数字孪生应用助力智慧城市建设
这是一个变革和创新的时代，一切皆可编程，万物均可互联。把不可能变成可能的种种全新场景，会不断颠覆传统认知。数字孪生技术的出现，也将刷新人们对未来世界的想象。
在一座物理世界的实体城市之外，是否还可能存在另一座虚拟世界的数字城市？二者一体同胞，虚实相生，如影随形，同生共长。
短短数年，数字孪生从一个技术概念，演变成一种新转型路径、新变革动力。数字孪生技术正在成为智慧生活的升级版和必选项。
数字孪生城市的运行机理
随着三维建模、工程仿真、物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、虚拟现实等技术的广泛应用，人类社会进入三维体验时代。
对于产品、装备、产线、工厂、建筑、道路、桥梁，乃至整个城市，都可以建立三维数字化模型。数字模型不仅可以与物理对象形态高度相似，还可以实现性能仿真，几乎做到全要素映射。
在物理对象从研发设计、制造建造、服役到报废回收再利用的全生命周期中，可以通过虚实映射来优化设计方案，提升运行效率，监测运行情况，预测潜在故障和事故风险。
实际上，数字孪生已经是广为人知的虚拟空间数据平台业务形态。以数字孪生城市为例，其运行机理包含以下环节：
首先，通过物联感知、信息建模、泛在网络等技术采集交通、生态环境、城市运行等实时数据，实现由实入虚的连接与映射。
其次，基于城市运行规律知识图谱和大数据分析算法，在数字空间进行分析洞察发现问题，并制定供城市管理者参考的科学合理的决策依据。
最后，通过物联网远程控制和交互界面作用于现实城市，实现以虚控实，最终实现对物理城市的全生命周期管理服务、城市运行优化改进和经济可持续性发展。
数字孪生技术与城市规划
城市是一个开放的复杂系统，包含交通、楼宇、能源、园区、商业等多个领域，当这么多系统彼此交织且相互作用后，尤其加入人与社会复杂变量后，组成了一个巨大的社会物理信息系统（CPSS）。
而作为物理世界的映射延伸，数字孪生用数字世界投射物理世界，对多维度数据进行智能分析，以自动化、智能化、智慧化方式管理运行业务，对城市规划优化改进。
首先是精准映射。数字孪生城市可以通过空天、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字化建模，以及对城市运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。
其次是虚实交互。城市基础设施、各类部件建设即有痕迹，城市居民、来访人员上网联系即有信息。数字孪生城市中，在城市实体空间可观察各类痕迹，在城市虚拟空间可搜索各类信息，城市规划、建设以及民众的各类活动，在虚拟空间得到极大扩充，虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。
再次是软件定义。孪生城市针对物理城市建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控城市的交通信号控制、电热能源调度、重大项目周期管理、基础设施选址建设。
最后是智能干预。通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等，将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行，进而指引和优化实体城市的规划、管理、改善市民服务供给，赋予城市生活“智慧”。
数字孪生城市的落地案例
其实上述提到在智慧城市建设过程中，通过数字孪生技术建立整个城市建筑和各种地下管网的数字孪生模型，可以更有效地对城市进行管理，提高公共服务设施和道路规划及新能源开发利用的能力等，实际上，在我国也得到了应用。
雄安新区规划建设BIM管理平台
由于雄安新区规划建设、发展得相对较晚，因此其发展过程中大多沿用较新的技术与理念，BIM与CIM模型被提到了很高的重视程度。在雄安，规划师们正在探索一种新的城市成长方式：在实体城市建设的同时，同步建成一座全时空感知、全要素联动、全周期迭代的虚拟城市。
全时空感知。规划过程中采取GIS和BIM融合的数字技术记录新区成长的每一个瞬间，跟随新区沧海变桑田的全过程，逐步建成一个与实体城市完全镜像的虚拟世界。在这里，大到一个社区，小到一扇门窗，每一个空间单元都有自己的身份证和属性表，随时可以找到它的位置，查询到它的前世今生。
全要素联动。在这里，管理者和规划师们不仅能看到未来城市的样貌，而且通过对世界各类城市海量数据的学习，建立起一套规则来预先检验将要在实体城市中落地的所有决策，在花第一分钱、动第一撬土、建第一栋房子之前预判其功效。在未来，我们还将接入雄安实时物联网运行数据，让这个虚实双生的城市，每一处局部变化都知晓对整体格局的影响、每一个宏观决策都充满对个体感受的关怀。
全周期迭代。规划师们为城市建立了感知-体检-预警-更新的智能迭代系统以及开放-众筹-信用-交易的众智创新体系。数字的聚集和共享不仅仅带来机器的智能，更重要的是开启大众的智慧。
整体来说，雄安的数字孪生城市立足建立全周期、全时空、全要素、全过程的数字信息系统，其核心是优化时空资源配给，特别是从时间的维度去重新审视空间资源的配置，建立起实时协同反馈的规划与治理模式。
杭州都市圈“新城建”
相比雄安新区的稳健建设，杭州都市圈的建设更加新颖，也更加快速。住房和城乡建设部在全国选定了16 个首批"新城建"试点城市，杭州作为其中之一，目前开展了这三方面的工作∶CIM平台、数字孪生城市（未来社区和未来城市）和城市大脑。
打造城市级 CIM平台。杭州将要对市政基础设施三维全息建模，对城市主要的建筑、道路、园区、给排水设施等实现物联网设备和网络覆盖，将物联网实时动态数据与CIM数据结合，从而达到实时收取数据的目的。
基于BIM+GIS建设数字孪生社区、数字孪生城市。在浙江已经建成的萧山七彩未来社区，已经能真实看一个万物互联的虚拟城市雏形。其通过建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IoT)等数字化技术，搭建了一个映射真实社区状态的数字孪生社区。数字孪生社区精确到每一个空间，把这个空间所有的业态情况，如租赁、能耗、水电等情况进行虚拟化统一管理。
首创城市大脑，开启数字治理。2016年4月，杭州首创城市大脑，开启城市数字治理的新征程。目前杭州城市大脑中枢已经从1.0版本更迭到3.0版本，已建成涵盖公共交通、城市管理、卫生健康、基层治理等11大系统的城市大脑核心架构，建成155个数字驾驶舱、48个应用场景，依托城市大脑率先开发和应用“杭州健康码”“亲清在线”等数字平台，实现了决策科学化、治理高效化、服务精准化。
编辑：孙浪
监制：李红梅
参考来源：
1.《专题丨数字孪生城市框架与发展建议》信息通信技术与政策
2.《突破想象！一场关于未来城市的探讨正在发生》央广网
3.《数字孪生应用助力智慧城市建设》人民网
4.《“数字孪生城市”来了》半月谈
往期回顾