數(shù)字孿生城市框架與發(fā)展建議

張競濤 陳才 崔穎 張育雄 韓鵬 孟楠 徐亞敏

(1.中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所，北京100037；2.世界經(jīng)濟論壇物聯(lián)網(wǎng)和城市轉(zhuǎn)型平臺，北京100020)

0 引言

城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)既依賴數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新與賦能，也需要政策支持與機制變革。數(shù)字孿生城市(Digital Twin City)是物聯(lián)感知、三維建模、數(shù)據(jù)分析、模擬仿真等技術(shù)在城市領(lǐng)域的集成應(yīng)用，將有效促進(jìn)技術(shù)集成創(chuàng)新，驅(qū)動城市運行機制優(yōu)化，推動城市產(chǎn)業(yè)增速、管理增智、服務(wù)增效發(fā)展，從而助力城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)。當(dāng)前，數(shù)字孿生城市仍處于初期探索階段，面臨相關(guān)利益方理性認(rèn)識不足、平臺模型標(biāo)準(zhǔn)化滯后、技術(shù)尚不成熟、商業(yè)模式不清晰等挑戰(zhàn)，亟需明確數(shù)字孿生城市概念和要素框架，為設(shè)計方、建設(shè)方、實施方等主體共同探索數(shù)字孿生城市可持續(xù)發(fā)展路徑提供參考。

1 數(shù)字孿生城市的概念與價值

1.1 數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵逐漸清晰

2002年，數(shù)字孿生概念被首次提出，隨后數(shù)字孿生相關(guān)概念不斷迭代完善。2017年，“數(shù)字孿生城市”概念被首次提出，隨后被政府側(cè)、產(chǎn)業(yè)側(cè)廣泛認(rèn)可(見表1)。

表1 數(shù)字孿生城市相關(guān)概念的演進(jìn)

2002年，“信息鏡像模型”概念被首次提出，數(shù)字孿生概念初具雛形。Michael Grieves在美國密歇根大學(xué)任教時首次提出“鏡像空間模型(Mirrored Spaces Model)”概念，并于2006年發(fā)表著作明確提出“信息鏡像模型”的定義，即在虛擬空間構(gòu)建一套數(shù)字模型，數(shù)字模型可以與物理實體進(jìn)行交互映射[1]。

2012年，“數(shù)字孿生與數(shù)字孿生體”定義被首次明確，之后在工業(yè)中得到應(yīng)用。美國國家航天局蘭利研究中心E. H. Glaessgen和阿靈頓空軍研究室D.S. Stargel受美國航空航天局阿波羅計劃啟發(fā)，首次明確了數(shù)字孿生和數(shù)字孿生體的定義，提出數(shù)字孿生是融合物理模型、傳感器、運行軌跡等數(shù)據(jù)，通過虛擬空間的鏡像模型反映呈現(xiàn)物理實體的整個生命周期[2]。

2017年，中國信息通信研究院首次提出“數(shù)字孿生城市”概念，即通過數(shù)據(jù)標(biāo)識、物聯(lián)感知、網(wǎng)絡(luò)連接、智能控制等技術(shù)，在數(shù)字空間再造一個與物理城市一一映射的數(shù)字城市，推動城市全要素數(shù)字化、全狀態(tài)實時化，實現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市平行運轉(zhuǎn)、協(xié)同交互[3]。

2017年，佐治亞理工學(xué)院提出“智慧城市數(shù)字孿生體”概念，智慧城市數(shù)字孿生體是一個由城市虛擬模型、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多維數(shù)據(jù)和分析計算技術(shù)組成的智能自適應(yīng)的系統(tǒng)，可用于復(fù)制、模擬和預(yù)測城市運行的變化，促進(jìn)城市的韌性發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展[4]。

2018年，北京航空航天大學(xué)陶飛教授初步提出并構(gòu)建“數(shù)字孿生五維模型”。物理實體、虛擬模型、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和連接構(gòu)成了數(shù)字孿生的五維模型[5]。

2019年之后，“數(shù)字孿生城市”理念得到政產(chǎn)學(xué)研界廣泛認(rèn)可和推廣。2020年，清華大學(xué)杜明芳教授研究提出，數(shù)字孿生城市三要素是數(shù)據(jù)、模型和服務(wù)，各類城市業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、城市三維模型數(shù)據(jù)通過有序組合形成了城市的數(shù)字孿生體[6]。

綜上所述，本文研究認(rèn)為，數(shù)字孿生城市是通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、三維建模等數(shù)字化技術(shù)，將物理空間的城市映射到數(shù)字空間，通過實時感知、分析研判、監(jiān)測預(yù)警、輔助決策和遠(yuǎn)程操控，解決城市規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、管理、服務(wù)全過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，全面提高城市治理效率和服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)物理城市和數(shù)字城市并行運轉(zhuǎn)、虛實互動的城市發(fā)展新形態(tài)。

數(shù)字孿生城市的運行機理包含以下環(huán)節(jié)。首先，通過物聯(lián)感知、信息建模、泛在網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)采集交通、生態(tài)環(huán)境、城市運行等實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)由實入虛的連接與映射；其次，基于城市運行規(guī)律知識圖譜和大數(shù)據(jù)分析算法，在數(shù)字空間進(jìn)行分析洞察發(fā)現(xiàn)問題，并制定供城市管理者參考的科學(xué)合理的決策依據(jù)；最后，通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制和交互界面作用于現(xiàn)實城市，實現(xiàn)以虛控實，最終實現(xiàn)對物理城市的全生命周期管理服務(wù)、城市運行優(yōu)化改進(jìn)和經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展(見圖1)。

圖1 數(shù)字孿生城市的運行機理

1.2 數(shù)字孿生城市的四大技術(shù)特征

研究認(rèn)為，數(shù)字孿生城市具備四大典型技術(shù)特征，即精準(zhǔn)映射、分析洞察、虛實融合和智能干預(yù)(見圖2)。

圖2 數(shù)字孿生城市的四大技術(shù)特征

一是物理城市與數(shù)字城市的精準(zhǔn)映射，是指通過運用物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Things，IoT)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，數(shù)字孿生城市可以實現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)匯聚，從而分尺度、分實體構(gòu)建城市數(shù)字孿生體，既包括城市建筑、城市部件、道路等靜態(tài)實體，也包含人流、車流、物流等各類動態(tài)實體。二是數(shù)字城市的分析洞察，是指在數(shù)字空間中，基于物理城市采集的空間地理、物聯(lián)感知、城市運行等數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)挖掘、智能分析洞察城市運行狀態(tài)和風(fēng)險，輔助城市決策，改善城市運行狀態(tài)。三是數(shù)字城市與物理城市的虛實融合，是指物理城市在數(shù)字空間中得以延展、擴大，例如城市規(guī)劃方案動態(tài)比選、增強現(xiàn)實服務(wù)等。四是數(shù)字城市對物理城市的智能干預(yù)，是指面對事故、災(zāi)害、輿情等情況，數(shù)字孿生城市平臺將輔助城市管理者敏捷響應(yīng)、快速決策部署；也可以通過深度學(xué)習(xí)、仿真推演預(yù)測城市問題或風(fēng)險，預(yù)防事件減輕災(zāi)害，從而降低城市財產(chǎn)損失，保障人民安全。

1.3 數(shù)字孿生城市的三大愿景

在數(shù)字空間，城市實體可以自由編輯以改善布局，城市決策可以被圖形化推演以展現(xiàn)效果，城市設(shè)備可以被遠(yuǎn)程控制以快速干預(yù)，城市問題與風(fēng)險可以被提前洞察以快速應(yīng)對，從而助力實現(xiàn)數(shù)字孿生城市的三大愿景——城市生產(chǎn)集約高效、城市生活宜居便捷、城市生態(tài)綠色可持續(xù)發(fā)展。

城市生產(chǎn)集約高效。數(shù)字孿生技術(shù)有助于對要素配置、加工、流通等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化分析，助力建筑、制造、物流、貿(mào)易等行業(yè)降本增效。同時，數(shù)字孿生城市模型可作為云服務(wù)供政府、企業(yè)和市民使用，城市規(guī)劃者便捷地開展數(shù)字化設(shè)計，城市建設(shè)者實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度資源、監(jiān)控進(jìn)度，城市管理者實時感知、推演決策效果，有效提高城市運行效率，形成更加集約高效的發(fā)展模式。

城市生活宜居便捷。數(shù)字孿生技術(shù)用于城市交通信號優(yōu)化[7]、應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化、人員疏散路線改進(jìn)等場景，改善城市交通擁堵、事件響應(yīng)滯后等問題，提高市民生活的安全感；開展虛實互動課堂、元宇宙景區(qū)等應(yīng)用，豐富市民文娛生活體驗，提高市民生活的幸福感。以數(shù)字化、遠(yuǎn)程化方式，提高公共服務(wù)的覆蓋面和均等化水平，提升城市服務(wù)包容性。

城市生態(tài)綠色可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字孿生城市平臺將實時感知空氣質(zhì)量、溫室氣體排放等情況，輔助城市管理者有效制定生態(tài)保護(hù)政策；城市規(guī)劃者和管理者可以在數(shù)字空間立體化、三維化評估多個城市規(guī)劃方案，優(yōu)化城市生態(tài)布局。同時，數(shù)字孿生將推動能源設(shè)施精細(xì)化運維、數(shù)字化能源管理、碳軌跡追蹤、碳中和路徑推演，降低城市能源成本，助力城市實現(xiàn)碳中和。

2 數(shù)字孿生城市的要素框架

2.1 數(shù)字孿生城市要素架構(gòu)

基于數(shù)字孿生城市建設(shè)實際，研究認(rèn)為，數(shù)字孿生城市建設(shè)涵蓋九大要素，構(gòu)成“4+5”的要素框架(見圖3)。四大內(nèi)部要素分別是基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、平臺能力和應(yīng)用場景，內(nèi)部要素為數(shù)字孿生城市提供內(nèi)生創(chuàng)新動力。五大外部要素分別是戰(zhàn)略與機制、利益相關(guān)方、資金與商業(yè)模式、標(biāo)準(zhǔn)與評估和網(wǎng)絡(luò)安全，外部要素為數(shù)字孿生城市提供發(fā)展環(huán)境和外部支撐(見圖4)。

圖3 數(shù)字孿生城市要素框架

圖4 數(shù)字孿生城市要素視圖

2.2 數(shù)字孿生城市內(nèi)部核心要素

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施

“感—聯(lián)—算—融”基礎(chǔ)設(shè)施體系構(gòu)成數(shù)字孿生城市的數(shù)字底座。“感”是指各類物聯(lián)感知設(shè)施和城市級物聯(lián)網(wǎng)平臺，感知設(shè)施是洞察城市運行狀況的觸手，也為城市部件遠(yuǎn)程控制提供了入口。“聯(lián)”是指5G網(wǎng)絡(luò)、窄帶泛在感知網(wǎng)、全光網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，為萬物互聯(lián)提供高速數(shù)據(jù)通道。“算”包含數(shù)據(jù)存儲設(shè)施和數(shù)據(jù)計算設(shè)施，其中多級數(shù)據(jù)存儲中心、云數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)存儲設(shè)施滿足全域全量數(shù)據(jù)存儲的需要；高性能計算、人工智能計算、分布式計算、邊緣計算等算力設(shè)施，為數(shù)字孿生城市提供高效可靠的算力保障。“融”是指數(shù)字孿生城市模型、智慧桿柱、車聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等融合基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)施智能化改造，為數(shù)字孿生城市多場景應(yīng)用提供支撐。

2.2.2 數(shù)據(jù)資源

全時全量的數(shù)據(jù)資源是城市數(shù)字孿生體的關(guān)鍵構(gòu)成。一方面，數(shù)據(jù)采集設(shè)備和能力持續(xù)升級，目前通過傾斜攝影、激光掃描自動獲取地理數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)自動提取三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效率、自動化搭建城市數(shù)字孿生模型，逐步實現(xiàn)全息測繪。另一方面，豐富的數(shù)據(jù)資源將支撐復(fù)雜場景決策，數(shù)字孿生城市匯聚了GIS、BIM、傾斜攝影、激光點云等時空數(shù)據(jù)，城市各類物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，建筑物、橋梁、道路、市政等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，形成支撐城市管理與服務(wù)的時空知識圖譜。

2.2.3 平臺能力

統(tǒng)一集成的城市級平臺是數(shù)字孿生城市的能力載體。城市級平臺是數(shù)字孿生城市承上啟下的核心樞紐，平臺向下連接感知設(shè)施、算力設(shè)施等各類基礎(chǔ)設(shè)施，匯聚城市靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)資源；平臺向上為各類應(yīng)用開發(fā)提供了集約建設(shè)、能力共享的開發(fā)平臺，將幫助政府部門和企業(yè)降低孿生應(yīng)用的開發(fā)成本和開發(fā)周期，最大化實現(xiàn)底座平臺的復(fù)用能力和數(shù)據(jù)共享，同時，平臺提供了感知操控、全要素數(shù)字化表達(dá)、可視化呈現(xiàn)、時空計算、數(shù)據(jù)融合、推演仿真、自學(xué)習(xí)自優(yōu)化、虛實互動、眾創(chuàng)拓展等九大能力，為各類孿生應(yīng)用開發(fā)運行和迭代升級提供能力支持。

2.2.4 應(yīng)用場景

應(yīng)用場景是數(shù)字孿生城市的創(chuàng)新熱點和價值體現(xiàn)。研究認(rèn)為，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)將在“高難度”“高危險”“高價值”三大類場景中發(fā)揮價值。一是“高難度”場景，如燃?xì)夤芫W(wǎng)管理、地下水保護(hù)等人力難及、不易觀測的地下空間場景，發(fā)揮數(shù)字孿生物聯(lián)感知操控、三維可視化呈現(xiàn)的能力優(yōu)勢，將實現(xiàn)對地下空間的感知監(jiān)測、動態(tài)預(yù)警和智能控制。二是“高危險”場景，如地陷、爆炸、火災(zāi)、內(nèi)澇等災(zāi)害應(yīng)急預(yù)演場景，發(fā)揮數(shù)字孿生模擬仿真推演能力優(yōu)勢，在數(shù)字空間實現(xiàn)低成本、數(shù)字化的應(yīng)急預(yù)案演練、人群疏導(dǎo)演練、救援場景模擬，強化城市應(yīng)急救援和安全保障能力。三是“高價值”場景，如城市布局規(guī)劃、區(qū)域碳中和推演、城市更新成本分析、產(chǎn)業(yè)項目選址分析等場景，將為城市建設(shè)、項目決策提供高價值的參考意見，通過發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)全要素數(shù)字化表達(dá)、可視化呈現(xiàn)能力，可以實現(xiàn)多種方案在數(shù)字空間的對比和選擇，助力城市項目建設(shè)降低成本、提高效能。

從中外企業(yè)提供的案例來看，數(shù)字孿生城市每個案例中會涉及多個領(lǐng)域的應(yīng)用(見圖5)，當(dāng)前建設(shè)案例中涉及公共服務(wù)或管理、社區(qū)發(fā)展、智能建筑的應(yīng)用占比位列前三，分別達(dá)到55.6%、44.4%和40.7%。國內(nèi)數(shù)字孿生城市案例中交通、社區(qū)類占比較高，54%的案例與智慧交通有關(guān)，31%的案例涉及智慧社區(qū)。國外案例中環(huán)保、減碳類案例占比較高，達(dá)到40%，如美國紐約、日本柏之葉等城市紛紛運用數(shù)字孿生技術(shù)，助力城市節(jié)能降碳。

圖5 數(shù)字孿生城市案例中應(yīng)用占比情況

2.3 數(shù)字孿生城市外部支撐要素

2.3.1 戰(zhàn)略與機制

逐步完善的戰(zhàn)略與機制為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了良好政策環(huán)境。戰(zhàn)略與機制既包含國家、區(qū)域、城市等不同層級的數(shù)字孿生相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃、實施方案、行動計劃，也包含明確數(shù)字孿生管理機構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)小組方案、專班方案等，還包括促進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用的試點清單、項目遴選、獎補政策等。當(dāng)前，數(shù)字孿生逐步納入國家戰(zhàn)略體系，政策環(huán)境不斷優(yōu)化，截至2021年年底，中國、德國、美國、英國、新加坡等全球主要經(jīng)濟體均出臺數(shù)字孿生相關(guān)國家級政策。

2.3.2 利益相關(guān)方

利益相關(guān)方是數(shù)字孿生城市生態(tài)的重要構(gòu)成，涵蓋設(shè)計者、建設(shè)者、實施者、使用者等眾多主體。數(shù)字孿生城市建設(shè)周期長、技術(shù)相對復(fù)雜、參與主體眾多，數(shù)字孿生城市落地建成的關(guān)鍵在于多相關(guān)利益方之間高效、可行的協(xié)同機制。

當(dāng)前，數(shù)字孿生城市的協(xié)同機制呈現(xiàn)三大發(fā)展態(tài)勢。一是跨界融合成為企業(yè)合作的主要模式，如中國超圖與騰訊強強聯(lián)合，加速地理信息技術(shù)供應(yīng)商與互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)商的結(jié)合，推動“數(shù)字生態(tài)底盤”發(fā)展落地；51WORLD發(fā)揮建模渲染技術(shù)優(yōu)勢，與三大運營商、商湯科技等合作伙伴，在園區(qū)、港口、交通、水務(wù)等領(lǐng)域形成標(biāo)桿案例。二是政企合作機制仍需探索，在供給側(cè)，政府和企業(yè)間仍需加強信任機制，推動更多領(lǐng)域的場景數(shù)據(jù)開放、數(shù)據(jù)授權(quán)運營，激活數(shù)據(jù)價值；倡導(dǎo)企業(yè)建立數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟或共同體，鼓勵供應(yīng)商在各自優(yōu)勢領(lǐng)域承建相應(yīng)系統(tǒng)或項目。三是市民參與機制仍需優(yōu)化，在需求側(cè)，目前鼓勵和授權(quán)市民參與程度仍然不足，未來應(yīng)倡導(dǎo)數(shù)字孿生城市項目設(shè)立市民參與模塊或系統(tǒng)，促使項目建設(shè)更加以人為本、更加普惠包容。

2.3.3 資金與商業(yè)模式

資金與商業(yè)模式是數(shù)字孿生城市提升運營成效、優(yōu)化資源配置的關(guān)鍵手段。目前數(shù)字孿生城市的主要資金來源仍是政府采購。從申報案例來看，66.7%的項目由政府投資建設(shè)，主要運營模式為政企合作模式，即政府投資、提供公用基礎(chǔ)設(shè)施，企業(yè)進(jìn)行虛擬城市構(gòu)建，建成后政府以此來進(jìn)行預(yù)判和決策，服務(wù)于地區(qū)百姓；33.3%為企業(yè)投資或企業(yè)與政府共建(見圖6)。

圖6 數(shù)字孿生城市申報案例中資金來源比重

當(dāng)前數(shù)字孿生城市項目資金與商業(yè)模式逐步探索，呈現(xiàn)兩大態(tài)勢。第一，多元投融資模式逐步形成，中國深圳、成都、沈陽等多地充分發(fā)揮政府資金對金融資本和社會資本的引導(dǎo)帶動作用，通過發(fā)布城市機會清單、項目后補助等方式，鼓勵企業(yè)投資數(shù)字孿生城市建設(shè)，第二，數(shù)字孿生城市商業(yè)化模式不斷拓展，一是數(shù)據(jù)運營，以數(shù)字孿生模型為中心，通過云服務(wù)、軟件即服務(wù)(Software as a Service，SaaS)等方式，為地產(chǎn)商、園區(qū)管理方等企業(yè)提供可用于二次開發(fā)的三維模型。二是技術(shù)賦能，開放數(shù)字孿生城市平臺部分功能，為各行業(yè)廠商、研究機構(gòu)提供數(shù)字化試驗平臺，為模擬仿真提供便利。三是生態(tài)開發(fā)，數(shù)字孿生城市平臺可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、7×24 h接入，為政企民提供多方協(xié)作平臺，以及持續(xù)挖掘人機互動、增強現(xiàn)實等增值服務(wù)。

2.3.4 標(biāo)準(zhǔn)與評估

當(dāng)前數(shù)字孿生城市標(biāo)準(zhǔn)加快推進(jìn)，評估體系仍需健全。ISO、IEC和IEEE等國際組織均開展數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作，國內(nèi)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作正式起步。從國際看，2020年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)委員會(ISO/IEC JTC 1)正式成立數(shù)字孿生工作組(SC 41/WG 6)，統(tǒng)籌推進(jìn)數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)化工作(見表2)。從國內(nèi)看，全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用工作委員會等機構(gòu)，結(jié)合自身業(yè)務(wù)特征和數(shù)字孿生的應(yīng)用，紛紛提出了數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作目標(biāo)。但當(dāng)前數(shù)字孿生城市項目評價標(biāo)準(zhǔn)和評估方法尚不統(tǒng)一，評估體系仍需建立。在需求側(cè)，各項目驗收、測試、試運行、運營的評價標(biāo)準(zhǔn)均不統(tǒng)一，用戶判斷項目完成度和建設(shè)效果面臨一定風(fēng)險和困難。在供給側(cè)，產(chǎn)業(yè)界尚未提出從城市、園區(qū)整體出發(fā)，涵蓋戰(zhàn)略、技術(shù)、人才、數(shù)據(jù)、設(shè)施等多維度的數(shù)字孿生城市評價共性模型，未來仍需建立數(shù)字孿生城市統(tǒng)一的評價體系和評估方法。

表2 數(shù)字孿生相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

2.3.5 網(wǎng)絡(luò)安全

數(shù)字孿生城市建設(shè)覆蓋云、網(wǎng)、端整個技術(shù)生態(tài)體系，用戶規(guī)模、傳輸速度、處理速度都會達(dá)到前所未有的高度，網(wǎng)絡(luò)安全的重要性更加突出。在技術(shù)應(yīng)用方面，數(shù)字孿生融合應(yīng)用多項前沿技術(shù)，部分技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，面臨一定的安全風(fēng)險；數(shù)字孿生需要使用的建模仿真、渲染引擎等部分軟件仍依賴進(jìn)口，技術(shù)自主可控和數(shù)據(jù)安全面臨挑戰(zhàn)；同時，數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)的開放性與可控性的平衡、經(jīng)濟性與安全性之間的平衡，也會帶來安全挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)匯聚方面，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)點多面廣、集中程度高，數(shù)據(jù)安全保護(hù)、個人隱私保護(hù)面臨挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生城市建設(shè)要堅持安全與發(fā)展并重，將數(shù)據(jù)安全理念貫穿到規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營和服務(wù)的各個環(huán)節(jié)[8]。

3 數(shù)字孿生城市面臨的挑戰(zhàn)

3.1 科學(xué)認(rèn)識與價值認(rèn)知的挑戰(zhàn)

產(chǎn)業(yè)和社會對數(shù)字孿生城市理性認(rèn)識不足，導(dǎo)致技術(shù)與業(yè)務(wù)脫節(jié)。數(shù)字孿生城市仍處于探索階段，其技術(shù)框架、技術(shù)路徑、理論體系仍處于發(fā)展演進(jìn)之中。

一方面，部分城市過度注重精細(xì)化建模、可視化效果，卻忽視了對業(yè)務(wù)賦能價值更高、數(shù)字孿生優(yōu)勢更突出的仿真推演、模型優(yōu)化、挖掘分析、輔助決策等實用價值[9]；另一方面，缺乏對核心業(yè)務(wù)的調(diào)研分析，導(dǎo)致數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用與應(yīng)急響應(yīng)、輔助決策等實際業(yè)務(wù)脫節(jié)，造成“好看不好用，建成即閑置”。

3.2 數(shù)據(jù)治理與隱私安全的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)規(guī)?？涨霸黾?，導(dǎo)致數(shù)據(jù)安全和隱私泄露風(fēng)險增加。一方面，數(shù)字孿生城市涵蓋空間地理、物聯(lián)感知、城市運行等多維度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯聚程度和處理頻次顯著提升，但數(shù)據(jù)分類分級管理、數(shù)據(jù)權(quán)限管控、數(shù)據(jù)最小范圍采集等環(huán)節(jié)，政府和產(chǎn)業(yè)界仍然缺乏實操性、路徑性、細(xì)節(jié)性的政策規(guī)范和操作指南，導(dǎo)致非法采集、越權(quán)使用、數(shù)據(jù)泄露等風(fēng)險增加。另一方面，城市視頻、軌跡等部分?jǐn)?shù)據(jù)涉及公民個人信息，隱私保護(hù)難度和風(fēng)險持續(xù)增加。

3.3 要素支撐與商業(yè)可持續(xù)性挑戰(zhàn)

復(fù)合型人才隊伍和長效運營商業(yè)模式亟需建立。一方面，數(shù)字孿生城市建設(shè)仍需要多元化、復(fù)合型人才隊伍，當(dāng)前數(shù)字孿生城市建設(shè)人員主要為在軟件開發(fā)、建模渲染、地理測繪等專業(yè)人員，城市規(guī)劃、模型算法、業(yè)務(wù)分析、商業(yè)運營等領(lǐng)域人員參與不足，復(fù)合型人才缺口較大。另一方面，當(dāng)前66.7%的數(shù)字孿生城市項目依靠政府投資，社會資本作用尚未充分發(fā)揮。同時，數(shù)字孿生城市項目的商業(yè)模式尚不清晰，亟需探索通過內(nèi)容付費、云服務(wù)等方式，推動數(shù)字孿生數(shù)據(jù)資產(chǎn)增值、平臺運營增值、孿生服務(wù)增值，形成數(shù)字孿生城市項目可獨立運營、可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式。

4 數(shù)字孿生城市發(fā)展的建議

4.1 政府側(cè)發(fā)展數(shù)字孿生城市的建議

4.1.1 明確數(shù)字孿生城市統(tǒng)籌推進(jìn)機制

地方政府要明確數(shù)字孿生城市統(tǒng)籌管理機制和政企民協(xié)同推進(jìn)機制。地方政府通過組建數(shù)字孿生城市領(lǐng)導(dǎo)小組、工作專班、創(chuàng)新坊等形式，明確數(shù)字孿生城市的管理機構(gòu)。構(gòu)建聯(lián)席會議、項目聯(lián)合審批、重點項目推進(jìn)等工作機制，解決政府部門間溝通不暢、數(shù)據(jù)壁壘、協(xié)同不足等問題，形成數(shù)字孿生城市建設(shè)合力。通過成立城市智能運營管理中心(Intelligent Operations Center，IOC)等平臺和機構(gòu)，有效連接散落在城市各部門間的數(shù)據(jù)資源和技術(shù)資源，實現(xiàn)對外專職管理，對內(nèi)橫向協(xié)調(diào)。同時，鼓勵政企民共同參與數(shù)字孿生城市建設(shè)，通過發(fā)布城市機會清單、揭榜掛帥、優(yōu)秀項目補貼等機制，激發(fā)企業(yè)投資建設(shè)數(shù)字孿生城市項目的積極性。通過政府網(wǎng)站、小程序、市民問卷等形式，開放公民參與渠道。

4.1.2 打造以人為本的數(shù)字孿生場景

率先建設(shè)一批以人為本的數(shù)字孿生標(biāo)桿場景。堅持應(yīng)用導(dǎo)向，鼓勵政府部門率先建設(shè)一批具有使用價值、解決現(xiàn)實需求的數(shù)字孿生場景，例如高難度的地下空間治理場景(如燃?xì)夤芫W(wǎng)、地下水等場景)、高危險的災(zāi)害預(yù)演場景(如爆炸、內(nèi)澇等場景)、高復(fù)雜的城市管理場景(如車流、人流、交通流多重信息流交織的城市交通管理等場景)、高價值的仿真試驗場景(如碳中和推演、項目選址分析等場景)。組織開展數(shù)字孿生優(yōu)秀案例選拔和示范推廣活動，在城市規(guī)建管、交通運輸、應(yīng)急救援等領(lǐng)域培育一批數(shù)字孿生優(yōu)秀解決方案和創(chuàng)新產(chǎn)品。

4.1.3 加強數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)安全保障

探索建立數(shù)據(jù)分類分級管理規(guī)范，加強數(shù)據(jù)安全和個人隱私保護(hù)。面對全域全時的孿生數(shù)據(jù)資源體系，政府應(yīng)圍繞數(shù)據(jù)分類分級管理、公共數(shù)據(jù)安全等領(lǐng)域，先行先試出臺細(xì)化政策，并結(jié)合數(shù)據(jù)授權(quán)運營、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理等新態(tài)勢逐步迭代完善法律法規(guī)。同時，明確數(shù)據(jù)“最小范圍”采集的原則、落實數(shù)據(jù)采集應(yīng)“告知—同意”的原則，在采集、匯聚、共享、處理、分析全周期中保障數(shù)據(jù)安全和個人隱私。

4.1.4 注重復(fù)合式人才協(xié)同創(chuàng)新

加強跨學(xué)科、復(fù)合型、多梯次人才協(xié)同創(chuàng)新。在現(xiàn)有數(shù)字孿生城市項目實施團隊基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生城市要素框架，吸引城市規(guī)劃、地理信息、建模仿真、可視化呈現(xiàn)、商業(yè)運營等多領(lǐng)域人才等共同參與數(shù)字孿生城市建設(shè)。通過定期舉辦數(shù)字孿生城市研討、沙龍和培訓(xùn)，挖掘分析城市發(fā)展內(nèi)在規(guī)律，宣傳和推廣數(shù)字孿生城市理念和行業(yè)實踐，幫助城市管理者提高決策效率和建設(shè)成效。同時，要注重提升市民和普通民眾的數(shù)字素養(yǎng)，吸引公眾參與數(shù)字孿生城市共建共享。

4.2 產(chǎn)業(yè)側(cè)發(fā)展數(shù)字孿生城市的建議

4.2.1 降低技術(shù)門檻

降低孿生場景開發(fā)門檻，鼓勵多元主體豐富數(shù)字孿生城市服務(wù)供給。目前三維建模和可視化呈現(xiàn)對于非GIS、BIM領(lǐng)域從業(yè)者而言，存在一定門檻。通過政府側(cè)搭建數(shù)字孿生公共服務(wù)平臺，產(chǎn)業(yè)側(cè)建立數(shù)字孿生開源軟件推進(jìn)聯(lián)盟，積極推廣低代碼、零代碼等方式，發(fā)展面向無開發(fā)經(jīng)驗的SaaS微應(yīng)用，如提供在線的原型繪制、模型定制服務(wù)等，幫助城市管理者、運營人員、產(chǎn)品經(jīng)理以及市民等共同豐富數(shù)字孿生城市場景，改善已有業(yè)務(wù)流程。

4.2.2 長板組合創(chuàng)新

塑造企業(yè)長板優(yōu)勢，構(gòu)建組合式創(chuàng)新模式。數(shù)字孿生城市涉及眾多領(lǐng)域，無法由少數(shù)幾家企業(yè)“通吃”。各行業(yè)企業(yè)應(yīng)根據(jù)數(shù)字孿生涉及的重點技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方向，如物聯(lián)感知、全要素建模、可視化呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合、仿真推演、虛實融合互動、深度學(xué)習(xí)等，培育企業(yè)自身長板優(yōu)勢。同時，產(chǎn)業(yè)界要加速組合式創(chuàng)新，建立開放互聯(lián)的增量商業(yè)模式，破除行業(yè)存量競爭、零和博弈的思維，構(gòu)建數(shù)字孿生城市繁榮產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

4.2.3 提煉產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，加強與國際標(biāo)準(zhǔn)銜接。充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化在數(shù)字孿生城市中的基礎(chǔ)性、引領(lǐng)性作用，從數(shù)字孿生城市先進(jìn)實踐中提煉共性要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，加快數(shù)字孿生城市技術(shù)要求、孿生體統(tǒng)一表達(dá)、編碼體系、成熟度等標(biāo)準(zhǔn)編制。加強國際標(biāo)準(zhǔn)對接，促進(jìn)數(shù)字孿生框架統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)互通和標(biāo)準(zhǔn)共建。

4.2.4 創(chuàng)新商業(yè)模式

積極拓展數(shù)字孿生企業(yè)端、消費者端市場，構(gòu)建長效運營模式。一方面，探索數(shù)字孿生平臺運營模式，積極發(fā)展數(shù)字孿生城市平臺云服務(wù)、SaaS服務(wù)和定制化服務(wù)，面向政企客戶提供數(shù)字孿生開發(fā)環(huán)境、脫敏合規(guī)的數(shù)字孿生模型、三維素材、示例文件等服務(wù)內(nèi)容，推動平臺運營增值。另一方面，探索數(shù)字孿生數(shù)據(jù)資產(chǎn)增值應(yīng)用，對于政府部門統(tǒng)籌管理的數(shù)字孿生模型，開展基于數(shù)據(jù)授權(quán)運營的開放利用，面向交通、城管、生態(tài)等部門授權(quán)開放，合規(guī)開發(fā)行業(yè)應(yīng)用。對于企業(yè)或個人開發(fā)的三維模型，支持相關(guān)單位或企業(yè)建立數(shù)字孿生模型行業(yè)聯(lián)盟與共享資源池，匯聚安全合規(guī)的三維模型，通過免費使用、付費使用、會員制度、三維模型定制開發(fā)等多種方式，促進(jìn)數(shù)字孿生模型研發(fā)交流，推動形成長效運營、數(shù)據(jù)增值的商業(yè)模式。

5 結(jié)束語

數(shù)字孿生城市已經(jīng)成為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型、重塑城市核心競爭力的戰(zhàn)略選擇。本文進(jìn)一步明確了數(shù)字孿生城市的概念內(nèi)涵、技術(shù)特征和發(fā)展愿景，分析了數(shù)字孿生城市建設(shè)的九大要素，提出了“4+5”數(shù)字孿生城市框架，并提出了政府側(cè)和產(chǎn)業(yè)側(cè)兩組數(shù)字孿生城市的發(fā)展建議，為供需兩側(cè)推動數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了參考。未來，產(chǎn)學(xué)界仍需加強數(shù)字孿生城市評估評價、運營模式和商業(yè)模式研究，推動數(shù)字孿生城市有序升級、長效運營、可持續(xù)發(fā)展。