依托数字孪生推动城市治理(lǐ)数字化转型

“十四五”规划纲要中(zhōng)明确指出，要迎接数字时代，激活数据要素潜能(néng)，推进网络强國(guó)建设，加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整體(tǐ)驱动生产(chǎn)方式、生活方式和治理(lǐ)方式变革。数字孪生作(zuò)為(wèi)数字化技(jì )术发展的高级阶段，成為(wèi)推动城市治理(lǐ)数字化转型的重要组成部分(fēn)。近年来，北京、上海、广东、浙江等多(duō)个省市已经探索数字孪生推动城市治理(lǐ)数字化转型的相关实践。如何更好地依托数字孪生推动城市治理(lǐ)数字化转型，不仅需要在技(jì )术上不断突破，而且在提升城市治理(lǐ)能(néng)力及治理(lǐ)效果的实现路径方面也亟待探讨和研究。

瓶颈：数字孪生推动城市治理(lǐ)存在诸多(duō)问题

当前，数字孪生城市已经进入了基础建设期，以数字孪生赋能(néng)城市治理(lǐ)的建设内容和建设方向逐渐明晰，但从综合建设情况来看，仍面临着平台搭建、数据利用(yòng)、场景应用(yòng)、标准體(tǐ)系、运行體(tǐ)系等方面的困境与问题。

顶层设计与落地实施存在脱节。数字孪生城市的最终目标是实现物(wù)理(lǐ)世界全域的精(jīng)准映射，因此，需要站在城市级视角进行筹划，以全局性的思维主导整个建设过程。但是，由于一般的信息化项目涉及环节众多(duō)、参与主體(tǐ)复杂，因此在具(jù)體(tǐ)的实施过程中(zhōng)，往往容易陷入项目的围墙中(zhōng)，难以跳出各个环节站在整體(tǐ)层面对整个项目进行宏观把控，使得项目推进过程中(zhōng)存在需求上下不匹配、重要内容被忽略等情况，从需求分(fēn)析、功能(néng)设计到建设实施、竣工(gōng)验收、维护运营等环节难以实现精(jīng)准对接，造成了孤岛林立、烟囱拔起的局面，最终导致建设成果脱离规划内容，与愿景蓝图中(zhōng)的设想效果相去甚遠(yuǎn)。

建设主體(tǐ)多(duō)元造成系统难以互利互通。各类智能(néng)设施、物(wù)联感知设备是数字孪生城市建设的重要基础，是连接物(wù)理(lǐ)世界和数字世界的重要桥梁，但由于涉及的行业主體(tǐ)众多(duō)，供应商(shāng)数量庞大，厂商(shāng)出于对自身利益的考虑以及受应用(yòng)场景特征要求的影响，将不可(kě)避免地造成各种设备设施产(chǎn)品类型繁杂、系统互利互通难度大、数据类型多(duō)，在推进数字孪生城市建设的过程中(zhōng)，既需要对各方提供的多(duō)源异构数据进行统一治理(lǐ)和动态融合，也需要对不同行业知识进行语义分(fēn)析并完成高效匹配，这对于存在海量数据治理(lǐ)和交互需求的数字孪生城市而言，无疑是一项巨大的挑战。

赋能(néng)城市治理(lǐ)高价值应用(yòng)场景尚未实现。应用(yòng)场景是数字孪生城市建设价值的直接體(tǐ)现，是用(yòng)户感受数字孪生城市建设成果的直接触点。目前，很(hěn)多(duō)城市都在加快数字孪生应用(yòng)场景的探索，但尚未形成具(jù)备全局性谋划、面向長(cháng)遠(yuǎn)发展考量的应用(yòng)场景體(tǐ)系，还未涌现出彰显时代特征、与治理(lǐ)问题紧密结合的高价值应用(yòng)场景，数字孪生应用(yòng)场景的主要工(gōng)作(zuò)仍是针对静态实體(tǐ)的建模渲染，还没有(yǒu)充分(fēn)发挥数字孪生技(jì )术的虚实互动、智能(néng)操控、科(kē)學(xué)决策等特点优势。此外，由于建设主體(tǐ)的特性影响，场景的开发仍由供给侧进行主导，尚未实现需求导向下的数字孪生场景设计规划，导致应用(yòng)黏性不高，价值辐射范围有(yǒu)限。

数据融合技(jì )术集成等相关标准缺位。CIM平台是数字孪生城市建设的核心，但由于当前仍处于厂商(shāng)和机构独自建设的分(fēn)散局面，还没有(yǒu)在时空数据底层架构方面形成统一的表达，也未形成通用(yòng)性的时空数据标准，因此，对时空数据在GIS空间的坐(zuò)标转换、三维表达与实时融合造成了较大困难，进而也影响了编码體(tǐ)系的统一性，加大了时空编码与业務(wù)数据、时空数据关联的建立难度，使得多(duō)模态数据难以实现精(jīng)准融合。此外，因為(wèi)数字孪生城市的构建牵涉多(duō)个专业，而不同专业对于数据的采集或者建模软件不同，因此造成包括栅格数据、矢量数据、点云数据、模型数据等在内的数据格式不一致，使得多(duō)元数据在融合处理(lǐ)的过程中(zhōng)存在一定的困难，制约了数字孪生城市的建设进度和效能(néng)发挥。

治理(lǐ)层级之间整體(tǐ)协同力不强。当前，我國(guó)政府机构依旧采用(yòng)条块清晰划分(fēn)的形式对城市进行管理(lǐ)和服務(wù)，这在一定程度上能(néng)够快速实现专业力量的有(yǒu)效聚集，实现户籍、税收、信息化建设等独立性业務(wù)高效率、高质(zhì)量推进。但随着城镇化进程的加快，城市规模持续拓展、市民(mín)體(tǐ)量不断增大，城市发展面临着更加复杂的城市治理(lǐ)问题，诸如疫情防控、交通拥堵、看病难等问题的背后牵涉着许多(duō)关联性因素，单纯地采用(yòng)传统条線(xiàn)部门解决的方式已难以满足市民(mín)对于高品质(zhì)城市生活的需求。目前，治理(lǐ)层级之间还未打破部门、地域、层级的界限，跨部门、跨层级、跨地域的联勤联动机制尚未理(lǐ)顺，数据尚未实现无障碍流转，一體(tǐ)化指挥體(tǐ)系和处置队伍尚未实现真正建立，数字孪生底座难以建立数据协同、技(jì )术协同、业務(wù)协同能(néng)力以赋能(néng)城市治理(lǐ)，同时也制约了其数据价值激发、共性支撑能(néng)力的发挥。

优化：以数字孪生推动城市治理(lǐ)数字化转型

加强顶层设计与统筹规划，树立全生命周期治理(lǐ)思维，开展全过程咨询谋划。数字孪生城市作(zuò)為(wèi)一项系统性、長(cháng)期性工(gōng)程，面临着复杂的技(jì )术、管理(lǐ)问题，為(wèi)了避免因环节脱节导致的建设推进困难、建设成效不满意，需要将全生命周期的治理(lǐ)思维纳入整个建设过程中(zhōng)，以全过程的咨询管理(lǐ)作(zuò)為(wèi)重要抓手，解决项目建设的“碎片化”问题，為(wèi)整个项目推进提供综合性、一體(tǐ)化的支撑。為(wèi)了进一步促进数字孪生城市建设发展，建议加快全过程工(gōng)程咨询能(néng)力的培育和运用(yòng)，围绕前期研究和决策、项目实施、运营等维度，结合學(xué)科(kē)理(lǐ)论知识、建设实践经验，构建覆盖设计规划、组织、管理(lǐ)、经济、技(jì )术等服務(wù)能(néng)力的全过程工(gōng)程咨询服務(wù)，為(wèi)数字孪生城市从前期的规划设计、投资策划、可(kě)研分(fēn)析、工(gōng)程设计、采購(gòu)与招投标、工(gōng)程监理(lǐ)到竣工(gōng)验收、绩效评价、维护运营等提供全生命周期的服務(wù)保障，确保信息流不被切断，有(yǒu)助于缩短数字孪生城市的建设周期、降低成本投入、提高工(gōng)程品质(zhì)、确保建设进度以及防范项目风险。

夯实基础，制定数字孪生城市治理(lǐ)领域规范和开展技(jì )术服務(wù)认证。组织行业内专家、企业、第三方机构等力量，科(kē)學(xué)梳理(lǐ)数字孪生城市建设相关的技(jì )术、业務(wù)、数据、实施等需求，协同研究和制定数字孪生城市治理(lǐ)领域相关技(jì )术服務(wù)规范。為(wèi)进一步落实國(guó)家关于全面实施质(zhì)量强國(guó)战略的要求，通过构建统一管理(lǐ)、共同实施、权威公(gōng)信、通用(yòng)互认的数字孪生城市领域质(zhì)量认证體(tǐ)系，强化对数字孪生城市质(zhì)量认证體(tǐ)系建设的统筹规划和顶层设计，完善质(zhì)量信号传导反馈机制，促进供需对接和结构优化，推动数字孪生城市建设进入质(zhì)量时代。推动信息技(jì )术行业认证机构率先行动，建立数字孪生城市治理(lǐ)领域质(zhì)量认证规范，探索开展第三方技(jì )术服務(wù)认证，形成示范性标杆，带动行业整體(tǐ)发展，不断优化行业发展环境。

开展全链条产(chǎn)业协作(zuò)，打造数字孪生城市治理(lǐ)整體(tǐ)解决方案。面对需求庞大、高度复杂的城市治理(lǐ)问题，要实现以数字孪生城市赋能(néng)城市治理(lǐ)效能(néng)提升，必须依靠一个发展强劲的产(chǎn)业生态，為(wèi)数字孪生的可(kě)持续迭代演进、城市治理(lǐ)能(néng)力的不断升级提供不竭的技(jì )术支撑、创新(xīn)支持。数字孪生城市的建设需要物(wù)联感知操控、全要素数字化表达、可(kě)视化呈现、数据融合供给、空间分(fēn)析计算、模拟仿真推演、虚实融合互动、自學(xué)习自优化等能(néng)力加持，因此需要围绕以上能(néng)力，协同多(duō)方力量开展全链条的产(chǎn)业协作(zuò)，协同攻关关键技(jì )术，实现内生安(ān)全环境下的自主创新(xīn)。需要重点发挥数字孪生领域龙头企业的示范带动作(zuò)用(yòng)以及行业协会和科(kē)研机构的纽带连接作(zuò)用(yòng)，加快构建以市场為(wèi)导向、企业為(wèi)主體(tǐ)、产(chǎn)學(xué)研相结合的技(jì )术创新(xīn)體(tǐ)系，围绕技(jì )术、标准、战略等开展协作(zuò)。构建高水平的数字孪生城市公(gōng)共服務(wù)平台，為(wèi)企业提供主动化、精(jīng)准化、一體(tǐ)化、全过程的企业服務(wù)，引导产(chǎn)业链上下游基于平台实现集聚发展，為(wèi)中(zhōng)小(xiǎo)企业的创新(xīn)孵化、培育壮大提供良好的产(chǎn)业氛围和支撑扶持，加快形成一批独角兽企业、领军企业，加速推动数据、技(jì )术、人才等创新(xīn)要素集聚，进而赋能(néng)企业推出更多(duō)优质(zhì)的工(gōng)具(jù)、产(chǎn)品和场景，打造综合性强、覆盖领域广的整體(tǐ)解决方案，支撑数字孪生城市可(kě)持续迭代创新(xīn)发展。

坚持需求牵引，以小(xiǎo)切口应用(yòng)探索高价值城市治理(lǐ)应用(yòng)场景。数字孪生城市的建设涉及多(duō)个部门和行业，难以采取全域全面推进的建设策略。因此，可(kě)率先从传统管理(lǐ)手段难以有(yǒu)效管理(lǐ)的领域入手，如地下空间治理(lǐ)、危险品管控等问题，以及其他(tā)人工(gōng)操控难度大、问题复杂程度高、系统难以预见发现、因果关系难以梳理(lǐ)的场景切入，由点及面逐步拓宽数字孪生的应用(yòng)范围。一方面，充分(fēn)利用(yòng)學(xué)校、社區(qū)、园區(qū)等封闭性小(xiǎo)单元在数据协调、管理(lǐ)机制、建设成本方面的优势，将它们作(zuò)為(wèi)数字孪生城市建设的切入口开展试点，逐步将价值性高、可(kě)操作(zuò)性强的建设成果向更大范围复制推广，逐步实现城市空、天、地、海全域的全面孪生化。另一方面，基于城市不同區(qū)域的数据基础和技(jì )术能(néng)力的成熟度，综合考虑数据的类型、颗粒度、实效性，以及数据治理(lǐ)、数据集成、模拟仿真、环境渲染等因素，形成精(jīng)度不同的高、低多(duō)种配置版本，為(wèi)管理(lǐ)者提供多(duō)元化的选择。此外，為(wèi)提高数字孪生城市的建设效率，从规划、建设和治理(lǐ)相关业務(wù)部门的需求出发，基于统一的数字孪生平台，统筹构建数字孪生应用(yòng)體(tǐ)系，為(wèi)城市业務(wù)提供多(duō)样化的服務(wù)。

以成效评价為(wèi)抓手，形成長(cháng)效持续运营模式。為(wèi)了进一步增强数字孪生城市底座对于上层应用(yòng)的支撑能(néng)力，确保数据、模型、工(gōng)具(jù)等能(néng)够匹配业務(wù)应用(yòng)需求，避免因盲目追求新(xīn)技(jì )术、新(xīn)理(lǐ)念导致的重复建设、资源浪费，建议围绕实际业務(wù)特征和需求，系统梳理(lǐ)数字孪生城市底座能(néng)力建设需求，通过构建成效评价机制用(yòng)于验证业務(wù)建设成果是否满足建设要求，推动底座能(néng)力与应用(yòng)融合互促，力争通过最少的投入获得最高的效益回报。此外，随着新(xīn)技(jì )术广泛融入社会生活的方方面面，城市主體(tǐ)的需求亦随之向更多(duō)元化、更高品质(zhì)发展，新(xīn)的治理(lǐ)需求、服務(wù)需求更迭出现。数字孪生城市建设的最终指向在于服務(wù)城市主體(tǐ)的发展需求。為(wèi)了适应这种动态发展的需求演进过程，城市必须联合多(duō)方力量参与城市的智慧化演进，推动数据处理(lǐ)、地理(lǐ)信息、算法模型等领域能(néng)力和资源注入数字孪生城市建设，迅速建立起可(kě)持续的長(cháng)效运营管理(lǐ)机制，让各方参与者在服務(wù)城市发展的同时，可(kě)以各取所需。

关键概念

数字孪生的定义及关键要素

随着大数据、云计算、人工(gōng)智能(néng)、物(wù)联网等新(xīn)一代信息技(jì )术迅猛发展和融合运用(yòng)，数字孪生技(jì )术愈发获得关注，应用(yòng)对象由最初的制造业转向更為(wèi)广阔的空间，在医(yī)疗、交通、安(ān)全等城市运行领域开展了应用(yòng)探索。数字孪生的理(lǐ)念最早由Grieves教授于2002年在美國(guó)密歇根大學(xué)提出，随后，NASA在2012年首次提出“数字孪生”的概念。目前，数字孪生还没有(yǒu)形成明确的定义，一般认為(wèi)，数字孪生通过多(duō)时空尺度、多(duō)物(wù)理(lǐ)量、多(duō)學(xué)科(kē)的仿真过程集成，实现物(wù)理(lǐ)实體(tǐ)在虚拟信息空间的全生命过程镜像映射。

数字孪生主要包括数据、虚拟现实、人工(gōng)智能(néng)、应用(yòng)场景4个关键要素。数据是数字孪生建设的基础要素。数据是构建数字孪生空间的基础资料，是连接物(wù)联空间与数字空间，实现物(wù)理(lǐ)空间向数字空间一一映射、数字空间对物(wù)理(lǐ)空间进行模拟仿真的必要资源。从广义层面来理(lǐ)解，数字孪生属于大数据涵盖的范畴，但更聚焦在数据应用(yòng)层面，主要包括数据建模、数据分(fēn)析，即通过数据分(fēn)析应用(yòng)辅助物(wù)理(lǐ)世界决策更加科(kē)學(xué)。虚拟现实是数字孪生的重要特征。虚拟现实技(jì )术依托计算机仿真系统，通过為(wèi)用(yòng)户创建一个近乎真实的模拟环境，提供高度沉浸式的體(tǐ)验感受。在数字孪生空间的建设中(zhōng)，虚拟现实技(jì )术基于现有(yǒu)数据，参照物(wù)理(lǐ)空间的各种元素，在数字空间中(zhōng)“复刻”一个虚拟化的孪生體(tǐ)，形成各种可(kě)看、可(kě)控、可(kě)互动、可(kě)感受的虚拟化场景。人工(gōng)智能(néng)是数字孪生价值实现的关键。数字孪生建设的最终目的是规避物(wù)理(lǐ)世界中(zhōng)存在的风险，提供更好的决策指导。所以，构建分(fēn)析与预测能(néng)力是数字孪生建设的重要价值导向。机器學(xué)习、深度學(xué)习等人工(gōng)智能(néng)技(jì )术可(kě)以通过数据分(fēn)析对结果进行预测，并基于用(yòng)户的个性化需求给予相关的建议指导。因此，可(kě)以将人工(gōng)智能(néng)技(jì )术视為(wèi)实现数字孪生目标价值的最佳工(gōng)具(jù)。应用(yòng)场景是牵引数字孪生的驱动力量。数字孪生的精(jīng)准映射、虚实交互等特征，决定了其建设的所有(yǒu)实體(tǐ)场景都将在数字空间得到虚拟映射，基于两个空间场景交互能(néng)力，通过对数字场景的预警推演，倒逼物(wù)理(lǐ)实體(tǐ)场景优化进阶，不断提高数字孪生的实战水平与实用(yòng)能(néng)力。

数字孪生城市治理(lǐ)技(jì )术支撑

数字孪生技(jì )术在城市治理(lǐ)领域的应用(yòng)探索，驱动城市治理(lǐ)的主战场由物(wù)理(lǐ)空间向数字平台全面转化，通过数字城市与物(wù)理(lǐ)城市的实时映射与虚实交互，形成数字与物(wù)理(lǐ)的系统耦合，打造双螺旋式的上升模式，让城市治理(lǐ)逐步向可(kě)视化、智能(néng)化、精(jīng)准化、互动化发展，推动治理(lǐ)更加高效、流程更加精(jīng)简、决策更加科(kē)學(xué)。

数字孪生城市的技(jì )术體(tǐ)系较為(wèi)复杂，基本融合了当下所有(yǒu)的信息通信技(jì )术。总體(tǐ)来看，其技(jì )术框架主要包括三个部分(fēn)。一是基础设施层，用(yòng)于数据获取与传输，主要包括运用(yòng)BIM、CAD、GIS、RS等技(jì )术，对地面、地下、建筑等城市基础空间的静态信息进行采集；利用(yòng)传感器、摄像头等多(duō)种智能(néng)感知设备，对城市运行中(zhōng)的道路交通、能(néng)源使用(yòng)、应急事件等动态信息进行采集；布局5G、光纤、NB-IoT等构建形成泛在高速的城市网络體(tǐ)系，对海量数据进行及时传输。二是信息中(zhōng)枢层，用(yòng)于数据接收、处理(lǐ)、传导、建模，主要包括数据管理(lǐ)平台，对全域范围内不同来源、不同类型的多(duō)源异构全量数据进行汇聚集成，并通过数据流的方式，将治理(lǐ)好的数据传输到数字孪生城市模型平台，经三维建模、数据呈现、综合渲染后，实现对城市状态的可(kě)视化表达。三是应用(yòng)服務(wù)层，赋能(néng)实际业務(wù)场景应用(yòng)，主要包括建立智能(néng)操控體(tǐ)系，对智能(néng)化的市政基础设施、交通设施等进行遠(yuǎn)程化操控；运用(yòng)自然语言处理(lǐ)、机器學(xué)习、知识图谱、计算机视觉等人工(gōng)智能(néng)技(jì )术对城市运行状态、运行规律进行整體(tǐ)认知和洞察，生成最佳决策辅助城市规划、建设和管理(lǐ)。从技(jì )术支撑情况来看，数字孪生城市的建设主要依靠五大技(jì )术簇相互集成，包括感知和标识技(jì )术、空间地理(lǐ)信息技(jì )术、建模与渲染技(jì )术、算法与仿真技(jì )术、交互与控制技(jì )术。