數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用最早起源于工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)線和工藝等進(jìn)行數(shù)字仿真、實(shí)時(shí)跟蹤，研發(fā)周期大幅縮減，生產(chǎn)成本大幅降低。今天，如果我們整個(gè)城市都有一個(gè)仿真系統(tǒng)，會(huì)不會(huì)指導(dǎo)我們更好地去工作生活？

圖片來(lái)自“東方IC”

全球物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、無(wú)人駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化加速突破，掀起數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化新一輪浪潮。同時(shí)，智慧城市實(shí)施進(jìn)程不斷加快，實(shí)施內(nèi)容持續(xù)深入，其發(fā)展理念、推進(jìn)模式和技術(shù)體系不斷更新和演進(jìn)，建設(shè)虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)治理、智能定義一切的數(shù)字孿生城市將成為智慧城市的重要趨勢(shì)。

一、 數(shù)字孿生城市的建設(shè)條件日益成熟

1、信息通信技術(shù)（ICT）在城市中成熟應(yīng)用

近年來(lái)，云計(jì)算平臺(tái)已成城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，政府、企業(yè)乃至個(gè)人廣泛使用；大數(shù)據(jù)成為城市重要資產(chǎn)、戰(zhàn)略資源，基于大數(shù)據(jù)分析的智能決策應(yīng)用不斷涌現(xiàn)；物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)萬(wàn)物互聯(lián)成為現(xiàn)實(shí)，廣泛應(yīng)用于城市治理領(lǐng)域的感知監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集等；（移動(dòng)）互聯(lián)網(wǎng)成為公眾獲取城市生活服務(wù)的重要優(yōu)先渠道，也是延伸服務(wù)的重要手段；基于深度學(xué)習(xí)的人工智能應(yīng)用可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)城市問(wèn)題，極大提升市民體驗(yàn)。

2、數(shù)字孿生（DT）技術(shù)應(yīng)用向城市廣泛滲透

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用最早起源于工業(yè)領(lǐng)域，尤其飛機(jī)、火車發(fā)動(dòng)機(jī)等高端制造領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)線和工藝等進(jìn)行數(shù)字仿真、實(shí)時(shí)跟蹤，研發(fā)周期大幅縮減，生產(chǎn)成本大幅降低，形成多設(shè)備互聯(lián)、協(xié)同和優(yōu)化的建設(shè)模式。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用已逐步向建筑、醫(yī)療、城市管理等領(lǐng)域滲透，依托BIM模型完成建筑物的龍骨、結(jié)構(gòu)以及風(fēng)水電等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑物各類資源的優(yōu)化、應(yīng)急方案預(yù)演以及建筑群間資源優(yōu)化配置；達(dá)索公司開(kāi)發(fā)3DEXPERIENCity平臺(tái)實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃布局、管網(wǎng)以及氣象的數(shù)字孿生，使得城市應(yīng)急處置效率提升30%，城市擁堵率降低25%。

3、技術(shù)融合與數(shù)據(jù)積淀不斷推動(dòng)城市創(chuàng)新發(fā)展

分布式計(jì)算、4G/5G通信、大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)與3D建模、高精度地圖、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能控制等數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)有機(jī)耦合加快集成，推動(dòng)在數(shù)字空間中建設(shè)同步運(yùn)行的數(shù)字孿生城市成為可能。此外，經(jīng)過(guò)近十年智慧城市建設(shè)，城市傳感器隨處可見(jiàn)，城市智能終端廣泛部署，城市體征運(yùn)行數(shù)據(jù)大量匯聚積淀，城市畫(huà)像日益清晰，跨層級(jí)、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門(mén)、跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)資源加速有序融合，基于海量多維數(shù)據(jù)分析的智能應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，智慧城市建設(shè)正處于量變到質(zhì)變關(guān)鍵時(shí)期。

二、數(shù)字孿生城市是深度學(xué)習(xí)自我優(yōu)化的城市

數(shù)字孿生城市的核心要義是，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字空間，再造一個(gè)與現(xiàn)實(shí)物理城市匹配對(duì)應(yīng)的數(shù)字城市，通過(guò)構(gòu)建物理城市與數(shù)字城市一一對(duì)應(yīng)、協(xié)同交互、智能操控的復(fù)雜系統(tǒng)，使其與物理城市平行運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)治理，智能定義一切等運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市運(yùn)行管理協(xié)同化智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的城市發(fā)展新模式，是具有深度學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化能力的城市。

圖1  數(shù)字孿生城市運(yùn)行機(jī)理

1、全域感知，實(shí)現(xiàn)由實(shí)到虛

通過(guò)部署全域感知體系和各行業(yè)領(lǐng)域信息系統(tǒng)平臺(tái)，采集匯集城市所有靜態(tài)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、對(duì)象數(shù)據(jù)等表征城市運(yùn)行的全量數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間建立一一映射的數(shù)字孿生城市模型平臺(tái)，并加載城市全量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

2、深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自我優(yōu)化

基于不斷匯集的海量數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生城市模型平臺(tái)，運(yùn)用多維數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等算法或技術(shù)，運(yùn)算得出城市資源配置優(yōu)化方案、城市災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警模型、城市應(yīng)急指揮策略等，實(shí)現(xiàn)自我優(yōu)化。

3、智能操控，實(shí)現(xiàn)由虛控實(shí)

基于以上數(shù)字空間得出的優(yōu)化方案、預(yù)警模型、指揮策略等深度學(xué)習(xí)結(jié)論，在數(shù)字孿生城市模型平臺(tái)中，通過(guò)傳感器遠(yuǎn)程控制、信息系統(tǒng)功能優(yōu)化修正等操作，反向作用于物理世界運(yùn)行的城市，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)決策、快速響應(yīng)和智能操控。

4、更新迭代，實(shí)現(xiàn)流程再造

通過(guò)深度學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化后的城市在新的運(yùn)行流程、運(yùn)行規(guī)則、運(yùn)行機(jī)制下不斷產(chǎn)生和積累新的數(shù)據(jù)，同時(shí)，新智能設(shè)備、新技術(shù)應(yīng)用不斷更替出現(xiàn)，進(jìn)而啟動(dòng)新一輪的數(shù)字孿生更新迭代，實(shí)現(xiàn)城市不斷進(jìn)化的“自生長(zhǎng)”發(fā)展模式。

三、數(shù)字孿生城市是技術(shù)和數(shù)據(jù)深度融合的新模式

數(shù)字孿生城市，是與物理城市一一映射、協(xié)同交互、智能操控的虛擬城市，其技術(shù)體系框架包含智能終端、泛在網(wǎng)絡(luò)、支撐平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)等必要組成要素，并貫穿城市數(shù)據(jù)的采集、匯聚、整合、分析、應(yīng)用等全過(guò)程環(huán)節(jié)，是一個(gè)技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合和數(shù)據(jù)融合的復(fù)雜巨系統(tǒng)。

圖2  數(shù)字孿生城市技術(shù)體系框架

1、全域智能終端的數(shù)據(jù)采集是數(shù)字孿生城市前提

全域智能終端的數(shù)據(jù)采集主要涵蓋四大基礎(chǔ)要素，即數(shù)字標(biāo)識(shí)、智能終端、三維模型、地理信息等。其中，數(shù)字標(biāo)識(shí)作為城市人、事、物在數(shù)字空間的唯一索引，表征城市人、事物身份信息，用于數(shù)字信息和實(shí)體之間的精準(zhǔn)匹配、建立連接和管理控制；智能終端作為城市運(yùn)行的信息采集器，用于采集城市所有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息；三維模型作為數(shù)字空間的信息載體，用于展現(xiàn)城市空間形態(tài)；地理信息表征城市人、事、物的位置和位移，主要包括GIS、RS、GPS等。

2、極速泛在的城市信息網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字孿生城市保障

極速泛在的城市信息網(wǎng)絡(luò)主要包括三大接入方式，即城市極速專網(wǎng)、4G/5G移動(dòng)寬帶、NB-IoT/eMTC/LoRa物聯(lián)網(wǎng)等，形成互為補(bǔ)充、極速互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)接入保障。為滿足城市安全運(yùn)行、虛實(shí)互動(dòng)毫秒級(jí)響應(yīng)以及千萬(wàn)級(jí)的智能設(shè)備的同時(shí)接入需求，率先組建城市極速專網(wǎng)，統(tǒng)一集成寬帶無(wú)線網(wǎng)、寬帶有線網(wǎng)、視頻網(wǎng)、應(yīng)急通信網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)極速互聯(lián)。針對(duì)手機(jī)、可穿戴設(shè)備等移動(dòng)智能終端主要以4G、5G接入為主，采集城市中人的信息。針對(duì)數(shù)以億計(jì)的傳感器，可通過(guò)NB-IoT、eMTC、LoRa等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入。

3、深度思考的城市信息中樞是數(shù)字孿生城市核心

深度思考的城市信息中樞主要包括四類重要平臺(tái)，即數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)、數(shù)字孿生模型平臺(tái)、基于深度學(xué)習(xí)的人工智能算法平臺(tái)、統(tǒng)一智能操控平臺(tái)等，共同組成指導(dǎo)數(shù)字孿生城市高效運(yùn)行的信息中樞。數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)用于數(shù)據(jù)整合、處理、分發(fā)等；數(shù)字孿生模型平臺(tái)作為數(shù)字空間集成載體，集成所有數(shù)據(jù)資源，展現(xiàn)真實(shí)世界運(yùn)行全貌和細(xì)節(jié)；基于深度學(xué)習(xí)的人工智能算法平臺(tái)用于優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、資源配置、規(guī)劃布局等；統(tǒng)一智能操控平臺(tái)主要用于智能決策指揮、自組織運(yùn)行、遠(yuǎn)程操控等。

4、高效運(yùn)行的智能應(yīng)用系統(tǒng)是數(shù)字孿生城市表現(xiàn)

最終，數(shù)字孿生城市要作用于城市治理和民生服務(wù)的各個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，推動(dòng)服務(wù)體驗(yàn)智能化、社會(huì)治理智慧化。如，通過(guò)模擬仿真、動(dòng)態(tài)評(píng)估、深度學(xué)習(xí)城市規(guī)劃方案效果，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃不再走彎路；三維呈現(xiàn)水勢(shì)、空氣動(dòng)力、霧霾變化等，為城市治理決策提前部署提供依據(jù)；通過(guò)深度學(xué)習(xí)個(gè)人教育和知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)式定制化學(xué)習(xí)；通過(guò)深度學(xué)習(xí)民眾出行、生活、消費(fèi)等習(xí)慣，制定個(gè)人出行路線；通過(guò)交通流量預(yù)測(cè)，智能疏導(dǎo)和優(yōu)化信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)。

總之，數(shù)字孿生城市建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，隨著實(shí)施不斷深入，其技術(shù)體系框架和解決方案將更加清晰，將有力推動(dòng)城市的高質(zhì)量發(fā)展。