1 概述

1.1 內涵及概念模型

城市數字孿生是利用數字孿生技術，以數字化方式創建城市物理實體的虛擬映射，借助歷史數據、實時數據、空間數據以及算法模型等，仿真、預測、交互、控制城市物理實體全生命周期過程的技術手段，可以實現城市物理空間和社會空間中物理實體對象以及關系、活動等在數字空間的多維映射和連接。

城市數字孿生概念模型

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1.2 典型特征

1）全面感知

城市數字孿生以全面感知為前提。城市是一個復雜巨系統，時刻處于發展變化中，必須時刻掌握物理城市的全局發展與精細變化，實現孿生環境下的數字城市與物理城市同步運行。城市數字孿生通過布設覆蓋城市范圍的多種類型傳感器，建立全域全時段的物聯感知體系，對城市運行狀態進行多維度、多層次精準監測，全面獲取影像、視頻、各類運行監測指標等海量城市數據，實現對城市環境、設備/設施運行、人員流動、交通運輸、事件進展等的全方位感知，實時獲取城市全域全量運行數據，為城市數字孿生提供數據基礎。

2）精準映射

映射是構建數字世界并建立數字世界與物理世界緊密關系的過程。各類信息要素的精準匹配與精準表達是實現物理城市向數字城市映射的關鍵。城市數字孿生的實現場景下，物理城市與數字城市是一一對應、緊密融合、雙向互動的關系。通過物聯感知、數字化標識、多維建模等技術，數字空間實現全域模型精準建立、全量數據精準標識、全盤孿生精準運行，保障孿生環境下的仿真推演具有可信性和參考性，從而指導物理世界運行管理決策。

3）智能推演

智能推演是城市數字孿生具備智慧能力的體現，是實現對物理城市進行科學預測、指導與優化的關鍵。可以依據物理城市的真實運行數據，構建不同場景下的推演模型，進而模擬和分析物理城市的運行狀態和發展趨勢，推演預測物理城市的發展態勢與運行結果，并提出優化建議，輔助城市日常管理、應急指揮和科學決策。隨著城市數字孿生數據的日漸積累，使其可以通過數據去發現城市更多場景下的運行規律，從而能夠更多樣、更精準的建立推演模型，使城市管理者可以更好的掌握城市運行趨勢和可能發生的事件，真正實現數據驅動的城市智能化分析和運行。

4）動態可視

動態可視是指通過將感知的多源數據進行數字化建模和可視化渲染，城市數字孿生提供了全要素、全范圍、全精度真實的渲染效果，實現全空間信息和城市實時運行態勢的動態展示。一方面，城市數字孿生既可以展現宏大開闊的城市全貌場景，也可以展現諸如地下管線、室內設施等城市微場景，提供全粒度、多尺度的多維展現能力。另一方面，城市數字孿生可視化具有突出的動態性特點，可將城市實時運行體征，如交通運行、城市環境、監控視頻等城市實時信息與空間模型緊密融合，實時動態展示可視化對象的狀態變化，精準反映物理城市的真實狀態和運行情況，使數字城市更加鮮活。

5）虛實互動

虛實互動是指物理空間與數字空間的互操作和雙向互動，借助物聯網、圖形/圖像、AR/VR、人機交互等領域技術的協同和融合，實現城市級虛實空間融合、控制與反饋等能力。虛實互動的過程是指通過對物理世界的數據實時采集、接入并映射到數字世界，實現對物理世界的仿真和模擬，在數字空間中進行大數據量的計算、預測和演練，提出城市規劃、城市建設、城市治理等的科學決策建議，相關決策建議可以指導或直接反作用于物理世界，在物理世界執行完成后，相應的執行結果再映射到數字世界，并進行信息及時更新，實現物理空間與數字空間的雙向閉環互動。

6）協同演進

協同演進是城市數字孿生具有高階智慧能力的體現。城市數字孿生過程中，物理城市與數字城市在城市運行、數據、技術、機制等方面存在長期協同關系，長期相互反饋、相互影響。協同演進是以物理空間和社會空間為主體，數字空間進行推演，并反饋進化結果，使物理空間和社會空間協同推進的過程。協同演進不僅是“協同”的，更是“演進”的，是“物理城市與數字城市在各種因素的相互作用下的演進關系”，這種演進關系最終推動物理城市與數字城市共同發展進步。

2 參考框架

城市數字孿生技術參考架構

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為實現城市數字孿生，首先需對物理空間以及社會空間中的物理實體對象、事件對象以及關系對象進行數字空間的虛擬表達以及映射。在此基礎上，依托信息基礎設施實現數據的匯聚、傳輸以及處理，形成數據資源，在通用服務能力的支撐下進一步融合數字孿生技術，形成能夠對外提供的數字孿生服務，并通過交互服務實現與上層應用場景的融合。同時，需提供立體化安全管理以及全生命周期的運營管理，保障數字空間各類資產以及服務的安全高效運行。

信息基礎設施：信息基礎設施是指提供感知、連接、存儲以及計算能力的數字化基礎設施，其中感知基礎設施包含嵌入式傳感基礎設施、物聯網基礎設施以及測繪基礎設施等。連接基礎設施包含5G網絡、車聯網、窄帶泛在感知網、全光網絡等先進連接通信設備、設施以及系統。存儲基礎設施主要指多級數據存儲中心以及云數據中心，涵蓋多種存儲方式，包括分布式文件存儲、分布式結構化數據存儲、分布式列式數據存儲、分布式圖數據存儲。計算基礎設施包含高性能計算、分布式計算、云計算以及邊緣計算等先進計算基礎設施，支持城市建立虛擬一體化計算資源池。

數據資源：數字資源是城市各類數據的總和，是構建城市數字孿生系統的基礎。從數據來源可分為時空基礎數據、物聯感知數據、網絡傳輸數據、業務應用數據以及運行評估數據。其中時空基礎數據包括矢量數據、影像數據、高程模型數據、地理實體數據、地名地址數據、三維模型數據等。物聯感知數據包含通過物聯感知設備采集上報的各類感知數據以及狀態數據，如溫度、濕度、壓強、亮度、設備運行狀態等。業務應用數據包含來自業務信息系統、行業領域信息系統、第三方社會機構信息系統等多源業務應用數據。運行評估數據主要包括城市規劃、城市管理、經濟發展、環境保護、氣象、能源、交通等領域運行成效以及評估數據。

通用服務：通用服務為城市數字孿生提供基礎共性能力支撐。其中數據服務是對數據資源利用提供的通用支撐服務，包含但不限于數據模型、資產管理以及數據治理。應用服務提供保障城市數字孿生應用及服務的基礎能力，包含但不限于引擎服務、組件管理以及用戶管理。計算服務包括但不限于任務調度、資源管理、性能監測。智能服務包含但不限于模式識別、統計分析、知識圖譜等。

孿生服務：孿生服務是指城市數字孿生所需的特性服務，包括但不限于感知互聯、實體映射、多維建模、時空計算、仿真推演及可視化。感知互聯是指城市全要素實時感知及互聯控制，有標識解析、智能感知、實時監測、協同控制等。實體映射是指建立物理實體與虛擬實體之間的多層次、多維度的映射關系，有狀態指標、對象管理、屬性關聯、特征提取等。多維建模是進行全要素多維度數字化表達，有事件建模、時空建模、語義建模、規則建模等。時空計算指基于時間以及空間坐標的多維計算，有時空分析、時空解析、時空查詢、時空索引等。仿真預測是指模擬仿真，智能預測、動態決策等，有算法集成、引擎開發、任務管理、優化評估等。可視化是完成物理城市到數字城市的表達，有虛實融合、模型處理、渲染服務、場景編輯等。

交互服務：交互服務是指提供多種類型的能力開放界面，通過統一規范的交互界面實現跨系統數據互通以及服務調用，通過提供平臺化、輕量化數據、API、消息、應用等集成能力，第三方應用可以對功能組件進行靈活組合，實現業務邏輯和技術邏輯的分離。開放形式包含但不限于門戶、第三方服務、接口、開發工具、應用組件等。

安全管理：安全管理是指根據城市安全管理制度，開展數據安全、信息系統和網絡安全、安全預警和應急處理等管理工作。

運營管理：運營管理是指基于數字模型和標識體系、感知體系以及各類智能設施，實現城市基礎設施、地下空間、能源系統、生態環境、道路交通等運行狀況的實時監測和統一呈現，通過數字模型和軟硬件系統，實現快速響應、決策仿真、應急處理以及設備和系統的運行、維護和運營。實現城市要素、生態環境等運行狀況的實時監測和統一呈現。

3 關鍵技術

城市數字孿生豐富的內涵和特征決定了它的實現具有高度復雜性，涉及一系列復雜技術。其中，感知互聯、實體映射、多維建模、時空計算、仿真推演、可視化、虛實交互七個方面的相關技術構成了城市數字孿生關鍵技術體系。此外，城市數字孿生也離不開基礎網絡、5G、大數據、人工智能、云計算、區塊鏈等相關技術的支撐。

關鍵技術

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4 應用場景

當前，城市數字孿生典型應用場景主要包括城市規劃、城市建設、城市治理、智慧園區、智慧交通、智慧能源等。

4.1 城市規劃

在城市規劃領域，構建總規、控規、專規、城市設計、地下空間設計等全要素、全空間的城市規劃模型，依據規劃建設容量，以定量與定性方式，基于專題分析、模擬仿真、動態評估、深度學習等方法，對城市虛擬規劃和場景仿真模擬，實時動態性監管城市開發和城市生長更新的整體規劃實施情況。提出市域城鄉統籌發展戰略，保證規劃建筑、綠地、公路、橋梁、公共設施等每一寸土地時實現綜合效益的最優化，推動城市規劃有的放矢提前布局。

城市規劃（圖片來源于網絡）

4.2 城市建設

在城市建設領域，圍繞城市建設中“人員、安全、進度、協同、環境”幾個重要因素，構建數字孿生信息化應用系統，對建設過程中涉及的人、機、料、法、環等生產要素進行數字化，實現對項目施工信息、工程進度、重大事件實時更新，并通過系統同步配置用戶的組織結構、智能權限，結合各類子系統應用實現信息有效觸達、問題及時跟進、工地有序管理，為建設方、施工方、監理方、設計方及相關人員提供應用服務，有效解決城市以及新區建設過程中的復雜性和不確定性等行業痛點，打造安全可靠、綠色環保的城市建設。

城市建設（圖片來源于網絡）

4.3 城市治理

在城市治理領域，城市治理是推進國家治理體系和治理能力現代化的重要內容，通過城市數字孿生匯聚GIS數據、影像數據、高程數據、OSGB、BIM、專題數據等多維時空數據，對接城市管理、生態治理、交通治理、市場監管、應急管理、公共安全等不同領域系統，以城市事件綜合管理、重大事件和特殊場景需求為驅動，將“自學習、自優化、自演進”功能融入城市治理過程之中，制定全域一體的閉環流程和處置預案，對癥下藥精準施策，更好地把影響城市生命體健康的風險隱患察覺于醞釀之中、發現在萌芽之時、化解于成災之前，實現引導城市規劃建設，達到精準化治理效果。

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城市治理（圖片來源于網絡）

4.4 智慧園區

園區作為城市的核心單元，智慧園區建設已成為當今城市規劃和社會發展的關注焦點，也是產業園區和社區發展的必然趨勢。基于城市數字孿生感知化、互聯化、平臺化、一體化的手段，實時接入園區IoT設備、資產、能源、設施及環境等數據，建立基于園區實時運行狀況的數字孿生場景，融合園區數字孿生、運用管理、業務管理為一體，實現對園區總體情況、設備運維、物業管理、安全管控、運營服務等全要素、全流程可查、可管、可控、可追溯，打造“安全、智慧、綠色”的園區，提升園區的社會和經濟價值，開創智慧園區的立體多維管理新模式，從而實現園區經濟可持續發展的目標。

智慧園區

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4.5 智慧交通

在智慧交通領域，通過融合多源異構數據，搭建包含基礎交通設施、動態車流、時空、地理等信息的交通數字孿生底座，并融入物聯網、云計算、大數據、移動互聯等前沿IT技術，匯集各類交通信息，提供實時交通數據下的交通信息服務。并利用AI圖像識別、仿真算法等數據處理技術，實現智慧交通系統性、實時性、信息交流的交互性以及服務的廣泛性，有效解決了交通感知難、出行難、治理難、維護難的行業痛點，進一步提升交通“規、建、管、運、服”能力，助力建成便捷順暢、經濟高效、綠色集約、智能先進、安全可靠的現代化高質量國家綜合立體交通網，實現“交通強國”目標。

智慧交通（圖片來源于網絡）

4.6 智慧能源

在智慧能源領域，統籌大數據、人工智能、物聯網等新一代信息技術，構建與物理城市能源相匹配的數字城市能源系統，挖掘真正的數據需求，建立科學的決策程序，用數據分析結果指導實踐，實現城市能源系統全要素的數字化、虛擬化，全狀態實時化和可視化、運行管理協同化和智能化，實現物理城市和數字城市虛實交互。通過“智慧化”使能源轉化效率、能源傳輸效率、能源基礎設施利用效率、能源與經濟社會的結合效率顯著提升，最終實現能源系統更加高效、清潔、低碳。

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智慧能源（圖片來源于網絡）

5 發展趨勢

（1）城市數字孿生將成為智慧城市建設技術底座

城市數字孿生將成為智慧城市發展新階段的核心底座，為城市構建虛實共生的數字基礎設施能力。當下，城市數字孿生已經從概念培育期加速走向建設實施期，隨著物聯感知、BIM和CIM建模、可視化呈現等技術加速應用和融合，萬物互聯、虛實映射、實時交互的城市數字孿生將成為賦能城市實現數字化轉型、提升長期競爭力的核心抓手。上海市發布的《全面推進城市數字化轉型“十四五”規劃》提出“加快推動城市形態向數字孿生演進，逐步實現城市可視化、可驗證、可診斷、可預測、可學習、可決策、可交互的‘七可’能力，構筑城市數字化轉型‘新底座’”。

（2）城市數字孿生將在智慧城市中迎來深度應用

隨著建設工作的不斷進行，城市數字孿生作為政府數字化轉型的新型基礎設施和城市運營賦能平臺。以各類時空基礎數據、三維模型數據、業務系統數據、IOT 傳感器數據為基礎，結合云渲染、API 場景調用中間件、數據中臺等服務，通過數據全域標識、狀態精準感知、數據實時分析、模型科學決策、智能精準執行，實現城市的模擬、監控、診斷、預測和控制，解決城市規劃、設計、建設、管理、服務閉環過程中的復雜性和不確定性問題，全面提高城市物質資源、智力資源、信息資源配置效率和運轉狀態，實現數字孿生城市的內生發展動力。

（3）城市數字孿生將形成跨行業協作生態共融

圍繞城市數字孿生建設，跨行業協作生態共融已成為必然趨勢。城市數字孿生的建設是以城市為數字孿生主體，是一個涉及多尺度空間、多領域、跨部門的復雜系統工程。早期智慧城市建設中，各個委辦局的信息化系統都局限在組織內部，呈現縱向形式，跨部門的應用難以進行復用和互通。而隨著數字化轉型的不斷開展，城市數據源多點開花，來自于企事業單位的數據逐漸成為城市管理的重要組成部分，新需求的不斷刺激也帶來了智慧城市行業的高速發展，數據治理水平不斷提高。

總結

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