智慧城市数字孪生

       当前，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行发展、 相互作用。数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因为数字世界变得高效有序，数字孪生技术应运而生，从制造业逐步延伸拓展至城 市空间，深刻影响着城市规划、建设与发展。 数字孪生因感知控制技术而起，因综合技术集成创新而兴。数字孪生城市是在城市累积数据从量变到质变，在感知建模、人工智能等信 息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， 也是一个吸引高端 智力资源共同参与，从局部应用到全局优化，持续迭代更新的城市级创新平台。

一、数字孪生城市出现背景

（一）、传统条块化智慧城市建设方式已现疲态

全球已启动或在建的智慧城市已达1000多个

我国提出智慧城市规划的城市有300多个

我国各类试点城市高达500多个

 

（二）信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点

（三）数字孪生成为城市智能化升级的重要方向

数字孪生是指通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实 体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局。

数字孪生城市是技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设发展的一种新理念、新途径、新思路。

（四）部分城市率先探索实践数字孪生理念

雄安新区数字城市

雄安新区坚持数字城市与现实城市同步规划、同步 建设，推动全域智能化应用服务实时可控，打造具有深 度学习能力、全球领先的数字城市。借助大数据深度挖 掘技术、人工智能、物联网技术和互联网平台等新一代 信息技术，从数字呈现、网络互联到智能体验进行全方 位谋划，实现数字城市与物理城市同步规划同步建设，  对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，生成全 数字化城市。 物理城市与数字城市孪生并存，精准映射，实现虚 拟服务现实，数据驱动决策，智能定义一切，促进管理 一盘棋，服务一站式，扁平化、前后端打通，以高度智 能化代替传统网格化管理，虚实融合蕴含无限应用创新 空间，将引发城市智能化管理和服务模式的重大颠覆性 创新。

虚拟新加坡平台

“虚拟新加坡” 项目计划完全依照真实物理世界中的新加坡，创建数字孪生城市信息模型。模型内置海量静态、动态数据，并可根据 目的需求，实时显示运营状态。“虚拟新加坡”既是物理世界运行动态的展示，满足城市管理需求，也能够指导城市未来建设与运行优化。 新加坡同时在打造“智慧国家传感平台”，部署西门子公司基于云的开放式物联网操作系统，统一管理传感网络设备、数据交换、数据 融合与理解。

法国雷恩3D城市

法国雷恩计划建立城市数字模型，用于城市规划、决策、管理和服务市民。在3D上绘制城市图形，重点考虑城市规模、治理结构、城 市交通、能源环境等问题。

多伦多高科技社区

多伦多高科技社区通过部署多类别传感器设备，  收集多样化信息（如车流密度、噪音、空气质量、能 耗，出行方式及垃圾处理等）。模型与数据进行融合，  助力数据专家生成深刻洞察，优化城市运营；并采用 复杂建模技术模拟极端情景，寻找解决方案。 此项目将结合前瞻性的城市设计和新的数字技 术，以实现可持续性、可负担性、流动性和经济机会 等方面的领先水平。

（五）我国智慧城市建设省级具备现实基础

智慧城市态势良好，基础设施不断升级

从2012年开始，我国智慧城市建设的指导性文件逐年增加，且指导内容更加规范，新型智慧城市已进入国家战略规划政策制定 当中，正逐渐被广大社会群体认可。 数字孪生城市建设的前提是具有完善的基础设施，即感知层、连接层和计算层均具备开展数字孪生城市的能力，公共设施的智 能化是实现智慧城市有效发展的必然要求。随着新型智慧城市的发展，我国基础设施智能化转型的范围在不断扩大，功能也在不断 提升。

政策环境有力保障，技术产业强力支撑

在国家战略和政策推动下，物联网、云计算、大数据、人工智能、车联网、5G、虚拟现实、深度学习等技术创新突飞猛进，实 际应用日益显著，为数字孪生城市建设提供强有力支撑。

二、数字孪生城市内涵特征

（一）数字孪生城市的内涵

数字孪生城市是支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体 系，是城市智能运行持续创新的前沿先进模式，是物理维度上的 实体城市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市未 来发展形态。 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。

（二）与新型智慧城市的关系

新型智慧城市建设以提升城市治理和服务水平为目标，以为人民服务为 核心，以推动新一代信息技术与城市治理和公共服务深度融合为途径，包括无 处不在的惠民服务、透明高效的在线政府、精细精准的城市治理、融合创新的 数字经济、自主可控的安全体系等五大核心要素，分级分类、标杆引领、标准 统筹、改革创新、安全护航，注重城乡一体，打破信息藩篱。 数字孪生因感知控制技术而起，因综合技术集成创新而兴。数字孪生因 感知控制技术而起，因综合技术集成创新而兴。数字孪生城市一方面准确反映 物理实体城市状态，另一方面精准操控、智能优化现实城市，将极大改变城市 面貌，重塑城市基础设施，形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。 数字孪生城市是在城市累积数据从量变到质变，在感知建模、人工智能 等信息技术取得重大突破的背景下，新型智慧城市建设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，也是一个吸引高端智力资源共 同参与，从局部应用到全局优化，持续迭代更新的城市级创新平台。

 

（三）数字孪生城市的特征

数字孪生城市有四大特点：精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

1.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。

2.虚拟交互：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。未来数字孪生城市中，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，不仅在 实体空间，而且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。

3.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。

4.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”。

（四）数字孪生城市的价值

1.核心价值：数字孪生城市的核心价值，在于通过建立基于高度集成的数据闭环赋能新体系，生成城市全域数字虚拟映像空间，并利用数字化仿真，虚 拟化交互，积木式组装拼接，形成软件定义城市，数据驱动决策，虚实充分融合交织的数字孪生城市体，使得城市运行、管理、服务由实 入虚，可以在虚拟空间的建模，仿真，演化，操控，同时由虚入实，改变、促进物理空间中城市资源要素的优化配置，开辟新型智慧城市 的建设和治理新模式。

2.建设方面：在建设方面，对一张白纸零起步的城区，与物理城市同步规划建设数字城市，规划阶段即开始建模，建设阶段不断导入数 据，运营阶段则依托数字城市模型和全量数据管理物理城市。对已建成并运行多年的城市，通过后天物联网设施的全面部 署和对城市进行数字建模，同样可以构建数字孪生城市。数字孪生模式不仅大大提升

3.治理方面：数字城市与物理城市两个主体虚实互动，孪生并行，以虚控实。通过物联感知和泛在网络实现由实入虚， 再通过科学决策和智能控制由虚入实，实现对物理城市的最优管理。优化后的物理城市再通过物联感知和 泛在网络实现由实入虚，数字城市仿真决策后再一次由虚入实，这样在虚拟世界仿真，在现实世界执行，  虚实迭代，持续优化，逐步形成深度学习自我优化的内生发展模式，大大提升城市的治理能力和水平。此 外数字孪生模式下，通过数字空间的信息关联，可增进现实世界的实体交互，实现情景交融式服务，真正 做到信息随心至、万物触手及。

三、数字孪生城市总体架构

 

（一）技术框架

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。

1、端侧群智感知、可视可控 城市感知终端形成群智感知能力。感知设施、智能终端等迅速发展，形成 大范围、大规模、协同化普适计算的群智感知；基于标识和感知体系全面 提升传统基础设施智能化水平。

2、网侧泛在高速、天地一体 提供泛在高速、多网协同的接入服务；形成天地一体化综合信息网络支撑 云端服务。

3、云侧随需调度、普惠便民 边缘计算及云计算设施提供高速信息处理能力；人工智能及区块链设施 提供泛在智能嵌入城市运行与合约执行；

二）运行机理 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”。

四、数字孪生城市典型场景

（一）“规建管”协同管控，助力一张蓝图干到底 数字孪生城市模式下，加载了数据和软件的城市信息模型成为城市最重要的基础设施之一，最典型的应用场景首推“规 建管”全生命周期的协同管控，实现城市规划布局仿真可计算、城市建设运行全程可操控、城市管理服务要素资源可调配，  全面提升城市规划、建设、管理的一体化运作水平，真正实现城市“一张蓝图绘到底、建到底和管到底”。

（二）虚实互动、以虚控实，支撑城市一盘棋治理 数字孪生城市可实时展示城市运行全貌，助力形成城市一盘棋集中治理模式，立足城市运行监测、管理、处理、决策等 治理领域，建立物理世界与虚拟世界的数据映射和数字展示平台（数字孪生城市模型平台），实现跨层级、跨地域、跨系统、 跨部门、跨业务的城市治理协同，形成全程在线、高效便捷，精准监测、高效处置，主动发现、智能处置的城市智能治理体系。

1.城市公共资源自动优化配置 

2.城市异常问题的自我发现

3.“城市大脑”智能仿真控制交通 

4.城市基础设施动态管理控制

5.自动驾驶无人机巡检

（三）情景交融、以人为本，升级个性主动服务体验

数字孪生城市将全面采集城市居民的日常出行轨迹、收入水准、家庭结构、日常消费、生活习惯等，洞察提取居民行为 特征，在“数字空间”上，预测人口结构和迁徙轨迹、推演未来的设施布局、评估商业项目影响等，以智能人机交互、网络 主页提醒、智能服务推送等形式，实现城市居民政务服务、教育文化、诊疗健康、交通出行等服务的快速响应，个性化服务， 形成具有巨大影响力和重塑力的数字孪生服务体系。

1.全生命周期式智慧医疗服务

2.虚拟政务大厅实现全线上政务服务

3.个人生活体征全面洞察

4.个性化的虚拟制造服务

五、数字孪生城市核心——高精度城市信息模型

数字孪生城市可一定程度上对城市的人事物进行前瞻性预判，进而通过智能交互，实现城市内各类主体的适应性变化和 城市的最优化运作。其核心是高精度、多耦合的城市信息模型。通过加载其上的全量全域数据，在城市系统内汇集交融，产 生新的涌现，实现对城市规律的识别，为改善和优化城市系统提供有效的指引。

（一）城市初始建模的方法

1.空中城市3D建模

城市外轮廓快速建模，采集空中城 市数据，可提供厘米级别分辨率和 逼真的建筑表面纹理。

无人机倾斜摄影

卫星地图GIS生成

图片逆向建模

2.地面高精度3D建模

地面数据采集可提供高精度近地面 城市3D数据，直接支持城市导航、 自动驾驶等应用。

车辆定点扫描

图像拍摄技术

激光扫描技术

3.室内3D建模

对于无BIM模型数据的城市建筑，可利用专用室内3D模型数据采 集设备及配套软件，通过激光、 图像等手段捕获室内数据，可 以完成建筑内部的高精度、逆向建模。

对于拥有BIM模型数据的城市数 据，可利用建筑BIM模型数据， 进行室内数字化建模。

（二）城市信息模型的构成

1、三维地理信息模型 三维地理信息模型实现了城市宏观大场景的数字化模型 表达和空间分析。

2、BIM建筑信息模型 BIM实现对城市细胞级建筑物的物理设施、功能信息的 精准表达。

3、IOT智能感知数据 智能感知数据反映城市即时运行动态情况，与城市 3DGIS/BIM空间数据相叠加，将静态的数字城市升级为 可感知、动态在线的数字城市。

为城市规划、建设、运行管理全过 程的“智慧”进行赋能

时空大数据汇集

三维导览和虚拟漫游

空间规划推演

方案对比分析

方案模拟验证

三维可视化管理

空间量测和分析

空间3D导航

应急预案模拟验证 ……

（三）模型与数据的协同运行

城市信息模型（CIM）：多源异构城市模型数据汇聚中心、CIM 数据发布服务

六、数字孪生城市前提——全域布局的智能设施

当前城市在感知业务领域，处于各自为政、条块分割、烟囱林立、信息孤岛的状态，数字孪生城市将针对不同的应用场 景，统筹感知体系建设，统一采集汇聚，实现城市动态数据整合与共享，形成全域覆盖、动静结合、三维立体的规范化、智 能化、全联接的感知布局，实现物理城市在数字城市的精准映射。

1.智能设施空间布局

通过规模部署信息杆柱、智能网关和边缘计算节点，采集数据信息，支持各种近距离及远距离通信协议标准，统一汇聚处理后上 传统一物联网平台和城市大脑进行管理。空间维度上，可将感知载体和设施体系分为地上、地下、空中、水域感知体系进行布局.  针对不同感知载体和设施特点，传输方式上，可采用无线为主或有线为主两种方式进行布局。

2.标识体系和编码设计

面对海量的物联网设备，有必要建立设备的统一编码标识，规范物联网标识体系，是实现物联网各领域信息互联、产业提升的重 要前提条件。设备的统一编码标识IMSI，通过eSIM卡将IMSI与物联网设备绑定；城市级物联标识解析体系，实现不同标识之间 的互联互通。

3.物联设备连接管理平台

城市物联网连接适配和管理平台：适应多语言、多操作系统的不同终端设备的接入和数据通讯。

七、数字孪生城市支撑安全——高效运行的智能专网

为支撑数字孪生城市的高效运行，满足城市各类智能化运行场景需求，保障城市全域空间布局的智能化设施感知信息流 动，须建设地上地下全通达、有线无线全接入、万物互联全感知的城市智能专网，才能满足数字城市与物理城市虚实融合孪 生并行的运行模式需求。

1.提出网络新需求

综合接入、融合指挥、城市感知、专网专用、资源共享、物理隔离

2.接入智能专网

推进 5G 网络的大规模商用、推进有线网络万兆接入、 智能专网须全程全网支持 IPv6、智能专网应制定相应级别网域保护要求

3.网络延伸增强

一部分是政务外网及互联网的补充和延伸 另有部分是出于对政务外网或互联网在某些功能或特性方面的增强

地上地下全通达、有线无线全接入、万物互联全感知 的城市智能专网

八、数字孪生城市重点——智能操控的城市大脑

数字孪生城市通过城市大脑，汇聚与交融不同来源的数据，如实记录呈现城市动态，尽可能预见到政策干预对各个子系 统的影响，充分考虑各种规避行为、时间延迟和信息损失等问题，将“自学习、自优化”功能融入城市管理过程之中，最终 达到增加城市系统整体福利的理想效果。

 part1.城市 大脑凸显自主学习与集中调度  

数字孪生模式下城市大脑紧密围绕 城市信息模型（CIM）和叠加在模 型上的多元数据集合，充分运用人 工智能和深度学习的技术来治理城 市。 

part2.一体三翼构建数字孪生城市大脑 

城市全要素数据治理、城市信息模 型和人工智能支撑下的大脑平台， 组成了数字孪生城市大脑。 全域数据治理、城市信息模型、人 工智能赋能

part3.创新全景全要素城市治理新模式 

城市画像、居民画像在数字孪生模 式下才能实现。 城市大脑实现运行管理“一盘棋”。 

（一）大脑凸显自主学习与集中调度 

（二）一体三翼构建数字孪生城市大脑

（三）创新全景全要素城市治理新模式

传统的智慧城市还是条块的管理，缺乏全景式一盘棋管理的高度、广度和深度，而数字孪生城市大脑以“城市信息模型 &城市全要素语义化数据&人工智能”的治理模式有力弥补了这一短板，使城市管理更上层楼。 城市画像、居民画像在数字孪生模式下才能实现。通过政治、经济、文化、社会、人文、历史、地理、生态、环境、气 象、交通等全要素数据聚合，准确抓取城市体征，进行城市画像，可洞察城市动态，摸清城市发展脉络，制定正确的城市发 展战略和策略。通过民众的衣食住行、文化、消费、兴趣、爱好、收入、教育、医疗、卫生、职业等多元化数据聚合，临摹 出城市的人口特征，进行区域人口画像，可精准洞察民众痛点和需求，便于对症施药，改善公共服务和社会服务，提升百姓 幸福感。 城市大脑实现运行管理“一盘棋”。人口实时分布热力图，城市机场、高铁站、交通枢纽、地铁站、热门景点、博物馆、 图书馆、体育馆运行状态和实时利用率，人和车辆动态和轨迹追踪、城市大型建筑、桥梁、游乐场、重点设施的安全监控，  一张图全景展现全市运行动态，常态下监控，应急态下统一指挥全城协作。 此外，如通过建筑几何数据、声学传感器数据、专业分析模型以及可视化渲染进行城市噪音分析，通过道路桥梁几何数 据、地质传感器数据、专业分析模型以及可视化渲染进行洪水分析、能效分析、地表光照分析、电信信号分析，进行电信规 划和仿真、交通模拟和规划、环境和能源管理、智能决策分析、智能预测和预警，最终形成自学习的优化运营。