城市数字孪生为何而生

数字孪生概念

数字孪生的概念起源于工业制造领域，以下是摘自百度百科关于“数字孪生”概念的定义：

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

对于 “数字孪生城市”的概念目前业内还有许多争议，以下是摘自网络的一段描述：

数字孪生城市的定义是实体城市在虚拟空间的映射和状态。数字孪生城市是新一代信息技术在城市的综合集成应用，是实现数字化治理和发展数字经济的重要载体，是未来城市提升长期竞争力，实现精明增长、可持续发展的新型基础设施，也是一个吸引高端智力资源共同参与，持续迭代更新的城市级创新平台。

数字孪生概念由来

关于数字孪生概念的由来，业界主要观点认为是迈克尔·格里夫斯首先提出的。

2002年，迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授在美国密歇根大学的课堂上首次提出“数字孪生”（又称“数字双胞胎”）的设想。2010年，美国国家航空航天局（NASA）的技术报告中正式使用了“数字孪生”一词。2011 年，Michael Grieves 教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。另外，2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，明确提到了数字孪生。

数字孪生概念由来

国内数字孪生发展状况

2018年以来，河北雄安新区首先提出"坚持数字城市与现实城市同步规划同步建设，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市"，数字孪生建设理念纷纷出现在各地智慧城市、数字基建等规划之中。省（市）级层面，北京提出“建设数字孪生城市”，上海提出“探索建设数字孪生城市”，浙江提出“现实和数字孪生社区”，广东提出“探索构建‘数字孪生城市’实时模型”，海南提出打造“数字孪生第一省”；地市级层面，宁波提出促进数字孪生理念在未来社区实体建设中落地应用，贵阳、南京、合肥、福州、成都等地提出以数字孪生城市为导向推进新型智慧城市建设，其中贵阳编制的《数博大道数字孪生城市顶层设计》，是全国首个真正意义上的数字孪生城市顶层规划。

国内数字孪生发展现状

数字孪生城市的关键问题

1. 数字孪生城市不仅是有模型关键是有信息

无论是制造业还是城市治理，数字孪生技术的核心是数据，包括城市模型数据、基础地理数据、规划管控数据、物联感知数据、以及城市各种专题数据，只有融合各类数据建立关联信息才能使用这些数据进行计算、加工、挖掘，才能真正发挥数字态孪生城市的价值。数字孪生城市不仅是要好看关键是要好用，人们最直接的感官是视觉，然而数字孪生城市不仅要满足三维场景可视化的需求，更要能满足城市各要素的运行仿真、模拟推演的需求。

2. 数字孪生城市不仅是接实景关键是接物联

城市是动态的，基于物联网监测设备来连接和实时收集物理世界的感知参数，虚拟世界可全面、精准、动态地反映物理对象的实时状态变化，包括外观、性能、空间位置、异常状态等，进行分析、模拟、推演城市运行状况，分析的结果和预警信息再反馈给物理世界，从而为城市更新、城市安全、灾害防范、应急处理等提供数字化手段和智能化应用。

3. 数字孪生城市不仅是能观景关键是能便民

任何一项技术最终要能服务于其主体才能发挥其价值，工业设计的主体是工程师，工程建设的主体是建筑师和民工，而城市的主体是市民，因此数字孪生城市不仅仅是能提供一个大屏展示系统服务于领导参观展示，而是要落到实处服务于市民，提供便民的应用场景才能体现真正的价值。数字孪生城市的建设耗费巨大，如果不能将建设成果用之于民的话那无异于是在犯罪。

4. 数字孪生城市不仅是要映射关键是要共生

数字孪生城市的管理对象是城市空间的各类要素，建设数字孪生城市不仅是根据物理世界在虚拟世界构建对应的数字体，关键是要将现实世界中的物理对象和数字空间中的孪生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互，数字体应随现实对象的生命周期进程而不断演进更新，并且数字空间中进行模拟、分析、判断趋势，基于分析与仿真对物理世界形成优化策略，实现对物理实体决策优化，从而实现数字虚态到物理实态能够共生互动。

关于数字孪生城市的几点思考

1. 数字孪生的本质是数字化

随着信息技术的发展，早期只能在工业设计领域进行的制造业数字化仿真，现在可以得以在更广阔的领域进行应用，从数字化工厂，到数字化建造，再到数字化城市，数字孪生技术的应用场景越来越多。然后数字孪生的本质还是数字化，5G、BIM、3DGIS、IOT、CIM、VR/AR等信息技术只是技术手段的加持，新技术的应用才使得数字孪生在更多领域的应用成为可能，数字孪生也是IT技术发展的必然趋势和终极方向。

2. 城市信息模型是数字孪生城市的基石

建设数字孪生城市，其中一个必要条件是不断积累丰富的城市数字资产，只有积累了足够体量的数据才能有效地进行分析、模拟、推演，而CIM技术为数字孪生城市的建设提供了一种可能，城市信息模型是数字孪生城市的基石。而建设高质量的城市信息模型资源库需要耗费太多的人力、物力和时间，并且随时城市发展需要不断完善更新。而城市级的CIM基础平台的建设，可以为数字孪生城市提供数据资源以及基础能力。

3. 行业应用场景是数字孪生城市发展的途径

现阶段数字孪生城市的建设应以行业应用为主战场推进建设，在行业应用中才能找到切实的应用场景。关于模拟仿真，基于全量全要素的城市级大场景的模拟计算目前还是不现实的，期待量子计算机普及吧。