面對當前城市管理中的眾多挑戰(zhàn)，若想要突破傳統(tǒng)智慧城市的禁錮，逐步轉(zhuǎn)變升級為“數(shù)字孿生城市”，依舊有許多問題需要思考。
戰(zhàn)略、數(shù)據(jù)、科技、能力、開放、創(chuàng)新、生態(tài)、方案、安全等都是未來發(fā)展的重要關(guān)鍵詞。特別是在數(shù)據(jù)領(lǐng)域，從孤立的數(shù)據(jù)集到來自各個渠道的數(shù)據(jù)整合,從單一領(lǐng)域的解決方案到各個領(lǐng)域的統(tǒng)一解決方案，數(shù)據(jù)將直接影響數(shù)字孿生城市發(fā)展的廣度和深度。
從當前傳統(tǒng)智慧城市建設(shè)的應用案例中可看出其各領(lǐng)域仍有數(shù)據(jù)割裂的問題。未來數(shù)據(jù)孤立將被打破，實現(xiàn)不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)的交叉與融合，打造數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、有序整合和綜合應用的數(shù)字孿生城市。
傳統(tǒng)智慧城市與數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)的不同應用特征
在數(shù)字孿生城市建設(shè)的推進上，首先從物理世界向數(shù)字世界基于模型的“數(shù)化”開始，到虛實結(jié)合的“交互”，再到基于仿真和大數(shù)據(jù)的“先知先覺”，直到數(shù)字孿生城市各數(shù)字孿生體之間以及不同城市數(shù)字孿生體之間的協(xié)同“共智”，最終達到理想狀態(tài)。
其中雙向“交互”、“先知先覺”和“共智”是數(shù)字孿生城市區(qū)別于傳統(tǒng)智慧城市的重要標志（圖44）,其典型應用場景如下:
1.智能市政管理
在過去的城市化建設(shè)過程中，由于市政規(guī)劃不合理造成堵城、睡城等現(xiàn)象嚴重，土地資源經(jīng)濟能效低。為解決以上問題，在數(shù)字孿生城市的建設(shè)過程中，需要基于城市數(shù)字孿生體，依靠大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，通過挖掘城市不同樣本特征，對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合，從點規(guī)劃、線規(guī)劃到面規(guī)劃，為城市管理者提供智能市政管理解決方案。
例如現(xiàn)代化城市市政建設(shè)過程中，許多城市的雨水排水管道經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，嚴重影響排水，致使道路頻繁出現(xiàn)積水，給人們的生活和出行帶來嚴重不便。另外，井蓋被盜、損壞的現(xiàn)象也時有發(fā)生，造成行人跌落下水道的慘劇出現(xiàn)。為了便于管網(wǎng)維護，井蓋通常都設(shè)置在道路等開闊空間，而對道路交通流量進行監(jiān)控，則是實現(xiàn)智能交通的基本要求。基于數(shù)字孿生城市的全域感知技術(shù)，賦予井蓋智能化感知功能，可為城市市政和交通管理者打造一款能夠遠程監(jiān)測狀態(tài)、車流量，以及管道堵塞情況等信息的智能井蓋，同時能夠在出現(xiàn)問題時及時報警并做出高效處理方案的智能井蓋管理平臺。該平臺可同時完成城市水流狀態(tài)監(jiān)測、井蓋姿態(tài)檢測、地表環(huán)境監(jiān)控、溫濕度檢測、車流量監(jiān)測等功能應用。
基于城市數(shù)字孿生體和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過智能感知設(shè)備、無線網(wǎng)絡、污水處理設(shè)施、給排水管理、智能井蓋、水質(zhì)水壓表等在線監(jiān)測設(shè)備實時感知城市供排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并采用可視化方式整合城市水務管理部門與供排水設(shè)施,形成“城市智慧水務孿生體”，將海量水務信息進行及時分析與處理，并做出相應的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細和動態(tài)的方式管理城市水務系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、管理和服務流程，保障居民用水安全，從而達到數(shù)字化智能應用的狀態(tài)。例如可融合環(huán)境監(jiān)測數(shù)字孿生體，結(jié)合城市工業(yè)排廢、城市固廢處理、環(huán)境衛(wèi)生污染監(jiān)測等大數(shù)據(jù)模擬仿真分析，預測未來時刻水質(zhì)污染發(fā)生時間和狀況，促使城市環(huán)保部門和水務部門及時調(diào)整控制，避免城市居民用水安全事故發(fā)生。
未來基于市政數(shù)字孿生體和城市建筑信息模型，結(jié)合區(qū)域光照時間、智能建筑能耗等大數(shù)據(jù)還可以為城市市政及建筑規(guī)劃提供貫穿整個城市市政或建筑規(guī)劃流程的輔助決策,如進行與精細建筑模型結(jié)合的建設(shè)用地拆遷分析、控高分析、光照分析、視域分析、天際線分析、規(guī)劃方案同步對比等應用。同時基于市政數(shù)字孿生體的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)還可以與周邊城市市政數(shù)字孿生體的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)融合應用，以助于涉及城市間居民能源和互聯(lián)應用需求的油氣、電纜、通信光纜等地下管網(wǎng)實現(xiàn)三維可視化、數(shù)據(jù)分析、安全隱患識別，為管網(wǎng)選線、改線提供支持性決策方案，為城市協(xié)同應急預案提供支持。
2.智能運行管理
基于數(shù)字孿生體與GPS衛(wèi)星定位、智能傳感、智能攝像等技術(shù)，可突破傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)城市地上地下空間的運行異常狀態(tài)智能監(jiān)控，指導數(shù)字孿生城市的建設(shè)、評估和運行管理。如通過城市信息模型建立起三維城市空間模型，實現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、運行管理的全面立體可視化管理，支持城市模擬仿真、分析驗證等，實現(xiàn)城市運行智能化監(jiān)管。
可借助先進的視頻分析技術(shù)自動分析特定區(qū)域的人群活動，如客運站人群監(jiān)測、城市交通綜合管理、春運指揮等，為管理部門提供智能決策支持，為城市居民持續(xù)改善生活體驗。同時可基于數(shù)字孿生城市與實體城市的交互，通過不斷學習、推演、預測可能出現(xiàn)的城市運行瓶頸問題，提出科學的決策，并建立一個不斷自我更新、進化的智慧城市。
例如固廢處理問題是現(xiàn)代化城市運行管理中面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一。處理流程由各不同環(huán)節(jié)組成，如廢物收集、運輸、加工、處理和監(jiān)測等，廢物處理耗費巨大的費用、時間和人力?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)賦予城市中各垃圾桶和垃圾清運車智能感知功能，實時采集城市各處廢物信息，如垃圾數(shù)量、垃圾種類等等，構(gòu)建智慧固廢處理動態(tài)網(wǎng)絡。城市環(huán)衛(wèi)部門可基于相關(guān)數(shù)據(jù)用于開發(fā)垃圾收集優(yōu)化策略，借以節(jié)省垃圾清運車的燃油費用?；厥仗幚砉究苫跀?shù)據(jù)預測和追蹤流入其公司的待處理廢物的來源，從而實現(xiàn)內(nèi)部處理的優(yōu)化。衛(wèi)生監(jiān)管部門則可以對廢物處理過程進行監(jiān)測和監(jiān)督，不必再另行耗費巨資進行人工監(jiān)測。當直接獲取數(shù)據(jù)困難時，可借助附近設(shè)施（如通過路燈上的通信設(shè)備或其他擁有豐富能源和通信能力的設(shè)施）間接獲取城市中產(chǎn)生的固廢數(shù)據(jù)，也可以通過垃圾清運車、環(huán)衛(wèi)部門其他車輛、或在該地運行的公交車輛等完成數(shù)據(jù)的采集。
未來還可基于城市運行數(shù)字孿生體、市政數(shù)字孿生體、環(huán)保數(shù)字孿生體、產(chǎn)業(yè)數(shù)字孿生體等多源數(shù)據(jù)融合，制定出合理引導城市固廢處理的政策措施。如構(gòu)建城市生態(tài)循環(huán)產(chǎn)業(yè)園等，降低城市固廢增量及變廢為寶，以實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的目的。同時實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益、環(huán)境效益相平衡，推動無廢城市建設(shè)和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展。
3.智慧交通管理
我國城市化的飛速發(fā)展，為城市公共交通的管理水平帶來日益復雜的綜合性挑戰(zhàn)。交通管理問題成為幾乎所有城市的通病，浪費了大量市民時間與石油能源。面對就業(yè)與居住空間分離、超大規(guī)模路網(wǎng)、復雜車流變化，以人力為主的交通管理效率成為制約整個城市發(fā)展的短板。
交通作為城市經(jīng)濟活動的命脈，對于城市經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提升起到重要作用。為了更好適應城市交通量的增長趨勢，緩解城市交通擁堵狀況，需要做好對車流量的有效控制，加強對基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)，實現(xiàn)交通信號燈的智能化管理和優(yōu)化控制。
基于城市交通數(shù)字孿生體可對車流量數(shù)據(jù)和道路設(shè)施實時傳遞數(shù)據(jù)進行分析預判，同時可對交通信號燈進行實時優(yōu)化控制?；诔鞘薪煌v史數(shù)據(jù)，可預判某個區(qū)域未來10分鐘至一小時的交通態(tài)勢，幫助交通管理部門在交通堵點出現(xiàn)前制定應急預案、提前實施交通疏導措施。如根據(jù)賽事演出活動、天氣數(shù)據(jù)預判特定時間段的交通狀況。
發(fā)生交通事故需要緊急醫(yī)療救援時，可進行區(qū)域路況全景識別與優(yōu)化，為救護車規(guī)劃最優(yōu)導航路徑，對車輛到達下一個路口時間實現(xiàn)秒級精準預測，“零時差”自動調(diào)控紅綠燈，可大幅縮短救護車通勤時間，同時減少對城市正常交通的影響。
近年來，由于私家車數(shù)量的不斷增長，導致停車位供不應求，造成了交通擁堵、違規(guī)停車等諸多問題。基于對停車場和車輛擁有量、重點區(qū)域車流量數(shù)據(jù)等進行分析，可發(fā)布停車引導動態(tài)信息，并對停車場流量進行實時監(jiān)控及預測，提高停車位流轉(zhuǎn)率。同時可基于路燈桿、充電樁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能傳感監(jiān)測構(gòu)建路側(cè)智能停車場，有效解決違章停車造成交通擁堵的問題。
未來基于城市交通數(shù)字孿生體,可將遍布全城的交通傳感器、視頻圖像數(shù)據(jù)、公交車出租車、互聯(lián)網(wǎng)導航數(shù)據(jù)進行多源融合，構(gòu)建圍繞交通量、擁堵指數(shù)、主干道速度、快速路速度、安全指數(shù)的五大“城市交通生命體征指標體系”，不同類別數(shù)據(jù)間取長補短、交叉驗證，幫助交管部門在詳實可靠的實時數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實時監(jiān)測預警，并快速執(zhí)行交通精準治理，避免牽一發(fā)動全身的連鎖反應。
4.智能環(huán)保管理
基于數(shù)字孿生城市信息模型（CIM）,可實現(xiàn)城市資源環(huán)境的智能協(xié)同監(jiān)管。如：實現(xiàn)城市規(guī)劃編制、實施、評估和監(jiān)督方面的智能化監(jiān)管；建立土地資源立體化、智能化管理，實現(xiàn)環(huán)保與能源、水資源、交通及城管的智能協(xié)同監(jiān)管與服務。
造成環(huán)境污染是由多方面因素引起的，比如大氣、土壤、水質(zhì)、噪聲、固廢等，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，城市管理者可基于數(shù)字孿生城市中的海量環(huán)境數(shù)據(jù)來進行監(jiān)測和預測演進態(tài)勢，最終得以用更加精細和動態(tài)的方式實現(xiàn)城市環(huán)保治理和決策，如通過打通環(huán)保局、氣象局、交管局等各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并利用城市大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對環(huán)保數(shù)據(jù)進行分析，輔助管理部門進行事前規(guī)劃、實時監(jiān)測、未來預測和歷史溯源，及時鎖定污染源頭，快速進行城市環(huán)保問題的精準治理。
城市圈協(xié)同發(fā)展是未來城市化建設(shè)的趨勢，未來基于城市與城市之間的環(huán)保數(shù)字孿生體、產(chǎn)業(yè)數(shù)字孿生體、氣象大數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)融合，可實現(xiàn)城市圈區(qū)域內(nèi)的水污染源、氣污染源、水環(huán)境、大氣質(zhì)量、噪聲、生態(tài)環(huán)境的全面動態(tài)監(jiān)控，為城市圈環(huán)境質(zhì)量、污染防治、生態(tài)保護、輻射管理等協(xié)同業(yè)務提供更智慧的決策。
5.智能安防管理
基于城市智能化基礎(chǔ)設(shè)施視頻監(jiān)控探頭，結(jié)合視頻圖像的智能識別分析功能,可實現(xiàn)對各類警情、災情、生態(tài)破壞、道路違章、環(huán)境衛(wèi)生等的可視化展示，從而實現(xiàn)城市安全防范預警、提示、資源優(yōu)化管理等。如某地發(fā)生打架斗毆、盜竊事件、疑犯追蹤、被拐或走失人員等事件，視頻監(jiān)控可以自動識別，在安防管理系統(tǒng)上顯示并進行精準分析、整體研判和協(xié)同指揮，同時調(diào)動附近警力進行處置，實現(xiàn)對警力的優(yōu)化配置。
未來基于安防數(shù)字孿生體和城市建筑物信息模型，融合消防應急數(shù)據(jù)和信息資源，可實現(xiàn)城市消防能力及信息的統(tǒng)一管控，打造城市智能化的消防應急指揮系統(tǒng)，輔助現(xiàn)場工作人員進行最佳救援路線選擇和火災救援工作，提高災害預防、處置和應急救援能力。同時還可基于數(shù)字孿生體制定消防演練方案，對消防人員進行業(yè)務培訓，提升消防人員緊急應變能力。
6.智慧醫(yī)療保健
智慧醫(yī)療保健是數(shù)字孿生城市智能化應用的重要組成部分。通過移動監(jiān)測、移動診室、無線遠程會診、智慧處方、醫(yī)療信息云存儲等智能技術(shù)手段，可提升城市診療覆蓋面與效率，促進城市醫(yī)療資源的合理化分配。進一步利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建“電子醫(yī)療”服務體系，實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的小型化、無線化、發(fā)展智慧家庭健康保健、智能健康監(jiān)護，可大幅降低城市公眾醫(yī)療負擔，緩解城市醫(yī)療資源緊缺的壓力。
基于患者的健康檔案、就醫(yī)史、用藥史、智能可穿戴設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息可在云端為患者建立“醫(yī)療數(shù)字孿生體”，并在生物芯片、增強分析、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的支撐下模擬人體運作，實現(xiàn)對醫(yī)療個體健康狀況預測分析和精準醫(yī)療診斷。如基于醫(yī)療數(shù)字孿生體應用，可遠程和實時地監(jiān)測心血管病人的健康狀態(tài)；當智能穿戴設(shè)備傳感器節(jié)點測量到任何異常信息時，救援機構(gòu)可立即開展急救。同樣通過醫(yī)療數(shù)字孿生體還可通過在患者體內(nèi)植入生物醫(yī)學傳感器來全天監(jiān)控其血糖水平，以提供有關(guān)食物和運動的建議等。
精準醫(yī)療是未來的診療模式?；卺t(yī)療數(shù)字孿生體，醫(yī)生可通過對患者健康大數(shù)據(jù)（基因、生活習慣、家族病史和病例）的搜集和分析，進而提出個性化、針對性的治療方式和藥物，實現(xiàn)精準診斷與治療。這種模式不僅用于患者的疾病治療，更側(cè)重于對人們疾病的預防。最大的可能是醫(yī)生根據(jù)患者的基因、生活習慣等因素制定獨特的藥物和方案。個性化藥物使醫(yī)療效率得到優(yōu)化，藥物副作用降低，住院率下降，最終會體現(xiàn)在患者整體醫(yī)療成本的下降，也緩解了醫(yī)療資源的不足問題。
對于城市管理而言，掌握了城市居民群體的醫(yī)療數(shù)字孿生體，有助于合理規(guī)劃和分配醫(yī)療資源，以及輔助社保、扶貧等政策制定。
7.智能服務管理
基于數(shù)字孿生城市下萬物互聯(lián)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，政府可建設(shè)“智能城市APP”,建立跨部門跨地區(qū)業(yè)務協(xié)同、共建共享的信息服務體系，創(chuàng)新發(fā)展教育、就業(yè)、社保、養(yǎng)老、醫(yī)療以及文化的服務模式，通過聚合社保、交通、醫(yī)療等應用，使市民足不出戶即可享受方便快捷、優(yōu)質(zhì)高效的生活服務。
基于城市數(shù)字孿生體和政務數(shù)字孿生體，可簡化政府各項行政事務審批流程,實現(xiàn)一網(wǎng)通辦理及提供一站式服務，如企業(yè)注冊、稅務、工商等事項綜合處理；同時政府對政策實施的效果進行仿真模擬，預測可能出現(xiàn)的瓶頸問題，以助于政府及時調(diào)控，最大程度合理化配置公共服務資源。
8.智慧社區(qū)管理
基于數(shù)字孿生城市建設(shè)，智慧社區(qū)為城市社區(qū)居民建立一個安全、便利的數(shù)字生活社區(qū)，從而形成一種以數(shù)字化、智能化為基礎(chǔ)的新社區(qū)管理模式。
例如可通過在社區(qū)建筑建立含有ICT系統(tǒng)的能源監(jiān)控系統(tǒng)，集成利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化統(tǒng)計和計算建筑內(nèi)空調(diào)、電燈、電視等各項能耗數(shù)據(jù)，根據(jù)居民生活習慣進行預測和動態(tài)調(diào)控。還可以通過遠程反應監(jiān)測老年人用電用氣安全，如老人在做飯時忘關(guān)閉天然氣，發(fā)現(xiàn)不符合以往習慣的異常情況，則系統(tǒng)可以及時發(fā)出警報，減少事故發(fā)生，保證老年人的居住安全。
未來基于社區(qū)數(shù)字孿生體、智能建筑和物聯(lián)網(wǎng)等多源技術(shù)和數(shù)字的融合，我們的家居生活將變得越來越智能。因此需要一個中央管理系統(tǒng)對安全系統(tǒng)、電視網(wǎng)絡、Wi-Fi、冰箱、太陽能、熱水器、廚房設(shè)備、暖氣/空調(diào)等系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。數(shù)字孿生體技術(shù)是其中的重要組成部分，該系統(tǒng)也將成為對未來家庭需求管理至關(guān)重要的智能系統(tǒng)（圖2）。
9.智慧景區(qū)建設(shè)
智慧景區(qū)指基于景區(qū)數(shù)字孿生體對景區(qū)地理、自然資源、旅游者行為、景區(qū)工作人員、景區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和服務設(shè)施進行全面、透徹、及時的感知，對游客、景區(qū)工作人員行動實現(xiàn)可視化管理，優(yōu)化再造景區(qū)業(yè)務流程和數(shù)字化智能運營管理,提高服務質(zhì)量，實現(xiàn)景區(qū)環(huán)境、社會和經(jīng)濟的全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。
對于景區(qū)管理機構(gòu)和商業(yè)機構(gòu)來說，可基于景區(qū)數(shù)字孿生體，對旅游淡旺季的游客數(shù)據(jù)、意外和應急處理事件、景區(qū)設(shè)施利用率和故障率、景區(qū)商業(yè)銷售數(shù)據(jù)等進行模擬仿真分析，并進行未來預測，并根據(jù)預測結(jié)果進行持續(xù)優(yōu)化調(diào)整。
具體應用場景如：對節(jié)假日客流進行預測，并進行不同決策方案的模擬仿真和優(yōu)化。如增加景區(qū)觀光車數(shù)量、觀光車游覽路徑優(yōu)化、周邊交通站點的公交短駁接送和引導、景點票價折扣調(diào)整、景區(qū)游樂設(shè)施安全保障措施制定、景區(qū)應急處理方案的優(yōu)化等，在不同的可選方案中采取最佳決策。景區(qū)商業(yè)機構(gòu)還可根據(jù)歷史商品銷售的大數(shù)據(jù)預測分析進行商品調(diào)配和售價調(diào)整、移動銷售網(wǎng)點的增加與布置、酒店房源及價格調(diào)整、餐飲食材采購和庫存調(diào)整等。
未來景區(qū)數(shù)字孿生體與產(chǎn)業(yè)數(shù)字孿生體“共智”，還可進行景區(qū)產(chǎn)業(yè)監(jiān)測、客源地分析、用戶畫像、游客滿意度、商家信用診斷、景區(qū)營銷等分析，為管理者提供商業(yè)運營方案，擴大收入來源，反哺資金投入，促進城市旅游產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)生態(tài)發(fā)展。
