基于“数字孪生”的智慧城市发展建设思路

【摘要】我国在智慧城市投资与建设方面走在了世界的前列，但要适应面向未来的数字化建造、敏捷服务、智慧交互场景的智慧城市发展建设工作还需要加强理论方法与实践的探索。要建构“数字孪生”的智慧城市理论方法，为解决城市发展建设中的突出问题，推进城市空间价值增值，提高城市精细化治理能力，加强智能规划决策等方面发挥积极作用。要量力而行推进以新一代信息网络基础设施、高效能运算中心、时空关联大数据底盘为主体的数字基础设施，积极推进城市级的数据资产管理体系建设;同时提出应大力支持新型业务场景落地，包括：绿色低碳与节能减排的智慧技术集成、规范引导智慧社区的规划建设、引导智能空间设计等方面。

【关键词】数字孪生  精细化治理  城市中枢  时空关联大数据底盘  智能规划决策

【中图分类号】TU984                         【文献标识码】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2020.08.009

国内外智慧城市发展动态及展望

发展动态。当前中国智慧城市发展建设处于快速增长时期，无论是从ICT基础设施投入、数据中心部署，还是在业务场景拓展方面都有了长足进步，在政府主导的公共安全、智慧交通、智慧文游、智慧水务、便民服务等城市治理领域方面带来了新的气象，也对于数字产业经济发展起到了推波助澜的作用。习近平总书记多次指出，要充分发挥大数据、人工智能、区块链在提升国家治理现代化水平、促进保障和改善民生、保障国家数据安全方面的积极促进作用;要加快完善数字基础设施，推进数据资源整合和开放共享，保障数据安全，加快建设数字中国。2016年国务院出台《国务院关于加快推进“互联网+政务服务”工作的指导意见》[国发（2016）55号]文件指出要加快新型智慧城市建设，要创新应用互联网、物联网、云计算和大数据等技术，加强统筹，注重实效，分级分类推进新型智慧城市建设，要打造透明高效的服务型政府，建立大数据辅助决策的城市治理新方式，构建多元普惠的民生信息服务体系，并提升电力、燃气、交通、水务、物流等公用基础设施智能化水平。

目前国内典型的智慧城市落地项目有：阿里巴巴将“城市大脑”云计算技术运用到杭州市的城市管理方面，对优化城市交通管理、全域旅游、社区服务等方面起到积极作用。北京市海淀区与百度合作，发挥分布式云计算优势，将公共治安、环境卫生、城市管理等部门积累的数据资源打通，并进行交汇分析，形成跨部门的城市治理决策模式。深圳市成立了专门的城市运营管理中心，可调度几十个部门的数据实现对城市运行状态的全面感知、态势预测、事件预警和决策支持。云南省文旅厅（原文化厅）与腾讯合作“一部手机游云南”，将云南旅游业的全过程服务资源整合在一起，为游客、旅游业者、政府分别在享受服务、提供服务、管理服务等方面得到相应的解决方案。

国外智慧城市新进展方面，谷歌在多伦多的“Sidewalk Labs”实验室制定了“未来城市2050总体规划”，为全面开展智慧城市建设奠定基础。芝加哥通过“灯柱传感器”来加强城市安全、环境卫生的监控，同时控制每台传感器设备的采购与运维成本。洛杉矶通过公共交通APP应用服务“WAZE”，使得每个人可以通过这个APP可以把自己的实时的交通信息传输到终端，使得个体、企业和社会之间搭建了互利共享服务体系，为政府解决交通拥堵问题提供支撑。此外，西方发达国家立足于应对全球气候变化，在绿色低碳智慧场景建设，节能减排管理，资源可持续循环利用方面积极推进相关智能技术。

总体上看，我国的智慧城市发展建设走在世界各国前列，2018年底我国所有直辖市、副省级城市，85%以上的地级市均提出了智慧城市相关的实施工程。据艾瑞咨询研究院统计，2013～2018年政府委托或采购的智慧城市项目增长了13.5倍，主要涉及智慧城市顶层设计、城市运营管理、大数据管理、电子政务等领域。由于我国政府的公共服务职能涵盖更广，借助信息化手段和第三方技术支持政府决策及政策执行已经成为现代化治理体系的重要举措。

存在的主要问题。我国是一个巨型社会生态系统，由于地域广阔、人口密度大，众多问题和矛盾相互交织，在城镇化进入到中后期时代，解决这些矛盾问题迫切需要智慧城市的技术手段来支持，因此也促使我国的智慧城市解决方案需要更有系统性、针对性和可操作性。但从目前地方政府的智慧城市顶层设计和投资建设项目来看，还存在不少问题，主要表现为以下几方面。

1.智慧城市重硬件投入、轻治理现象突出。过去大规模要素投入的城镇化模式已经难以为继，城镇化与城市发展建设逐步由增量扩张向存量优化提升转型，城市的品质提升将是今后一段时间我国城镇化的重要领域，对于智慧城市技术的需求也越來越大。我国的智慧城市建设经过了十多年的发展积累了大量技术，也一定程度上缓解了城市发展建设中的信息化短板问题。但既有的智慧城市建设多重视ICT技术导向的硬软件投入，而忽视以人为本的综合治理能力提升，往往导致资金投入的产出绩效不高、服务效能不佳，甚至重复建设等突出问题。

2.智慧城市建设缺乏统一的“数据底板”，重复投资现象较为突出。前一阶段的智慧城市建设多侧重于单一的政府业务领域，缺少对于国土空间、城市的全局、全要素资源进行系统性顶层设计及综合治理。地方更多考虑存储空间投资，而忽视了作为数据资产本身的价值挖掘，没有一个统一的“数据底板”来支撑城市全局的管理及服务;在实际工程建设项目中依然存在“烟囱林立”、数据共享不畅等突出问题。在中央国务院批复的雄安新区总体规划里明确提出了“数字孪生”的概念，对于构建集合云计算、物联网、人工智能、区块链、地理信息技术（GPS、GIS、RS、BIM等）、5G通信技术为一体的城市信息模型指明了方向，也为今后推进全要素的数据资产管理及价值挖掘利用奠定了基础。

3.以人工智能为核心的智慧规划是趋势，但缺乏顶层政策支持。目前从城市的规划、建设、管理、运营的全生命周期领域来系统引导的法律性、制度性框架欠缺，尤其是如何科学引导人工智能贯穿于规划决策、监测运营、实施评估等全过程还缺乏相关配套政策的支持。荷兰、英国、法国等国家的Living Lab智慧城市发展建设经验表明，以人工智能为核心的智慧城市案例在解决诸多城市治理问题方面有很好的方法，但前提是要保护好个人隐私，并且突出公众利益。

未来展望。当前我国的城镇化水平已经达到60%，我国的城市建设已逐步从过去的扩张式增长转向精细化治理，未来一段时期内城市的品质提升需要绿色、智慧、人文等新技术的支撑。因此，智慧城市不仅仅是基础设施建设问题，也更应该注重产出效益与服务效能问题。如何为政府的各项决策提供敏捷响应，为居民的多元需求提供实时响应，为创新主体提供多元服务是当前和今后一段时间内城市精细化治理面临的重大挑战。如何利用先进的信息技术方法更精细、精准地跟踪分析人、车、物等复杂的时空关系，去推动城市规划、建设、管理和运营的全生命周期决策也是城市政府工作中的难点。总体上，未来智慧城市发展建设要把握如下几个重点。

第一是面向未来的数字化建造。其是在现代的城市工业化建造流程基础上融入数字化手段的精细化建造方式。通过提供参数化设计理念，把生物仿真技术、装配式建筑技术应用到城市建设管理中，运用海量数据进行全流程的精准调控，全生命周期的流程化管理，满足城市各项功能发展的需求。

第二是面向未来的敏捷服务。这需要把区域、城市、社区、家庭多层级的智慧应用体系融合在一起，把每一个人、每一个业主、每一个经济活动主体所提供的智慧的诉求和宏观调控能够紧密无缝衔接在一起。未来将通过“城市中枢”提供各类开放式的服务接口，以利于更多服务能够直接传送到所需要的服务对象身上。目前，国内外正在未来社区、智慧交通等方面落地相关项目，也积累了一定经验。

第三是面向未来的智慧交互场景。城市是由不同的功能单元和建筑单元集合在一起的，正由于人对于微观功能、建筑单元的多样化使用，使得未来的城市每个功能空间不是机械独立的存在，而是根据人们的各种需求相互关联在一起，这种场景是一种交互场景。未来，人们对任何空间的需求都可以通过“城市中枢”来得到响应，因此需要把政府的宏观规划目标和微观的建设运营管理需求融合在一起，使得交互场景的建设更为人性化，这也是通过智慧城市手段促进城市空间价值增值的重要途径。目前，国内外正在推进的示范工程有智能感知人行道、智能自行车道、AI公园等。

“数字孪生”的智慧城市理念

概念及内涵。“数字孪生城市”的概念首次在雄安新区规划中提出，是将物理世界的数字化映射，通过将人、车、物、空间等城市数据全域覆盖，形成可视、可控、可管的数字孪生城市。在《河北雄安新区规划纲要》中提出：数字经济占城市地区生产总值比重超过80%，大数据在城市精细化治理和应急管理中的贡献率超过90%、基础设施智慧化水平超过90%，高速宽带实现千兆入户、万兆入企。雄安的智慧城市规划建设要坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施;同时要建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。

对雄安新区“数字孪生城市”的解读：面向未来的雄安新区不仅仅是数字要素与城市物理空间的简单映射和对映，而是要用数字化管理驱动城市的发展建设。数据孪生既要求数据的高效、规范汇聚，又要求安全高效的感知计算和决策反馈，这也是智慧城市落地的关键。通过运用地理信息系统与智能云计算融合的时空关联大数据底板和“城市中枢”，能够让物质城市与数字城市实现全面的融合和全领域的协同管理，城市管理者更容易进行城市仿真、事件的预警干预等，进而指引和优化城市的规划、管理、改善市民服务。

对城市空间价值增值的积极作用。“数字孪生城市”是城市空间价值增值的重要途径，也是分摊智慧城市建设运营成本的重要手段。城市功能体系由两个系统组成，一个是人及其社会群体，另一个是经济主体及运营环境。两者的共同切入点都是城市空间，过去更多依托物质建成环境，未来的发展将同时依托数字空间与物质空间。因此，未来以雄安新区为代表的智慧城市将不再是以土地的经济价值为主导，而在于通过对空间资产的科学有序管理来创造数字经济价值。可以说，未来城市的任何一个角落、任何一个空间单元、任何一个功能的组合与再利用，都能形成资产和经济价值。如城市住房不足或房价畸高，往往是因为城市的闲置空间得不到优化配置，如果通过“城市中枢”把旧厂房、闲置办公区共享出来，精准链接到个人或企业的需求，那么空间的利用率和产出率会大大提升。

对推进城市精细化治理的有效作用。“数字孪生城市”一开始就是对标城市精细化治理的，表现为引导城市的精明增长、万物互联、自我学习、业态共生、公众参与五个维度。精明增长方面，信息技术为城市的关键核心设施系统建设运营提供了更为智能、高效率的调配方案，大大减少了物質和能源的损耗，避免了“摊大饼”的低效扩张;同时基于更灵活的功能体系多组件、模块化、敏捷式的架构和服务，实现城市更有弹性、更集约、更可持续的永续发展。万物互联方面，在基于物联网的数据采集和汇聚的支撑下，进一步结合人工智能和5G等新技术的应用，特别是边缘计算技术在物联网领域的普及应用，使得城市级实时计算、融合分析、自动控制成为可能。自我学习方面，人工智能通过大量历史数据的学习和抽象，加上专家系统的经验逻辑综合，可以科学分析并重现各种城市问题和事件的因果关系和相关性，为城市的自我调节、自我适应发展提供了有效办法。业态共生方面，通过数字资产体系的建设，使得城市发展建设各领域的整个生命周期都不断积累沉淀有效数据，并为未来新的业态发展提供“沃土”。简单来说，从传统的一次性售卖或者租用的盈利模式，转为多个盈利阶段，包括产品运营收益、数据运营收益，等等。公众参与方面，由于城市问题往往涉及复杂的利益相关方，各方的诉求又各不相同，通过“城市中枢”有助于在虚拟空间将所有的利益相关方联系起来，对涉及的问题进行充分地讨论，并形成有效的解决方案。

智能规划决策。“数字孪生城市”改变了过去先规划建设，再运营管理的分离模式，取而代之是在动态规划决策下的城市发展建设。过去的城市规划更多在于土地资源的配置和各项设施的布局，而并没有及时跟踪人和经济业态的发展。智能规划将空间和人的创新活动以及城市整体的业态发展有机地结合在一起了。因此，智能规划首先要基于城市数据底盘清楚了解全要素发展情况，将分区、分类和功能空间关联做科学划定。这种关联逻辑能够帮助规划人员找到城市中每一个单元所存在的问题，以及它与周边环境的关联所在，进而知道未来城市中哪些值得投资，哪些地方还有问题需要解决。过去的城市规划更多是一成不变的“蓝图规划”，而在智慧规划决策模式下，需要把更加精细化的业态感知数据汇聚起来，对城市发展建设进行全方位的动态精确评估，从而提出以人为本的精细布局方案和各类资源的动态调配方案。

科学推进智慧城市若干建议

量力而行推进数字基础设施建设。数字基础设施是推动面向未来的“数字孪生城市”发展建设的重要基础。数字基础设施包括：以新一代信息网络基础设施、高效能运算中心、时空关联大数据底盘三类。对于数字基础设施不是投入越多越好，应根据城市的社会经济发展水平和实际业务场景需求来统筹规划建设，要做好资金投入与产出绩效的综合评估工作，核算好数字基础设施投资与运营维护的财务成本，找到智慧解决方案与技术保障方案之间的成本平衡点。

新一代信息网络基礎设施，包括以5G通信网络和各类型物联网构建的信息网络;也包括涉及的各类建筑、道路交通、能源市政、公共空间和地下空间等业务场景“关键点”全量布设的传感器设施。其中要重点处理好网络节点的规划布局，各级城市要在区域信息网络基础设施总体架构下，将互联网骨干直连点、国家大数据节点、互联网交换中心、工业互联网关键节点、区块链关键节点有效衔接在一起，避免重复投资。

高效能运算中心，即“城市中枢”。通过搭建云计算、边缘计算等多元普惠的城市计算及响应中心，实现城市数据交换和预警推演的毫秒级响应。通过“城市中枢”对城市全局实时分析，自动调配公共资源，打造一个汇聚城市数据和统筹管理运营的智能城市信息管理中枢。通过“城市中枢”，能够把信息基础设施上跑的各类信息数据串联起来，通过城市数字底板融入城市的模型库、算法库以及各类应用系统，从而通过API等服务模式提供灵活高效的智慧业务系统。越来越多理论及实践表明，“城市中枢”不是一个集中的储存、计算中心概念，而是根据区域和城市的数字基础设施布局，采取集中加分散模式布局。各地应根据智能场景的区域分布特征和数据交汇要求，在云计算中心主节点与边缘计算节点之间找到一个“成本—效益”的平衡点，并形成“边—端”的云计算服务体系。立足高效能运算中心，构建数据共享与交换平台，将各类政务型数据资源和社会商业数据有效流动起来，其是提升城市治理能力的关键应用。

时空关联大数据底盘，是全量时空信息数据中心。为了有效控制智慧城市建设成本，需要规范化、标准化定制数字底盘，将为统一管理数据资产提供基础。中国城市规划设计研究院与阿里云、超图等合作伙伴在雄安新区提出了一套解决方案，定义为以“GIS+BIM+Iot+AI”（GBIA）架构为基础的“两库两图一标准”体系。“两库”包括：城市指标规则库和城市基因库，前者是城市政府制定智慧城市顶层设计和实施方案的重要依据，后者是指导城市规划建设的一套智能规划技术;“两图”分别为全量智能规划图和全量建筑工程BIM信息图，前者是实施横向到边、纵向到底规划管理的重要基础，后者是实现工程全生命周期管理的重要依据;“一标准”为融合“两库”“两图”实现三维可视化交互的数据管理标准。“两库两图一标准”的时空关联大数据底盘与当前流行的智慧城市中台、城市信息模型（CIM）有异同，其构架涵盖后两者，更体现时空一体的全周期、全要素和全过程化的政府管理决策流程，因此更利于建立基于位置信息的各项智慧服务应用与交互场景。

这里再重点谈谈指标库与基因库。指标库包括：引导城市创新、繁荣、宜居、安全、绿色等方面发展的指标项，这些指标是各政府部门执行工作的依据。通过时空关联大数据底盘将将城市宏观层面的指标传导分解到功能区、街区单元、地块单元，使得微观层面的规划建设管理工作能够与宏观政策制定工作相互衔接和校验。过去政府往往因为不能全量收集舆情和地方意见，或者拘泥于单一委办局的工作而在其目标或政策制定方面有一定局限性。时空关联大数据底盘将彻底改变这种决策流程模式，建立起“规划决策—实施反馈—定量评估—再规划决策”的闭循环体系，这里“AI+分布式云计算”的技术将在实时性和控制成本方面发挥突出作用。城市基因库是立足于指标库，将国内外城市的先进规划建设与管理经验通过指标体系方式分类建立起来，使得每一个优秀案例背后都有关联数据画像来支撑。像纽约、东京、巴黎、等等，虽然都是超大城市，但是并不拥堵，它的建设环境和管理方法优于其他城市，这就是我们所说的优秀基因。这些通过大数据建立起来的基因库能够客观反映城市规划及城市管理中的客观规律与实践经验。

大力推进城市级数据资产管理体系建设。一方面，要建立全量城市数据资产目录。梳理包括商业数据、政府数据、财政、基础设施、公共安全、交通运输、环境环卫、社会服务、健康卫生、文化与旅游、公园娱乐、水资源、授权许可、位置服务、基础地理信息、城市关键信息标识系统等领域的全量数据资产目录，实现城市全量的信息数据归集、整合和管理的规范。建设人和法人诚信为基础的信用管理数据资源目录。

另一方面，推动数据资源整合共享和开放数据。政府通过城市公共数据内容、数据标准及数据资源工具的开放，实现公众知情、信息交换、社会监督和透明政府目标建设。制定年度开放数据发展战略，推动社会开放数据分析、开发能力建设，推进各类商业服务模式创新。条件成熟的城市可以搭建众包数据开放实验室，建设支撑政府管理服务和产业创新发展的共性应用平台和新技术使能平台，为城市数字经济发展和全域智能化管理全面赋能。

积极推动新型业务场景落地。第一，做好绿色低碳与节能减排的智慧技术集成。我国城镇化的特点是人口高度密集和城镇开发高强度两大特征，城镇化进程中的资源与能源消耗巨大。但我国各类资源的人均储备量、开采量又低于世界上绝大部分国家和地区，因此促进资源的循环利用、降低单位GDP或单位土地的能源消耗是我国城市发展建设中的艰巨任务。无论是居住区、公共建筑场所、交通与市政设施都需要大力推行绿色、低碳技术，运用各类物联网传感器及智慧控制技术加强对资源、能源的实时监控，从宏观层面加强调控与调度，形成绿色生产、绿色出行、绿色家居的多元化应用场景。

第二，规范引导智慧社区的规划建设。智慧社区是“数字孪生城市”的基础单元，也是时空关联大数据底盘和“城市中枢”的重要组成部分。以建设“职、住、医、教、养、休、创、商”为一体的美丽家园、幸福家园为目标推进智慧社区规划建设，浙江的未来社区试点在这方面作出了表率。要推动数字经济、文化建设、宜居品质、低碳节能、资源循环、韧性安全、创新创业、党建活动的多元协同发展。因地制宜地制定智慧社区的建设管理指标体系，注重采用新技术解决实际问题和群众迫切所需，鼓励以人为本的社区综合治理示范。摸索建立多元投资主体参与未来社区建设的可复制可推广模式，重点鼓励超大城市的老城区、老旧小区，产业基础较好的园区和条件较好的县城开展智慧社区建设试点，推进多样化的智慧场景落地示范。以社区为主阵地通过智慧治理的机制设计，搭建起社会多元合作机制，推动自上而下的城市管理向多元参与的城市治理转型。

第三，引导智能空间设计。推进新一代信息技术与城市建设的技术融合、业务融合和数据融合，推动智慧城市软硬件设施与城市设计、空间场所建设工程的一体化布局。立足于人的交流活动和人与物质空间场所的互动，开展城市功能区、产业园区的智能空间设计，探索智慧城市技术的空间落地模式;借力人工智能技术，建设“智慧休闲”“智慧健身”“智慧康养”“智慧文化”等便民服务导向的智慧交互场景，营造有温度的公共空间，增强物质空间场所的科技交互体验。

（单位：中国城市规划设计研究院信息中心，执笔人：徐辉，课题参与：翁芬清、李昊、翟健、王俊、张鹤鸣、孙若男）

责 编/周于琬