摘要：我國智慧城市，經(jīng)歷了十多年的發(fā)展，正在從過去以垂直服務(wù)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)智慧城市建設(shè)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉w數(shù)字空間為載體的新型智慧城市建設(shè)。數(shù)字孿生城市是智慧城市的一種發(fā)展模式，旨在改變以往依賴資源投入帶動城市發(fā)展的粗放模式，通過新技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)多方參與，優(yōu)化資源配置，提升生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更多的價(jià)值。本文主要分析數(shù)字孿生城市的建設(shè)路徑，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供抓手。
關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生、新基建、數(shù)字孿生城市、新型智慧城市
一、數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵
（一）數(shù)字孿生
根據(jù)美國航空航天局（NASA）權(quán)威定義，數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。簡言之，數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實(shí)世界的物理體、系統(tǒng)以及流程等復(fù)制到賽博空間，生成一個(gè)“克隆體”，二者最終組成一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”。
數(shù)字孿生在虛實(shí)之間存在一種雙向映射、動態(tài)交互和實(shí)時(shí)聯(lián)系的特征。雙向映射即本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)和建成模型，同時(shí)孿生體向本體反饋信息和輸出優(yōu)解，是數(shù)字孿生的核心特征。動態(tài)交互即根據(jù)傳感現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及物理本體周邊場景數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，為物理實(shí)體的后續(xù)運(yùn)行提供改進(jìn)與優(yōu)化方案，并會輻射到物理實(shí)體的全生命周期過程。實(shí)時(shí)聯(lián)系數(shù)字孿生實(shí)時(shí)與準(zhǔn)時(shí)創(chuàng)建與物理實(shí)體等價(jià)的“克隆體”或數(shù)字模型。
數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)分為物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層、應(yīng)用層。物理實(shí)體、數(shù)據(jù)、虛擬模型、連接、應(yīng)用是數(shù)字孿生的核心要素。目前，數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用于智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新型場景。
圖 1數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)
（二）數(shù)字孿生城市
數(shù)字孿生城市是城市物理世界與網(wǎng)絡(luò)虛擬空間一一對應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜巨系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之匹配、對應(yīng)的“孿生城市”，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的城市發(fā)展格局。
圖 2 數(shù)字孿生城市運(yùn)行機(jī)理
數(shù)字孿生城市的核心價(jià)值，在于通過建立基于高度集成的數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，生成城市全域數(shù)字賽博空間，并利用數(shù)字化仿真、虛擬化交互等技術(shù)，使得城市運(yùn)行、管理、服務(wù)由實(shí)入虛，可在虛擬空間的進(jìn)行仿真建模、現(xiàn)象演化、智能操控、智能決策等，開辟新型智慧城市的建設(shè)和治理新模式。
二、數(shù)字孿生與城市建設(shè)的內(nèi)在關(guān)系
（一）數(shù)字孿生推動城市智能化
數(shù)字孿生城市基于數(shù)字化標(biāo)識、自動化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、普惠化計(jì)算、智能化控制、平臺化服務(wù)的信息技術(shù)體系和城市信息空間模型，有助于推動城市全要素?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)。
從技術(shù)角度看，基于數(shù)字化標(biāo)識、自動化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、普惠化計(jì)算、智能化控制、平臺化服務(wù)的信息技術(shù)體系和城市信息空間模型，為城市治理提供數(shù)據(jù)驅(qū)動決策、技術(shù)綜合集成的智慧城市綜合技術(shù)支撐體系。
從城市發(fā)展看，數(shù)字孿生城市是是支撐新型智慧城市建設(shè)的復(fù)雜綜合技術(shù)體系，也是是物理維度上的實(shí)體城市和信息維度上的虛擬城市的同生共存、虛實(shí)交融的城市未來發(fā)展形態(tài)。
1、數(shù)字孿生推動城市數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)表達(dá)。通過對城市各方面的傳感器布設(shè)，實(shí)現(xiàn)對城市道路、橋梁、井蓋、燈蓋、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字化建模，以及對城市運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測，形成虛擬城市在信息維度上對實(shí)體城市的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。
2、數(shù)字孿生賦予城市生活“智慧”。通過在“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策建議，以未來視角智能干預(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”。
（二）新基建加速數(shù)字孿生城市建設(shè)
新基建的大力推進(jìn)，將不斷融入傳統(tǒng)的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動城市朝著更加智能、便捷、高效、智慧的方向不斷演變。將全面推動城市海量數(shù)據(jù)的跨領(lǐng)域融合應(yīng)用，構(gòu)建安全、有序的數(shù)據(jù)開放生態(tài)，充分釋放數(shù)據(jù)資源價(jià)值，打造融合城市災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急管理、公共服務(wù)等功能的一體化智能城市管理服務(wù)模式。推動城市運(yùn)轉(zhuǎn)的全面數(shù)字化、智能化，讓城市居民生活更舒適、更方便。
隨著新基建的大規(guī)模推進(jìn)建設(shè)，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)萬物互聯(lián)和智能定義一切。
三、數(shù)字孿生城市建設(shè)路徑
（一）布局建設(shè)全域智慧設(shè)施
數(shù)字孿生城市，通過布設(shè)天空、地面、地下、河道等各層面的傳感器，將城市道路、橋梁、井蓋、燈蓋、建筑物等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化建模。為支撐數(shù)字孿生城市的高效運(yùn)行，滿足城市各類智能化運(yùn)行場景需求，推進(jìn)5G、WLAN、eMTC、NB-IoT 、LTE以及城市專網(wǎng)等多網(wǎng)協(xié)同高速、泛在的網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境，形成天空地一體化綜合信息網(wǎng)絡(luò)，滿足城市數(shù)據(jù)之間的無縫接入，適應(yīng)不同數(shù)字孿生城市應(yīng)用場景。
（二）構(gòu)建高精度城市信息模型
數(shù)字孿生城市可以對城市的人事物進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)城市內(nèi)各類主體的適應(yīng)性變化實(shí)現(xiàn)城市的最優(yōu)化運(yùn)作。而數(shù)字孿生城市“預(yù)判”技術(shù)的核心是高精度、多耦合的城市信息模型，即通過加載全量全域數(shù)據(jù)，在城市系統(tǒng)內(nèi)匯集交融，實(shí)現(xiàn)對城市規(guī)律的識別，為改善和優(yōu)化城市系統(tǒng)提供有效的指引。
（三）打造智能化治理城市大腦
數(shù)字孿生城市通過城市大腦，匯聚與交融不同來源的數(shù)據(jù)，如實(shí)記錄呈現(xiàn)城市動態(tài)，盡可能預(yù)見到政策干預(yù)對各個(gè)子系統(tǒng)的影響，充分考慮各種規(guī)避行為、時(shí)間延遲和信息損失等問題，將“自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化”功能融入城市治理過程之中，最終達(dá)到增加城市系統(tǒng)整體福利的理想效果。通過建立城市大腦的協(xié)同平臺，對接城市管理、生態(tài)治理、交通治理、市場監(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景需求為驅(qū)動，以數(shù)字孿生城市模型平臺為基礎(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)字孿生城市平臺是城市大腦的核心平臺，以此為依托，面向未來啟動基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市治理和城市運(yùn)營。
賽智時(shí)代認(rèn)為，傳統(tǒng)城市治理聚焦于現(xiàn)實(shí)城市的物理空間，在現(xiàn)場根據(jù)指令從事執(zhí)法、調(diào)研、巡視等相關(guān)工作。而數(shù)字孿生城市，是利用數(shù)據(jù)優(yōu)化城市治理和公共服務(wù)職能，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)研判城市特定區(qū)域出現(xiàn)的異常情況，利用虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)。數(shù)字孿生城市的建設(shè)和運(yùn)營將優(yōu)化未來城市治理，提供更精準(zhǔn)的服務(wù)，帶動業(yè)務(wù)流程再造、管理模式變革。
