编者按
随着“数字孪生城市”在雄安新区先行先试，数字孪生理念日渐在多地智慧城市规划建设中体现并实施，极大拓展了人们对未来城市形态的认知。我们将用两期内容，介绍数字孪生城市相关内涵、特征、运作机理及应用情况。
一、 “数字孪生城市”建设背景
2019年11月底，雄安智能城市与物理城市同步进入大规模开工建设阶段，全力打造智能城市“一个中心、四个平台”基础设施体系，雄安新区数字孪生城市的“数据基底”正在成型。此外，北京通州副中心、南京江北新区、重庆两江、贵州贵阳等众多城市和地区的“数字孪生城市”基础设施建设和落地应用如火如荼推进。潮流比想象中来得更快。在2017年“数字孪生城市”的说法出现以后，短短一年多时间，“数字孪生城市”方案和模式已如“雨后春笋”般在我国多地涌现。
我国数字孪生城市建设尚处于起步阶段。在许多城市已经开展的智慧城市建设中，虽然政务云化和数据共享取得明显进展，但实际上仍处于垂直领域信息化建设的后期阶段，面向城市一体化运行管理的技术架构和业务架构尚未真正建立起来。因此，大数据虽得以汇聚，其价值却得不到有效发挥；城市运营虽已有共识，但缺乏平台抓手。数字孪生本质是一个集成了技术、数据、算法、工具、应用的巨大工程，需要社会各界构建能力互补的产业合作生态系统，积极探索数字孪生城市解决方案，推动我国数字孪生城市尽快落地实施并持续健康发展。
二、 数字孪生城市的内涵及特征
数字孪生城市是城市累积数据从量变到质变，在感知建模、人工智能等新型技术取得重大突破的背景下，建设新型智慧城市的一条新兴技术路径，是城市智能化、运营可持续化的前沿先进模式，也是一个从局部应用到全局优化，持续迭代更新的城市级创新平台。
数字孪生城市的本质是城市级数据闭环赋能体系，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态，实现智慧城市的内生发展动力。
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，在数字空间再造一个与物理城市匹配对应的数字城市，全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境中的状态，推动城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化智能化，实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转。
数字孪生城市具有四大特点：精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。
精准映射：数字孪生城市通过空天、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字化建模，以及对城市运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。
虚实交互：城市基础设施、各类部件建设即有痕迹，城市居民、来访人员上网联系即有信息。数字孪生城市中，在城市实体空间可观察各类痕迹，在城市虚拟空间可搜索各类信息，城市规划、建设以及民众的各类活动，在虚拟空间得到极大扩充，虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。
软件定义：孪生城市针对物理城市建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控城市的交通信号控制、电热能源调度、重大项目周期管理、基础设施选址建设。
智能干预：通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等，将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行，进而指引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”。
三、数字孪生城市总体架构及运行机理
数字孪生城市建设依托以云、网、端为主要构成的技术生态体系。端侧形成城市全域感知，深度刻画城市运行体征状态；网侧形成泛在高速网络，提供毫秒级时延的双向数据传输，奠定智能交互基础；云侧形成普惠智能计算，以大范围、多尺度、长周期、智能化地实现城市的决策、操控。
图1 智慧城市总体架构及运行机理
人工智能三要素分别为数据、算力、算法。数字孪生城市，以全域数字化标识和一体化感知监测为数字孪生基础，以全域全量的数据资源（数据）、高性能的协同计算（算力）、深度学习的机器智能平台（算法）为城市信息中枢，以数字孪生模型平台为城市运行信息集成展示载体，操控城市治理、民生服务、产业发展等各系统协同运转，形成一种自我优化的智能运行模式，实现“全域立体感知、万物可信互联、泛在普惠计算、智能定义一切、数据驱动决策”。
1.全域终端数字化标识
数字化标识是万物互联的基础，是数字孪生城市构建的前提条件，是数字空间中用于区分实体身份的基础信息。
2.一体化感知监测体系
一体化感知监测体系是万物感知、万物互联、万物智能的通道、入口和“神经系统”，是数字孪生城市实现物理世界到虚拟世界转化的“连接器”。
3.全域全量的数据资源
全域全量的城市数据是数字孪生城市构建的基础，为深度学习自我优化功能提供“数据”要素。
4.高性能的协同计算能力
高性能的协同计算是数字孪生城市构建的效率保障，为深度学习自我优化功能提供“算力”要素。
5.深度学习机器智能平台
深度学习的机器智能平台是数字孪生城市构建的运行决策保障，为深度学习自我优化功能提供“算法”要素。
6.实时映射的孪生模型平台
实时映射的孪生模型平台是构建数字孪生城市综合信息载体平台，是城市统一“展示窗口”、“决策中心”。
7.智能操控现实的应用体系
智能操控现实的应用体系是构建数字孪生城市的“总控开关”、“指挥中心”。
四、 数字孪生城市的功能
数字孪生城市为智慧城市建设明确了技术集成与业务协同的层次和路径。
技术层面，通过数字孪生城市模型平台，聚合多源数据、算法、各类技术能力和工具集，构成强大能力中台，为应用场景提供开放赋能服务。平台下层是城市公共数字底座，以其强大的感知、传输、计算、控制和智能化能力，重塑城市数字基因，营造智能运行环境，支撑数字孪生城市虚实交互、精准映射。
业务层面，通过建立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，制定全域一体的闭环流程和处置预案，按需调用相关子系统业务能力，从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。
随着新基建的大规模推进，数字孪生城市的建设成本将大大降低，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靠物联网扩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定义一切。
作者简介
郑树泉，上海产业技术研究院工程大数据创新服务中心主任， 教授级高级工程师。曾获多项省部级科技进步奖及国家发明专利， “全国大数据信标委工业大数据”标准专家组成员，主编专着《工业大数据：架构与应用》、《工业智能技术与应用》。
