提效與賦能：數(shù)字孿生技術(shù)助推智慧城市現(xiàn)代化的雙維邏輯

陳建平

（福建農(nóng)林大學 公共管理與法學院，福建 福州 350002）

一、引言

數(shù)字孿生技術(shù)的名詞，源于英文術(shù)語Digital Twin，簡稱DT。具體而言，數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段[1]。該技術(shù)在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡言之，數(shù)字孿生就是在虛擬平臺創(chuàng)建一個具體事物的虛擬“孿生體”，并且讓“孿生體”與實體保持相對一致，雙向“運動”起來。數(shù)字孿生技術(shù)作為一項新型的信息技術(shù)，美國知名分析機構(gòu)Gartner Group連續(xù)3年將其列入十大戰(zhàn)略技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療、電力、航空、軍事、城建等領域都得到了廣泛的關注。2017年12月8日，中共中央政治局就實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略進行第二次集體學習。習近平總書記強調(diào)指出，大數(shù)據(jù)發(fā)展日新月異，我們應該審時度勢、精心謀劃、超前布局、力爭主動，深入了解大數(shù)據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢及其對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響，分析我國大數(shù)據(jù)發(fā)展取得的成績和存在的問題，推動實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，加快完善數(shù)字基礎設施，推進數(shù)據(jù)資源整合和開放共享，保障數(shù)據(jù)安全，加快建設數(shù)字中國，更好服務我國經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活改善[2]。這為數(shù)字化技術(shù)提高城市治理現(xiàn)代化水平，推進城市高質(zhì)量發(fā)展提供了遵循和指導。由此可見，數(shù)字孿生雖然是一門新興的技術(shù)，但在海內(nèi)外都受到了高度重視。

近年，數(shù)字孿生技術(shù)方興未艾，其在推進城市治理現(xiàn)代化建設上的運用尤為引人注目。澳大利亞新南威爾士州政府已啟動了悉尼西部地區(qū)建筑和自然環(huán)境的虛擬4D 模型，其中包含建筑物、地層平面圖、地形、物業(yè)邊界和公用事業(yè)（電力、自來水和下水道）等。數(shù)據(jù)4D 模型是帶有時間元素的3D描繪，因此用戶可以根據(jù)歷史或未來場景使用模型。該模型就是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市建設中的生動體現(xiàn)。通過對4D模型的運用，政府可以對當下的交通擁堵、水土流失、山火防范等問題作出更為明智的決策。在對未來城市的規(guī)劃中，也有利于謀定而后動，進行更科學的決策考量。

隨著通信網(wǎng)絡和智能設備的進一步覆蓋（見圖1），我國在智慧城市的建設中也廣泛引入了數(shù)字孿生技術(shù)，且已經(jīng)在全球范圍內(nèi)占據(jù)主導地位。其中，最顯著的應用就是雄安新區(qū)和粵港澳大灣區(qū)的建設。早在2018年12月25日，國務院發(fā)布的《關于河北雄安新區(qū)總體規(guī)劃（2018—2035 年）的批復》中，就特別強調(diào)把雄安新區(qū)打造為數(shù)字智能之城，建立全城市智能民生服務系統(tǒng)，打造具有深度學習能力、全球領先水平的數(shù)字智能城市。而雄安新區(qū)在城市建設的全生命周期內(nèi)，正是遵循了虛擬數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設、適度超前布局的原則。在規(guī)模更為宏大的粵港澳大灣區(qū)建設中，數(shù)字孿生技術(shù)同樣也被廣泛應用于城市規(guī)劃和城市整合中，對促進大灣區(qū)經(jīng)濟繁榮、提高大灣區(qū)協(xié)同治理能力、強化“一國兩制”基本國策之優(yōu)勢等發(fā)揮了獨特的作用。

圖1 2013—2022年中國互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入端口數(shù)量統(tǒng)計（億個）

二、已有研究回顧及問題提出

由于數(shù)字孿生技術(shù)正處于起步階段，現(xiàn)有的相關研究主要從技術(shù)本身出發(fā)，包括數(shù)字孿生技術(shù)的標準體系、視覺傳達、成熟度等內(nèi)容，很少涉及社會科學方面的應用闡釋，與城市治理相結(jié)合的研究成果就更少了。在少量與社會科學相結(jié)合的研究成果中，向玉瓊和謝新水對數(shù)字孿生城市治理的困境進行了剖析，提出了加強頂層設計、打造開放平臺、確立人民導向、協(xié)調(diào)人機關系的對策[3]。徐輝對國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展狀況進行了比較分析，提出了量力而行推動數(shù)字基礎設施建設，大力推進城市級數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系建設，積極推動新型業(yè)務場景落地等建議[4]。趙艷玲和張懷平具體結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)在城市綜合管廊中的應用，把數(shù)字孿生技術(shù)歸結(jié)為七個方面，闡述了其對城市綜合管廊建設與維護的重大價值[5]。梁興輝和張旭冉對數(shù)字孿生技術(shù)的參與主體進行了系統(tǒng)闡述，提出了多方協(xié)同共建的治理模式，同時也強調(diào)頂層設計在數(shù)字孿生技術(shù)應用中的關鍵作用[6]。

綜上所述，數(shù)字孿生作為一門多學科交叉、多主體共建、多功能應用的新技術(shù)，在城市治理現(xiàn)代化中蘊含著巨大的潛力。不過，已有的研究更多地聚焦于數(shù)字孿生技術(shù)本身的開發(fā)、數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展的困境等問題，對數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮作用的邏輯路徑關注較少，導致人們對其作用形式知之甚少，拉大了數(shù)字孿生技術(shù)與“尋常百姓”的距離感。因此，從“提效-賦能”的雙維邏輯路徑出發(fā)，探討數(shù)字孿生技術(shù)對城市治理現(xiàn)代化的作用形式和運行機理，同時結(jié)合單個場景與全場景的實踐案例分析，深化對數(shù)字孿生技術(shù)的社會科學詮釋，給出數(shù)字孿生技術(shù)在推進高質(zhì)量發(fā)展的時代背景下，不斷助推城市治理現(xiàn)代化的政策建議，使數(shù)字孿生技術(shù)真正“飛入尋常百姓家”，從而讓廣大人民群眾更好地感知和理解，這正是本研究的重心。

三、提效與賦能：數(shù)字孿生技術(shù)助推城市治理現(xiàn)代化的雙維邏輯分析框架

（一）城市治理現(xiàn)代化與數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)在邏輯關聯(lián)

所謂城市治理現(xiàn)代化，主要包括城市定位現(xiàn)代化、城市規(guī)劃現(xiàn)代化、城市建設現(xiàn)代化、城市生活現(xiàn)代化、城市安全現(xiàn)代化（韌性城市）、城市發(fā)展現(xiàn)代化（可持續(xù)發(fā)展城市）六個維度。一個具備吸引力的城市，其戰(zhàn)略定位一定是清晰的，城市管理者會根據(jù)其區(qū)位優(yōu)勢、主導產(chǎn)業(yè)、歷史文化等因素綜合考慮城市的戰(zhàn)略定位，將一種或幾種功能作為該城市在城市群或全國范圍內(nèi)的主導功能。在戰(zhàn)略定位得以明晰后，城市管理者對城市具體的領域進行規(guī)劃設計，在敲定最終規(guī)劃方案后進行城市建設，其主要目的是在有限的資源條件下進行合理配置與開發(fā)，使城市居民獲得更好的人居體驗。城市居民的生活是城市建設者一切問題的出發(fā)點與落腳點。良好舒適的城市生活環(huán)境包括物質(zhì)環(huán)境和精神環(huán)境，其中精神環(huán)境的基礎是安全感，只有建設完備的安全設施、制定周密的安全政策，才能提高城市居民的總體安全感，保障城市經(jīng)濟生活、政治生活、精神生活等全部社會生活的高效可持續(xù)運轉(zhuǎn)。

由上述可知，城市治理現(xiàn)代化本身就是一個龐大復雜的體系。其中，城市定位是基礎和方向，指導城市規(guī)劃和城市建設；城市建設是核心也是過程，塑造城市生活和城市安全，這也是城市治理的目標。作為城市治理的永恒課題，城市發(fā)展則貫穿于每個維度的始終。這六個維度，又可以繼續(xù)細分為不同領域，從而形成更為明晰的治理體系（見表1）。

表1 城市治理現(xiàn)代化的六個維度和主要衡量內(nèi)容

數(shù)字孿生技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，在治理理念、治理模式、治理手段上都深刻地改變了城市治理主體的觀念，提升了治理主體的治理能力，賦予了其實時洞察能力，幫助城市治理主體借助虛擬空間的“孿生體”，對現(xiàn)實城市的定位、規(guī)劃、建設、生活、安全、發(fā)展進行實時監(jiān)控、準時反饋、按時匯總、及時修正。它最大的優(yōu)勢是給予了治理主體一定的試錯空間、降低了決策成本。因為虛擬空間的決策是對現(xiàn)實世界發(fā)展趨勢的高可信度模擬預測，即使得出了決策失敗的結(jié)果，也不會真正影響現(xiàn)實世界的發(fā)展，所以數(shù)字孿生技術(shù)脫胎于現(xiàn)實而又高于現(xiàn)實，是智慧城市建設的關鍵技術(shù)[7]。在該技術(shù)的加持下，治理主體可以憑借高效準確的決策積少成多、積微成著，使城市在定位、規(guī)劃、建設、生活、安全、發(fā)展六個維度上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，從而卓有成效地推進城市治理現(xiàn)代化建設。而城市治理現(xiàn)代化水平的提升，又會不斷地吸引人才、資金、技術(shù)的匯集，幫助城市進一步穩(wěn)固發(fā)展成果，鞏固發(fā)展地位，不斷推進城市治理現(xiàn)代化向縱深發(fā)展。

（二）提效與賦能：數(shù)字孿生技術(shù)助推城市治理現(xiàn)代化的邏輯建構(gòu)

毋庸置疑，數(shù)字孿生技術(shù)對于城市治理現(xiàn)代化具有深刻的現(xiàn)實價值和歷史意義，但是由于城市治理現(xiàn)代化體系的紛繁復雜，以及數(shù)字孿生技術(shù)本身的博大精深，其背后的邏輯往往使人感到望而卻步、難以把握，大多數(shù)人對其作用都是知其然，而不知其所以然，不完全理解數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮作用的邏輯路徑。結(jié)合已有學者的研究成果，吸收其中的理論營養(yǎng)和實踐啟發(fā)，筆者完成了數(shù)字孿生技術(shù)助推城市治理現(xiàn)代化的邏輯建構(gòu)圖（見圖2）。該圖形力求化繁為簡、去粗取精，從理論抽象的高度剖析數(shù)字孿生技術(shù)與城市治理現(xiàn)代化之間存在的內(nèi)在邏輯，將最本質(zhì)的關聯(lián)內(nèi)容呈現(xiàn)出來，為此描繪了一幅清晰、簡潔、明了的邏輯路徑圖。

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)助推城市治理現(xiàn)代化的邏輯建構(gòu)圖

在圖2 的邏輯建構(gòu)中，城市治理主體從數(shù)字孿生技術(shù)本身出發(fā)，通過對數(shù)字孿生技術(shù)的理解與應用，提高了其數(shù)據(jù)測量準確效率、信息回收利用效率、風險預防評估效率，相應也增強了資源協(xié)調(diào)能力、政府決策能力、風險防范能力。三種效率和三種能力之間相互影響、相互作用、相互促進，形成了強大的合力，推動了城市治理現(xiàn)代化的進程，使得城市定位更加準確，主導功能突出；城市規(guī)劃更加合理，開發(fā)思路明晰；城市建設更加完備，基礎設施健全；城市生活更加幸福，人居環(huán)境優(yōu)美；城市安全更加穩(wěn)定，突發(fā)風險相對可控；城市發(fā)展更加永續(xù)，社會治理更加有序且充滿活力。如此一來，數(shù)字孿生技術(shù)與城市治理現(xiàn)代化之間的認知“迷霧”隨之消散，其生機勃勃的理論—實踐互促共進格局在城市治理場域中得以呈現(xiàn)。

（三）數(shù)字孿生技術(shù)的提效功能

提效即提升效率，效率指人或機器在單位時間內(nèi)完成的工作量大小。在城市治理中，效率表現(xiàn)為城市治理主體在一定時間內(nèi)運用城市資源，創(chuàng)造城市物質(zhì)和精神財富，滿足城市居民幸福感的程度。數(shù)字孿生技術(shù)的功能，首先表現(xiàn)為提效，且主要劃分為數(shù)據(jù)測量準確效率、信息回收利用效率、風險預防評估效率三個方面。上述效率得以提升后，城市治理的整體效能和水平也會相應提升，其創(chuàng)造的物質(zhì)和精神財富也會顯著增加。

1.提高數(shù)據(jù)測量準確效率

數(shù)據(jù)測量準確效率是數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)于以往單一數(shù)據(jù)收集技術(shù)的核心優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)相比，數(shù)字孿生系統(tǒng)的傳感器數(shù)量已經(jīng)實現(xiàn)了指數(shù)級增長，有利于使用者構(gòu)建一個全方位、多時段、高精度的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。

首先，數(shù)字孿生技術(shù)所使用的數(shù)據(jù)收集媒介形式多樣、技術(shù)多元，主要包括傳感器、無人機、流動裝置等設備，通過移動熱點、藍牙、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)收集現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)。多種數(shù)據(jù)收集設備的參與提高了數(shù)據(jù)精度，減少了測量誤差。例如，在城市規(guī)劃中，數(shù)字孿生技術(shù)可以準確地分析人口流動趨勢，依托地理信息系統(tǒng)形成可視化的人口分布熱力圖，幫助政府了解不同時段的擁堵情況，為城市交通規(guī)劃提供科學可靠的數(shù)據(jù)支撐。并且，數(shù)字孿生技術(shù)形成的虛擬空間孿生體具有動態(tài)運動的特征，在城市生活領域，動態(tài)的人口分布熱力圖亦可以幫助城市居民合理地避開出行高峰期和擁堵地段，提升城市居民的通勤效率，提高城市居民的出行滿意度。

其次，數(shù)字孿生技術(shù)所收集的數(shù)據(jù)具有可追溯性。數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅可以同步現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)，它對于歷史數(shù)據(jù)的保留也不同于以往的系統(tǒng)。具體而言，以往的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)對于歷史數(shù)據(jù)僅僅是進行關鍵片段的保留，其歷史數(shù)據(jù)也難以做到可視化。而數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅可以完整地保留歷史數(shù)據(jù)，做到隨時調(diào)動、隨時取用，而且可以像看電影拉動進度條一樣，讓歷史畫面與現(xiàn)實畫面隨時間順序演進變遷，保留了準確可溯的歷史數(shù)據(jù)。例如，在城市發(fā)展領域，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助調(diào)出精確的植被覆蓋面積歷史數(shù)據(jù)，通過可視化的虛擬孿生體，幫助政府了解植被覆蓋的興衰演替，對生態(tài)保護成效作出合理評估，推動生態(tài)文明建設可持續(xù)發(fā)展。

再次，數(shù)字孿生技術(shù)的測量數(shù)據(jù)可以與不同的應用場景相結(jié)合，形成專門的模型。當前城市中各種高級傳感、量測、通信、控制技術(shù)與裝備的運用創(chuàng)造了海量的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)往往缺少協(xié)調(diào)，未能充分利用[8]。而數(shù)字孿生技術(shù)面對不同的場景，可以選擇不同標準的模型來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)。例如，在城市建設領域的地上基礎設施建設中，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助建設者建立三維虛擬孿生體，從長寬高三個方面的規(guī)定性模擬現(xiàn)實世界，從而更準確地監(jiān)測施工進度、提高工程效率。然而，在流域面積監(jiān)測等二維場景中，數(shù)字孿生技術(shù)只需要建立相應的二維模型即可，這樣有利于系統(tǒng)提取出項目中最關鍵的數(shù)據(jù)，幫助建設者去繁就簡，專注于核心數(shù)據(jù)，從而既節(jié)省了建模成本，又提高了模擬準確度。

總之，數(shù)字孿生技術(shù)提升數(shù)據(jù)測量準確效率集中表現(xiàn)為數(shù)據(jù)收集設備多樣、數(shù)據(jù)可溯性強和數(shù)據(jù)應用場景豐富三個方面。測量數(shù)據(jù)的準確可靠對城市治理多個領域的發(fā)展都具有基礎性作用，可以說，數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)測量準確效率是“提效-賦能”模型中最基礎的因素，是其他一切因素的根本立足點和出發(fā)點。

2.提高信息回收利用效率

數(shù)字孿生技術(shù)的信息回收利用效率是在數(shù)據(jù)測量準確效率的基礎上發(fā)展而來的，其主要包括數(shù)字孿生技術(shù)的信息共享和信息預測兩個方面。

首先，數(shù)字孿生技術(shù)所構(gòu)建的虛擬孿生體是一種開放的公共物品，具有非排他性、非競爭性的特點。用戶可以將自己的數(shù)據(jù)上傳，幫助完善虛擬模型。在孿生體的構(gòu)建中，政府、企業(yè)、專家、市民以及各類社會組織都可以廣泛參與、積極反饋，形成共商、共建、共享的治理格局。例如，在城市定位領域，廣大群眾都可以將自身接觸的文化信息上傳，形成文化集合。待政府部門進行充分的論證分析后，提取出互為交集的優(yōu)勢文化，孵化為城市的主導文化，從而為進一步制定文化戰(zhàn)略、堅定文化自信提供信息支撐。

其次，數(shù)字孿生技術(shù)可以憑借現(xiàn)有的信息，通過大數(shù)據(jù)、機器學習等技術(shù)推測出一些原本無法直接測量的指標。這一預測能力，將極大地提高信息利用效率、降低信息獲取成本、開拓信息挖掘深度。例如，在城市建設領域，施工單位可以通過潤滑油溫度、轉(zhuǎn)子扭矩等一系列機械設備的歷史數(shù)據(jù)，通過機器學習來構(gòu)建不同的故障特征模型，從而可以間接地推斷出機械系統(tǒng)的健康指標，為機械設備的日常維護和故障排除提供巨大的便利。

數(shù)字孿生技術(shù)的高效信息回收利用系統(tǒng)，幫助城市治理克服了信息碎片化問題，將碎片化的信息按照一定的邏輯和方法收集歸檔，構(gòu)建了一個信息高效運轉(zhuǎn)的大環(huán)境。在該環(huán)境中，各類信息相互影響、相互作用，真正地降低了城市治理的成本，提高了城市治理的效益，避免了“信息孤島”的產(chǎn)生。

3.提高風險預防評估效率

風險預防評估效率，是上述兩種提效功能綜合運用的結(jié)果。風險預防評估主要由兩個方面組成，其一是預報，即在危機發(fā)生之前，能夠?qū)ξC發(fā)生的時間、地點、程度等關鍵信息作出準確的預報。其二是評估，即在危機發(fā)生時及危機發(fā)生后，能夠?qū)ξC進行動態(tài)精準監(jiān)控，對其破壞力作出科學評估。

首先，數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的虛擬孿生體，可以總結(jié)歷史經(jīng)驗、聚焦現(xiàn)實變遷，以可視化的形式反映出現(xiàn)實世界的具體變化，對危機進行準確地預報。例如，在城市安全領域的防洪工程方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以對流域的水情、沙情、雨情、凌情、墑情等數(shù)據(jù)進行綜合采集，運用遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術(shù)、多媒體及虛擬現(xiàn)實技術(shù)對地理環(huán)境、自然環(huán)境、人文景觀等信息進行精確采集[9]，從而構(gòu)建起相應的虛擬孿生體。該孿生體可以把流域的現(xiàn)實狀況與歷史災情相結(jié)合，通過同步仿真模擬，準確地監(jiān)控洪峰的實際情況，對即將出現(xiàn)的洪澇災害作出相應等級的預報。其次，在上述洪澇災害發(fā)生后，數(shù)字孿生技術(shù)通過傳感器返回的信息，收集洪峰過境前與過境后的數(shù)據(jù)變化，對洪澇災害的持續(xù)時間、影響范圍、破壞程度作出科學的評估并與歷史數(shù)據(jù)對比，從而逐漸掌握流域產(chǎn)匯流規(guī)律，為洪水預報模型的建立提供可靠的實驗資料和驗證資料[10]。

可見，數(shù)字孿生技術(shù)提高風險預防評估效率的功能，對城市治理現(xiàn)代化中的城市安全現(xiàn)代化具有重要的現(xiàn)實意義。通過虛擬孿生體的預報與評估，城市管理者可以對危機作出正確的判斷，為化險為夷、轉(zhuǎn)危為機創(chuàng)造了有利條件。

（四）數(shù)字孿生技術(shù)的賦能價值

1.增強資源協(xié)調(diào)能力

毋庸置疑，數(shù)字孿生技術(shù)增強資源協(xié)調(diào)能力是上文數(shù)據(jù)測量準確效率提升的必然結(jié)果。因為數(shù)據(jù)測量準確效率的提升，使得城市發(fā)展資源在配置中可以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、全面兼顧。城市資源按屬性劃分可以分為自然資源和社會資源。自然資源主要包括土地、水、空氣、森林、礦藏、海洋等[11]。社會資源則主要包含人力資源、信息資源、文化資源等，是人類經(jīng)過勞動創(chuàng)造的物質(zhì)精神財富。

數(shù)字孿生技術(shù)可以通過高精度的傳感器，實時追蹤自然資源的消耗情況，構(gòu)建虛擬孿生體。當某一項資源的存量即將告罄時，孿生體可以及時向管理者發(fā)送預警信息，并協(xié)調(diào)其他地區(qū)的資源進行臨時的補充。例如，在城市生活中，水資源是城市居民不可或缺的基本生存資料，當某一地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)的高溫少雨天氣后，城市水庫的蓄水往往因干旱而告急，嚴重危及城市居民的生命安全。此時，如果在水資源的管理中引入數(shù)字孿生技術(shù)，境況將會大大改善。數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的虛擬孿生體會結(jié)合水資源和氣象情況，對水庫的水位情況作出合理的預測，在干旱來臨之前就發(fā)出預警信號，幫助管理者及時采取相應措施。在干旱發(fā)生時，數(shù)字孿生技術(shù)還可以結(jié)合周邊的地理信息，幫助管理者將水資源充沛地區(qū)的水源調(diào)往水資源匱乏地區(qū)，解決水資源的空間分布不平衡矛盾。

此外，數(shù)字孿生技術(shù)除了對自然資源協(xié)調(diào)能力的增強，還可以通過對人本身的數(shù)據(jù)采集，進行大數(shù)據(jù)分析，在準確測量和兼顧安全的前提下，對人的性格、行為、習慣、情感等因素進行分析，從而按照個體差異分配技術(shù)、知識等社會資源，協(xié)調(diào)組織關系和社會關系，推進社會資源的高效利用。

2.增強政府決策能力

信息回收利用效率的提高，為增強政府決策能力打下了堅實的基礎。得益于對歷史信息、碎片信息、局部信息的收集整合，政府在決策理念和決策機制上都取得了質(zhì)的突破。

在決策理念方面，以往的政府決策中，決策制定者往往容易拘泥于當前的困境、局部的問題、短期的利益。在數(shù)字孿生技術(shù)引入后，數(shù)字孿生可以站在歷史的高度統(tǒng)攬全局，全面提高政府決策的戰(zhàn)略思維能力和系統(tǒng)思維能力。例如，在城市規(guī)劃中，政府在開展用地規(guī)劃之前，可以通過調(diào)閱虛擬孿生體來觀察地域的歷史變化，確保規(guī)劃不偏離歷史的發(fā)展軌跡；同時，政府可以結(jié)合水、空氣、植被等自然資源的基本情況，確保規(guī)劃不破壞生態(tài)的總體面貌。

在決策機制方面，虛擬孿生體同步模擬的特點，可以幫助決策者將決策帶來的影響先在孿生體上預演。由此，政府決策的機制將發(fā)生重大的變化，每一項政策在出臺之前都會進行孿生體的預演，結(jié)合正反兩面的影響，為實際情況提供理論依據(jù)和策略準備，從而全面提高政府的決策能力。

3.增強風險防范能力

數(shù)字孿生技術(shù)增強風險防范能力，是提高風險預防評估效果的題中應有之義。在對危機進行準確的預報和評估后，治理主體便可以自然而然地開展以下的具體工作。

首先是排查風險，虛擬孿生體對現(xiàn)實世界的模擬可以準確地反映出現(xiàn)實的變化，當某些數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，數(shù)字孿生系統(tǒng)就會向管理者發(fā)出風險預報。根據(jù)海因里希法則，每一件重大事故的背后，必然有著29起輕度事故、300起潛在隱患，如果對潛在事故不加控制，就會釀成大禍，造成不可逆的損失[12]。數(shù)字孿生技術(shù)可以及時準確地報告風險，從而幫助城市治理主體及時排查風險、處理風險，做到有備無患、游刃有余。

其次是建立預警預案機制，敏銳的預警機制能夠幫助我們快速識別風險，在風險來臨之前做好應對準備，而科學完備的預案則能幫助我們有效應對風險，把風險帶來的損失降至最低。虛擬孿生體恰好能將二者有機結(jié)合，能夠及時預警風險并對風險等級與處置措施進行初步的匹配，為管理者提供合理的建議。例如，在抗震救災領域，虛擬孿生體在地震發(fā)生前根據(jù)板塊運動推演、巖石壓力、電流等重要數(shù)據(jù)信息從而預警即將發(fā)生的地震，及時發(fā)布疏散信息。在地震發(fā)生時，虛擬孿生體利用傳感器收集數(shù)據(jù)，確定震級，并在歷史數(shù)據(jù)庫中根據(jù)震級匹配對應的應急措施，使救災工作快速有序開展。

四、案例分析：從單個場景到全場景的實踐考察

上文從宏觀理論層面對數(shù)字孿生技術(shù)何以助推城市治理現(xiàn)代化進行了細致的闡述，為了實現(xiàn)從抽象到具體的分析，幫助廣大讀者深入淺出地理解相關機制，下文將結(jié)合從單個場景到全場景的案例分析，分別對單個場景的跨城市流域治理和全場景智慧城市建設的數(shù)字孿生應用實踐進行歸納分析。下文選取的兩個例子，是我國在數(shù)字孿生技術(shù)實踐應用中的典范，也是我國在全面深化改革中推進治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設的重大成果。為了方便理解，筆者將數(shù)字黃河和雄安新區(qū)建設之數(shù)字孿生應用案例的核心內(nèi)容整理成簡表（見表2），分別對其理念、特征、成效加以提煉概括，以供參考。

表2 不同場景的“數(shù)字孿生技術(shù)”應用推進城市治理現(xiàn)代化一覽表

（一）跨城市流域治理：數(shù)字黃河

數(shù)字黃河是治水與治城的有機統(tǒng)一，流域治理是城市生態(tài)治理的重要內(nèi)容。隨著數(shù)字治理的興起，數(shù)字技術(shù)嵌入流域治理成為一種必然，其中數(shù)字孿生技術(shù)就發(fā)揮了重要而獨特的作用。數(shù)字黃河建設就是數(shù)字孿生技術(shù)“提效-賦能”助推城市治理現(xiàn)代化的典范。

黃河自三江源始發(fā)，流經(jīng)九省后注入渤海灣，是中華民族的母親河。黃河流域面積廣闊，僅流經(jīng)的省會城市就有蘭州、銀川、鄭州、濟南。然而，“九省共治”的黃河在歷史上實質(zhì)處于各省分治的局面，各省競相爭奪水資源，卻對黃河治理莫衷一是。1972年到1999年，黃河下游干流斷流的年份占比高達78.6%，黃河流域的生態(tài)系統(tǒng)瀕臨崩潰，濕地面積大幅萎縮，沿岸城市居民的生產(chǎn)生活受到嚴重影響。

2001 年7 月，水利部黃河水利委員會提出建設“數(shù)字黃河”工程[13]，為黃河的跨城市流域治理掀開了嶄新的一頁?！皵?shù)字黃河”是時任黃委主任李國英提出的建設“原型黃河”“數(shù)字黃河”“模型黃河”三條黃河中的關鍵一環(huán)。簡言之，“數(shù)字黃河”是“原型黃河”的虛擬參照體，是數(shù)字孿生技術(shù)應用于流域治理的生動寫照，其通過數(shù)字模擬為黃河跨城市流域治理提供了決策支撐。經(jīng)過20 余年的發(fā)展，“數(shù)字黃河”在跨城市流域治理中取得了初步成果。

一是“數(shù)字水調(diào)”科學高效，使城市規(guī)劃和城市建設順利開展?！皵?shù)字黃河”一期工程建設完成后，其技術(shù)標準和管理體系正式形成，在其基礎上專業(yè)通信網(wǎng)絡、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、高性能計算平臺、數(shù)據(jù)中心等設施投入運轉(zhuǎn)，“數(shù)字黃河”主體框架初具雛形。正是在高性能設備和高精度數(shù)據(jù)的支撐下，黃河對流域內(nèi)各城市進行了統(tǒng)一的“數(shù)字水調(diào)”，打破了以往各省爭奪水資源所墮入的惡性循環(huán)?！皵?shù)字水調(diào)”構(gòu)建了黃河下游的枯水調(diào)度模型，通過傳感器返回的數(shù)據(jù)來分析下游各城市缺水情況，并對缺水城市進行精確調(diào)度。在“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)控下，天津、青島、白洋淀等城市和地區(qū)多次在水資源不足時及時得到補充[14]。截至2022 年9 月，黃河已實現(xiàn)連續(xù)23年不斷流，“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)最大限度降低了水資源時空分布不均對城市規(guī)劃和建設的制約。

二是形成了可靠的“風險監(jiān)測預警模擬系統(tǒng)”，有力維護了城市安全。洪澇災害是危及黃河中下游城市居民生命財產(chǎn)安全的重大隱患，歷史上黃河多次決口改道都與水災頻發(fā)密切相關。通過智慧化模擬，“數(shù)字黃河”的“風險監(jiān)測預警模擬系統(tǒng)”綜合水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水環(huán)境、水土保持、水利工程安全等多個學科領域構(gòu)建專業(yè)數(shù)學模型，通過降水、產(chǎn)流、匯流、演進的過程推演模式分析研判洪澇災害發(fā)生的時間、地點、幾率、危害程度等信息，對相應地區(qū)的居民作出及時預警。此外，該模型亦可模擬一場虛擬洪澇災害，分析災后城市防洪工程的安全指數(shù)，查找薄弱環(huán)節(jié)以提前防范或處置。如今，該模型已完成數(shù)次防洪合成演練，多次為沿岸城市上報重大洪災預警。在“十四五”期間，預報預警預演預案全覆蓋的“數(shù)字孿生黃河”建設將切實提高流域內(nèi)城市的安全水平。

三是構(gòu)建了“自然-經(jīng)濟-生態(tài)耦合系統(tǒng)”，持續(xù)改善城市生活質(zhì)量，推動城市可持續(xù)發(fā)展?！白匀?經(jīng)濟-生態(tài)”耦合系統(tǒng)是建設“數(shù)字黃河”的本質(zhì)要求，也是人與自然和諧共生的生動體現(xiàn)。該模型包含自然黃河、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境三個子系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)在模擬不同維度內(nèi)容的基礎上進行耦合，為黃河流域內(nèi)的城市指明自然、經(jīng)濟、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的最大公約數(shù)，從而減少流域內(nèi)污染物排放，打造可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)工業(yè)模式[15]。在該模式的指引下，黃河入?？跂|營市的濕地面積明顯增多，年均入海水量達336 億立方米，比近10 年平均值多123億立方米，鳥類數(shù)量從保護區(qū)建立之初的187 種增至371 種。與此同時，東營市等黃河其他沿岸城市都在“自然-經(jīng)濟-生態(tài)耦合模型”的指導下改善了城市生活質(zhì)量，推動了城市的可持續(xù)發(fā)展。

（二）智慧城市建設：雄安新區(qū)

雄安新區(qū)是我國利用數(shù)字孿生技術(shù)“提效-賦能”助推城市治理現(xiàn)代化的又一典范。雄安新區(qū)城市規(guī)劃、設計、建設、運維的全生命周期都被數(shù)字孿生技術(shù)所覆蓋[16]，其在規(guī)劃之初就致力于打造三座城市，即地上一座城、地下一座城、“云”上一座城。雄安新區(qū)主抓“一中心四平臺”建設，以城市計算（超算云）中心項目為數(shù)字根基。作為雄安新區(qū)的“腦”“眼”“芯”，超算云為數(shù)據(jù)平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺、視頻一張網(wǎng)平臺、CIM 平臺提供源源不斷的動力。政府利用“一中心四平臺”收集城市中所有的初始數(shù)據(jù)，在篩選分類后加以利用，實現(xiàn)數(shù)字城市和物理城市同步規(guī)劃同步建設。

得益于“一中心四平臺”的強勁支撐，一方面，雄安新區(qū)在所有的市政、道路、橋梁、水源等設施中安裝了傳感器，傳感器24小時收集大氣、水質(zhì)、大樓承壓等關鍵信息，確保數(shù)據(jù)準確可靠；另一方面，雄安新區(qū)充分挖掘了數(shù)據(jù)這一生產(chǎn)要素的價值。在雄安新區(qū)的建設中，孿生的數(shù)字建筑早于物理建筑“竣工”。排水、供電、管廊、智能感應等系統(tǒng)可以在數(shù)字建筑上進行模擬實驗，經(jīng)過多次優(yōu)化后得出最佳方案，顯著降低了人工成本，減少了資源浪費，使城市的規(guī)劃和建設進入智能時代，實現(xiàn)了全域智能環(huán)境的建構(gòu)[17]。

容東片區(qū)是短期內(nèi)新區(qū)建設的根據(jù)地，承擔著政務服務、規(guī)劃展示、會議舉辦、企業(yè)辦公等功能[18]。在這里，數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建起智慧交通和智慧物流，深刻改變了治理方式和居民生活，也筑牢了城市安全網(wǎng)。這里布置的每一根燈桿都是一個“信息節(jié)點”，整合了通信照明、城市監(jiān)測、交通管理、信息交互等多重功能。目前，容東片區(qū)已建成153 公里的數(shù)字道路，布設了3000多根智能信息桿。數(shù)字道路實現(xiàn)了對真實道路的全真模擬，使得居民可以乘坐更為安全、便捷的智能網(wǎng)聯(lián)汽車。當真實道路存在風險隱患時，數(shù)字道路會提前進行事故模擬，在必要時對車輛或行人發(fā)出預警并呼叫道路管理者，幫助規(guī)避風險。此外，數(shù)字道路也可以有效推動智慧物流的發(fā)展。在智慧物流模式下，居民提前掃碼預約，物流公司依托數(shù)字道路設定快遞無人車的路線，無人車就能將快遞包裹準確送到客戶指定地點，極大便捷了城市居民的生活。未來，容東片區(qū)的數(shù)字道路和智能信息桿還將不斷增加，數(shù)字孿生技術(shù)將重塑城市治理方式和城市生活。

經(jīng)過近6 年的建設，數(shù)字孿生技術(shù)使雄安新區(qū)發(fā)生了深刻改變，也使雄安新區(qū)的城市定位得到了進一步明確。在數(shù)字孿生平臺上把城市各類數(shù)據(jù)信息進行集成，從而實現(xiàn)規(guī)劃一張圖，監(jiān)管一張網(wǎng)，城市治理一盤棋，數(shù)字孿生的應用場景愈來愈廣，不斷邁向數(shù)字孿生的新階段，最終實現(xiàn)整個新區(qū)全要素數(shù)字化和孿生化。

五、結(jié)論與建議

（一）結(jié)論

一方面，數(shù)字孿生技術(shù)應用于城市治理具有廣闊的前景。毋庸置疑，在“提效-賦能”分析框架下，數(shù)字孿生技術(shù)提升了數(shù)據(jù)測量準確效率，與之對應增強了資源協(xié)調(diào)能力；提升了信息回收利用效率，增強了政府決策能力；提升了風險預防評估效率，增強了風險防范能力。其中各個提升的效率、增強的能力之間又不斷地相互影響、相互作用、相互促進，推進了城市定位、城市規(guī)劃、城市建設、城市生活、城市安全、城市發(fā)展的全面現(xiàn)代化，為新時代推進城市高質(zhì)量發(fā)展夯實了技術(shù)基礎。

未來，數(shù)字孿生技術(shù)必將在各個場景、各大領域大顯身手，不論是在我國的黃河流域、雄安新區(qū)、大灣區(qū)，還是在澳大利亞新南威爾士州、印度阿馬拉瓦蒂，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)并將不斷激發(fā)助推城市治理現(xiàn)代化的潛力。數(shù)字孿生技術(shù)的全面普及，也是元宇宙時代到來的集結(jié)號，彼時城市治理的時空格局將會被徹底改變。

另一方面，數(shù)字孿生技術(shù)應用于城市治理也可能面臨挑戰(zhàn)：一是數(shù)據(jù)的質(zhì)量難以保證，歷史數(shù)據(jù)可能有所重復，且缺乏同虛擬孿生體政策方案相匹配的細節(jié)；二是共享數(shù)據(jù)的意愿難以確定，對于較為敏感的個人數(shù)據(jù)，城市居民可能不愿公開；三是數(shù)字孿生尚無自己的標準[19]，不同部門制定的標準各不相同；四是人才儲備相對不足，未來的數(shù)字孿生城市仍需要大量的數(shù)據(jù)科學家和工程師；五是信息安全存在風險，龐大的數(shù)據(jù)信息也意味著巨大的風險；六是權(quán)責機制尚未健全，各方的使用條件、責任劃分以及知識產(chǎn)權(quán)問題等存在爭議。解決以上問題需要城市治理多元主體的共同參與，只有在政府部門主導下不斷攻堅克難、查缺補漏，才能真正激發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)“提效-賦能”，增強城市治理現(xiàn)代化的強勁動力。

（二）建議

第一，加快數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)與整合。發(fā)展是解決一切問題的根本出路，政府部門需要加大對數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)，著力提升數(shù)據(jù)計算能力、存儲能力、建模能力，建設超算中心、存儲中心、模型中心，為數(shù)字孿生技術(shù)助推城市治理現(xiàn)代化提供技術(shù)準備和物質(zhì)基礎。同時，要加快對現(xiàn)有數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)的盤點，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)是未來的儲備，要構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，將現(xiàn)存數(shù)據(jù)納入數(shù)字孿生城市的未來規(guī)劃中去。另外，還需不斷完善數(shù)據(jù)確權(quán)制度體系，以數(shù)據(jù)確權(quán)保障數(shù)據(jù)合理回報，促進數(shù)據(jù)互通共享[20]。

第二，建立健全數(shù)字孿生相關法律法規(guī)。發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，需要城市管理者統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，而健全的法律法規(guī)是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的基本保障。立法部門需要不斷完善數(shù)字孿生領域的法律規(guī)范，保障各治理主體合法行使權(quán)利、依法履行義務。在推進完善立法過程中，立法部門要及時評估新技術(shù)帶來的新局面、新變化，要在工業(yè)制造安全、智慧城市安全測評體系中有步驟地開展數(shù)字孿生技術(shù)應用的安全測評和風險研判[21]，及時調(diào)整相應的法律法規(guī)，使新技術(shù)的使用不越軌、不移位、不逾矩，守住法律的底線。

第三，加強數(shù)據(jù)環(huán)境的整治和監(jiān)管。為構(gòu)建具有高度安全性和隱私性的數(shù)據(jù)環(huán)境，政府部門應加強對數(shù)據(jù)環(huán)境的整治和監(jiān)督。面對數(shù)據(jù)環(huán)境中的違法現(xiàn)象，要堅決予以打擊，將不法行為遏制在萌芽狀態(tài)，堅決守護廣大人民群眾的信息安全。在數(shù)據(jù)環(huán)境的監(jiān)管上，需要廣大治理主體共同發(fā)揮作用，發(fā)現(xiàn)違法行為應及時向有關部門舉報，共同營造安全、穩(wěn)定、和諧的數(shù)據(jù)環(huán)境。