智慧城市变革与重构

文｜杜明芳

当前智慧城市已进入从数字化管理升华到智慧化治理的历史阶段，网格化精细管理模式将逐步向数字孪生强智能化自治模式演进。在碳达峰、碳中和宏观战略环境下，数字孪生驱动的智慧城市需充分融合绿色战略与绿色技术。新城建时期的数字孪生城市建设与治理应以“绿色”和“数字”为两大主脉，以数字孪生技术为引擎，以“十四五”时期全国新型智慧城市建设的实际需求为原始驱动力，充分考虑人的实际需求并始终坚持以人为本，基于数字孪生技术底座与城市业务系统融合构建新一代智慧城市，探索并完善多粒度多形态数字孪生城市理论。

数字孪生发展现状与态势

数字孪生的概念源自工业制造领域，从维纳的《控制论》到钱学森的系统工程，再到近现代的复杂系统，都充满了数字孪生发展的轨迹。美国国防部最早提出将数字孪生（Digital Twin）技术应用于航空航天飞行器的健康维护与保障：首先在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态的完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。NASA 将数字孪生的理念应用在阿波罗计划中，开发了两种相同的太空飞行器，以反映地球上太空的状况，进行训练和飞行准备。数字孪生也用来指厂房及产线在没有建造之前就完成数字化模型，从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设；工房和产线建成之后，在日常运维中二者可继续进行信息交互。从企业数字化转型升级的视角来看，数字孪生正在成为一个数字化企业的标配。德国夹具公司雄克Schunk 有5000 个标准产品，都将配置一个digital twin，其中50 个零部件已经开始建模。数字孪生目前正加速渗透应用到汽车、电力、航空、建筑、钢铁、煤炭等各个细分行业领域。

习近平总书记2020年3月10日在赴湖北省武汉市考察疫情防控时提出：要着力完善城市治理体系和城乡基层治理体系，树立“全周期管理”意识，努力探索超大城市现代化治理新路子。全周期管理是问题导向，更加强调系统思维，也更加注重预防预测性管理。城市全周期管理是指从立项、规划、设计、施工、调试到运行、维护等环节的管理过程，关系到政府、市民、城市设计者、供应商、城市维护人员等利益相关者，每一步都要求做到坚持系统思维，将管理维度与各种要素有机结合，建立科学化、程序化、制度化的全周期管理体制和机制。数字孪生理论和技术可为城市全周期管理提供最为可行的解决方案。

数字孪生城市基础理论

1.数字孪生城市基础

数字孪生以工业控制理论和技术为源头，充分融合地理信息、建筑信息、虚拟现实、数据科学等多种理论和技术，将成为全产业、全行业最为基础性的通用智能基础设施。同时，也将凭借其理论和技术的通用性优势，对社会系统、经济系统、人文系统等起到全面赋能作用。数字孪生七大要素是：物理空间、数字空间、数据、模型、控制、管理、服务。数字孪生及数字孪生-X 系统七大组成部分是：传感器、控制器、执行器、智能管理与决策平台、智能控制算法与模型、数据、系统集成。系统工程包括技术过程和管理过程两个层面，技术过程遵循分解-集成的系统论思路和渐进有序的开发步骤。管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。工程系统的研制，实质是建立工程系统模型的过程，在技术过程层面主要是系统模型的构建、分析、优化、验证工作，在管理过程层面，包括对系统建模工作的计划、组织、领导、控制。数字孪生为系统工程的管理和技术提供了数字化理论支撑，也提供了能够融管理和技术于一体的“容器”。数字孪生具有如下重要作用：提升生产能力，提升协作效率，带来成本的极大下降，提供通用智能基础设施。

图1 数字孪生城市核心要素

数字孪生城市的本质是城市物理实体在城市数字空间的建模、仿真、控制、管理、治理。

数字孪生城市的核心要素：机器智能、数据智能、系统仿真、复杂系统智能控制与决策、空天地网络、人、实体设施、业务系统。数字孪生城市的主要目标：让城市数据“流动”起来，让城市部件“自动化”起来，让城市业务“互通”起来。

数字孪生城市建设发展范式如图2所示，遵循“三体循环范式”，即：以数字孪生科学与工程为基础，以城市应用为载体，以经济社会发展为目标，构建起良性互动闭环模式下的范式。

图2 数字孪生城市建设发展范式

本文提出的数字孪生城市方法论如图3所示。通过多粒度数字孪生城市和多形态数字孪生城市有机结合的方法，可帮助城市转型生产力、生产关系及文化。

图3 数字孪生城市方法论

2.城市数字工程

数字工程的核心是基于模型的系统工程方法在工程中的应用，且通过融合人工智能、机器人、自主控制、高性能计算等先进技术提升应用能力。在数字工程生态系统完整视图中，自上而下嵌套的三层决策分析学实际上分别代表了数据分析学的三个层次：规定性分析学、预测性分析学、描述性分析学。数字工程强调以下三点：以价值为纽带的系统模型及围绕模型的沟通与协作；权威真相源及数据全生命周期可追溯；技术融合创新及工程实践质量提升。数字孪生的应用将大大提高基于模型的系统工程的实施水平，实现“制造/建造前运行”，颠覆传统“设计－制造－试验”模式，在数字空间中高效完成大部分分析试验，实现向“设计－虚拟综合－数字制造－物理制造”的新模式转变。数字孪生城市工程项目开发模式为“1+1+N”模式：1 个统一数据集+1 个标准化技术平台+N 个工程师。

3.多粒度数字孪生城市

图4 城市数字工程体系结构

从系统工程视角看，智慧城市可看作是以城市信息模型（CIM）为数字孪生体的复杂系统工程。城市信息模型（CIM）为城市现代化治理提供了新方法、新途径、新工具。城市信息模型试图从城市建模的角度为城市提供更加科学严谨的表达，以“数据”为主线贯穿城市信息物理空间，使物理分散的城市在信息空间中实现逻辑集成，因此能够更好地优化城市、管理城市、治理城市。由于城市要素的多元化、多颗粒度现实，城市复杂系统工程具有多粒度特点，本文提出多粒度数字孪生城市概念及理论，并认为构建多粒度数字孪生城市才能刻画出真实的城市信息物理系统。

依据复杂系统理论，数字孪生城市系统可以按照由细到粗（自底向上）的颗粒度分为设备级、系统级、复杂系统级、复杂巨系统级四个主要系统层级，且自顶向下具有包含关系。四个主要粒度的数字孪生城市内涵及特点：（1）设备级数字孪生城市（对应：产品）。设备级对应智慧城市系统的基础组成单元，主要包括单一设备（如边缘网关、智能传感器等），这些设备从运行角度看一般具有不可拆分性。设备级再往底层延伸可有板卡级、芯片级。难点：具有自主可控、安全可信特点的设备级通信机制及工业级底层通信协议。（2）系统级数字孪生城市（对应：应用场景）。在设备级的基础上，通过多元异构城市网络及其统一通信机制，多个设备级数字孪生体实现互连互通、互操作、互控制，构建城市垂直业务域数字孪生体，实现城市垂直业务领域数据流、资源流的内部协作。难点：多个设备级数字孪生体的集成会话机制，系统级数字孪生体统一通信机制。（3）复杂系统级数字孪生城市（对应：市、县、乡村级区域）。在系统级的基础上，通过构建智慧城市综合管理平台，实现系统级数字孪生体之间的跨系统互联、互操作和协同优化，基于多个系统级数字孪生体形成复杂系统级城市域数字孪生体。（4）复杂巨系统级数字孪生城市（对应：国家、省级区域）。在复杂系统级的基础上，构建可跨城市群联动的统一区块链体系、统一互联互通认证体系、统一接入规范体系，打造城市群级数字孪生体。难点：城市群数字孪生体内部、外部互联互通、互信协作机制与技术。

4.多形态数字孪生城市

（1）数字孪生社区

智慧社区作为基层治理的最基础单元，在整个治理体系中发挥着奠基性作用。随着城市数字孪生进程的加快，智慧社区的建设治理模式也必将向数字孪生社区加速演进。体系化、动态性、简洁性数字孪生系统技术将在新一代智慧社区的疫情防控、社区治安管理、社区能源管理等应用系统中发挥重要作用，数字孪生技术的计算弹性、体系灵活、技术开放等特征决定了其在社区治理中的易用性。基于CIM 数字孪生管理平台的智慧社区数字孪生系统基本架构如图6所示。

图5 多粒度数字孪生城市

图6 基于CIM 数字孪生管理平台的智慧社区数字孪生系统

（2）数字孪生园区

从本质属性上看，智慧园区是为园区中的企业提供服务的一种综合性载体，以生产空间为主，辅以生活空间，通过园区管理平台的统筹带动打造具有某类产业集聚效应的产业生态。新一代智慧园区也可采用数字孪生理论和技术来提升改进。数字孪生产业园区在三维可视化平台中完成模型映射，在此基础上，园区企业、楼宇、安防、消防、设施、车辆、能源等子系统模块被集成到CIM 数字孪生智慧园区管理平台中，实现基于统一标准化平台就能全方位掌握园区信息与态势，有效提升园区监控和管理水平。

图7 无人数字孪生工厂建模

（3）无人数字孪生工厂

无人数字孪生工厂是工厂的高级形态，是指全部生产活动由电子计算机进行控制，生产第一线配有机器人而无需配备工人的工厂。无人数字孪生工厂里安装有各种能够自动调换的加工工具。从加工部件到装配以至最后一道成品检查，都可在无人的情况下自动完成。无人数字孪生工厂综合运用工业自动化、机器人、数字孪生、互联网等技术的产品制造场所，其核心是自主控制。无人数字孪生工厂通过对生产过程的预测，对工艺过程进行优化，最终对生产管理进行智能决策。无人数字孪生工厂涉及到的关键技术包括云平台、物联网平台、BIM 建厂、自动排程、虚拟测量、伺服控制、AI 缺陷检测、零部件寿命预测、自动输送、自动取货等。

数字孪生技术体系作为城市转型升级的引擎与核心驱动力，将引发城市能力体系产生系统性变革。数字孪生技术作为通用使能技术，将引发城市系统内创新体系、生活方式、生产方式、产业结构、管理模式等发生体系化变革与重构。