數(shù)字孿生城市視角的城市信息模型及現(xiàn)代城市治理研究

文｜杜明芳

（作者為清華大學信息國家研究中心副教授、研究員）

一、新基建背景下的城市信息模型（CIM）

1.CIM發(fā)展的戰(zhàn)略背景

十九屆中央委員會第四次全體會議著重研究了堅持和完善中國特色社會主義制度、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的若干重大問題。

2020年4月，國家發(fā)改委首次明確新型基礎(chǔ)設施的范圍，初步研究認為新型基礎(chǔ)設施是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務的基礎(chǔ)設施體系。當前，新基建正引發(fā)新一輪投資建設熱潮，全國各省市紛紛推出新基建行動計劃，近百萬億投資大單正在逐步落地實施。從中央會議內(nèi)容看，新基建側(cè)重于5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)。新基建需為中國創(chuàng)新發(fā)展、綠色環(huán)保發(fā)展，特別是搶占全球新一代信息技術(shù)制高點創(chuàng)造基礎(chǔ)條件，最受益的可能就是智慧城市建設。

習近平總書記2020年3月10日在赴湖北省武漢市考察疫情防控時表示，要著力完善城市治理體系和城鄉(xiāng)基層治理體系，樹立“全周期管理”意識，努力探索超大城市現(xiàn)代化治理新路子。習近平總書記也曾深刻指出，“治理”和“管理”一字之差，體現(xiàn)的是系統(tǒng)治理、依法治理、源頭治理、綜合施策，要實現(xiàn)從“管理”向“治理”轉(zhuǎn)變，激發(fā)基層活力，提升社區(qū)能力。當前，就城市而言，已經(jīng)進入從管理升華到治理的歷史階段。在信息新基建、城市基礎(chǔ)設施智能化改造、城市治理體制機制改革多重力量驅(qū)動下，網(wǎng)格化精細管理模式將逐步向數(shù)字孿生強智能化自治模式演進。2017年4月1日，中共中央、國務院決定設立雄安新區(qū)?！逗颖毙郯残聟^(qū)規(guī)劃綱要》提出要堅持數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設，適度超前布局智能基礎(chǔ)設施，推動全域智能化應用服務實時可控，建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系，打造具有深度學習能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市，描繪出了數(shù)字孿生城市的雛形，也為正處于“深水區(qū)”的智慧城市建設提供了新思路。

2.如何理解城市信息模型（CIM）

當前，對城市信息模型（CIM)比較普遍的一種理解是：以城市的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。城市信息模型目前尚無統(tǒng)一的明確定義，CIM的內(nèi)涵和外延目前仍處于探索期，業(yè)內(nèi)較有代表性的解釋為：一是CIM=GIS+BIM；二是CIM= BIM+GIS+物聯(lián)網(wǎng)（IOT）；三是CIM= BIM+城市業(yè)務實體。本文作者認為，CIM=以數(shù)字技術(shù)為治理引擎（簡稱數(shù)字引擎）的數(shù)字孿生城市之數(shù)字孿生體。其中，數(shù)字技術(shù) = BIM+GIS+IOT+AI+5G+Block Chain+衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+……。

建立城市信息模型的目地是：使城市信息得到更加科學、嚴謹、統(tǒng)一、明確的表達，作為數(shù)字引擎驅(qū)動城市建設與發(fā)展。

數(shù)字孿生城市的目標是：構(gòu)建“城市規(guī)劃建設一張圖，城市治理虛實一盤棋，城市服務情景一站式”的現(xiàn)代城市治理模式。

二、基于數(shù)字線索和數(shù)字工程打造數(shù)字孿生城市

1.數(shù)字孿生、數(shù)字工程及基于模型的系統(tǒng)工程

圖1 數(shù)字孿生城市（DT 城市）概念模型

數(shù)字孿生城市的理論基礎(chǔ)是數(shù)字孿生，而數(shù)字孿生又和數(shù)字工程、系統(tǒng)工程特別是基于模型的系統(tǒng)工程密切相關(guān)。美空軍在2013年發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件中，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機遇。西門子公司提出了“綜合數(shù)字孿生體”的概念，其中包含數(shù)字孿生體產(chǎn)品、數(shù)字孿生體生產(chǎn)和數(shù)字孿生體運行的精準的連續(xù)映射遞進關(guān)系，最終達成理想的高質(zhì)量產(chǎn)品交付。2018年7月5日，美國國防部正式對外發(fā)布“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”。數(shù)字工程戰(zhàn)略旨在推進數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，將國防部以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移。

2.數(shù)字孿生與數(shù)字孿生城市

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體的全生命周期過程。數(shù)字孿生的本質(zhì)是基于數(shù)據(jù)線索的控制。數(shù)字孿生七要素是：物理空間、數(shù)字空間、數(shù)據(jù)、模型、控制、管理、服務。信息物理系統(tǒng)(CPS)是一個綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3C 技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。數(shù)字孿生建立在信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，更加側(cè)重于數(shù)據(jù)和模型，聚焦數(shù)字工程管理與技術(shù)兩個層面，促進管理與技術(shù)深度融合，為世界提供一種通用的智能基礎(chǔ)理論及發(fā)展范式。

為什么要發(fā)展數(shù)字孿生？數(shù)字孿生具有如下重要作用：提升生產(chǎn)效率，提升協(xié)作效率，提供通用智能基礎(chǔ)設施。因此，數(shù)字孿生提供了一種產(chǎn)業(yè)新引擎，可賦能城市和社會治理。一個事實是：工業(yè)界有一種“工業(yè)領(lǐng)域1%的革命”的說法，即全球工業(yè)的生產(chǎn)效率提升1%，成本將減少300億。數(shù)字孿生能在工業(yè)、城市、交通、建筑、環(huán)保等各個領(lǐng)域帶來顯著的效率提升，未來將帶來成本的極大下降。在新一代智能基礎(chǔ)設施的推動下，數(shù)字孿生理念逐步延伸拓展至多行業(yè)。數(shù)字孿生正在成為通用智能基礎(chǔ)設施。

數(shù)字孿生城市三要素是：數(shù)據(jù)、模型、服務。當空天地一體化網(wǎng)絡、智能無人系統(tǒng)等技術(shù)充分發(fā)展起來以后，傳統(tǒng)城市電子地圖精度提升近百倍，實現(xiàn)高精度實時城市三維建模成為可能，數(shù)字城市孿生具備技術(shù)條件。各類業(yè)務平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)、城市三維模型數(shù)據(jù)通過有序組合形成城市之數(shù)字孿生體，在城市數(shù)字孿生體中存在各類智能模型與算法，與城市業(yè)務融合后，可產(chǎn)生各類有價值的城市服務。

三、基于多粒度數(shù)字孿生城市的現(xiàn)代城市治理模式構(gòu)建

1.多粒度數(shù)字孿生城市

從系統(tǒng)工程視角看，智慧城市可看作是以城市信息模型（CIM）為數(shù)字孿生體的復雜系統(tǒng)工程。由于城市要素的多元化、多顆粒度現(xiàn)實，城市復雜系統(tǒng)工程具有多粒度特點，因此，需要構(gòu)建多粒度數(shù)字孿生城市才能刻畫出真實的智慧城市。

從系統(tǒng)工程視角分析，數(shù)字孿生城市系統(tǒng)可以按粒度分為設備級、系統(tǒng)級、復雜系統(tǒng)級、復雜巨系統(tǒng)級四個系統(tǒng)層級，且自頂向下具有包含關(guān)系。

多粒度數(shù)字孿生城市的建模仿真可采用SysML 工具。通過將SysML模型和領(lǐng)域?qū)I(yè)模型之間建立雙向數(shù)據(jù)映射和交換，可實現(xiàn)多個領(lǐng)域模型與系統(tǒng)框架模型之間的跨域集成。利用SysML 為數(shù)字樣機提供準確的系統(tǒng)框架，通過定義好的系統(tǒng)框架模型將大量的數(shù)字信息交織在一起，系統(tǒng)框架模型有助于緊密連接系統(tǒng)邏輯和行為設計的需求。

2.數(shù)字孿生視角的城市信息模型構(gòu)建

數(shù)字孿生強調(diào)仿真、建模、分析和輔助決策，側(cè)重的是物理世界對象在數(shù)據(jù)世界的重現(xiàn)、分析、決策，而可視化做的就是對物理世界的真實復現(xiàn)和決策支持?；诤Ａ繑?shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)可視化建立一系列業(yè)務決策模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，為業(yè)務決策提供全面、精準的決策依據(jù)。

圖2 工業(yè)制造視角的數(shù)字孿生城市內(nèi)涵

圖3 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)比較

基于大數(shù)據(jù)和知識工程的多粒度城市治理需要一套能夠指導實踐的模型，本文提出一種數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)閉環(huán)生態(tài)模型，如圖5。

數(shù)字孿生城市應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模思路：以“業(yè)務需求”為起點和中心，以“數(shù)據(jù)互聯(lián)互通”為根本，從數(shù)據(jù)源抽取以下城市核心主題：人、物品、交通工具、環(huán)境、制度、案件、事件。構(gòu)建包括以下四大組成部分的閉環(huán)數(shù)據(jù)生態(tài)模型：（1）數(shù)據(jù)中臺。又包括業(yè)務數(shù)據(jù)庫、知識庫、模型庫。（2）數(shù)據(jù)服務總線。（3）城鄉(xiāng)應用生態(tài)。包括國家級、省級、市級、縣級、鄉(xiāng)村級5個層級。（4）數(shù)據(jù)反饋線。提供定期和實時兩類數(shù)據(jù)?；陂]環(huán)數(shù)據(jù)生態(tài)模型構(gòu)建形成融智能業(yè)務體系和數(shù)據(jù)資源體系為一體的數(shù)據(jù)綜合集成模型，可滿足城市復雜多變的應用場景需求，同時具有抗突發(fā)事件的足夠應急能力和持久韌性。

知識庫和模型庫融合貫通后形成大數(shù)據(jù)智能體系，包括三部分：業(yè)務知識圖譜、知識應用操作系統(tǒng)、決策駕駛艙。知識應用操作系統(tǒng)的核心機制是：業(yè)務可編程，業(yè)務流程可定義，智能業(yè)務模型可定制開發(fā),智能業(yè)務模型可自動生成。

基于大數(shù)據(jù)和知識引擎的城市數(shù)字孿生體系構(gòu)建方法如圖6。

3.智慧城市建設和治理的瓶頸及發(fā)展建議

圖4 數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)閉環(huán)生態(tài)模型

圖5 基于大數(shù)據(jù)和知識引擎的城市數(shù)字孿生體系構(gòu)建

一方面，開發(fā)構(gòu)建數(shù)字技術(shù)體系，充分發(fā)揮數(shù)字新基建的支撐作用；另一方面，加強現(xiàn)代城市治理體系建設，城市信息模型與數(shù)字孿生城市同步推進。數(shù)字技術(shù)體系建設方面包括以下重點：提升底層技術(shù)自主可控能力，打造海量數(shù)據(jù)智能敏捷互聯(lián)城市；基于數(shù)字新基建構(gòu)建城市信息模型CIM。現(xiàn)代治理體系建設方面包括以下重點：擁抱系統(tǒng)思維，打造數(shù)字孿生城市；構(gòu)建人-機融合智慧治理體系；推進多元共治體系建設，構(gòu)建更加公平化、公正化、法制化、民主化、文明化的社會環(huán)境。

基于城市信息模型的城市現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑，實現(xiàn)邏輯為：（1）構(gòu)建城市信息模型CIM；（2）建設城市信息模型驅(qū)動的智慧城市；（3）基于CIM和智慧城市構(gòu)建現(xiàn)代城市治理體系；（4）在現(xiàn)代城市治理體系的推動下，逐步完成城市現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型發(fā)展。在以上進程中，數(shù)字孿生城市將貫穿于智慧城市和現(xiàn)代城市治理體系之中，城市信息模型（CIM）、智慧城市、現(xiàn)代城市治理體系共同勾勒出基于模型的城市治理體系總體框架。

基于數(shù)字孿生的城市信息模型及城市治理進一步發(fā)展建議：（1）以數(shù)字孿生為理論和技術(shù)支撐構(gòu)建超大城市及城市群現(xiàn)代治理體系，構(gòu)建數(shù)字孿生城市理論體系，豐富中國現(xiàn)代城市治理理論體系；（2）研發(fā)城市多數(shù)字技術(shù)融合引擎（CityDTEngine），并基于CityDTEngine和數(shù)字孿生城市構(gòu)建城市信息模型（CIM）；（3）面向城市超大規(guī)模物聯(lián)感知場景需求，提出并研究多物聯(lián)點感知、多觸點控制、多業(yè)務領(lǐng)域協(xié)作、多城市系統(tǒng)協(xié)同的泛在并行協(xié)同計算理論、方法與技術(shù)；（4）提出并研究超大規(guī)模城市數(shù)據(jù)治理方法與技術(shù)，提出分布式實時大數(shù)據(jù)智能處理新算法，從采集層到管控層構(gòu)建貫穿城市群全領(lǐng)域的數(shù)據(jù)標準；（5）提出并研究超大規(guī)模城市網(wǎng)絡融合方法與技術(shù)，構(gòu)建“一張網(wǎng)”下的高效便捷業(yè)務處理體系，制定感知層、邊緣計算層等關(guān)鍵技術(shù)裝置的先進網(wǎng)絡通信標準。