数字化改革背景下的数字孪生城市技术创新与应用研究——以宁波市为例

文｜陈剑波 方侃

在数字化改革大背景下，数字孪生城市应运而生，如何运用数字孪生技术驱动城市数字化改革应用创新，是当前亟需研究的新课题。本文分析研究了数字孪生城市的概念内涵及发展历程，并以宁波市为例，分析目前数字孪生城市取得的成绩和存在的问题，提出战略目标和思路，并从理念创新、技术创新、场景创新、业务创新、体制创新等方面提出对策建议。

所谓数字孪生（Digital Twin），是通过数字化手段将现实中人、物、事件对应到虚拟世界中，是对物理世界的镜像。数字孪生城市实际上就是将工业领域所用的“数字孪生”概念运用到整个城市的治理中。数字化改革是围绕建设数字浙江目标，统筹运用数字化技术、数字化思维、数字化认知，把数字化、一体化、现代化贯穿到经济、政治、文化、社会、生态文明建设全过程各方面，对省域治理的体制机制、组织架构、方式流程、手段工具进行全方位、系统性重塑的过程。数字孪生城市建设是数字化改革背景下实现市域治理现代化的重要内容之一，是充分利用前沿数字技术实现数字空间与现实空间、制度流程与数据流动的精准映射、虚实交互、软件定义与智能干预。

一、数字孪生城市的概念、特征与核心技术

（一）概念解析

数字孪生城市是指在虚拟空间构建起的与城市物理世界一一对应、相互映射、协同交互的，以数据驱动优化现实城市治理秩序的城市复杂巨系统。从概念中衍生出数字孪生城市的三大内涵：第一，数字孪生城市的本质是数字化城市复杂巨系统。这一本质的理论基础是复杂系统论，这也决定了其具有城市系统的所有特征，具有开放性、复杂性、自组织和自适应性。第二，数字孪生城市同现实物理城市是一一对应、相互映射、协同交互的。数字孪生城市同现实物理世界具有同步的生命周期和建设时序，将人、机、物等各类城市主体，全过程“写实”数据，并定时或定期动态更新，同城市发展中的问题、需求和任务共同迭代，是一个不断进化的系统。第三，数字孪生城市的目标是以数据优化现实物理城市的秩序。

（二）特征分析

数字孪生城市的特征可以归纳为“四全三化”，具体“四全”指的是全立体感知、全周期把控、全领域覆盖、全人群参与；“三化”指的是城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。其中，全立体感知意味着全时、全域、全覆盖、不间断地感知城市信息，类似于拷贝一样把现实世界原貌进行编码，形成数字化的要素特征值。全周期把控意味着以数据定义每一个城市运行行为的开始与结束，通过每天24小时不停地信息流动与数据积累，每一个城市运行流程都将实现数据留痕，并且可追溯。全领域覆盖意味着实现跨行业、跨界别、跨领域的全场景治理，打通城市中的生活、工作、娱乐、管理等场景。全人群参与引导全社会人群参与城市治理，引领各类组织和广大群众共商、共建、共治、共享，最终建成开放的城市运行生态。城市全要素数字化和虚拟化指的是数字孪生城市用数字化的方式来定义城市功能，同时以软件的方式模拟物理城市中人、 事、物在真实环境下的行为，对城市功能进行定义。城市全状态实时化和可视化指的是实现了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。城市管理决策协同化和智能化指的是通过“大脑”的思维、判断和决策，立体感知城市出现的状况，对物理世界的运行状态进行干预，选择最优化的方案，对现实世界进行指引和优化。

数字化改革同数字孪生城市发展彼此影响、紧密关联。数字化改革将从政策、技术、经济、社会等方面影响数字孪生城市。其中，政策环境为数字孪生提供方向指引，信息技术为数字孪生提供关键支撑，数字经济为数字孪生提供产业生态，社会需求为数字孪生提供发展机遇，信息科技带来城市时空压缩，虚拟世界的作用力不断增强。数字孪生技术则助力治理理念、流程、模式的变革，首先，“交互映射”助力治理问题情境化；其次，“暴力算法”助力治理方式智能化；再次，“多方协同”助力治理流程精简化；最后，“开放平台”助力治理主体多元化。

（三）核心技术要素

数字孪生城市的核心技术要素主要包括六大方面：一是新型测绘，通过三维激光扫描、实景三维重建、激光点三维构建、多源数据融合等技术，实现对城市地理空间信息要素的快速采集，实现全息、高清、高精的结构化实体和城市数字空间；二是标识感知，通过各种传感器、射频识别、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，实时“读写”真实城市；三是协同计算，主要通过在网络节点根据需求统筹部署调度云计算和边缘计算资源，建立虚拟一体机计算资源池，实现从终端到中心的“云-边-端”无缝协同计算，并推动数字孪生系统的自我学习优化的闭环；四是全要素表达，即将城市物理实体的三维模型表达，通过空天、地面、地下、水下的不同层面和不同级别的数据采集，结合新型测绘技术，对城市进行全要素数字化和语义化建模，最终构建出涵盖建筑、交通、植被、水系、城市设施、管线等全要素地理实体类型；五是模拟仿真，基于面向对象的仿真技术、智能仿真技术、分布交互仿真技术、虚拟现实仿真技术，在数字空间中通过数据建模、事态拟合，进行某些特定事件的评估、计算、推演；六是深度学习，包括计算机视觉、自然语言处理、生物特征识别、知识图谱等核心应用技术，实现机器对城市数据信息的可看、可读、可感以及自我学习。

二、宁波市数字孪生城市建设发展现状

宁波市数字化改革背景下推进数字孪生城市在理念创新、体制机制、发展基础等方面较有优势，在理念方面，宁波市是全国率先提出建设智慧城市的城市，足见其理念的超前性，同时也与时俱进地提出新型智慧城市、数字政府、城市大脑、数字孪生等新举措。在体制机制方面，2019年机构改革方案中，宁波市重组了大数据发展管理局，是推进全市大数据工作、政府数字化转型、数据平台建设、数据资源管理的主要机构；发布的《公共数据管理办法》也为汇聚数据、应用数据提供了制度保障。在发展基础方面，宁波市经过多年智慧城市的建设应用，已积累沉淀了较多的数据资源，各领域应用系统建设也相对成熟，这为数字孪生应用奠定数据基础。此外，宁波市无线城市和网络融合建设水平一直走在全国前列，先行探索的5G网络也取得了较大进展，这为数字孪生融合应用奠定了网络基础。

宁波市数字孪生城市同标杆地区相比，尚存在不足之处：第一，宁波市数字孪生城市处于起步阶段，建设落地尚在摸索阶段，尚未形成具有宁波特色的“口碑应用”。第二，数字化改革落地应用的广度和深度均略显不足。在广度方面，新技术尚没有覆盖到城市建设的方方面面；在深度方面，新技术更多的还是技术工具使用，尚没有涉及到思维、理念及模式上的融合。第三，数字化改革尚未同数字孪生城市产生有效的融合互动，彼此相对独立。

三、宁波市数字孪生城市创新发展思考与建议

依托宁波市“城市大脑”现有平台基础，积极探索开发“数字孪生”应用场景，以“微单元”孪生化为基础，以能力枢纽的平台化为支撑，以数据融合流通为主线，赋能应用场景实战效能，健全孪生建设机制，试点搭建数字孪生体，支撑物理世界城市难题“一眼明”、城市治理“一盘棋”，驱动城市治理秩序持续优化。

其中，发展基础方面的“‘微单元’孪生化”，主要指通过城市运行实时采集物联数据，实现城市要素全面AIoT化，并建立起数字化基层治理最小单元“感知终端”；发展支撑方面的“能力中枢平台化”，即建立完善“数字孪生”的数字底座，通过提供公共技术组件、公共业务组件、共性开发资源等，为市各项数字应用提供“平台支撑”；发展主线方面的“数据资源流动化”，主要指推进数字孪生城市体系层级间的数据流动，构建起“数据→平台→微单元→应用”自下而上的汇聚体系，以及自上而下的反哺体系，形成以数据为支撑的治理能力；发展核心方面的“孪生应用场景化”，即聚焦民生服务、城市治理、产业经济等领域，结合宁波市已有基础，试点搭建数字孪生应用，以场景为突破口，实现数字孪生城市内部以及不同城市孪生体之间的协同“共智”，最终达到理想状态。

在数字化改革背景下建设和发展数字孪生城市，其关键在于凸显理念创新，突破传统城市思维定势；重塑数据结构，形成以问题为中心的协同工作机制；建立数据思维方式，重新理解和构建数字空间与城市空间的数据关系。因此，宁波数字孪生城市建设可主要聚焦于四个方面：

一是强调技术赋能，夯实“数字孪生底座”支撑。部署“神经元”感知终端，“全时段”读写真实城市。建设物联基础设施体系，实现城市要素全面AIoT化。推进“块数据”高效归集，“全口径”摸清城市底数。健全归集标准，按照“一数一源、一源多用”的原则，制定完善重点领域公共数据专项标准。全量归集“块数据”，推动全市各部门数据资源统一向大数据中心汇集。升级“平台化”能力中枢，“全要素”表达城市模型。完善共性技术赋能与应用支撑平台，汇聚数字孪生城市特有的场景服务、数据服务、仿真服务、模型服务等能力，为应用提供技术赋能与统一开发服务支撑。探索“微单元”数字化转型，“全方位”推演运行态势。精准识别“微单元”，搭建“微单元”模型，绘制“微单元”数据图谱，梳理逻辑关系，可视化运行态势，提供数据供给服务。

二是探索场景创新，拓展“数字孪生场景”应用。推进城市规划应用，实时仿真城市“前世今生”。构建数字孪生城市模型，对城市规划方案进行模拟仿真和推演，从而选择出最优设计方案。推进城市建设应用，“全周期式”管理城市建筑体。全方位获取建筑数据，搭建建筑孪生体，实时感知、动态监测建筑运行状态，实现“所见即所得”。推进城市管理应用，“绣花针式”精细治理城市。为城市部件赋予“唯一身份证”，构建“数字孪生生命体”。推行AI全域化执法，实现街面案件自动识别、自动定位派遣，执法队员一点通查、掌上通办。推进文化旅游应用，“虚实融合”打造旅游新体验。融合物联感知、GIS、LBS、3D等多维数据，探索建立“虚拟景区”，实现“畅想云游”。

三是聚焦业务创新，赋能“数字孪生实战”效能。“实时映射”赋能发现能力，紧紧围绕更早更准的发现，在重点区域，试点搭建数字孪生体，对其进行全要素的数字化表达，叠加感知、视频、业务等数据，实现数字空间和物理空间数据的一一映射，精细化、动态化、三维可视化展现事件发生点位、事件变化情况等。探索运用数字孪生的模拟仿真推演能力，模拟特定环境/参数下的变化态势，实时发现“隐性”事件。“虚实结合”赋能指挥能力，以重点区域为基础单元，打造实景三维可视化指挥系统，在一张“全局三维实景图”中，支持三维实景内嵌视频，实时监控画面无缝嵌入三维背景，实现全区所有资源快速统一调配、可视化呈现、智能化应用。针对人员尚无法进入或还没有物理实现的特殊空间，通过远程VR控制以及AR方式，实现跨终端的人机交互，最终实现对控制终端的操作，完成虚实信息融合和控制融合。“智能干预”赋能决策能力，运用孪生数学模型，探索城市规划设计推演、产业政策调整效果评估、综合交通态势仿真推算、人群疏散推演等，为管理方案和设计方案及时提供反馈参考。

四是变革体制机制，固化数字孪生建设流程。分步骤分领域推进，考虑到数字孪生城市建设的资金成本、技术成熟度等因素，宁波市可试点推进、持续迭代，从局部区域选择城市规划、交通等领域率先切入。健全组织架构体系，由大数据管理部门牵头，从各部门抽调人员，组成数字孪生场景建设专班，逐步明确各业务部门和市大数据发展管理局的职责边界。规范场景项目管理，实行“统筹建设、管运协同、纵横联动、权责清晰”的管理机制，明确“数字孪生”场景建设流程规范，细化“提出需求→确认需求→设计场景→开发场景→场景迭代”全流程管理细则。建立健全标准规范，加快确定城市信息模型标准，完善多元异构数据融合处理标准规范，建立城市级海量数据的实时接入服务标准。