基于数字孪生的智慧城市

1.摘要

数字孪生被认为是当今智慧城市建设的新起点。该文作者定义了数字孪生和数字孪生城市的概念，探讨了数字孪生与智慧城市的关系，分析了基于数字孪生的智慧城市的特点。最后，该作者讨论了基于数字孪生的智慧城市的未来发展。

2.数字孪生与智慧城市

一般认为，“数字孪生”是一种充分利用物理模型、传感器、运行历史数据等，整合多学科、多物理量、多尺度、多学科信息的仿真过程。镜体反映了相应物理实体产品的整个生命周期过程。事实上，目前对于数字孪生的概念有很多不同的理解，尚未形成共识定义。然而，人们普遍认为物理实体、虚拟模型、数据、连接和服务是数字孪生的核心要素。数字孪生的本质是一种存在于物理空间和虚拟空间之间的双向映射关系。

数字孪生首先出现并在产品和制造设计行业发挥作用，后来出现在航空航天、自动化、造船、医疗和能源等行业。随着物联网、大数据、云计算和人工智能的发展，智慧城市的建设基础已经从最初的静态3D建模层面逐步向动态数字技术与静态3D模型相结合的数字孪生层面演进，形成了数字孪生城市助力智慧城市建设的新理念。

数字孪生城市的建设将引发城市智能规划、管理和服务的重大创新，成为智慧城市建设的“新起点”。这将有助于实现城市全要素信息可视化和城市规划、管理和服务智能化的目标。数字孪生城市不仅是数字城市的目标，也是智慧城市的关键要素。是城市实现智慧化的重要设施和基础能力。这也是科技驱动城市信息化从质变向量变转变的里程碑，为智慧城市建设提供了更大的创新空间。

3.基于数字孪生的智慧城市应用

基于数字孪生城市，可建立智慧城市运营大脑（SCOB），由市领导牵头成立智慧城市运营中心（SCOC），任命首席运营官（COO）负责. 图 1展示了基于数字孪生城市的SCOB完整的管理架构。SCOC隶属COO管辖，COO之间由首席信息官（CIO）联席会议委员会负责协调和管理。SCOC管理城市信息化四大板块，包括城市IT运维中心、大数据中心、城市运行监控指挥中心、智慧服务中心（包括开放数据平台、数据集市等公司）。SCOB的主要职能包括（1）参与和审查城市顶层设计；（二）规划审查各行业信息化发展的总体目标、框架、任务、运行管理机制；（三）制定相关政策、法规和标准；（四）负责城市信息资源的整合与共享；（五）监控城市运行，多部门协调指挥；（六）推动形成面向社会的大数据开放应用、服务和交易体系。

图1 基于数字孪生的智慧城市运营大脑管理架构

公共信息云服务平台是SCOB的基础设施部分。公共信息云服务平台一旦建立，SCOB办公室就可以开始运作，官员们可以使用平台的“应用程序”来负责智慧城市的管理。图 2展示了公共信息云服务平台的结构。平台由基础设施层、软件开发与运营平台层、应用层组成。该平台利用服务器、网络、传感器设备等基础设施获取数据，以云基础设施、数据、平台和软件为服务，最终实现云服务平台在智慧城管、智慧公共等各个领域的应用安全、智慧旅游。平台可打造数据采集、处理、存储、清洗、挖掘、应用、反馈的生态链。基于数字孪生城市的智慧城市运营中心是智慧城市的心脏。它是城市大数据的资源库，是城市物联网的枢纽。

图2 基于数字孪生的智慧城市公共信息云服务平台架构示意图

以智慧城市运营大脑为基础，将云数据中心的数据与各部门的数字化子系统相融合，构建多门户一体化城市指挥应急中心。该中心还使用多维分析和数据挖掘等基础数据分析组件，以及物联网感知和实时运行监控等分析应用。该中心可以降低城市信息化项目及其维护成本，最大限度地降低政务成本，提高城市效率。示意图如下。

图3 基于数字孪生的智慧城市运营大脑示意图

4.结论

智慧城市是基于数字城市、物联网和云计算建立的现实世界和数字世界的融合，实现人与物的感知、控制和智能服务，而数字孪生城市无疑是一种新型现代智慧城市建设的起点。基于数字孪生的智慧城市在经济转型、城市智慧管理和公共智慧服务等方面具有广阔的前景，使人与自然更加协调发展。智慧城市的实现，需要建设更加完善的空间信息基础设施，确保各类智慧城市应用用好、用得起。智慧城市的大数据问题带来了新的机遇和挑战。为推动数字服务业发展，更好地实现互联网+智慧城市的各类智慧应用，发展数字经济，需要做好技术创新和研究工作。智慧城市建设是龙头工程，要根据每个城市的特点，做顶层设计和总体规划，建立智慧城市运营中心和运营大脑，让城市变得智慧。只有抓好实体城市的设计、规划和基础设施建设，落实相应的政策，智慧城市建设才能真正落地。

原文信息

[1]Deren, L., Wenbo, Y. & Zhenfeng, S. Smart city based on digital twins. Comput.Urban Sci. 1, 4 (2021). https://doi.org/10.1007/s43762-021-00005-y