唐懷坤，史一飛

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司；2.北京世紀晟輝咨詢服務有限公司；3.北京世紀晟輝新基建數(shù)字孿生城市研究院）

1 引言

智慧城市的需求點在哪里？智慧城市的落地基礎是什么？智慧城市的底座是什么？智慧城市的頂層設計需要怎樣的重構？

2 智慧城市頂層設計和實施中出現(xiàn)的問題

2.1 對城市的本質認識不足

城市是人類經濟社會發(fā)展的必然產物，從市場交易為主，逐步兼顧生活、政治、商業(yè)、金融、體育、交通、醫(yī)療、安全、文化等各個層面的功能，但最核心的還是以“人”為中心的生活和企業(yè)發(fā)展載體，但是我們過去的智慧城市頂層設計過多的強調城市功能需求，忽視“人”的訴求。人的訴求即人的需求，對應到城市的發(fā)展上來說，從最基本到高層的需求為：城市安全的需求、城市治理的需求、城市服務的需求、城市發(fā)展的需求、城市智能的需求。發(fā)展是循序漸進的，我們引入智慧地球進而落地為智慧城市建設時，并沒有立足于城市的本質的認知。未來，全球將有90%以上的人口生活在城市，如果不能很好的認清城市這個復雜巨系統(tǒng)，不能抽絲剝繭出核心要素則難以推動城市的健康發(fā)展。

2.2 對為什么建設智慧城市認知不足

智慧地球的本質是通過物聯(lián)網措施提高城市的運轉效率，從本質來說屬于城市治理層面的技術框架，屬于系統(tǒng)集成范疇，但是我們現(xiàn)在回頭看近10 年智慧城市的發(fā)展，基本上是在做信息化，包括數(shù)字政務、行業(yè)管理信息化，物聯(lián)網成分也有，但是很少。關鍵是對于為什么做，也就是對于城市的本質認識不足?；緩某鞘幸?guī)劃、民生、政務、產業(yè)、服務，整個智慧城市無所不包，但沒有找到主線，包括時間軸演進主線、技術軸主線、物理載體主線，各種城市要素大而全一哄而上，最終導致智慧城市頂層規(guī)劃變成了一紙空文，依然是城市的各個條線是各干各的，只不過加了一個前綴“智慧”，比如智慧水務、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧社區(qū)等等。

2.3 對智慧城市的呈現(xiàn)載體認識不足

當前絕大部分智慧城市建設實際開展的是數(shù)字政務工作，邊做行業(yè)信息化、邊進行橫向整合以及業(yè)務協(xié)同；一些新城新區(qū)則吸收經驗，先集約打造云計算中心、運營中心、大數(shù)據(jù)平臺等基礎設施和共性能力，再開發(fā)建設行業(yè)應用系統(tǒng)。實際上這些數(shù)據(jù)都是后臺輸入或者半同步的模式。智慧城市的載體、底座究竟是什么？

3 數(shù)字孿生理念

數(shù)字孿生[2]（Digital Twin）：在2002年，密歇根大學的Dr.Michael Grieves教授首次提出Digital Twin(數(shù)字孿生)技術概念，他在發(fā)表的一篇文章中第一次提出了數(shù)字孿生概念，他認為通過物理設備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構建一個表征該物理設備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產品的生命周期中都聯(lián)系在一起的。數(shù)字孿生就是針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構建一個數(shù)字世界中一模一樣的實體，最先用在了制造業(yè)，其他領域，如3D 打印、模擬仿真、建筑BIM 設計都是對物理環(huán)境的映射，從內涵來說都屬于數(shù)字孿生。但是，從廣義上來說，數(shù)字孿生不僅僅是指物理環(huán)境，還包括各種行業(yè)管理、城市管理、企業(yè)管理流程、商業(yè)活動等所有人們行為過程被映射到網絡環(huán)境的現(xiàn)象?？傊?，數(shù)字孿生包括兩方面：物理環(huán)境、流程活動。

4 基于數(shù)字孿生城市的智慧城市頂層設計

4.1 數(shù)字孿生城市的內涵與外延

數(shù)字孿生城市內涵就是在城市信息的建設過程中，在虛擬的數(shù)字環(huán)境中再映射出城市環(huán)境中的物理環(huán)境和管理流程活動，通過數(shù)字孿生理念和統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)智慧的城市[3]。當前的“城市大腦”是基于管理流程中數(shù)據(jù)輸出的大數(shù)據(jù)挖掘，還沒有到人工智能城市的程度，最終還是要回到數(shù)字孿生的實踐上來。而數(shù)字孿生的外延包除了ICT 系統(tǒng)以外，還有城市安全、環(huán)境治理、居民生活服務、產業(yè)發(fā)展、商業(yè)機制、法律配套等。

4.2 數(shù)字孿生城市持續(xù)演進階段

4.2.1 總體演進步驟

數(shù)字孿生城市的發(fā)展是循序漸進的，數(shù)字孿生城市概念并沒有廣泛推進，但是由于其理念是遵循物本原則，即在數(shù)字世界里孿生一個城市，因此無論智慧城市進程發(fā)展到哪一步，數(shù)字孿生城市都是不可逾越的階段，而且演進必然遵循以下規(guī)律：從建筑行業(yè)向園區(qū)規(guī)劃、城市規(guī)劃行業(yè)、公共安全、交通行業(yè)、水利行業(yè)、商業(yè)、旅游行業(yè)等逐步擴展；從單體的建筑向建筑群、經濟開發(fā)區(qū)、園區(qū)、整個城市擴展；從平面2D 圖向3D 圖、3DGIS 圖擴展；從單純的平面展示向立體VR 展示、全息投影顯示；從最基本的城市建設向城市安全、城市治理、城市服務、產業(yè)發(fā)展延伸；從單體智能向群體智能、城市電腦逐步演進。

4.2.2 L1 級別：總圖GIS 階段與城市規(guī)劃

GIS，全稱：Geographic-Information-Science，地理信息科學的縮寫，地方政府在處理日常行政事務中70%～80%與地理信息有關，傳統(tǒng)的CAD（計算機輔助設計）用于城市規(guī)劃缺乏屬性數(shù)據(jù)支持，軟件地理信息系統(tǒng)(GIS)作為一種應用性極強的系統(tǒng)，被廣泛應用在包括城市規(guī)劃，交通運輸，測繪，環(huán)保等領域，總圖運輸工程是工業(yè)企業(yè)設計中的重要組成部分。目前GIS 系統(tǒng)用于城市規(guī)劃主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)庫管理、地圖顯示、空間分析、空間建模等方面。

4.2.3 L2 級別：GIS+BIM 階段與智慧建筑

GIS 展現(xiàn)的是室外的空間環(huán)境參數(shù)，利用地理信息系統(tǒng)可以對室外進行定位和信息管理。而室內環(huán)境也是人們活動的主要區(qū)域，包括博物館、體育館、商場、地下設施空間都可以通過BIM 加以展示，可以幫助未來BIM 的模型自動化地轉入GIS 利用。已建置完成的BIM 資料轉入GIS，可以節(jié)省重新建置GIS 檔案的時間，直接利用BIM 模型轉換成GIS使用的數(shù)據(jù)，便可以減少重新建置GIS數(shù)據(jù)的人力物力消耗。BIM 銜接我國公共設施管線數(shù)據(jù)庫標準，強化共同管道的信息架構。

4.2.4 L3 級別：GIS+CIM 階段

CIM 的全名是城市信息模型也就是City-information-model(CIM)，從范圍上講是大場景的GIS 數(shù)據(jù)+小場景的BIM數(shù)據(jù)+物聯(lián)網的有機結合。有了L2 和L3 級別之后，再加上物聯(lián)網技術的應用，CIM 可以應用的空間很廣泛：城市規(guī)劃，國土資源管理，交通管控，水利資源管理，安防與公共安全，人防設施管理，環(huán)境保護，文物保護，能源燃氣等各大行業(yè)領域和一切智慧城市相關的領域。

4.2.5 L4 級別：3DGIS 階段

二維GIS 技術的城市規(guī)劃與分析已經無法完全對城市進行表達，二維GIS表達的是平面的土地規(guī)劃、用不同的顏色區(qū)塊表達不同的規(guī)劃用途，但是我們都知道，城市土地使用是有限的，不能突破基本農田紅線，而城市人口不斷在增加、經濟密度在增加，發(fā)展是向上、向下空間要資源，因此需要利用三維GIS 對整個城市的三維立體空間進行統(tǒng)一描述，包括地下的地質、管線、構筑物，地上的土地、交通、建筑、植被，以及室內的設施、房產、人口等，形成與現(xiàn)實世界映射的一致的三維立體空間框架。

5 結語

隨著新基建的深入推進，在智慧城市領域的新基建依然是側重數(shù)字基建，且必將聚焦在數(shù)字孿生領域，而且這個發(fā)展進程是循序漸進的。