数字孪生城市：智慧城市建设主流模式

数字孪生城市理念自提出以来，在国内政产学研用各界引起广泛关注，掀起研究和建设热潮。

理念引领，各地纷纷提出建设数字孪生城市

雄安新区率先推进数字孪生城市建设。2018年《河北雄安新区规划纲要》中指出：坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。目前，新区正推进BIM 管理平台（一期）建设，这是一个具有国家自主产权的数字城市规建管智能审批平台，通过创新城市“规、建、管”的新型标准体系、政策体系和流程体系，探索以数字城市的预建、预判、预防来支撑现实城市高质量发展的模式，打造展现多维城市空间的数字平台。平台将建立不同阶段的城市空间信息模型和循环迭代规则，采取GIS 和BIM 融合的数字技术记录新区成长的每一个瞬间，结合5G、物联网、人工智能等新型基础设施的建设，逐步建成一个与实体城市完全镜像的虚拟世界。

全国各地抢抓先机，开展数字孪生城市规划和建设。数字孪生城市为各地智慧城市建设提供了新思路、新模式，让城市治理者看到城市现代化治理体系以及高质量发展的曙光，让城市居民憧憬随需而动、无处不在的智能化服务。2019年5月，在第二届数字中国建设峰会数字经济分论坛上，贵阳市副市长徐昊发表了“数字孪生城市的贵阳探索”主题演讲。在实践上，贵阳提出从花果园超大型社区治理、数博大道等小型城市生态系统入手打造数字孪生城市。南京江北新区着力推动城市发展向智能化高级形态迈进，提出力争到2025年率先建成“全国数字孪生第一城”。浙江省发布未来社区建设试点实施方案，制定“未来社区”九大场景，提出构建现实和数字孪生社区要求。舟山市、西咸新区、重庆市、长三角一体化示范区等地纷纷采用数字孪生城市的建设理念和模式，先后制定智慧城市顶层设计和规划，以数字孪生城市为导向推进智慧城市建设。

产业响应，各类企业抢抓商机激活ICT 产业链

数字孪生城市正在激活庞大的信息技术产业链。数字孪生城市自提出以来，吸引产业界广泛关注，成为技术创新和业务拓展的重要方向。多地学术机构开展关于“数字孪生”的专题研讨，探索数字孪生技术对于城市治理、工业制造等领域的应用和价值。以BIM、CIM、VR/AR、AI 等先进技术为主攻方向的科技公司发力“数字孪生”方案研发，并已应用到多个行业。数字孪生城市涉及技术门类较多，诸如新型测绘、地理信息、物联感知、三维建模、图像渲染、虚拟现实、仿真推演、深度学习、智能控制等，几乎涉及信息产业所有链条，无论是传统的智慧城市龙头企业，还是新入局的创新型中小企业，对数字孪生城市均给予了高度重视，各类企业依托自身优势加紧布局，抢占市场先机，同时推动技术方案不断完善。

传统智慧城市厂商顺势而为推出数字孪生城市解决方案。科大讯飞打造数字孪生城市的“城市超脑”，基于互联网、物联网等基础设施，汇聚城市时间与空间数据，运用人工智能算法，挖掘城市发展与运行轨迹，进行即时分析和仿真建模，促进物理城市公共资源最优化。软通动力与华为合作，发布支持数字孪生城市的aPaaS 平台，为多个场景提供API 服务，涵盖交通、环保、安全等各种领域。阿里巴巴联合千方科技、银江股份、浙大中控、数源科技、海康威视等众企业，基于阿里云平台，共同打造数字孪生城市大脑，提升杭州市交通系统和城管系统的智能化水平。紫光云集成数字孪生底座，推出“1+4+N”智慧城市应用体系，重点打造安全生产“大数据”分析预测能力和“物联网”动态感知能力，有效防范和遏制重特大事故发生。

图1 数字孪生智慧园区

空间信息产业纷纷入局，成为数字孪生城市建设中坚力量。数字孪生和空间信息产业密切相关，需要空间信息采集、建模、开发、服务、应用全产业链的深度参与，同时空间信息产业通过数字孪生在智慧城市中找到了新的支点，多年的技术积累在巨大的市场空间得以释放活力，并造就独特的竞争优势。国内GIS 领头企业超图公司在新推出的新一代三维GIS 技术体系中，全方位支持倾斜摄影建模、激光点云、BIM 等多源异构的三维模型数据，并推出国内首个三维空间数据规范标准Spatial 3D Model（S3M），该标准融合了倾斜摄影模型、BIM、精模、激光点云、矢量、地下管线、地形、动态水面、三维栅格等多源数据，突破了大规模三维数据传输和解析的技术瓶颈，进一步促进了数字孪生的广泛应用。泰瑞数创提供了涵盖高端航测传感器、数据采集、处理服务到应用开发的数字孪生城市建模全产业链服务，还发布实景世界云平台SmartEarth，利用结构化语义模型整合了BIM／CAD 和地理测绘等技术，高效自动地构建城市信息模型，已经成功应用于智慧城市、智慧工业和自动驾驶等领域。51VR 公司运用GIS、高程、无人机斜拍点云、卫星图、街景图等技术和数据，能够快速自动化构建大规模数字孪生城市模型，复原城市的每个细节，并进行大场景动态实时渲染，在数据可视化和场景可视化基础上，实现城市运营管理的可视化和精细化。

资本助力，数字孪生城市板块崛起倍受市场关注

智慧城市相关投资持续保持高速稳定增长。IDC 预计，中国智慧城市技术相关投资在2016-2021年间将保持年复合增长率19.3%的稳定增长。根据IDC《全球半年度智慧城市支出指南》发布的数据，2018年中国智慧城市技术相关投资达到208 亿美元，相比2017年的173 亿美元增长了20.2%，成为全球第二大的智慧城市技术相关支出市场（仅次于美国）。数字孪生城市的提出，无疑为新型智慧城市建设注入了新的活力，不仅带动相关产业的技术研发投入，而且促进地方政府加大对智慧城市的建设投资。

数字孪生相关企业获得资本青睐，斩获融资。2017年5月，英国虚拟仿真初创公司Improbable 完成了5.02 亿美元的B 轮融资，由软银国际领投，公司估值突破10 亿美金。该公司基于Google 的计算平台“SpatialOS 平台”，构建了一个基于蜂窝云服务的“超级虚拟世界”。2019年以来，我国以数字孪生为概念的多只股票出现涨停，数字孪生城市的价值被资本市场初步认同。看好数字孪生创新发展前景，资本巨头积极投资数字孪生相关企业，如阿里巴巴入股银江股份，超图公司获得中国人寿与光大银行的定向增发融资。51VR 完成B 轮2.1亿元融资，泰瑞数创获得启迪金控和中信建投等机构过亿元投资。

场景先行，数字孪生部分应用先行先试初显成效

数字孪生技术重新定义智慧园区。据预测，到2022年，85%的物联网平台将使用数字孪生技术进行监控，产业园区有望率先利用数字孪生技术，重塑园区管理与服务模式。在华为和51VR 联合研发数字孪生的深圳坂田园区及东莞松山湖园区，通过实时接入园区IOT 设备、资产、能源、设施及环境等信息，建立基于园区实时运行状况的数字孪生场景，实现园区运营的可视分析、园区业务的闭环联动、园区决策的仿真模拟以及园区数据的全量集成，开创新一代园区的立体多维管理新模式。华为在廊坊经济技术开发区，利用GIS 空间信息平台，构建虚拟城市数字资源体系，一方面支撑IOC运营，同时为各个政务部门提供全空间的地理信息服务。

大型工业生产制造数字孪生风行。通过数字孪生模型与仿真技术，对高成本高复杂性大型设备产品进行设计、生产、装配全流程的数字化，并借助传感器实时数据与运行数据，实现对设备产品的远程监控和预测性维护，已成为大型工业制造企业的共识。西门子建立了贯穿于产品生命周期各环节间的数据模型，仿真模拟一些工厂的实际操作空间；通用电气与ANSYS 公司借助数字孪生概念，提出物理机械和分析技术融合的实现途径，让每个引擎，每个涡轮，每台核磁共振都拥有一个数字化的“双胞胎”；德国软件公司SAP 利用数字孪生概念，在产品试验阶段采集设备的运行状况，通过分析后得出产品的实际性能，再与需求设计的目标比较，从而形成产品研发的闭环体系。波音737 MAX8 不到半年发生两次重大事故，而数字孪生技术可用于航空飞机的维护与保障。美国空军已经和波音合作构建了机体数字孪生模型。波音公司在最新的NMA 项目上，已经率先使用数字孪生技术进行研发。

数字孪生提升智能驾驶试验精度。通过搭建真实世界1:1 数字孪生场景，还原物理世界运行规律，满足智能驾驶场景下人工智能算法的训练需求，大幅提升训练效率和安全度。如通过采集激光点云数据，建立高精度地图，构建自动驾驶数字孪生模型，完成厘米级道路还原，同时对道路数据进行结构化处理，变现为机器可理解的信息，通过生成大量实际交通事故案例，训练自动驾驶算法处理突发场景的能力，最终实现高精度自动驾驶的算法测试和检测验证。

数字孪生在医疗领域获得突破性进展。数字孪生给予健康医疗新的视角和手段，通过对身体器官、血液循环、神经系统、肌体骨骼、心率脉搏等进行“镜象映射”，建立人体的数字孪生体，进而通过人体标准数据库，记录人体每个细节特征，进行人体健康的实时动态管理。通过引进小型化的穿戴式设备，实时对人体进行数据收集。孪生数据还可来源于CT、核磁、心电图、彩超等医疗检测和扫描仪器检测的数据，血常规、尿检、生物酶等生化数据，医疗机构基于人体数字孪生综合数据，可对患者提供健康状况预测与及时干预，同时人体的数字孪生还将大大提高诊断的准确性和手术的成功率。

数字孪生为智慧校园经济管理赋能。数字孪生将学校物理空间与数字空间有机衔接，全面感知校园物理环境，建立智能舒适的生活与教育环境，实现二维三维一体、虚实一体的校园精细化管理。我国多所大学已建立三维数字校园信息系统，在地上地下一体化、室内室外一体化的全三维校园空间信息中整合地下管理、能源、安全等多种传感器信息，实现对校园后勤资源、教学教育设施、能源管控、校园安全等多种管理功能。