数字孪生城市应用场景研究及框架构建

邹鹏 肖泽文 邹佳芳

(1.五邑大学，2.吉首大学)

2003 年，Grieves 教授在美国密歇根大学的产品生命周期管理课程上提出了数字孪生的概念[1]。数字孪生早期常用于解决军工产品及航空航天产品的生命周期问题,如美国宇航局开展的阿波罗项目中，由于需要查看正执行飞行任务飞行器的状态，因此设计并制造了两个相同的飞行器，实际观察的对象为地面的飞行器，被称为“孪生体（twins）”。数字孪生(Digital Twin)一词最先出现在正式文献上，是2010年美国宇航局发布的《建模，仿真，信息技术与处理路线图》，此文献对数字孪生描述为：针对运载工具（车辆、火箭等）或系统的集成化的多物理、多尺度、概率仿真，它使用物理特性模型、传感器更新数据和飞行历史信息，形成飞行中的孪生对象的全生命周期的镜像[2]。随着欧盟工业5.0 及中国制造2025 等发展战略的提出，数字孪生技术在全球得到快速推广。当前数字孪生主要用于制造业，著名国际数据公司（IDC）研究发现有40%的大型制造企业都会应用虚拟仿真技术为生产过程建模仿真，数字孪生已发展成制造业数字化转型的重要技术路线[3]。

1.数字孪生技术与城市

如图1，数字孪生的概念模型主要由三部分组成：①真实的物理世界；②虚拟空间中的数字世界；③连接虚实的数据。数字孪生技术需要建立物理实体的虚拟数字模型，通过采集物理实体的实时运转数据，实现物理实体在虚拟数字模型中的精确映射、交互与融合。数字虚拟模型与物理实体同步运转，虚拟模型的数据由实际运行的真实设备实时提供，能对收集的数据进行提炼分析，并将分析结果反馈给真实设备，从而达到指导真实设备运行的目的。

图1 数字孪生概念模型

数字孪生具有实时同步、真实映射、高保真度的特性，为建设治理科学化、服务智慧化的城市提供了新的思路，许多城市开始探索基于数字孪生技术进行城市规划、建设和改造、管理与服务。2018 年，《河北雄安新区规划纲要》指出，要“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”[4]。

数字孪生城市是基于数字孪生技术和先进理念在城市建设中的应用实践[5]。数字孪生城市依赖传感器能够对现实实体城市的运转进行实时监测感知，整合获得的城市运转数据，可以科学预测和规划实体城市的发展方向，实现虚拟服务现实并对实体城市运转进行智能干预，促进服务和管理一盘棋，将给城市智能化治理与服务带来重大创新。

2.数字孪生城市的应用场景

当前我国数字孪生城市的建设发展很快，在国内已经产生了许多应用场景，如智慧社区、智慧政府、智慧交通、智慧物流、智慧电网、智慧校园等，如图2 所示。在数字孪生技术的加持下，城市的运转效率得到了极大提升。

图2 数字孪生城市应用场景

2.1 智慧社区与政府

社区是城市治理与服务的基本单元，是在政府部门指导下的服务机构。传统社区的管理主要以人工管理为主，缺少数字化治理，效率低、成本高，无法满足人口日益增长的城市社区。智慧社区的建设要以数字孪生城市的建设作为切入点，建立统一的信息管理平台，统一数据、管理与服务，平台基于数字孪生技术实现全社区一个模型，模型上能精确映射社区楼栋、居民、商户等社区全部要素[6]，依托物联感知技术，整合社区全域得人、物、地、事等信息，为人民提供便利的出行、政商、娱乐、教育等服务，可以实现社区管理人员对基础数据采集、监控、突发事件、反馈的查询。社区工作主要从物业管理、生活服务、政务服务中心这三个方面进行，下面分别介绍其在数字孪生技术加持下的特点。

(1)物业管理。首先对社区供水、供电、供气等系统以及消防、照明、门禁、停车场等基础设施开展智能化升级，引入物联网感知技术布置对应的传感设备，如智能水表、智能电表、智慧消防、人脸识别门禁、智能监控等，对社区内各系统和基础设施进行感知监测，通过数据形式将各类信息上传到数字孪生社区模型，利用智能算法和大数据平台实现社区的智能化管控和快速响应机制，以信息化技术手段支撑社区智能化运转。

(2)生活服务。社区的生活服务涉及人民的衣食住行，主要包括旅游出行服务、文化教育服务、体育运动服务、医疗服务、养老托幼服务、家政清洁服务、外卖快递服务等等。基于数字化手段，将打车、快递、外卖等互联网平台对接到社区数字平台，整合连接社区内运动场、酒店宾馆、医院药店、市场超市、学校、托儿所、养老院等商业与服务设施，构建智慧社区生活圈，为商家提供高效的推广渠道，为社区居民提供便利的本地服务并能够快速找到所需要的服务。

(3)政务服务中心。政务服务中心是人民政府设立集信息咨询、审批与收费、管理与服务、投诉与督察于一体的综合管理服务平台。传统的政务服务存在办事难、办事慢的缺点，基于数字技术，建立网上政务服务平台并对接到社区数字平台，融合各政务数据，发展“数字孪生+政务服务”，为人民提供便捷、优质、高效和智慧的政务服务。

2.2 智慧电网

电力是城市运转的“血液”，电网由输配电线路和变电设备两部分组成，其任务分别是传输和分派电力。我国电网规模已位居世界第一，电网设备的规模与种类逐年增加，对保障电网的安全稳定运行形成了严峻挑战[7]，因此，智慧电网应运而生。智慧电网承担着城市电网的调度指挥、管理控制和可视化展示等功能，通过数字化设备监控手段和分布式系统，实现运行数据的实时监控、智能分析和可视化管理，故障点还可以在指挥大厅屏幕上高清显示及复杂电力网路可视化，还具备预测自动报警功能，提前预测故障并把处理结果报告给相应管理维修人员，使故障在导致停电之前就得到抢修解决。

2.3 智慧交通

截至2022 年3 月底公安部交通管理局的数据，我国机动车保有量高达4.02 亿辆，对交通运输形成了严峻挑战[8]。习近平总书记在联合国第二届全球可持续交通大会上指出，要大力发展智慧交通，利用新兴技术开展交通行业智慧化升级改造。作为数字孪生城市建设的重要分支，智慧交通的建设要贯穿到数字孪生城市的建设中去，基于物联感知技术、大数据、人工智能技术等，整合城市内所有道路交通运行数据，实现交通运行状况的实时监测与智能分析，为出行者提供最优交通路线[9]。发展智慧交通可以极大缓解出行压力，满足人民对于美好出行的需要。

(1)数据采集、整合

需要采集完备的交通数据，除了要充分采集传统交通数据，如车速、车距、车流量、交通信号灯等，还应完善交通环境状况数据，如天气、风速、能见度、气候甚至行人、宠物等会对交通产生影响的因素。采用更加全面精准的数据采集设备，将交通数据映射于数字孪生城市模型之中，并进行数据整合，利用大数据、机器学习、人工智能技术挖掘交通数据的价值，还可以对每天的路况进行预判以提前做好规划。

(2)道路监视

智慧交通的运转依赖于对通行数据的准确把握，道路设施作为交通体系的一部分会直接影响交通，如道路坑洼、井盖破坏、路灯故障、标线摩损、障碍物等影响交通运行的因素，因而需要安装智能检测装置对道路设施进行实时监视，保障智慧道路稳定运行。

(3)应急响应

突发事件如医卫急救、交通事故、气象灾害、地质灾害等会严重影响交通运行，必须依托智慧交通系统才能快速处理和控制事态的发展，将突发事件的监视与智慧交通系统融合。如需要医卫急救，智慧交通系统通过分析采集的数据和对道路的监视情况，会立刻响应、规划路线，并在提示道路上交通参与者及时让出供救急车通行的道路，同时协调对交通信号灯进行调整，保证救急车一路畅通。基于人工智能技术，智慧交通系统还可以根据突发事件的轻重缓急来协调各交通部门，提高报警、出警的效率，更好地为城市运转服务。

2.4 智慧校园

智慧校园是教育数字化发展的新阶段。近几年，已有众多学校对智慧校园进行系统统筹规划和建设，但校园智慧性仍然不足、安全性不够等问题还有待解决[10]。数字孪生技术能够全域精准映射智慧校园空间，孪生体基于全生命周期的实时动态交互和智能干预，将推动校园决策、管理科学化和智慧化。

数字孪生可以搭建数字智慧学习空间。数字孪生能够对实体校园的运转进行实时监测感知，实现实体校园与数字校园相互映射，动态交互。在虚拟现实技术和全息投影等基础技术的加持下，数字学校的所有要素可以通过三维可视化的方式展示。基于5G 网络，实时动态精准映射的虚拟模型能够得到保障，如AI 实验室、大型虚拟教具及实验器材等[11]。此外，数字孪生技术还可以融合物理学习空间和虚拟学习空间，搭建数字孪生学习空间，例如数字孪生教室、AI 教师、全息课堂等，能够精准指导和干预学生，在这种高仿真的学习空间可以大大加强学生的学习兴趣和专注度，促进学习进步。

安全方面，校园安全事件往往具有突发性，难以人为预测，一旦发生可能会严重影响学生的安全和教学质量。借助数字孪生技术，基于各种传感设备，对校园进行感知监测，通过数据形式将各类信息上传到数字孪生校园模型，利用智能算法和大数据平台实现校园的智能化防控和快速响应机制，以信息化技术手段保障校园安全[12]。同时，还可以分析学生的行为，如：上课情况、作业情况、上网记录等等，通过监控人脸识别、学校一卡通消费记录等方式记录学生活动轨迹，建立对应的孪生数据库，借助于融合数字孪生模型的智慧校园，基于大数据和人工智能，能够快速准确识别异常者，以便教师能够及时介入管理，保障每一个学生健康成长。

2.5 智慧物流

随着电商的兴起，物流行业诸如包裹、快递、电商物流、最后一公里等成为热词进入城市日常生活之中[13]。物流是城市的“动脉”，贯穿于城市运转过程中，城市的各种商业活动都离不开物流，物流是城市经济建设的重要组成部分，发展智慧物流能提高城市运行质量、健全城市现代化功能、拔高城市综合竞争力。

基于物联网、大数据等新一代信息处理技术，将物流人员、物流装配、货物、运输工具全面接入数字孪生城市，可以实现物流系统的全状态感知、实时监测、精准运输、需求预测，实现物流系统自主决策，促进物流智慧化，优化资源配置。同时，可以打破物流行业的信息不对称现象，强化物流透明性，从而可以有效利用社会闲置资源，减少空车率，降低能源耗费。智慧物流能提高城市物流运转效率，利于城市发展。

3.数字孪生城市框架

基于数字孪生技术，科学的顶层设计，可从根本上实现城市精准服务和治理。本节从前文数字孪生城市的应用场景出发，构建了基于数字孪生技术的城市框架，如图3 所示。

图3 数字孪生城市框架

首先基于现实物理城市，利用3S 空间信息技术、BIM、CIM 等技术创建一个全域精准映射的数字孪生城市，对城市实体进行整体规划、分析。孪生城市与物理城市完全对应，并可实时进行动态交互。其次基于各种传感器，利用大数据、物联网感知等技术识别、收集、处理城市一切物理实体的实时动态数据，如城市交通数据、人员流动轨迹数据、医疗数据、物流数据、环卫数据、电网运转数据、政务数据、商旅数据等[14]。数字孪生城市依赖传感器数据能够对实体城市的运转进行实时监测感知，实现实体城市与数字城市相互映射。最后数字城市结合大数据和人工智能，通过智能分析决策系统对实体城市数据进行分析，再将决策反馈给物理城市以指导或辅助城市作出真实决策，基于控制器对物理城市作出反向快速精准控制的智能干预。

数字孪生技术赋予城市自感知、自学习、自判断、快速响应的治理和服务能力，并可以科学预测和规划物理城市的发展方向，促进服务和治理一盘棋。在数字孪生技术的支持下，对城市建设和发展从顶层设计到底层逻辑进行科学统筹规划，可以从根本上实现城市精准服务与治理，促进城市健康发展，提高城市的运转效率。

4.结语

充分利用数字孪生技术，能够为现代城市智能化治理与服务带来重大创新，推动城市运转科学化和智慧化。目前，各个城市对数字孪生城市的建设还处于初步发展阶段，缺乏统一标准与参考对象，但随着信息技术的不断推进，将数字孪生技术引入城市是城市数字化的必然趋势，届时，希望本文的粗略构想能为数字孪生城市的建设提供一定的参考价值。