數(shù)字孿生城市：智慧城市建設(shè)主流模式

數(shù)字孿生城市理念自提出以來，在國(guó)內(nèi)政產(chǎn)學(xué)研用各界引起廣泛關(guān)注，掀起研究和建設(shè)熱潮。

理念引領(lǐng)，各地紛紛提出建設(shè)數(shù)字孿生城市

雄安新區(qū)率先推進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)。2018年《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中指出：堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市。目前，新區(qū)正推進(jìn)BIM 管理平臺(tái)（一期）建設(shè)，這是一個(gè)具有國(guó)家自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)字城市規(guī)建管智能審批平臺(tái)，通過創(chuàng)新城市“規(guī)、建、管”的新型標(biāo)準(zhǔn)體系、政策體系和流程體系，探索以數(shù)字城市的預(yù)建、預(yù)判、預(yù)防來支撐現(xiàn)實(shí)城市高質(zhì)量發(fā)展的模式，打造展現(xiàn)多維城市空間的數(shù)字平臺(tái)。平臺(tái)將建立不同階段的城市空間信息模型和循環(huán)迭代規(guī)則，采取GIS 和BIM 融合的數(shù)字技術(shù)記錄新區(qū)成長(zhǎng)的每一個(gè)瞬間，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，逐步建成一個(gè)與實(shí)體城市完全鏡像的虛擬世界。

全國(guó)各地?fù)屪ハ葯C(jī)，開展數(shù)字孿生城市規(guī)劃和建設(shè)。數(shù)字孿生城市為各地智慧城市建設(shè)提供了新思路、新模式，讓城市治理者看到城市現(xiàn)代化治理體系以及高質(zhì)量發(fā)展的曙光，讓城市居民憧憬隨需而動(dòng)、無(wú)處不在的智能化服務(wù)。2019年5月，在第二屆數(shù)字中國(guó)建設(shè)峰會(huì)數(shù)字經(jīng)濟(jì)分論壇上，貴陽(yáng)市副市長(zhǎng)徐昊發(fā)表了“數(shù)字孿生城市的貴陽(yáng)探索”主題演講。在實(shí)踐上，貴陽(yáng)提出從花果園超大型社區(qū)治理、數(shù)博大道等小型城市生態(tài)系統(tǒng)入手打造數(shù)字孿生城市。南京江北新區(qū)著力推動(dòng)城市發(fā)展向智能化高級(jí)形態(tài)邁進(jìn)，提出力爭(zhēng)到2025年率先建成“全國(guó)數(shù)字孿生第一城”。浙江省發(fā)布未來社區(qū)建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案，制定“未來社區(qū)”九大場(chǎng)景，提出構(gòu)建現(xiàn)實(shí)和數(shù)字孿生社區(qū)要求。舟山市、西咸新區(qū)、重慶市、長(zhǎng)三角一體化示范區(qū)等地紛紛采用數(shù)字孿生城市的建設(shè)理念和模式，先后制定智慧城市頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，以數(shù)字孿生城市為導(dǎo)向推進(jìn)智慧城市建設(shè)。

產(chǎn)業(yè)響應(yīng)，各類企業(yè)搶抓商機(jī)激活I(lǐng)CT 產(chǎn)業(yè)鏈

數(shù)字孿生城市正在激活龐大的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。數(shù)字孿生城市自提出以來，吸引產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注，成為技術(shù)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)拓展的重要方向。多地學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)開展關(guān)于“數(shù)字孿生”的專題研討，探索數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于城市治理、工業(yè)制造等領(lǐng)域的應(yīng)用和價(jià)值。以BIM、CIM、VR/AR、AI 等先進(jìn)技術(shù)為主攻方向的科技公司發(fā)力“數(shù)字孿生”方案研發(fā)，并已應(yīng)用到多個(gè)行業(yè)。數(shù)字孿生城市涉及技術(shù)門類較多，諸如新型測(cè)繪、地理信息、物聯(lián)感知、三維建模、圖像渲染、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真推演、深度學(xué)習(xí)、智能控制等，幾乎涉及信息產(chǎn)業(yè)所有鏈條，無(wú)論是傳統(tǒng)的智慧城市龍頭企業(yè)，還是新入局的創(chuàng)新型中小企業(yè)，對(duì)數(shù)字孿生城市均給予了高度重視，各類企業(yè)依托自身優(yōu)勢(shì)加緊布局，搶占市場(chǎng)先機(jī)，同時(shí)推動(dòng)技術(shù)方案不斷完善。

傳統(tǒng)智慧城市廠商順勢(shì)而為推出數(shù)字孿生城市解決方案?？拼笥嶏w打造數(shù)字孿生城市的“城市超腦”，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，匯聚城市時(shí)間與空間數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能算法，挖掘城市發(fā)展與運(yùn)行軌跡，進(jìn)行即時(shí)分析和仿真建模，促進(jìn)物理城市公共資源最優(yōu)化。軟通動(dòng)力與華為合作，發(fā)布支持?jǐn)?shù)字孿生城市的aPaaS 平臺(tái)，為多個(gè)場(chǎng)景提供API 服務(wù)，涵蓋交通、環(huán)保、安全等各種領(lǐng)域。阿里巴巴聯(lián)合千方科技、銀江股份、浙大中控、數(shù)源科技、?？低暤缺娖髽I(yè)，基于阿里云平臺(tái)，共同打造數(shù)字孿生城市大腦，提升杭州市交通系統(tǒng)和城管系統(tǒng)的智能化水平。紫光云集成數(shù)字孿生底座，推出“1+4+N”智慧城市應(yīng)用體系，重點(diǎn)打造安全生產(chǎn)“大數(shù)據(jù)”分析預(yù)測(cè)能力和“物聯(lián)網(wǎng)”動(dòng)態(tài)感知能力，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。

圖1 數(shù)字孿生智慧園區(qū)

空間信息產(chǎn)業(yè)紛紛入局，成為數(shù)字孿生城市建設(shè)中堅(jiān)力量。數(shù)字孿生和空間信息產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，需要空間信息采集、建模、開發(fā)、服務(wù)、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈的深度參與，同時(shí)空間信息產(chǎn)業(yè)通過數(shù)字孿生在智慧城市中找到了新的支點(diǎn)，多年的技術(shù)積累在巨大的市場(chǎng)空間得以釋放活力，并造就獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)GIS 領(lǐng)頭企業(yè)超圖公司在新推出的新一代三維GIS 技術(shù)體系中，全方位支持傾斜攝影建模、激光點(diǎn)云、BIM 等多源異構(gòu)的三維模型數(shù)據(jù)，并推出國(guó)內(nèi)首個(gè)三維空間數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)Spatial 3D Model（S3M），該標(biāo)準(zhǔn)融合了傾斜攝影模型、BIM、精模、激光點(diǎn)云、矢量、地下管線、地形、動(dòng)態(tài)水面、三維柵格等多源數(shù)據(jù)，突破了大規(guī)模三維數(shù)據(jù)傳輸和解析的技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字孿生的廣泛應(yīng)用。泰瑞數(shù)創(chuàng)提供了涵蓋高端航測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集、處理服務(wù)到應(yīng)用開發(fā)的數(shù)字孿生城市建模全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)，還發(fā)布實(shí)景世界云平臺(tái)SmartEarth，利用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義模型整合了BIM／CAD 和地理測(cè)繪等技術(shù)，高效自動(dòng)地構(gòu)建城市信息模型，已經(jīng)成功應(yīng)用于智慧城市、智慧工業(yè)和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。51VR 公司運(yùn)用GIS、高程、無(wú)人機(jī)斜拍點(diǎn)云、衛(wèi)星圖、街景圖等技術(shù)和數(shù)據(jù)，能夠快速自動(dòng)化構(gòu)建大規(guī)模數(shù)字孿生城市模型，復(fù)原城市的每個(gè)細(xì)節(jié)，并進(jìn)行大場(chǎng)景動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)渲染，在數(shù)據(jù)可視化和場(chǎng)景可視化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)營(yíng)管理的可視化和精細(xì)化。

資本助力，數(shù)字孿生城市板塊崛起倍受市場(chǎng)關(guān)注

智慧城市相關(guān)投資持續(xù)保持高速穩(wěn)定增長(zhǎng)。IDC 預(yù)計(jì)，中國(guó)智慧城市技術(shù)相關(guān)投資在2016-2021年間將保持年復(fù)合增長(zhǎng)率19.3%的穩(wěn)定增長(zhǎng)。根據(jù)IDC《全球半年度智慧城市支出指南》發(fā)布的數(shù)據(jù)，2018年中國(guó)智慧城市技術(shù)相關(guān)投資達(dá)到208 億美元，相比2017年的173 億美元增長(zhǎng)了20.2%，成為全球第二大的智慧城市技術(shù)相關(guān)支出市場(chǎng)（僅次于美國(guó)）。數(shù)字孿生城市的提出，無(wú)疑為新型智慧城市建設(shè)注入了新的活力，不僅帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)投入，而且促進(jìn)地方政府加大對(duì)智慧城市的建設(shè)投資。

數(shù)字孿生相關(guān)企業(yè)獲得資本青睞，斬獲融資。2017年5月，英國(guó)虛擬仿真初創(chuàng)公司Improbable 完成了5.02 億美元的B 輪融資，由軟銀國(guó)際領(lǐng)投，公司估值突破10 億美金。該公司基于Google 的計(jì)算平臺(tái)“SpatialOS 平臺(tái)”，構(gòu)建了一個(gè)基于蜂窩云服務(wù)的“超級(jí)虛擬世界”。2019年以來，我國(guó)以數(shù)字孿生為概念的多只股票出現(xiàn)漲停，數(shù)字孿生城市的價(jià)值被資本市場(chǎng)初步認(rèn)同。看好數(shù)字孿生創(chuàng)新發(fā)展前景，資本巨頭積極投資數(shù)字孿生相關(guān)企業(yè)，如阿里巴巴入股銀江股份，超圖公司獲得中國(guó)人壽與光大銀行的定向增發(fā)融資。51VR 完成B 輪2.1億元融資，泰瑞數(shù)創(chuàng)獲得啟迪金控和中信建投等機(jī)構(gòu)過億元投資。

場(chǎng)景先行，數(shù)字孿生部分應(yīng)用先行先試初顯成效

數(shù)字孿生技術(shù)重新定義智慧園區(qū)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2022年，85%的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，產(chǎn)業(yè)園區(qū)有望率先利用數(shù)字孿生技術(shù)，重塑園區(qū)管理與服務(wù)模式。在華為和51VR 聯(lián)合研發(fā)數(shù)字孿生的深圳坂田園區(qū)及東莞松山湖園區(qū)，通過實(shí)時(shí)接入園區(qū)IOT 設(shè)備、資產(chǎn)、能源、設(shè)施及環(huán)境等信息，建立基于園區(qū)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的數(shù)字孿生場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)園區(qū)運(yùn)營(yíng)的可視分析、園區(qū)業(yè)務(wù)的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)、園區(qū)決策的仿真模擬以及園區(qū)數(shù)據(jù)的全量集成，開創(chuàng)新一代園區(qū)的立體多維管理新模式。華為在廊坊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，利用GIS 空間信息平臺(tái)，構(gòu)建虛擬城市數(shù)字資源體系，一方面支撐IOC運(yùn)營(yíng)，同時(shí)為各個(gè)政務(wù)部門提供全空間的地理信息服務(wù)。

大型工業(yè)生產(chǎn)制造數(shù)字孿生風(fēng)行。通過數(shù)字孿生模型與仿真技術(shù)，對(duì)高成本高復(fù)雜性大型設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配全流程的數(shù)字化，并借助傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)，已成為大型工業(yè)制造企業(yè)的共識(shí)。西門子建立了貫穿于產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)模型，仿真模擬一些工廠的實(shí)際操作空間；通用電氣與ANSYS 公司借助數(shù)字孿生概念，提出物理機(jī)械和分析技術(shù)融合的實(shí)現(xiàn)途徑，讓每個(gè)引擎，每個(gè)渦輪，每臺(tái)核磁共振都擁有一個(gè)數(shù)字化的“雙胞胎”；德國(guó)軟件公司SAP 利用數(shù)字孿生概念，在產(chǎn)品試驗(yàn)階段采集設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過分析后得出產(chǎn)品的實(shí)際性能，再與需求設(shè)計(jì)的目標(biāo)比較，從而形成產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)體系。波音737 MAX8 不到半年發(fā)生兩次重大事故，而數(shù)字孿生技術(shù)可用于航空飛機(jī)的維護(hù)與保障。美國(guó)空軍已經(jīng)和波音合作構(gòu)建了機(jī)體數(shù)字孿生模型。波音公司在最新的NMA 項(xiàng)目上，已經(jīng)率先使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

數(shù)字孿生提升智能駕駛試驗(yàn)精度。通過搭建真實(shí)世界1:1 數(shù)字孿生場(chǎng)景，還原物理世界運(yùn)行規(guī)律，滿足智能駕駛場(chǎng)景下人工智能算法的訓(xùn)練需求，大幅提升訓(xùn)練效率和安全度。如通過采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立高精度地圖，構(gòu)建自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生模型，完成厘米級(jí)道路還原，同時(shí)對(duì)道路數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，變現(xiàn)為機(jī)器可理解的信息，通過生成大量實(shí)際交通事故案例，訓(xùn)練自動(dòng)駕駛算法處理突發(fā)場(chǎng)景的能力，最終實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)駕駛的算法測(cè)試和檢測(cè)驗(yàn)證。

數(shù)字孿生在醫(yī)療領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展。數(shù)字孿生給予健康醫(yī)療新的視角和手段，通過對(duì)身體器官、血液循環(huán)、神經(jīng)系統(tǒng)、肌體骨骼、心率脈搏等進(jìn)行“鏡象映射”，建立人體的數(shù)字孿生體，進(jìn)而通過人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄人體每個(gè)細(xì)節(jié)特征，進(jìn)行人體健康的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理。通過引進(jìn)小型化的穿戴式設(shè)備，實(shí)時(shí)對(duì)人體進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。孿生數(shù)據(jù)還可來源于CT、核磁、心電圖、彩超等醫(yī)療檢測(cè)和掃描儀器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，血常規(guī)、尿檢、生物酶等生化數(shù)據(jù)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)基于人體數(shù)字孿生綜合數(shù)據(jù)，可對(duì)患者提供健康狀況預(yù)測(cè)與及時(shí)干預(yù)，同時(shí)人體的數(shù)字孿生還將大大提高診斷的準(zhǔn)確性和手術(shù)的成功率。

數(shù)字孿生為智慧校園經(jīng)濟(jì)管理賦能。數(shù)字孿生將學(xué)校物理空間與數(shù)字空間有機(jī)銜接，全面感知校園物理環(huán)境，建立智能舒適的生活與教育環(huán)境，實(shí)現(xiàn)二維三維一體、虛實(shí)一體的校園精細(xì)化管理。我國(guó)多所大學(xué)已建立三維數(shù)字校園信息系統(tǒng)，在地上地下一體化、室內(nèi)室外一體化的全三維校園空間信息中整合地下管理、能源、安全等多種傳感器信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園后勤資源、教學(xué)教育設(shè)施、能源管控、校園安全等多種管理功能。