数字孪生城市技术体系框架初探
全球物联网、5G、人工智能、无人驾驶、虚拟现实、深度学习等技术研发和产业化加速突破，掀起数字化网络化智能化新一轮浪潮。同时，智慧城市实施进程不断加快，实施内容持续深入，其发展理念、推进模式和技术体系不断更新和演进，建设虚拟服务现实、数据驱动治理、智能定义一切的数字孪生城市将成为智慧城市的重要趋势。
一、 数字孪生城市的建设条件日益成熟
1、信息通信技术（ICT）在城市中成熟应用
近年来，云计算平台已成城市重要基础设施，政府、企业乃至个人广泛使用；大数据成为城市重要资产、战略资源，基于大数据分析的智能决策应用不断涌现；物联网推动万物互联成为现实，广泛应用于城市治理领域的感知监测、数据采集等；（移动）互联网成为公众获取城市生活服务的重要优先渠道，也是延伸服务的重要手段；基于深度学习的人工智能应用可精准预测城市问题，极大提升市民体验。
2、数字孪生（DT）技术应用向城市广泛渗透
数字孪生技术应用最早起源于工业领域，尤其飞机、火车发动机等高端制造领域，对产品、生产线和工艺等进行数字仿真、实时跟踪，研发周期大幅缩减，生产成本大幅降低，形成多设备互联、协同和优化的建设模式。当前，数字孪生技术应用已逐步向建筑、医疗、城市管理等领域渗透，依托BIM模型完成建筑物的龙骨、结构以及风水电等设计，实现建筑物各类资源的优化、应急方案预演以及建筑群间资源优化配置；达索公司开发3DEXPERIENCity平台实现城市规划布局、管网以及气象的数字孪生，使得城市应急处置效率提升30%，城市拥堵率降低25%。
3、技术融合与数据积淀不断推动城市创新发展
分布式计算、4G/5G通信、大规模数据并行处理、深度学习等技术与3D建模、高精度地图、模拟仿真、虚拟现实、智能控制等数字孪生相关技术有机耦合加快集成，推动在数字空间中建设同步运行的数字孪生城市成为可能。此外，经过近十年智慧城市建设，城市传感器随处可见，城市智能终端广泛部署，城市体征运行数据大量汇聚积淀，城市画像日益清晰，跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的数据资源加速有序融合，基于海量多维数据分析的智能应用不断涌现，智慧城市建设正处于量变到质变关键时期。
二、数字孪生城市是深度学习自我优化的城市
数字孪生城市的核心要义是，在网络数字空间，再造一个与现实物理城市匹配对应的数字城市，通过构建物理城市与数字城市一一对应、协同交互、智能操控的复杂系统，使其与物理城市平行运转，通过虚拟服务现实，数据驱动治理，智能定义一切等运行机制，实现城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新模式，是具有深度学习、自我优化能力的城市。
图1 数字孪生城市运行机理
1、全域感知，实现由实到虚
通过部署全域感知体系和各行业领域信息系统平台，采集汇集城市所有静态数据、业务数据、对象数据等表征城市运行的全量数据，在数字空间建立一一映射的数字孪生城市模型平台，并加载城市全量静态和动态数据。
2、深度学习，实现自我优化
基于不断汇集的海量数据和数字孪生城市模型平台，运用多维数据分析、机器学习、神经网络、深度学习等算法或技术，运算得出城市资源配置优化方案、城市灾害预测预警模型、城市应急指挥策略等，实现自我优化。
3、智能操控，实现由虚控实
基于以上数字空间得出的优化方案、预警模型、指挥策略等深度学习结论，在数字孪生城市模型平台中，通过传感器远程控制、信息系统功能优化修正等操作，反向作用于物理世界运行的城市，实现动态决策、快速响应和智能操控。
4、更新迭代，实现流程再造
通过深度学习、自我优化后的城市在新的运行流程、运行规则、运行机制下不断产生和积累新的数据，同时，新智能设备、新技术应用不断更替出现，进而启动新一轮的数字孪生更新迭代，实现城市不断进化的“自生长”发展模式。
三、数字孪生城市是技术和数据深度融合的新模式
数字孪生城市，是与物理城市一一映射、协同交互、智能操控的虚拟城市，其技术体系框架包含智能终端、泛在网络、支撑平台、应用系统等必要组成要素，并贯穿城市数据的采集、汇聚、整合、分析、应用等全过程环节，是一个技术融合、业务融合和数据融合的复杂巨系统。
图2 数字孪生城市技术体系框架
1、全域智能终端的数据采集是数字孪生城市前提
全域智能终端的数据采集主要涵盖四大基础要素，即数字标识、智能终端、三维模型、地理信息等。其中，数字标识作为城市人、事、物在数字空间的唯一索引，表征城市人、事物身份信息，用于数字信息和实体之间的精准匹配、建立连接和管理控制；智能终端作为城市运行的信息采集器，用于采集城市所有静态和动态信息；三维模型作为数字空间的信息载体，用于展现城市空间形态；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、极速泛在的城市信息网络是数字孪生城市保障
极速泛在的城市信息网络主要包括三大接入方式，即城市极速专网、4G/5G移动宽带、NB-IoT/eMTC/LoRa物联网等，形成互为补充、极速互联的网络接入保障。为满足城市安全运行、虚实互动毫秒级响应以及千万级的智能设备的同时接入需求，率先组建城市极速专网，统一集成宽带无线网、宽带有线网、视频网、应急通信网、政务网等，实现极速互联。针对手机、可穿戴设备等移动智能终端主要以4G、5G接入为主，采集城市中人的信息。针对数以亿计的传感器，可通过NB-IoT、eMTC、LoRa等网络实现统一接入。
3、深度思考的城市信息中枢是数字孪生城市核心
深度思考的城市信息中枢主要包括四类重要平台，即数据资源管理平台、数字孪生模型平台、基于深度学习的人工智能算法平台、统一智能操控平台等，共同组成指导数字孪生城市高效运行的信息中枢。数据资源管理平台用于数据整合、处理、分发等；数字孪生模型平台作为数字空间集成载体，集成所有数据资源，展现真实世界运行全貌和细节；基于深度学习的人工智能算法平台用于优化业务流程、资源配置、规划布局等；统一智能操控平台主要用于智能决策指挥、自组织运行、远程操控等。
4、高效运行的智能应用系统是数字孪生城市表现
最终，数字孪生城市要作用于城市治理和民生服务的各个业务环节，推动服务体验智能化、社会治理智慧化。如，通过模拟仿真、动态评估、深度学习城市规划方案效果，实现规划不再走弯路；三维呈现水势、空气动力、雾霾变化等，为城市治理决策提前部署提供依据；通过深度学习个人教育和知识体系，实现自适应式定制化学习；通过深度学习民众出行、生活、消费等习惯，制定个人出行路线；通过交通流量预测，智能疏导和优化信号灯时长。
总之，数字孪生城市建设是一个长期而艰巨的任务，随着实施不断深入，其技术体系框架和解决方案将更加清晰，将有力推动城市的高质量发展。
作者简介
张育雄，毕业于天津大学，就职于中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部，主要从事数字中国、智慧城市（智慧园区）、物联网等领域政策研究、规划制定。作为核心成员参与了《雄安新区智能城市专项规划》《数字中国建设发展报告(2017年)》《国家物联网“十三五”规划》《推进“互联网+政务服务”开展信息惠民试点实施方案》等政策制定。
联系方式：zhangyuxiong@caict.ac.cn
校 审 | 陈 力、 珊 珊
编 辑 | 凌 霄
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