数字孪生城市概念分析及建设方案详解

一、数字孪生城市的内涵
（一）数字孪生
据美国航空航天局（NASA）权威性定义，数字孪生就是指充分运用物理模型、传感器、运作历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的模拟仿真全过程，在虚拟空间中完成映射，进而反映相对应的实体设备的生命周期全过程。简而言之，数字孪生便是将现实世界的物理体、系统及其流程等复制到赛博空间，形成一个“克隆体”，两者最终构成一个“数字双胞胎”。
数字孪生在虚实之间具有一种双向映射、动态交互和实时联系的特性。双向映射即本体向孪生体输出数据和建设模型，与此同时孪生体向本体反馈信息和输出优解，是数字孪生的核心特性。动态交互即根据传感器现实数据、历史数据及其物理本体附近场景数据进行模拟仿真分析，为物理实体的后期运作提供改善与优化方案，并会辐射到物理实体的生命周期全过程。实时联系数字孪生实时与准时创建与物理实体等价的“克隆体”或数字模型。
数字孪生技术架构可分为物理层、数据层、模型层、功能层、应用层。物理实体、数据、虚拟模型、连接、应用是数字孪生的核心要素。现阶段，数字孪生广泛运用于智慧城市、工业互联网、车联网等新兴场景。

（二）数字孪生城市
数字孪生城市是城市物理世界与网络虚拟空间相互对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在网络空间塑造一个与之相匹配、相对应的“孪生城市”，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展格局。
数字孪生城市的核心价值，在于通过建立基于高度集成的数据闭环赋能体系，形成城市全域数字赛博空间，并利用数字化模拟仿真、虚拟化交互等技术，使得城市运作、管理、服务由实入虚，可在虚拟空间的进行仿真建模、现象演化、智能操控、智能决策等，开辟新兴智慧城市的建设和治理新模式。
二、数字孪生与城市建设的内部关系
（一）数字孪生促进城市智能化
数字孪生城市基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制、平台化服务的信息技术体系和城市信息空间模型，有利于促进城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运作管理协同化智能化，实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转。
从技术角度来看，依托于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制、平台化服务的现代信息技术体系和城市信息空间模型，为城市治理提供数据驱动决策、技术综合性集成的智慧城市综合性技术支撑体系。
从城市发展看，数字孪生城市是是支撑创新型智慧城市建设的复杂综合性技术体系，也是是物理层面上的实体城市和信息层面上的虚拟城市的同生共存、虚实相融的城市未来发展形态。
1、数字孪生推动城市数据信息精准表达。
通过对城市各方面的传感器布置，实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全方位数字化建模，以及对城市运作状态的充分感知、动态监测，形成虚拟城市在信息层面上对实体城市的精准信息表达和映射。
2、数字孪生赋予城市生活“智慧”。
通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等，将城市有可能出现的不良影响、矛盾冲突、潜在性危险进行智能化预警，并提供合理有效的对策建议，以未来视角智能化干涉城市原先的发展轨迹和运作，从而引导和优化实体城市的规划、管理、改善市民服务供给，赋予城市生活“智慧”。
（二）新基建加快数字孪生城市建设
新基建的大力推动，将不断地融进传统的城市基础设施建设，推动城市向着更为智能、快捷、高效、智慧的方向不断地演化。将全方位推动城市海量数据的跨领域融合运用，创建安全、有序的数据开放生态，充分释放数据资源的价值，打造出融合城市灾害预警、应急管理、公共服务等功能的一体化智能城市管理服务模式。推动城市运行的全方位数字化、智能化，让城市居民生活的更舒适、更便捷。
伴随着新基建的大规模推动建设，数字孪生城市的建设成本将大幅度降低，为数字孪生城市虚实交互提供基础支撑环境，数字孪生城市的精准映射从主要依赖物联网拓展到新基建的全部领域，包括5G、物联网、边缘计算、数据中心，市政设施、行业设施和公共服务设施的智能化，实现万物互联和智能化定义一切。
三、数字孪生城市建设路径
（一）布局建设全域智慧设施
数字孪生城市，通过布设天空、地面、地下、河道等各方面的传感器，将城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑物等基础设施进行数字化建模。为支撑数字孪生城市的高效率运行，满足城市各种类型智能化运行场景需求，推动5G、WLAN、eMTC、NB-IoT、LTE及其城市专网等多网协同高速、泛在的网络接入环境，生成天空地一体化综合信息网络，满足城市数据之间的无缝接入，适应不同数字孪生城市应用场景。
（二）创建高精度城市信息模型
数字孪生城市能够对城市的人事物进行预判，依据城市内各类主体的适应性变化实现城市的最优化运行。而数字孪生城市“预判”技术的核心内容是高精度、多耦合的城市信息模型，即通过载入全量全域数据，在城市系统内汇聚融合，实现对城市规律的识别，为改进和优化城市系统提供有效的指引。
（三）塑造智能化治理城市大脑
数字孪生城市通过城市大脑，汇聚与融合不同来源的数据，如实记录展现城市的动态，更多的预见到现行政策干涉对不同子系统的影响，充分的考虑到各类规避行为、时间延迟和信息损失等问题，将“自学习、自优化”功能融进城市治理流程之中，最终实现提升城市系统总体福利的理想化效果。通过创建城市大脑的协同平台，对接城市管理、生态治理、交通治理、市场监管、应急管理、公共安全等不同领域系统，以重大事件和特殊场景需求为驱动，以数字孪生城市模型平台为基础，制订全域一体的闭环流程和应急处置预案，按需调用相关的子系统业务能力，进而实现城市治理的协同联动和一网统管。城市大脑是城市治理的主要载体，数字孪生城市平台是城市大脑的核心平台，以此为依托，面向未来启动基于数据驱动的城市治理和城市运营。
传统城市治理聚焦于现实城市的物理空间，在现场依据指令从事执法、调研、巡视等相关的工作。而数字孪生城市，是利用数据优化城市治理和公共服务职能，采集数据进行数据分析，实时判断城市指定地区发生的异常情况，利用虚拟服务现实。数字孪生城市的建设和运营将优化未来城市治理，提供更精准的服务，带动业务流程再造、管理模式变革。