国内外数字孪生城市建设的经验及启示

来源：信息通信技术与政策

作者：易雪琴

关键词：数字孪生城市，智慧城市，城市治理

数字孪生技术是集感知、联接、数据、网络、计算、智能等方面信息技术于一体的复合型技术手段，最早用于工业制造领域中对工业产品的全生命周期管理。伴随新一代信息技术的飞速发展，物理世界与数字世界愈发交互融合，虚拟与现实的边界逐渐模糊，数字孪生技术不断加速更新迭代并越来越被广泛应用于经济社会发展的多个领域，推进以数字孪生技术为依托的新型智慧城市建设逐渐成为城市治理中的重要议题，数字孪生城市的概念也应运而生。数字孪生城市建设是复杂的系统建构过程，当前一些国家和地区在相关应用场景的搭建及拓展方面已走在世界前列，但多数国家和地区的数字孪生城市建设仍处于起步或加快实施阶段。

数字孪生又称数字映射、数字镜像，是指运用数字技术为物理实体“克隆”出一个虚拟模型。该数字版“克隆体”被称为“数字孪生体”，物理实体的实时状态、所处的外界环境条件及其在现实环境中的真实行为都复现到此“数字孪生体”上。数字孪生具有四个显著特点：

一是虚拟现实性，指数字孪生借助于虚拟模型及感知、网络、大数据、人工智能等信息技术对物理实体系统进行动态仿真；

二是系统性，指数字孪生对实体系统的特征、行为、性能、形成过程等多方面进行综合描述并贯穿实体系统的全生命周期；

三是动态性，指数字孪生能够与实体系统的各类数据进行实时交互、集成并与实体系统相互完善、共同进化；

四是可操作性，指数字孪生能够对实体系统在真实环境中的状态进行描述、预测、模拟、诊断、控制甚至决策。

将数字孪生应用到城市治理中，就产生了数字孪生城市的概念。数字孪生城市是指运用信息技术和城市信息模型在网络空间创造的与现实物理城市相互匹配映射的“虚拟城市”。

数字孪生城市建设的本质是将人、物、事件、资源（如警力、医疗、消防等）、基础设施（如水、电、气、交通等）等各方面数据通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过信息技术传递到云端和城市运营者，构建出实体城市与虚拟城市一一对应、相互映射的复杂巨系统，从而实现城市在物理维度和信息维度的协同交互、虚实交融、同生共存。

数字孪生城市建设能够推动实体城市运行的全要素、全状态、全过程实现数字化、实时化、协同化和智能化，并以此对实体城市进行模拟、监控、诊断、预测和控制，从而消除城市规划、建设、管理、运营过程中的复杂性和不确定性，大大提升城市治理水平。对于城市治理而言，数字孪生已经不再局限于是一种技术，更多的是发展的新模式、转型的新路径以及推动城市发展和变革的新动力[4]。

当前，数字孪生在智能制造、生态建设、公共服务、城市治理等多个领域发挥着重要作用。国外不少国家和地区开展了利用数字孪生提高城市治理水平的实践。例如，欧盟提出了“目标地球”计划，计划在7~10年内创建高精度数字地球孪生模型以监控和预测自然现象与人类活动之间的相互作用，并为应对重大环境退化与自然灾害提供决策支持；英国成立数字建造中心并发布《国家数字孪生体计划》和《数字孪生体原则》；美国组建数字孪生联盟并将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键，新墨西哥州依托数字孪生城市平台打造清洁城市以降低碳排放量；新加坡和日本打造城市级数字孪生平台；法国则提出建设数字孪生巴黎。

为实现城市发展的数字化转型，日本国土交通省联合多家单位和企业，在东京等50 多个城市发起了基于3D城市模型应用的PLATEAU项目，以国土交通省建立的地理空间情报标准为依托，整合了建筑、交通、地理、经济、医疗、防灾等一系列数据，目前在城市活动监测、灾害管理、智慧规划等应用场景方面开展了先行示范建设。例如，借助平台和信息技术手段开展高精度、实时的人流量全要素监测,为解决道路交通、城市内迁徙、疫情防控、灾时快速疏散引导、城市功能更新、公共设施规划布局等方面的问题提供辅助决策；在东京23 个区完成洪水淹没区3D城市模型建构，以此为基础优化防灾减灾方案，更加合理地规划布局可用于垂直疏散的建筑物，并通过时间序列的洪水模拟数据和三维可视化技术，对洪水来袭时道路及其它设施状况进行模拟和分析，以达到防灾规划和宣传的效果；利用3D城市模型将行人的移动和开发政策可视化，以此规划实施中央新干线交通网络、站点及其周边地区的综合改造工程，推动实现城市公共空间的科学管理。

法国政府与提供可视化解决方案的Vectuel公司开展合作，利用法国国家地理和森林信息研究所等机构提供的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）数据，创建了Unity实时3D环境，“克隆”了跨越大巴黎都市圈1 000 公里范围内近200 万个已有的和规划建设的建筑，实现大规模城市区域的可视化。

目前，在Unity平台中有大约250 个正在进行的项目，涵盖城市建设管理的多个方面。例如，对于大巴黎快车扩建项目（包含4 条新铁路线和68 个新火车换乘站），在Unity平台中，可通过平台模块扩展使工程师和建筑师能够模拟每条铁路线和车站将如何影响周围社区、行人和车辆交通流量，可用于在施工开始前识别问题以及需要改进的领域。在Unity中还可以更加迅速有效地辅助设计城市建筑的风格、色彩、楼层乃至消防安全等设施的布局，从而减少团队停工等待时间、施工时间、设计失误以及项目总成本。

作为新加坡“智慧国家2025”计划中的一项重要任务，新加坡国家研究基金会与法国达索系统公司合作开发了“虚拟新加坡”项目。该项目利用公共部门采集到的地理、空间、人口、气候等方面的动态和静态数据信息建立3D城市信息模型，大规模还原了岛上每座建筑物的植被绿化、管道网络、电缆、风道、垃圾槽和垃圾管道等真实场景，在此基础上，利用数据分析和仿真建模功能来优化城市管理概念和服务、制定规划和决策，打造包含丰富环境数据并有可视化技术作为支撑的协作平台。

该平台被广泛应用于城市治理过程中的规划设计、管理决策、环境模拟、精准服务及科学研究等领域，并促成社区协作。例如，决策者可以在该平台上根据屋顶的尺寸数据计算太阳能潜力，甚至可以模拟需要多少个太阳能电池板来为整个社区供电；可以通过地图使用者视角分析建筑物对交通流量、周边停车的影响情况以及高层建筑阴影对周边植被光照的影响情况；可以将新建或筹建项目中的建筑规划设计信息导入平台中进行分析，从而分析其能源效率以及对城市气流的影响。

美国的新墨西哥州为推动落实《能源过渡法案》，与软件公司Cityzenith合作开发了数字孪生城市平台SmartWorldPro，旨在通过数字孪生技术改造城市，助力城市新型基础设施建设，进而推动节能减排。SmartWorldPro平台通过BIM导入3D/4D基线资产建模服务、智能分析、定制可视化和应用程序集成等功能，为建筑师、承包商、资产经理等群体提供城市建筑选址、规划设计、建设、运营、维护和销售的全生命周期服务。

为了克服BIM、GIS和物联网等不同来源数据难以融合的问题，SmartWorldPro平台将数百种数据类型导入一个通用仪表板，大幅扩展并升级了数据导入和集成能力，从而帮助用户从单个建筑物快速扩展到数百甚至数千个建筑物的组合，并根据个人喜好自定义渲染场景。SmartWorldPro平台还搭建了针对专业建筑人士的分析工具库应用商店Mapalyze，为用户提供太阳影响、社会学、交通研究、气候影响模拟等方面的人工智能分析以及软件运营、软件开发、定制化解决方案等方面的服务。Cityzenith还在美国新墨西哥州最大的城市阿尔伯克基进行建模以帮助大型场馆、城市乃至整个州打造智能互联的社区，并在纽约、匹兹堡等城市开展类似的数字孪生平台建设项目，预计将推动这些城市运营成本降低35%、生产力提高20%、碳排放减少50%~100%。

我国已将数字孪生城市建设纳入国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要，一些省份或地区也从战略高度提出利用数字孪生技术推进治理体系和治理能力现代化。例如，雄安新区打造虚拟现实同步建设的数字孪生城市；北京、上海等地提出建设数字孪生城市；深圳提出打造数字孪生先锋城市；海南提出打造“数字孪生第一省”。

雄安新区从规划之初就引入数字治理的理念，在大规模开发建设实体城市的同时，构建“一中心四平台”（即城市计算中心、块数据平台、城市信息模型平台、物联网平台、视频一张网平台）体系，着力打造全球首个虚拟现实同步建设的城市。其中，城市计算中心构建了“逻辑统一、物理分散”的基础云架构，形成了边（边缘计算）、云（云计算）、超（超级计算）一体化的计算能力，为未来城市运行管理提供高效、安全、可靠的计算服务。

块数据平台定位数字孪生城市的数据基底，用来支撑雄安新区500 多个数据库、150 多个业务系统、数百亿条数据信息的汇聚、管理、服务及融合应用，并已开发出了多个应用场景。例如，工程质量监理系统能够从数据中实时分析出工地数百个安全指标，从而帮助管理者及时发现施工过程中的质量或安全隐患；每一栋建筑在该块数据平台上同步生成一栋同样的数字大楼，平台相关数据能精确指导在现实中更换路灯；城市地下空间也逐步复刻到平台，建成后各类综合管廊、智能控制装置部署都能在平台上实现实时监控。

城市信息模型平台以BIM为依托，自主构建了以XDB为代表的一整套数据标准体系，以确保规划、建筑、市政、地质等多个专业指标数据的交换、不同建设阶段的数据应用与采集，实现了跨行业、跨部门、跨主体的规则贯通和全时空数据融合。物联网平台接入终端设备45 万个，实现设备标识、设备介入、数据标准、资源共享四个方面的统一，为环境监测、能源管理、水务监测等提供数据支撑。视频一张网平台立足城市公共安全、城市治理、环保水利、交通管理、科教文卫、社会服务等公共服务领域构建城市级视频感知体系，为多个应用场景提供视频数据支撑并进行城市治理场景的智能识别，大大提高了事件发现效率。

上海在建设基于BIM+GIS的城市大数据平台基础上，依托城市综合管理信息系统和实时更新的数字孪生城市模型，构建“一网统管”的城市运行管理服务平台，将城市部件（路灯、消防栓等）、城市地下管线、建筑工地、住宅小区、历史建筑、玻璃幕墙建筑等多个系统的数据整合到线上，实现城市公共安全、交通运输、生态环境、民生保障等重点领域的动态和静态数据信息规范采集和全量接入，由此搭建了如城市建设及建筑安全监管、历史建筑保护、市政设施维护、租房管理、疫情防控、交通管理等多个虚实交互的应用场景，精准呈现城市运行状态，推动实现可视化、便捷化、标准化共享和交互，为提升基层管理能级提供支撑。

例如，上海黄浦区与华为公司开展联合创新，以南京大楼为试点示范打造了大楼数字孪生系统，推动房屋权籍、状况、历史沿革等政府业务数据以及大楼倾斜、烟感、温湿度、噪声等方面物联感知数据实现融合，由此开展高空抛物、客流管控、楼宇体验等数字化治理；在交通行业的应用方面，打造了“一江一河”（黄浦江 核心段和苏州河东段）数字孪生平台、上海港生产智慧指挥中心、航班态势感知平台等多个场景。当前，上海正推动这个城市运行管理服务平台迭代更新，逐步将综合治理、市场监管、110非警务报警以及12345投诉处置等内容融入进来，加快推进高铁沿线综合治理、高空坠物风险防控、小区物业管理、住宅电梯维护等领域的应用场景开发，推动实现城市微治理更加智慧高效。

深圳作为国内首批新型智慧城市建设试点城市之一，建成了涵盖人口、法人、房屋、空间地理、电子证照、公共信用等在内的公共信息资源库、政务信息资源共享平台、时空信息云平台、社区网格管理大数据平台和综合信息采集系统，以及全国首个集城市大数据运营、城市规划、综合管理、应急协同指挥等功能于一体的新型智慧城市运行管理中心，接入全市82 套系统，汇集各部门100 类业务数据，构建了200 多项城市生命体征监测一级指标，推动经济运行、交通管理等14个领域的数据汇集和融合关联，实现全市360 多万家商事主体一网呈现,以及跨层级、跨区域、跨系统、跨部门、跨业务综合协同的管理和服务。

例如，深圳妈湾智慧港运用数字孪生技术全方位实时动态还原了港口作业场景，并实现了设备作业视角灵活切换、拖车作业路径可视化、设备和集装箱搜索定位、堆场及箱务立体空间管理、作业效率统计分析等功能，使得配载效率比人工提升了15~20 倍，综合作业效率提升30%；坪山区打造“一平台、一底座、N应用”（即时空信息云平台、数字孪生底座以及N个智慧应用场景）模式，实现了在全区疫情防控、应急指挥、灾害预防、社会治理等领域的智慧应用；利用交通数字孪生技术构建了全域车、路、人亿级出行知识图谱，建立了还原精度、预测准确率均超90%的交通实时在线推演系统及路网主动管控平台，全市交通信号优化耗时从1周压缩到1分钟。2023年，深圳出台了《深圳市数字孪生先锋城市建设行动计划（2023）》，提出建设“数实融合、同生共长、实时交互、秒级响应”的数字孪生先锋城市，明确了打造底座、数据、应用、科技“四个先锋”的重点任务，围绕经济运行、民生服务、城市治理、应急安全等方面梳理了6大领域100 多个应用场景。

数字孪生城市建设是一项系统工程，覆盖城市规划、建设、管理、运营的各环节，涉及建筑施工、交通优化、公共服务、应急处置、防灾减灾、城市设计等众多应用场景，建设成本较高，技术复杂，覆盖面广。通过研究国内外关于数字孪生城市建设的典型案例，本文得到以下5点启示。

大多数典型案例所在的城市、区域、国家等不同层级都注重制定与数字孪生城市建设相关的信息化战略、规划、实施方案或行动计划，出台促进数字孪生相关行业发展的支持政策或激励机制等。

例如，英国、美国、新加坡等都提出了建设智慧（智能、数字）国家等相关的发展战略。我国大多数省市也出台了支持数字化发展的规划，例如，上海、北京、广州、深圳等地也都出台了支持建设数字孪生城市的相关政策。未来，应综合考虑城市资源禀赋、产业特征、地理环境、文化背景、治理重点等，围绕数字孪生城市建设制定关于技术要素支撑、业务应用管理、数据共享开放等方面的实施方案、建设计划或引导政策，由点及面探索前行。

数字孪生城市建设覆盖城市、新区、港区、景区、建筑体、交通路口等“大、中、小”空间尺度，同时注重城市全要素实时感知、互联控制、多维数字化表达及动态可视。这些都建立在一个全局联动的数据融合和业务协同的框架上，而这个框架大多是以城市信息模型为基础的数字孪生底座。因此，应利用新一代信息技术、地理信息技术、可视化技术等技术以及新型传感、扫描、测绘等科技工具打造综合信息基础平台，汇聚基础时空数据、物联感知数据、房屋建筑数据、道路交通数据、综合管廊数据、城市部件数据、政务信息数据等数据，构建多源数据关联关系以及运行指标库、算法模型库、决策知识库等集群，挖掘数据融合价值，夯实数字孪生底座，从而有效赋能数字孪生城市建设。

数字孪生城市建设既关注数字孪生技术在基础应用平台打造方面的整体性、普适性，也注重在细部单元应用场景的落地效果，以实现在城市规划、建设、管理、运营过程中对数字孪生技术的应用。应用场景是数字孪生城市的活力之源。有研究表明，公共服务或管理、社区发展、智能建筑应用项目是数字孪生城市建设项目中占比最多的三类。因此，在数字孪生城市建设过程中，应坚持系统思维，以问题和需求为导向，坚持试点示范引领，聚焦城市规划、防灾减灾、基础设施建设、生态环保、交通出行等重点领域，丰富拓展相关应用场景，打造更易用、更开放、更高效的开发平台及工具链，以点带面，逐步构建支撑城市数智化治理的全要素场景应用体系。

数字孪生城市建设需要跨行业多部门的协同共建，涉及地方政府、服务供应商、监管机构、智库、市民等诸多利益主体。大多数典型案例都是政府主导、社会力量共同参与建设的结果。因此，应以政府为主导，鼓励社会力量积极参与共建，尤其要注重组建协同创新的多学科人才队伍，加强数字孪生技术力量建设，引进领域内的标杆企业和研究机构，大力培育本地企业，汇聚城市规划师、私营技术公司、模型算法设计商、市民等产学研用多方主体参与共建共享，打造有机联动的数字孪生发展生态，同时加强数字孪生城市相关理念、行业实践、典型案例的宣传与推广，构建众多利益主体之间的参与机制、信任机制、长效机制和联盟生态。

数字孪生城市建设离不开能够进行数据生产、收集、计算、传输、交换、存储、挖掘以及智能应用落地的新型基础设施的支撑。因此，应加快部署5G/6G、千兆光纤宽带、数据中心、工业互联网等领域的建设，推动交通、能源、水利、生态等传统基础设施智能化升级，前瞻布局国内领先的创新基础设施，为数字孪生城市建设提供有力支撑。

建设数字孪生城市是助力中国式城市现代化治理、推动以人民为中心的城市治理数字化转型的重要路径。本文聚焦城市规划、建设、管理、运营全过程中数字孪生技术的典型应用场景，对国内外代表性案例进行了详细分析，为推动城市治理创新提供了有益经验。

综合来看，数字孪生技术在城市治理中的应用还处在以虚仿实、以虚映实阶段，开始重视以虚预实、以虚控实实践，并向细分单元纵深发展。当前，数字孪生城市建设尚处于探索阶段，其整体成熟度、技术综合性、理论创新性等还处于发展演进过程中，如何拓展数字孪生城市的应用场景、建立完善的数字孪生城市标准体系、规避海量数据集中化处理导致的数据安全风险、深度挖掘依托数字孪生技术实现城市智慧治理的核心价值等，都将是未来数字孪生城市建设需要探讨和解决的焦点问题。