領(lǐng)域，包括5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)中心，市政設(shè)施、行業(yè)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施的智能化，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)和智能定義一切。
作者簡(jiǎn)介
鄭樹(shù)泉，上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院工程大數(shù)據(jù)創(chuàng)新服務(wù)中心主任， 教授級(jí)高級(jí)工程師。曾獲多項(xiàng)省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)及國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利， “全國(guó)大數(shù)據(jù)信標(biāo)委工業(yè)大數(shù)據(jù)”標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)家組成員，主編專(zhuān)著《工業(yè)大數(shù)據(jù)：架構(gòu)與應(yīng)用》、《工業(yè)智能技術(shù)與應(yīng)用》。
