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

圖片來自“東方IC”

全球物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、無人駕駛、虛擬現(xiàn)實、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，智慧城市實施進程不斷加快，實施內(nèi)容持續(xù)深入，其發(fā)展理念、推進模式和技術(shù)體系不斷更新和演進，建設(shè)虛擬服務(wù)現(xiàn)實、數(shù)據(jù)驅(qū)動治理、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。

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，云計算平臺已成城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，政府、企業(yè)乃至個人廣泛使用；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)推動萬物互聯(lián)成為現(xiàn)實，廣泛應(yīng)用于城市治理領(lǐng)域的感知監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集等；（移動）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)用可精準預(yù)測城市問題，極大提升市民體驗。

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、火車發(fā)動機等高端制造領(lǐng)域，對產(chǎn)品、生產(chǎn)線和工藝等進行數(shù)字仿真、實時跟蹤，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)以及風水電等設(shè)計，實現(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；達索公司開發(fā)3DEXPERIENCity平臺實現(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)積淀不斷推動城市創(chuàng)新發(fā)展

分布式計算、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、智能控制等數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)有機耦合加快集成，推動在數(shù)字空間中建設(shè)同步運行的數(shù)字孿生城市成為可能。此外，經(jīng)過近十年智慧城市建設(shè)，城市傳感器隨處可見，城市智能終端廣泛部署，城市體征運行數(shù)據(jù)大量匯聚積淀，城市畫像日益清晰，跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門、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，再造一個與現(xiàn)實物理城市匹配對應(yīng)的數(shù)字城市，通過構(gòu)建物理城市與數(shù)字城市一一對應(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轉(zhuǎn)，通過虛擬服務(wù)現(xiàn)實，數(shù)據(jù)驅(qū)動治理，智能定義一切等運行機制，實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實時化和可視化、城市運行管理協(xié)同化智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發(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)字孿生城市運行機理

1、全域感知，實現(xiàn)由實到虛

通過部署全域感知體系和各行業(yè)領(lǐng)域信息系統(tǒng)平臺，采集匯集城市所有靜態(tài)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、對象數(shù)據(jù)等表征城市運行的全量數(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，并加載城市全量靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)。

2、深度學(xué)習(xí)，實現(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，運用多維數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等算法或技術(shù)，運算得出城市資源配置優(yōu)化方案、城市災(zāi)害預(yù)測預(yù)警模型、城市應(yīng)急指揮策略等，實現(xiàn)自我優(yōu)化。

3、智能操控，實現(xiàn)由虛控實

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中，通過傳感器遠程控制、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行的城市，實現(xiàn)動態(tài)決策、快速響應(yīng)和智能操控。

4、更新迭代，實現(xiàn)流程再造

通過深度學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化后的城市在新的運行流程、運行規(guī)則、運行機制下不斷產(chǎn)生和積累新的數(shù)據(jù)，同時，新智能設(shè)備、新技術(shù)應(yīng)用不斷更替出現(xiàn)，進而啟動新一輪的數(shù)字孿生更新迭代，實現(xiàn)城市不斷進化的“自生長”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、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)用等全過程環(huán)節(jié)，是一個技術(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)字標識、智能終端、三維模型、地理信息等。其中，數(shù)字標識作為城市人、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)字信息和實體之間的精準匹配、建立連接和管理控制；智能終端作為城市運行的信息采集器，用于采集城市所有靜態(tài)和動態(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移動寬帶、NB-IoT/eMTC/LoRa物聯(lián)網(wǎng)等，形成互為補充、極速互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)接入保障。為滿足城市安全運行、虛實互動毫秒級響應(yīng)以及千萬級的智能設(shè)備的同時接入需求，率先組建城市極速專網(wǎng)，統(tǒng)一集成寬帶無線網(wǎng)、寬帶有線網(wǎng)、視頻網(wǎng)、應(yīng)急通信網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)等，實現(xiàn)極速互聯(lián)。針對手機、可穿戴設(shè)備等移動智能終端主要以4G、5G接入為主，采集城市中人的信息。針對數(shù)以億計的傳感器，可通過NB-IoT、eMTC、LoRa等網(wǎng)絡(luò)實現(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，即數(shù)據(jù)資源管理平臺、數(shù)字孿生模型平臺、基于深度學(xué)習(xí)的人工智能算法平臺、統(tǒng)一智能操控平臺等，共同組成指導(dǎo)數(shù)字孿生城市高效運行的信息中樞。數(shù)據(jù)資源管理平臺用于數(shù)據(jù)整合、處理、分發(fā)等；數(shù)字孿生模型平臺作為數(shù)字空間集成載體，集成所有數(shù)據(jù)資源，展現(xiàn)真實世界運行全貌和細節(jié)；基于深度學(xué)習(xí)的人工智能算法平臺用于優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、資源配置、規(guī)劃布局等；統(tǒng)一智能操控平臺主要用于智能決策指揮、自組織運行、遠程操控等。

4、高效運行的智能應(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)的各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，推動服務(wù)體驗智能化、社會治理智慧化。如，通過模擬仿真、動態(tài)評估、深度學(xué)習(xí)城市規(guī)劃方案效果，實現(xiàn)規(guī)劃不再走彎路；三維呈現(xiàn)水勢、空氣動力、霧霾變化等，為城市治理決策提前部署提供依據(jù)；通過深度學(xué)習(xí)個人教育和知識體系，實現(xiàn)自適應(yīng)式定制化學(xué)習(xí)；通過深度學(xué)習(xí)民眾出行、生活、消費等習(xí)慣，制定個人出行路線；通過交通流量預(yù)測，智能疏導(dǎo)和優(yōu)化信號燈時長。

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