元宇宙：数字孪生城市设计

李浩浩 徐大鹏 杜磊 王辉 郭宝松 程芳 邵洪波 李建华 梅一多,3

（1中关村科学城城市大脑股份有限公司，北京，100081；2山东工艺美术学院设计策略研究中心，济南，250399；3北京交通大学丝绸之路研究中心，北京，100091）

0 引言

技术的累积量变终究会在某一时刻引起相应的质变爆发。自2021年以来，元宇宙（Metaverse）迅速成为科技圈、资本圈追捧的新事物、新概念，引起了社会各界的广泛关注及大讨论。基于互联网/物联网平台，元宇宙融合了数字孪生、虚拟现实/增强现实/混合现实（VR/AR/MR）、5G/6G、云计算/边缘计算/泛在计算、人工智能、区块链等前沿技术及其交叉技术，构建了一种全新的沉浸式数字生活场景。

事实上，元宇宙并非新创概念，在某种程度上属于旧概念赋予新内涵。早在1992年，美国科幻小说家Neal Stephenson就在其小说《Snow Crash》（《雪崩》）中对元宇宙进行了描述，即“戴上耳机、目镜，找到连接终端，以虚拟分身的形式进入由计算机模拟的、与现实世界平行的虚拟世界”。此外，与元宇宙相关的早期代表作还包括：游戏产品Web World（1994年）、Active Worlds（1995年）、Cybertown（1996年）；电影作品《The Matrix》（1999年）；游戏产品Second Life（2003年）、Roblox（2006年）、Minecraft（2009年）、Ready Player One（2011年）；电影作品《Ready Player One》（2018年）等。

作为元宇宙的核心技术，视觉沉浸技术的演化先后经历了“桌面式虚拟现实”、“沉浸式虚拟现实”和“拓展现实和数字孪生”3个时间阶段，并从具身认知、分布式认知、心流等理论得到支撑[1]。元宇宙是视觉沉浸技术的最新阶段。在人类进化的方向上，心世界充当了“人体延伸”自由度“向内”深层次重组的媒介，而元宇宙则充当了“人体延伸”自由度“向外”开疆拓土的媒介[2]。颠覆式的媒介技术推动了信息领域的不断变革及发展[3]，而数字信息技术构造的虚拟空间既可以同现实空间一一映射，也可以完全超脱、架空现实空间。

从应用场景角度看，元宇宙最重要的应用场景领域之一是数字孪生城市。在精准化、标准化、轻量化、可视化、可交互、可融合、可重构、可进化的构建准则下[5]，数字孪生涵盖物理、逻辑、行为、流程等多个领域，可以实现物理世界与数字世界之间的动态映射。数字孪生城市依托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[6]，数字孪生体与实物孪生体之间相互作用、相互趋同，将城市治理、城市运营的各个领域及环节智能化、智慧化，从而实现信息化与城镇化的深度融合。

1 数字孪生城市的关键技术

数字孪生城市设计离不开一些关键技术的支持，具体包括新型测绘、多源数据融合、高维实景建模、模拟仿真及虚实交互等四大技术及其交叉技术。

1.1 新型测绘技术

测绘是构建数字孪生城市的基石，需要反映城市中客观实物的基本特征，侧重于对现实世界进行“1:1比例”的“复制式客观描述”，而不是脱离现实世界的“发散性主观创作”。与传统测绘相比，依托全球定位系统（GPS）/北斗卫星导航系统（BDS）、地面/航空/航天遥感、多功能传感器、云计算/边缘计算/泛在计算等进行精准测绘，新型测绘在空间上突破了天、空、地全域数据的即时获取和及时加工难题。面对日益变化的实体城市，新型测绘主要采用建筑信息模型/地理信息系统(BIM/GIS)等数字化方式，对城市建筑物/构筑物的外观及内部数据、成像、模型实时更新及动态补充。

1.2 多源数据融合技术

数字孪生城市涵盖全场景衍生数据，主要包括数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字栅格图（DRG）、数字画线图（DLG）、建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、激光点云等；行业门类数据，如交通、医疗、教育、水务、能源、环保等；物联传感数据，如机器设备、穿戴设备等。以上多种类型数据需要进行融合。基于云计算/边缘计算/泛在计算的巨大算力，通过人工智能/机器学习/深度学习等先进算法，可以实现对城市时空大数据的智能识别和深度整合。比如，构建“时空数据池”并对其运行、维护，它可以为数据、信息、知识的统一存储、索引以及规范化清理、整合进行服务，形成太字节（TB）甚至拍字节（PB）级及上述海量数据的分布式治理，实现多源数据的统一接入、安全交换及高效共享。

1.3 高维实景建模技术

在数字孪生城市中，二维实景建模是发展基础，三维实景建模是运营常态，高维实景动态建模是终极目标。目前，主流的数字孪生城市是以三维GIS为基础平台，交叉融合了倾斜摄影、激光点云、物联定位等前沿技术，在不同应用场景中“装配”一定的可视化实景。设计者可自定义不同图层所映射的主体内容，实现人、物、地、时的多尺度、多维度建模，从而实现不同尺度、不同颗粒度数据集群接入融合。同时，设计者通过人工智能/机器学习/深度学习技术、分割点云语义、处理自然语言，可以实现城市不同场景下的事件关系识别抽取、事件知识图谱构建。设计者沿着“多视角图像—稀疏点云—稠密点云—点云分割—单体建模—语义模型”这种先分解再整合的模式，构建形成高维实景建模。

1.4 模拟仿真及虚实交互技术

模拟仿真是指应用仿真硬件和仿真软件，通过仿真实验，进行数值计算及问题求解以实现对系统行为及过程的真实反映。随着VR/AR/MR技术的广泛应用及发展，数字孪生城市中将会有大量虚实交互应用场景。基于可计算信息的沉浸式交互环境，模拟仿真及虚实交互技术可以应用于城市治理、城市规划、城市设计等诸多领域，也可以回溯城市历史脉络、解决城市当前问题、预测城市未来发展，成为保障城市正常运转以及应对城市突发事件的科学工具。

2 数字孪生城市的实践应用

在一系列前沿技术的支撑下，数字孪生城市的建设应用不再停留在臆想层面，而是被应用到智慧城市的实际综合治理以及日常运转中。目前，完全形态的数字孪生城市在现实中尚不存在，不过有些城市作为“先行者”已经开始初步尝试。

2.1 城市规划领域

任由城市自然发展所形成的城市布局已经不能发挥城市能效的最大释放，尤其是城市发展到一定阶段所出现的诸如交通拥堵、尾气污染、噪声污染、城市内涝、违规搭建、管道杂乱、重复基建、无序竞争等问题，已经严重地、长久地困扰着城市居民的日常生产生活，因而合理有效的城市规划设计成为城市治理的迫切诉求。过去，专家建议和精英决策是解决城市问题的首选。然而，随着城市发展的深化推进以及内外部关系的逐渐复杂化，人脑已不能充分处理这些日渐复杂的棘手问题。因此，数字孪生城市成为城市规划的一种策略性选择。设计师通过对现有城市的“数字复刻”，调整城市信息中的重点参数，观察不同参数下的城市演化路径，实现对城市规划的预判性知识积累，更好地为城市制定合理的规划方案。

2.2 城市治理领域

数字孪生城市是对现实城市的直接镜像，其汇集了城市运营中的各类实物传感数据、基础建设数据、人流物流数据、经济运转数据、生产数据、消费数据、点云数据、定位数据等，以关键人物、重要事件、重点区域为对象，从而构建了城市社会治理、安全治理、经济治理、建设治理等场景以及其交叉融合场景的城市治理体系。通过对城市的“呼吸”（生态环境）、“脉搏”（人流、物流、资金流、供应链、能源网、电网、水网、管道系统等）、“体温”（社会生活及政务服务、民生服务等）等“生命体征”进行全面、及时、客观的态势感知，城市治理体系可以及时发现城市运营过程中的潜在风险及突发事件，赋能城市精细化治理。

2.3 城市能效领域

历史不能倒退，在现实中，实体城市只能选择一种路径进行演化并发展。单个城市也并非孤岛，小而言之，它存在于周边的城乡一体化系统或更大的城市群体系统中；大而言之，它则存在于整个地球村系统中。因此，在更大范围内，对不同城市进行抽象化的数字孪生，有助于评估不同形态下的城市投入产出能效。通过数字孪生技术，设计者可以寻找与当前城市最相近的对照城市或对照城市组，然后用这些城市构造出准自然实验环境，评估当前城市的相对投入产出能效，进而指导当前城市的资源集约化发展。

2.4 城市居民日常生活领域

正确运用数字孪生技术，可以改善城市居民的衣食住行用的方方面面，更多体现设计者和使用者对“美”的追求。比如选购衣服时，城市居民可以将个人的形体隐私参数通过“3D扫描”后以加密形式录入到“数字衣帽间”，然后对商店传过来的数字孪生服装进行虚拟试穿，实现尺码合身匹配、穿衣效果展示等实用功能。再如出行规划方面，居民出行前，可以将个人专属信息录入数字孪生城市系统，以虚拟分身形式在数字道路、数字建筑物、数字构筑物中快速预演实景行程，实现个人出行有备化与城市交通统筹化的双赢结果。再比如租买住房时，居民可以通过VR方式实现远程看房；在配置家具时，居民可以将设备上显示的数字家具以“拖拽方式”放置于数字住房中，实现家具的可视化预布置等功能。

3 数字孪生城市案例——海淀城市大脑

依托中国创新高地——中关村国家自主创新示范区的优势条件，北京市海淀区抓住元宇宙、智慧城市、数字孪生等发展机遇，率先搭建了相对完备的城市大脑“1+1+2+N”的基础架构，即1张感知网络、1个智能云平台、2个中心（大数据中心和AI计算中心）、N个创新应用场景。海淀区通过打造“时空一张图建设”平台，成为数字孪生引擎实际应用于城市治理的首例。该平台基于中国自主研发的数字孪生平台，对整个海淀行政区划的内部场景进行较高精度的复刻，尤其针对中关村西区至少3万km2的重点区域进行高精度还原。目前，平台已涵盖海淀全域的基础地理信息、行政区划信息、二/三维地图，至少17万个建筑、城市部件等，基本实现海淀实体城市的地形、道路、建筑、植被、车辆、人流、环境等场景重现，确保实时感知城市运行的基本情况，解决传统城市底图重复建设、可视化效果欠佳、响应速度较慢等问题，提升海淀城市综合治理水平。

笔者以城市疫情防控场景为例，对海淀数字孪生平台的应用进行说明。在疫情期间，海淀区基于数字孪生平台，在脑库算力、算法的支撑下，构筑了疫情防控人员信息管理系统、疫情大数据分析系统、疫情预警系统、社区防控预警系统等线上平台，集成个性化数据分析、返京人群分析、人口排查分析、重点人群动态监测、跟踪、预警服务等重要功能，赋能域内单位及其关联单位积极主动防控疫情。

4 结语

数字孪生城市既是元宇宙应用的练兵场、试验地，也是智慧城市发展中的重要工具。数字孪生城市是数字经济广覆盖、深渗透、高创新的重要领域，中国与美国等主流发达国家处在同一起跑线。在中国改革不断深化推进的过程中，城市设计者和治理者合作，抓住工业经济向数字经济发展的历史交汇机遇，提前布局元宇宙城市应用场景并主导智慧城市规则建立，将有助于促使中国从数字经济的跟跑者、并行者跃升为数字经济的领跑者和裁判员。

目前，中国已有一些城市和区域（比如北京海淀区、杭州市、河北雄安区等）治理者先试先行，成为数字孪生城市的首批“吃螃蟹者”，在积累宝贵经验的同时，也为“对照城市”起到了良好的示范作用，对中国城市的高质量建设起到引领作用。