數(shù)字化改革背景下的數(shù)字孿生城市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用研究
——以寧波市為例

文｜陳劍波 方侃

在數(shù)字化改革大背景下，數(shù)字孿生城市應(yīng)運(yùn)而生，如何運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)城市數(shù)字化改革應(yīng)用創(chuàng)新，是當(dāng)前亟需研究的新課題。本文分析研究了數(shù)字孿生城市的概念內(nèi)涵及發(fā)展歷程，并以寧波市為例，分析目前數(shù)字孿生城市取得的成績(jī)和存在的問題，提出戰(zhàn)略目標(biāo)和思路，并從理念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、場(chǎng)景創(chuàng)新、業(yè)務(wù)創(chuàng)新、體制創(chuàng)新等方面提出對(duì)策建議。

所謂數(shù)字孿生（Digital Twin），是通過數(shù)字化手段將現(xiàn)實(shí)中人、物、事件對(duì)應(yīng)到虛擬世界中，是對(duì)物理世界的鏡像。數(shù)字孿生城市實(shí)際上就是將工業(yè)領(lǐng)域所用的“數(shù)字孿生”概念運(yùn)用到整個(gè)城市的治理中。數(shù)字化改革是圍繞建設(shè)數(shù)字浙江目標(biāo)，統(tǒng)籌運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字化思維、數(shù)字化認(rèn)知，把數(shù)字化、一體化、現(xiàn)代化貫穿到經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會(huì)、生態(tài)文明建設(shè)全過程各方面，對(duì)省域治理的體制機(jī)制、組織架構(gòu)、方式流程、手段工具進(jìn)行全方位、系統(tǒng)性重塑的過程。數(shù)字孿生城市建設(shè)是數(shù)字化改革背景下實(shí)現(xiàn)市域治理現(xiàn)代化的重要內(nèi)容之一，是充分利用前沿?cái)?shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實(shí)空間、制度流程與數(shù)據(jù)流動(dòng)的精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、軟件定義與智能干預(yù)。

一、數(shù)字孿生城市的概念、特征與核心技術(shù)

（一）概念解析

數(shù)字孿生城市是指在虛擬空間構(gòu)建起的與城市物理世界一一對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化現(xiàn)實(shí)城市治理秩序的城市復(fù)雜巨系統(tǒng)。從概念中衍生出數(shù)字孿生城市的三大內(nèi)涵：第一，數(shù)字孿生城市的本質(zhì)是數(shù)字化城市復(fù)雜巨系統(tǒng)。這一本質(zhì)的理論基礎(chǔ)是復(fù)雜系統(tǒng)論，這也決定了其具有城市系統(tǒng)的所有特征，具有開放性、復(fù)雜性、自組織和自適應(yīng)性。第二，數(shù)字孿生城市同現(xiàn)實(shí)物理城市是一一對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的。數(shù)字孿生城市同現(xiàn)實(shí)物理世界具有同步的生命周期和建設(shè)時(shí)序，將人、機(jī)、物等各類城市主體，全過程“寫實(shí)”數(shù)據(jù)，并定時(shí)或定期動(dòng)態(tài)更新，同城市發(fā)展中的問題、需求和任務(wù)共同迭代，是一個(gè)不斷進(jìn)化的系統(tǒng)。第三，數(shù)字孿生城市的目標(biāo)是以數(shù)據(jù)優(yōu)化現(xiàn)實(shí)物理城市的秩序。

（二）特征分析

數(shù)字孿生城市的特征可以歸納為“四全三化”，具體“四全”指的是全立體感知、全周期把控、全領(lǐng)域覆蓋、全人群參與；“三化”指的是城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化。其中，全立體感知意味著全時(shí)、全域、全覆蓋、不間斷地感知城市信息，類似于拷貝一樣把現(xiàn)實(shí)世界原貌進(jìn)行編碼，形成數(shù)字化的要素特征值。全周期把控意味著以數(shù)據(jù)定義每一個(gè)城市運(yùn)行行為的開始與結(jié)束，通過每天24小時(shí)不停地信息流動(dòng)與數(shù)據(jù)積累，每一個(gè)城市運(yùn)行流程都將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)留痕，并且可追溯。全領(lǐng)域覆蓋意味著實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨界別、跨領(lǐng)域的全場(chǎng)景治理，打通城市中的生活、工作、娛樂、管理等場(chǎng)景。全人群參與引導(dǎo)全社會(huì)人群參與城市治理，引領(lǐng)各類組織和廣大群眾共商、共建、共治、共享，最終建成開放的城市運(yùn)行生態(tài)。城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化指的是數(shù)字孿生城市用數(shù)字化的方式來定義城市功能，同時(shí)以軟件的方式模擬物理城市中人、 事、物在真實(shí)環(huán)境下的行為，對(duì)城市功能進(jìn)行定義。城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化指的是實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成虛擬城市在信息維度上對(duì)實(shí)體城市的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。城市管理決策協(xié)同化和智能化指的是通過“大腦”的思維、判斷和決策，立體感知城市出現(xiàn)的狀況，對(duì)物理世界的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，選擇最優(yōu)化的方案，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行指引和優(yōu)化。

數(shù)字化改革同數(shù)字孿生城市發(fā)展彼此影響、緊密關(guān)聯(lián)。數(shù)字化改革將從政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面影響數(shù)字孿生城市。其中，政策環(huán)境為數(shù)字孿生提供方向指引，信息技術(shù)為數(shù)字孿生提供關(guān)鍵支撐，數(shù)字經(jīng)濟(jì)為數(shù)字孿生提供產(chǎn)業(yè)生態(tài)，社會(huì)需求為數(shù)字孿生提供發(fā)展機(jī)遇，信息科技帶來城市時(shí)空壓縮，虛擬世界的作用力不斷增強(qiáng)。數(shù)字孿生技術(shù)則助力治理理念、流程、模式的變革，首先，“交互映射”助力治理問題情境化；其次，“暴力算法”助力治理方式智能化；再次，“多方協(xié)同”助力治理流程精簡(jiǎn)化；最后，“開放平臺(tái)”助力治理主體多元化。

（三）核心技術(shù)要素

數(shù)字孿生城市的核心技術(shù)要素主要包括六大方面：一是新型測(cè)繪，通過三維激光掃描、實(shí)景三維重建、激光點(diǎn)三維構(gòu)建、多源數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地理空間信息要素的快速采集，實(shí)現(xiàn)全息、高清、高精的結(jié)構(gòu)化實(shí)體和城市數(shù)字空間；二是標(biāo)識(shí)感知，通過各種傳感器、射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，實(shí)時(shí)“讀寫”真實(shí)城市；三是協(xié)同計(jì)算，主要通過在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)需求統(tǒng)籌部署調(diào)度云計(jì)算和邊緣計(jì)算資源，建立虛擬一體機(jī)計(jì)算資源池，實(shí)現(xiàn)從終端到中心的“云-邊-端”無縫協(xié)同計(jì)算，并推動(dòng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)優(yōu)化的閉環(huán)；四是全要素表達(dá)，即將城市物理實(shí)體的三維模型表達(dá)，通過空天、地面、地下、水下的不同層面和不同級(jí)別的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合新型測(cè)繪技術(shù)，對(duì)城市進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化和語義化建模，最終構(gòu)建出涵蓋建筑、交通、植被、水系、城市設(shè)施、管線等全要素地理實(shí)體類型；五是模擬仿真，基于面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)、智能仿真技術(shù)、分布交互仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，在數(shù)字空間中通過數(shù)據(jù)建模、事態(tài)擬合，進(jìn)行某些特定事件的評(píng)估、計(jì)算、推演；六是深度學(xué)習(xí)，包括計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、生物特征識(shí)別、知識(shí)圖譜等核心應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)城市數(shù)據(jù)信息的可看、可讀、可感以及自我學(xué)習(xí)。

二、寧波市數(shù)字孿生城市建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

寧波市數(shù)字化改革背景下推進(jìn)數(shù)字孿生城市在理念創(chuàng)新、體制機(jī)制、發(fā)展基礎(chǔ)等方面較有優(yōu)勢(shì)，在理念方面，寧波市是全國(guó)率先提出建設(shè)智慧城市的城市，足見其理念的超前性，同時(shí)也與時(shí)俱進(jìn)地提出新型智慧城市、數(shù)字政府、城市大腦、數(shù)字孿生等新舉措。在體制機(jī)制方面，2019年機(jī)構(gòu)改革方案中，寧波市重組了大數(shù)據(jù)發(fā)展管理局，是推進(jìn)全市大數(shù)據(jù)工作、政府?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)、數(shù)據(jù)資源管理的主要機(jī)構(gòu)；發(fā)布的《公共數(shù)據(jù)管理辦法》也為匯聚數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)提供了制度保障。在發(fā)展基礎(chǔ)方面，寧波市經(jīng)過多年智慧城市的建設(shè)應(yīng)用，已積累沉淀了較多的數(shù)據(jù)資源，各領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)也相對(duì)成熟，這為數(shù)字孿生應(yīng)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，寧波市無線城市和網(wǎng)絡(luò)融合建設(shè)水平一直走在全國(guó)前列，先行探索的5G網(wǎng)絡(luò)也取得了較大進(jìn)展，這為數(shù)字孿生融合應(yīng)用奠定了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

寧波市數(shù)字孿生城市同標(biāo)桿地區(qū)相比，尚存在不足之處：第一，寧波市數(shù)字孿生城市處于起步階段，建設(shè)落地尚在摸索階段，尚未形成具有寧波特色的“口碑應(yīng)用”。第二，數(shù)字化改革落地應(yīng)用的廣度和深度均略顯不足。在廣度方面，新技術(shù)尚沒有覆蓋到城市建設(shè)的方方面面；在深度方面，新技術(shù)更多的還是技術(shù)工具使用，尚沒有涉及到思維、理念及模式上的融合。第三，數(shù)字化改革尚未同數(shù)字孿生城市產(chǎn)生有效的融合互動(dòng)，彼此相對(duì)獨(dú)立。

三、寧波市數(shù)字孿生城市創(chuàng)新發(fā)展思考與建議

依托寧波市“城市大腦”現(xiàn)有平臺(tái)基礎(chǔ)，積極探索開發(fā)“數(shù)字孿生”應(yīng)用場(chǎng)景，以“微單元”孿生化為基礎(chǔ)，以能力樞紐的平臺(tái)化為支撐，以數(shù)據(jù)融合流通為主線，賦能應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)戰(zhàn)效能，健全孿生建設(shè)機(jī)制，試點(diǎn)搭建數(shù)字孿生體，支撐物理世界城市難題“一眼明”、城市治理“一盤棋”，驅(qū)動(dòng)城市治理秩序持續(xù)優(yōu)化。

其中，發(fā)展基礎(chǔ)方面的“‘微單元’孿生化”，主要指通過城市運(yùn)行實(shí)時(shí)采集物聯(lián)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市要素全面AIoT化，并建立起數(shù)字化基層治理最小單元“感知終端”；發(fā)展支撐方面的“能力中樞平臺(tái)化”，即建立完善“數(shù)字孿生”的數(shù)字底座，通過提供公共技術(shù)組件、公共業(yè)務(wù)組件、共性開發(fā)資源等，為市各項(xiàng)數(shù)字應(yīng)用提供“平臺(tái)支撐”；發(fā)展主線方面的“數(shù)據(jù)資源流動(dòng)化”，主要指推進(jìn)數(shù)字孿生城市體系層級(jí)間的數(shù)據(jù)流動(dòng)，構(gòu)建起“數(shù)據(jù)→平臺(tái)→微單元→應(yīng)用”自下而上的匯聚體系，以及自上而下的反哺體系，形成以數(shù)據(jù)為支撐的治理能力；發(fā)展核心方面的“孿生應(yīng)用場(chǎng)景化”，即聚焦民生服務(wù)、城市治理、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，結(jié)合寧波市已有基礎(chǔ)，試點(diǎn)搭建數(shù)字孿生應(yīng)用，以場(chǎng)景為突破口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生城市內(nèi)部以及不同城市孿生體之間的協(xié)同“共智”，最終達(dá)到理想狀態(tài)。

在數(shù)字化改革背景下建設(shè)和發(fā)展數(shù)字孿生城市，其關(guān)鍵在于凸顯理念創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)城市思維定勢(shì)；重塑數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，形成以問題為中心的協(xié)同工作機(jī)制；建立數(shù)據(jù)思維方式，重新理解和構(gòu)建數(shù)字空間與城市空間的數(shù)據(jù)關(guān)系。因此，寧波數(shù)字孿生城市建設(shè)可主要聚焦于四個(gè)方面：

一是強(qiáng)調(diào)技術(shù)賦能，夯實(shí)“數(shù)字孿生底座”支撐。部署“神經(jīng)元”感知終端，“全時(shí)段”讀寫真實(shí)城市。建設(shè)物聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施體系，實(shí)現(xiàn)城市要素全面AIoT化。推進(jìn)“塊數(shù)據(jù)”高效歸集，“全口徑”摸清城市底數(shù)。健全歸集標(biāo)準(zhǔn)，按照“一數(shù)一源、一源多用”的原則，制定完善重點(diǎn)領(lǐng)域公共數(shù)據(jù)專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。全量歸集“塊數(shù)據(jù)”，推動(dòng)全市各部門數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一向大數(shù)據(jù)中心匯集。升級(jí)“平臺(tái)化”能力中樞，“全要素”表達(dá)城市模型。完善共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺(tái)，匯聚數(shù)字孿生城市特有的場(chǎng)景服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、仿真服務(wù)、模型服務(wù)等能力，為應(yīng)用提供技術(shù)賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務(wù)支撐。探索“微單元”數(shù)字化轉(zhuǎn)型，“全方位”推演運(yùn)行態(tài)勢(shì)。精準(zhǔn)識(shí)別“微單元”，搭建“微單元”模型，繪制“微單元”數(shù)據(jù)圖譜，梳理邏輯關(guān)系，可視化運(yùn)行態(tài)勢(shì)，提供數(shù)據(jù)供給服務(wù)。

二是探索場(chǎng)景創(chuàng)新，拓展“數(shù)字孿生場(chǎng)景”應(yīng)用。推進(jìn)城市規(guī)劃應(yīng)用，實(shí)時(shí)仿真城市“前世今生”。構(gòu)建數(shù)字孿生城市模型，對(duì)城市規(guī)劃方案進(jìn)行模擬仿真和推演，從而選擇出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。推進(jìn)城市建設(shè)應(yīng)用，“全周期式”管理城市建筑體。全方位獲取建筑數(shù)據(jù)，搭建建筑孿生體，實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)建筑運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”。推進(jìn)城市管理應(yīng)用，“繡花針式”精細(xì)治理城市。為城市部件賦予“唯一身份證”，構(gòu)建“數(shù)字孿生生命體”。推行AI全域化執(zhí)法，實(shí)現(xiàn)街面案件自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)定位派遣，執(zhí)法隊(duì)員一點(diǎn)通查、掌上通辦。推進(jìn)文化旅游應(yīng)用，“虛實(shí)融合”打造旅游新體驗(yàn)。融合物聯(lián)感知、GIS、LBS、3D等多維數(shù)據(jù)，探索建立“虛擬景區(qū)”，實(shí)現(xiàn)“暢想云游”。

三是聚焦業(yè)務(wù)創(chuàng)新，賦能“數(shù)字孿生實(shí)戰(zhàn)”效能?！皩?shí)時(shí)映射”賦能發(fā)現(xiàn)能力，緊緊圍繞更早更準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)，在重點(diǎn)區(qū)域，試點(diǎn)搭建數(shù)字孿生體，對(duì)其進(jìn)行全要素的數(shù)字化表達(dá)，疊加感知、視頻、業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間和物理空間數(shù)據(jù)的一一映射，精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化、三維可視化展現(xiàn)事件發(fā)生點(diǎn)位、事件變化情況等。探索運(yùn)用數(shù)字孿生的模擬仿真推演能力，模擬特定環(huán)境/參數(shù)下的變化態(tài)勢(shì)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)“隱性”事件。“虛實(shí)結(jié)合”賦能指揮能力，以重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)單元，打造實(shí)景三維可視化指揮系統(tǒng)，在一張“全局三維實(shí)景圖”中，支持三維實(shí)景內(nèi)嵌視頻，實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面無縫嵌入三維背景，實(shí)現(xiàn)全區(qū)所有資源快速統(tǒng)一調(diào)配、可視化呈現(xiàn)、智能化應(yīng)用。針對(duì)人員尚無法進(jìn)入或還沒有物理實(shí)現(xiàn)的特殊空間，通過遠(yuǎn)程VR控制以及AR方式，實(shí)現(xiàn)跨終端的人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)控制終端的操作，完成虛實(shí)信息融合和控制融合?！爸悄芨深A(yù)”賦能決策能力，運(yùn)用孿生數(shù)學(xué)模型，探索城市規(guī)劃設(shè)計(jì)推演、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整效果評(píng)估、綜合交通態(tài)勢(shì)仿真推算、人群疏散推演等，為管理方案和設(shè)計(jì)方案及時(shí)提供反饋參考。

四是變革體制機(jī)制，固化數(shù)字孿生建設(shè)流程。分步驟分領(lǐng)域推進(jìn)，考慮到數(shù)字孿生城市建設(shè)的資金成本、技術(shù)成熟度等因素，寧波市可試點(diǎn)推進(jìn)、持續(xù)迭代，從局部區(qū)域選擇城市規(guī)劃、交通等領(lǐng)域率先切入。健全組織架構(gòu)體系，由大數(shù)據(jù)管理部門牽頭，從各部門抽調(diào)人員，組成數(shù)字孿生場(chǎng)景建設(shè)專班，逐步明確各業(yè)務(wù)部門和市大數(shù)據(jù)發(fā)展管理局的職責(zé)邊界。規(guī)范場(chǎng)景項(xiàng)目管理，實(shí)行“統(tǒng)籌建設(shè)、管運(yùn)協(xié)同、縱橫聯(lián)動(dòng)、權(quán)責(zé)清晰”的管理機(jī)制，明確“數(shù)字孿生”場(chǎng)景建設(shè)流程規(guī)范，細(xì)化“提出需求→確認(rèn)需求→設(shè)計(jì)場(chǎng)景→開發(fā)場(chǎng)景→場(chǎng)景迭代”全流程管理細(xì)則。建立健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加快確定城市信息模型標(biāo)準(zhǔn)，完善多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立城市級(jí)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。