系统性构建城市一体化数字孪生底座的路径研究
张育雄 范晓峰 孟楠 姜约瀚
1.摘要及关键词
摘要：我国智慧城市先后经历局部探索期、条线整合期，正全面进入集成发展期。统筹推进技术融合、业务融合、数据融合，提升跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务水平，成为新时期城市全域数字化转型的重要目标。近年来，各地积极开展城市共性基础平台建设，已初步形成若干一体化能力平台，与此同时，基础平台的重复建设、推倒重来、利用不足、难以支撑多跨场景等问题也逐渐显露。从数据融合利用、能力高效复用、场景快速构建、底座长效迭代等视角出发，提出系统性构建城市数字孪生底座平台的总体思路，创新性提出数字孪生体、能力组件体系、开放服务体系、可持续运营体系等具体建设思路。
关键词：共性基础；数字孪生；全域数字化转型；数字孪生底座
2.引言
我国智慧城市建设已进入全域数字化转型发展新时期。回顾我国智慧城市发展历程，主要有三大阶段。第一阶段是局部探索期（2014年前）：全国各地开始实践推进无线城市、数字城市，建设各类独立的“点状”信息化系统，智慧城市处于以概念驱动自发探索、以试点驱动管理模式升级的阶段。第二阶段是条线整合期（2014—2020年左右）：国家发布《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，建立多部委协同工作机制，明确城市向智能化升级的目标和方向，协同指导地方智慧城市建设，各部门依据管理职能提供“条线”数字化应用和服务。第三阶段是集成发展期（2020年至今）：全国各地探索推进跨部门、跨业务、跨系统的“面上”集成应用，以“互联网+”“一网统管”为手段，推动以服务为导向、以集成应用为重点的智慧场景建设；利用云计算、大数据等技术加快系统上云，促进数据共享，跨部门、跨业务的城市治理与服务效能在此阶段大幅增加。当前，智慧城市发展正在向数字技术全面赋能、数据要素加速贯通、适数化制度持续创新转变。
城市全域数字化转型呈现出新要求与新特征。2024年5月，国家发布《关于深化智慧城市发展 推进城市全域数字化转型的指导意见》，明确推进城市全域数字化转型要做好三“全”，以“全领域、全方位、全过程”系统阐述了新时期城市全域数字化转型的任务举措。一是强调系统性变革城市数字化建设，提出建立并完善城市数字化共性基础平台体系，打造涵盖城市数字经济、新型产城融合、城市精细精准治理、数字公共服务、绿色宜居环境、城市安全韧性等方面的跨领域综合系统，形成一批可感可知应用场景。二是重视数字基础设施与数据要素双轮驱动，统筹推进城市算力网建设、数据流通利用基础设施建设，构筑以数据为代表的新型生产要素赋能体系，充分发挥数据的基础资源和创新引擎作用，促进数据资源合规、高效地流通使用。三是创新数字时代的城市运行生态，因地制宜推行适应数字化发展的制度机制规范和运行流程体系改革，创新长效化运营模式和一体化运维体系，探索建立结果导向型运营预算和考核机制，推动区域间、城乡间以及国际数字化协同发展。
数字化共性基础是整体性、系统性、协同性推进城市全域数字化转型的基石和重中之重。数字化共性基础通过统一规划、架构和标准，为城市运行和治理构建一个开放兼容的智能中枢，不仅推进了城市设施互通互联、数据贯通和业务协同，还加强了算法、模型等数据资源的一体化部署和共享。数字孪生底座作为数字化共性基础的重要演进方向，将为城市数字化转型提供统一的时空框架，促进了城市信息模型（City Information Modeling，CIM）、时空大数据等基础平台功能整合、协同发展、应用赋能。同时，将有力推动虚实共生、仿真推演、迭代优化的数字孪生场景落地，全面提升城市治理效能，提高公共服务质量，进而支撑整体性、系统性、协同性推进城市全域数字化转型。
本文通过研究CIM平台、实景三维平台、物联感知平台、智能中枢平台、“一网统管”平台等城市数字化共性基础发展现状，分析当前共性基础存在的问题，提出系统性构建数字孪生底座平台的建设思路，以求破解问题，高质量支撑城市全域数字化转型。
3.城市数字化共性基础发展现状
经过多年智慧城市建设，全国各地坚持基础先行、集约建设、统建共用、统分结合等思路，加速推进城市一体化共性基础平台建设，已初步在物联感知一体化、视频资源一体化、算力调度一体化、城市三维模型一体化、数字资源一体化等领域建成共性基础平台，共性基础统筹建设取得显著成效。
3.1 城域物联感知平台实时呈现城市运行体征
城域物联感知平台能够实时接入各项感知监测数据，并通过智能分析反馈数据信息，使以往难以被发现的风险隐患变得“一目了然”，可为城市提供实时感知数据，以及物联感知、交互控制等技术能力。自工业和信息化部等部门联合发布《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021—2023年）》以来，北京、上海、广州、深圳等特大城市率先启动城域物联感知平台建设。截至2023年10月，我国已有超过100个地级市发布城市级物联网（Internet of Things，IoT）平台建设任务。各地城域物联感知平台在城市交通、能源、市政等领域逐步实现融合应用。
3.2 视频“一张网”平台助力实景孪生、智能发现
视频“一张网”平台通过整合不同部门的视频资源和服务，可为城市提供视频流数据，以及视频智能分析、实景孪生呈现等能力，并向各部门统一共享。在全国“雪亮工程”推动下，全国有45个示范城市（区）重点公共区域视频覆盖率达到96%，基本达到“全域覆盖、全网共享、全时可用、全程可控”的视频感知“一张网”。在城市视频资源统筹和算力显著增强下，视频资源实景孪生、人工智能（Artificial Intelligence，AI）分析场景不断深化扩展，逐步从安防领域延伸到民生服务、社会治理等领域。
3.3 CIM与实景三维打造城市三维数据底板
近年来，自然资源部、住房和城乡建设部加速推进实景三维和CIM平台建设。CIM平台的建设极大丰富和完善了城市规划、建设、管理的三维空间数据，支撑了工程建设项目审批、城市体检、城市更新等精细化城市建设治理工作。对全国的政府采购网公开项目进行统计，2018—2022年间，CIM平台相关招标量增长率超过200%。实景三维平台通过各种测绘手段，实现对现实世界的三维虚拟呈现，为城市提供精确的地形、建筑、桥梁等物理对象数据。
3.4 数据资源一体化平台提供统一“采存治算用”全能力
在全国一体化政务大数据体系建设推动下，各级城市纷纷打造数据资源一体化平台，加强数据的统一汇聚融合、共享利用和开放开发，促进数据有序高效流动。截至2024年7月，国务院所属53个部委局、31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团均建成一体化数据资源平台；全国已有226个地方建立省级和地市级公共数据开放平台，开放有效数据集超34万个。数据资源一体化平台的统一归集、统一治理、统一服务等能力，为城市海量应用场景建设提供有力支撑。
3.5 城市运行和治理智能中枢推动“一网统管”全面实现
城市智能中枢被看作是城市的“大脑”，是城市汇聚各类海量信息，并经分析计算后，对城市运行治理与服务作出的综合性、全局性和系统性的指挥决策调度枢纽。近年来，智能中枢已逐渐成为智慧城市建设标配。据公开数据统计（统计周期为2016—2023年），从113个核心城市（包括直辖市、计划单列市、省会城市及2023年国内生产总值超3 000亿元的地级市）建设情况来看，约69%的城市建设了“城市大脑”或智能中枢。随着时间推移，约30%的城市更加注重智能化水平和跨业务协同调度，逐渐将“城市大脑”升级为城市智能中枢。
4.城市共性基础难以满足
全域数字化转型新要求
在国家政策和行业数字化快速发展推进下，各地城市物联感知“一张网”、视频一体化、算力一体化、城市三维模型一体化、数据资源一体化等城市共性基础平台建设趋于完备，为城市数字化转型奠定了良好基础。但由于条线统筹力度低、技术路线差异性、运营缺失、数据融合不足等，城市共性基础平台建设仍存在重复建设、推倒重来、利用不足、多跨场景难建设、“一网统管”难实现等突出问题，难以满足城市全域数字化转型新要求。
4.1 功能聚焦、业务支撑范围小导致平台重复建设
由于早期智慧城市建设缺乏统筹机构，多部门聚焦自身业务发展需求，分头建设了共性基础平台，导致平台功能局限性大，且很多共性能力重复建设。如CIM平台主要集中在城市规划、建设、对象管理等应用领域，城市实景三维平台主要集中在地理信息服务、自然资源管理等应用领域，两个平台都需要统一时空框架、空间三维模型、实体对象、编码标识等共性能力，各部门分头主导推进势必带来“重复建设”。
4.2 技术路线差异、产品紧绑定导致平台推倒重来
城市数字化共性基础建设涉及诸多技术能力、软件引擎的综合集成，由于技术路线差异、企业产品与城市共性平台绑定等，很多城市的共性基础存在“推倒重来”“换建设方即换平台”现象，难以保证共性基础的迭代生长性、应用普遍支撑力。如数字孪生城市建设涉及诸多技术路线，各个技术引擎擅长能力不一样，各地形成了不同主导企业建设的“偏科”数字孪生平台，具体如图1所示。
图1 各技术引擎在数字孪生“四大”主要能力需求上的优势
5.整合城市共性基础，
系统性构建数字孪生底座平台
图2 城市数字孪生底座平台构建思路
5.结束语
本文刊于《信息通信技术与政策》2024年 第9期：
张育雄, 范晓峰, 孟楠, 等.系统性构建城市一体化数字孪生底座的路径研究[J]. 信息通信技术与政策, 2024, 50(9): 8-14.
