数字孪生，虚实融合开启智慧之门
采访/撰文 王静静 吴晓燕
授权转载：超图集团
高艳丽，中国信通院产业与规划研究所总工，智慧城市首席专家，教授级高工，数字中国智慧城市工作组副主席，互联网协会数字孪生技术应用工委会秘书长，通信标准化委员会数字孪生城市任务组组长，工业互联网联盟碳达峰碳中和工作组主席，信息通信行业资深专家，在智慧城市和数字经济领域具有丰富的研究经验和成果，负责国家信息化和信息产业多项重大支撑任务和中长期规划，主持雄安、海南、重庆、上海等多地智慧城市顶层设计重大项目 , 是数字孪生城市创新理念的提出者、技术产业发展的引领者。
时至今日，“数字孪生”被谈及的次数越来越多。这个起源于工业领域大型装备虚拟制造的概念，正在建筑、能源、医疗等行业中生根发芽，尤其在智慧城市领域引起了广泛的关注。
数字孪生的通俗解释是，将物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实体世界与信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的新形态。为物理实体创建虚拟对象，模拟其在现实环境中的行为。
随着“数字孪生城市”2017 年在雄安新区首次被提出，数字孪生理念日渐在各地智慧城市规划建设中体现并实践，拓展了人们对未来城市形态的认知。2021 年“探索建设数字孪生城市”被写入“十四五”规划纲要，各地数字孪生城市的建设热情空前高涨。
目前数字孪生发展到了什么阶段？建设数字孪生的核心难题是什么？为什么在提出“智慧城市”之后，又提出“数字孪生城市”？在数字孪生的建设中，GIS 扮演了什么角色？数字孪生的具体应用场景都有哪些？一起来听中国信通院产业与规划研究所总工、智慧城市首席专家高艳丽的解答。
一次大胆跨界
对大部分人来说，数字孪生是个“熟悉的陌生人”，听过，但没见过。事实上，数字孪生在工业领域的应用由来已久，它是如何被引入到城市管理领域里的？
2017年4月1日，中共中央、国务院决定设立国家级新区河北雄安新区。这是千年大计、国家大事，要求“把每一寸土地都规划得清清楚楚后再开工建设，不要留历史遗憾”。雄安新区的规划建设要求不走寻常路。
高艳丽带领团队翻阅大量国内外的资料，进行多次头脑风暴，找寻合适的解决方案。他们注意到，工业领域中轮船、飞机制造等大型装备制造工厂，在产品正式制造之前，都会进行虚拟制造，对产品设计、工艺材料到制造执行的全过程进行数字化仿真，从而少走弯路、不留遗憾、节省成本、提高效率。同是复杂巨系统，城市也需要数字化建模和仿真模拟。
高艳丽带领团队就将工业领域的这种“数字孪生”方案，用到了雄安新区项目规划中：基于数字孪生城市模型，摸清城市家底、把握运行脉搏，在城市规划前期有的放矢、提前布局，通过快速的“假设”分析和发展推演，以更少的成本和更快的速度推动完成城市规划。建立科学评估体系和多学科影响模型，计算规划是否合理，避免不切实际的规划造成时间浪费，防止在验证阶段重新进行设计。目前雄安新区的数字孪生建设成果证明，当初他们选的这条路子是可行的。
“现在数字孪生有两个方向，一个是过程和流程上的数字孪生，如大型装备制造；另外一种是跟地理属性相关的空间的数字孪生，如城市就侧重于空间的孪生。”高艳丽说。
数字孪生本质是一个集技术、数据、算法、工具、应用于一体的系统工程。从2017年10月份提出到现在，在先后经历2017-2018年的概念培育期、2019年的技术方案架构期、2020年的应用场景试点期后，数字孪生城市迎来“整体性落地建设”探索期。在这个过程中，高艳丽团队也发现了一些融合方面的难题，主要有三点：
第一，技术融合层面，如GIS引擎和BIM引擎之间的融合，多源大数据之间的融合等，需要平台互通、技术集成，缺乏标准和规范引领。
第二，产业融合层面，由于数字孪生不是单点技术，而是由单点技术融合创新形成的一项新技术，这些单点技术在融合过程中有非常多的挑战，尤其是厂商之间的技术创新壁垒。
第三，业务融合层面，城市自然资源和规划部门、住建部门、公安部门等都有自己的一张底图，城市要形成真正的“一张图”城市信息模型，需要把各部门的底图和数据都融合到一起，这也非常困难。
高艳丽认为，针对政府部门之间底图和数据难以融合的问题，未来的一个突破点是园区。园区没有那么多部门，管委会能把下属部门统筹起来，技术和数据融合也比较快，尤其新建园区行政区划小，没有那么多的部门壁垒，各项工作比较好推进。“从园区入手，给数字孪生城市打个样儿、探探路，这是一个切入点。”
新技术和新路径
从智慧城市到数字孪生城市
2008年，IBM提出了智慧地球的概念，将全球引入智慧城市建设之路。十多年过去了，我国智慧城市也经历了数字城市、智慧城市、新型智慧城市等多个阶段，正在朝着越来越好的方向发展。已有智慧城市，为何还要建设“数字孪生城市”？
高艳丽解释，可以借助智慧城市发展的三个阶段来理解这个问题。
第一阶段，概念导入期（2008年-2012年），该时期的智慧城市建设以行业应用为驱动，重点技术包括无线通信、光纤宽带、HTTP、GIS、GPS等，信息系统部门以单个部门、单个系统、独立建设为主要方式，形成大量的信息孤岛。IBM推出“智慧地球”全球战略后，我国许多城市借鉴“智慧城市”的概念，大力推进数字城市的建设。
第二阶段，试点探索期（2012年-2015年）。此时期的智慧城市建设以新型技术驱动，在城镇化加速的背景下，4G、云计算等信息技术全面应用。2012年住建部牵头，在全国选取293个试点，广泛探索智慧城市建设路径和模式。2014年8月，国家八部委印发《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，提出建设新型智慧城市，积极探索智慧城市的发展路径、管理方式、推进模式和保障机制。
第三阶段，爆发增长期（2016年至今）。此阶段以数据为驱动，打造新型智慧城市建设的新路径、新模式、新方法，以数字孪生城市等更为先进的管理方式，来倒逼城市治理体系治理规则的改变，推动城市进入决策智能阶段，完成数字化向智慧化转型。2021年3月，《国家“十四五”规划纲要》明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。
“数字孪生可以看作数字化的‘杀手锏’。我们天天在建设数字化——今天建物联网采集，明天建云计算，后天建大数据，这是渐进式、线性的推进。借助数字孪生，搭建一个虚拟数字体，在其中实现虚实融合和高度智能迭代，就能让数字化得以立体化推进，呈指数级增长。”高艳丽说，“数字孪生缩短了各行业的数字化路径，实现了全要素数字化并开启未来的智能化，这不仅将改变城市的治理规则，也将改变各行业运行规则。如医疗领域，过去看病要‘望闻问切’，现在把人体生物体征数据和医疗影像数据进行数字孪生化后，病灶就能看得一清二楚，手术也可先在数字人体虚拟进行。这将大大改变医疗体系规则。”
对于智慧城市来说，数字孪生是一个强有力的新技术驱动，它能带来更先进的解决方案。高艳丽表示，数字孪生对智慧城市的贡献，主要体现在两个方面：
一是技术方面。原来智慧城市在技术集成方面没有抓手，做集成时只能把硬件和软件物理拼凑在一起。进入数字孪生阶段，我们可以通过CIM+模型，把模型和数据真正融合起来，叠加技术、算法，在一张底图上把所有的技术线集成起来，有效破解智慧城市技术集成的瓶颈。
二是业务方面。智慧城市建设这么多年，老百姓体验感并没有提升，这是因为城市治理还是以条线管理为主，部门各自为政，服务割裂，体验很差。而数字孪生正好能在一张底图上，以疫情防控等重大事件为驱动，按照应用需求把各个条线能力协同起来，达到“一网统管”和“一网通办”的目的，消除了政府部门之间的信息壁垒，能大大提升老百姓的体验感，因此，数字孪生城市可以有效破解智慧城市业务协同的难题。
多技术融合创新
GIS筑基数字孪生空间分析
《数字孪生城市白皮书2021》中显示，数字孪生的本质是技术集成，数字孪生城市是基于城市业务而构建的一个复杂巨系统，从当前发展来看，大致由五类技术紧密结合而成：
5.“交互与控制”技术为城市用户参与城市治理、获取城市服务提供互动互操作支撑。
五大技术簇相互集成，凸显数字孪生城市四大典型特征，助力形成数字孪生城市九大应用能力（见下图）。
数字孪生城市九大应用能力中的全要素数字化表达能力，要借助GIS的能力。城市中的人、车、部件、企业、法人主体，最后要以属性加载到地理实体上，通过数字化形式呈现出来，这就是城市全要素表达。有了地理实体，才能搭建数字孪生城市。每一个地理实体都需要一个空间坐标，有了空间坐标就可以在GIS中显示，并进行数据化、符号化的描述。“这样的数字孪生城市可编程，可弹性配置、随需而变，非常灵活。”高艳丽说。
数字孪生城市的九大应用能力中的空间分析计算能力，也要借助GIS的能力。空间分析是GIS的重要能力之一，如疫情防控，如何锁定密接人员、如何进行物资调度，这些都要基于空间地理来决策。GIS为数字孪生城市提供了空间分析的能力支撑。得益于自身强大的空间分析能力，GIS可以为千行百业信息化建设筑基，越是复杂的空间，越能彰显GIS的价值和重要性。
除了GIS，还有BIM、IoT、AI，这四项技术再加上GIS数据、BIM数据、IoT数据和城市大数据，一同加载到CIM城市级建模上，就形成了数字孪生平台（又叫CIM+平台）。这个平台可以看做基于GIS的一张城市大底图，城市中的人、事、物等主体，都可以体现在这个底座上。“数字孪生城市较于智慧城市，在技术架构上多了一个数字孪生平台。GIS是其中非常关键的支撑技术，分量占到四分之一。”高艳丽说。
畅想未来应用
疫情防控、城市安全、绿色发展三大场景
近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的应用落地已成为了可能。现阶段，数字孪生在城市规划、城市建设、城市治理、城市交通、工业制造、城市安全、应急指挥、文化旅游、医疗服务、教育服务等领域实现应用，都提升了运营质量，实现了效率变革。
聚焦小场景应用，如园区、社区、景区、战场、码头、港口等，数字孪生的应用前景也非常可观。如数字孪生园区，基于智慧城市智能运行中心 (IOC)，再利用GIS、BIM、CIM搭建一个园区底座，使得园区管理能力实现指数级增长。
“数字孪生最适合用在两个场景，第一是人眼看不见的地方，比如城市地下管网；第二是较为复杂的场景，如城市交通优化、城市未来发展推演等。”高艳丽说，“适应时代要求，现在我们提出数字孪生应重点聚焦三个应用方向：疫情防控、城市安全和绿色发展。”
第一大场景：疫情防控。数字孪生应用场景最大的特点是：复杂的、多要素的、需要多部门协同的。疫情防控是非常典型的案例，借助孪生的城市全要素表达和精准映射，城市的一举一动尽在掌握，因此数字孪生对疫情防控来说是一个“神器”。
第二大场景：城市安全。安全是城市居民的基本诉求之一，城市安全是智慧城市要解决的重点。基于数字孪生，城市中的部件、事件、人员状态随时可知可控，通过仿真模拟计算、能够尽早发现城市可能产生的安全隐患，可优化城市规划、管理和服务。
第三大场景：“双碳”绿色发展。数字孪生为“双碳”发展提供了很好的底座。数字孪生能够帮助实现对于整个城市主体碳足迹的精准感知和监测。同时，数字孪生能够真正实现数据驱动的治理，可以依靠碳大脑对整个城市与碳相关的数据进行碳数据分析，对城市碳达峰和碳中和的时间进行科学推演预测。
“未来数字孪生的落地会更加具体。我们能够从‘上帝视角’去管理一件事，这就是数字孪生的特点和最大优势。”高艳丽说，“在这儿引申一句，其实数字孪生对产业带动非常大，它相当于把地理信息、3D建模、游戏引擎开发、模拟仿真、智能控制等大量企业聚集到智慧城市这个赛道中来，为这些企业开辟了一条进入智慧城市市场的新途径。数字孪生用到了迄今为止所有的信息技术，带动了大量的就业。这是数字孪生对产业的一大贡献。”
对话高艳丽
《超图通讯》：如何理解“数字孪生城市是智慧城市的起点”这句话？
高艳丽：因为数字化完成之后，接下来该智能化了。我们经常说数字城市、智能城市、智慧城市，借助数字孪生，我们来区分一下什么是数字化，什么是智能化。
先从实到虚，通过物联网把实体城市信息采集到虚拟世界，这是数字化过程，将城市进行数字化表达。再从虚到实，通过分析，仿真、模拟，再反向控制，又是智能化的过程。从实到虚是数字化，从虚到实是智能化。
数字孪生城市的第一步，是实现城市全要素数字化表达，实现了从实到虚。接下来利用数字孪生做好城市治理，就是智能化了，是从虚到实。所以我们说数字孪生城市既是数字城市的终点，又是智慧城市的起点。虚实融合，数字孪生开启智慧之门。
《超图通讯》：目前已经建成的城市大脑、时空云平台等基础设施，如何跟数字孪生产生联系？
高艳丽：不管是智慧城市阶段还是数字孪生城市阶段，城市大脑都是智慧城市协同治理和未来城市运营的载体，必须要建。
不同的是，在智慧城市阶段，城市大脑的主要功能是大数据分析。到了数字孪生城市阶段，城市大脑的功能变得更加丰富，是十八般武艺精通、能干事的大脑。它通过CIM+平台，把模型、数据、算法、软件四个方面集成起来，对原来城市大脑的核心平台进行了功能提升和内涵外延的拓展，打造一个可开放、可扩展、可编程的城市，使得城市拥有了数字孪生的强大功能。
时空云平台原来是智慧城市的核心平台之一，到了数字孪生城市阶段，时空云平台的功能和性能将大大拓展，成为构建CIM+平台的重要基石。
《超图通讯》：您怎么看待数字孪生与元宇宙之间的关系？
高艳丽：数字孪生是元宇宙落地的核心技术，元宇宙是数字孪生的一个阶段性产品。
作为现实世界在数字空间中精准映射、仿真模拟的载体，数字孪生城市是未来元宇宙与物理世界对称存在的数字基础设施，是元宇宙的重要组成部分。
另外，现阶段数字孪生关注的是以虚拟世界去服务物理世界，元宇宙则倾向于通过虚拟世界去开创新的规则，有点脱离物理世界。两者的倾向性有所不同。
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