当今世界，超过半数的人口居住在城镇地区，伴随城市化率快速增长，城市在满足城镇人口住房、基础设施、交通、能源需求方面面临巨大挑战，亟需新的思路与方法。城市转型与可持续发展的目的是实现人与自然世代共同繁荣。这需要将城 市发展的重点从创造建筑环境转移到改善城市建设的成果一城市必须造福于人和地方发展。为实现这一目标，城市的系统必须协同起来，因为城市是由相互连接的资产和网络组成的复杂系统。城市是“系统的系统”，是复杂巨系统的典型代表。
目前数字孪生城市已经在新加坡、中国雄安等地落地实践，有效提升了城市公共服务与管理水平，助力更便捷、高效地提供城市服务，促进更立体、精细地治理城市。但是，数字孪生城市目前仍然处于探索期，面临认识不一、技术不成熟、商 业模式不清晰等诸多挑战，亟需产学研用各方充分探讨，逐步对数字孪生城市内涵、架构等达成共识，分享最佳实践经 验，助力数字孪生城市有序发展。
本期的智能内参，我们推荐世界经济论坛的报告《数字孪生城市：框架与全球实践》，提出了数字孪生城市4大技术特征，3大发展愿景，深入分析了驱动数字孪生城市发展的9大关键要素，并针对当前挑战，提出了高质量建设数字孪生城市的思路建议。
来源 世界经济论坛
原标题：
《数字孪生城市：框架与全球实践》
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一、四大技术特征，数字孪生技术为城市带来巨大价值
数字孪生城市基本具备4个典型的技术特征， 即物理城市与数字城市的精准映射、数字城市的深度洞察、数字城市与物理城市的虚实交互、数字城市对物理城市的智能干预。
基于数字孪生城市运行机理的技术特征
物理城市与数字城市的精准映射，通过利用物联网技术(loT)、地理信息系统技术(GIS)、智能建筑模型技术(BIM) 等，数字孪生城市可以分层次、分尺度呈现出物理城市运行的全貌，包括城市建筑物、交通道路、植被、水系、城市部件、 管线等全要素静态地理实体，以及人、车辆、终端、各类组织等城市动态变化的各类主体。
数字城市的分析洞察：在数字空间中，基于物理城市采集数据的汇聚整合， 可以分析城市拥堵情况、楼宇能耗情况、 规划是否合理、地下管线是否需要维修等，洞察城市运行风险，并以数字化模拟的方式呈现出真实场景效果，用户可以通过修改信号灯配时、控制高耗电设施、改变规划选址等，制定策略举措，以改善城市运行状态。
数字城市与物理城市的虚实融合：物理城市在数字空间中得以丰富、延展、扩大，例如城市管理者可以基于数字平台界面与物理城市互动，搜索实体和框选统计便城市规划者调节建筑物的位置、高度、 形状，为居民创造一个更舒适、更凉爽的 环境。此外，平台还可以随时叠加噪声图、能源消耗热力图等，进行分析模拟计算，指定改善环境的措施。
字城市对物理城市的智能干预：在数字空间中，数字孪生城市平台可以实时呈现城市运行状态，一旦物理城市出现事故、灾害等警报，城市管理者可以快速地决策部署相应对策予，此外，也可以通过深度学习、模拟仿真来预测城市可能发生的问题或风险，加以预防，以降低财产损 失，保障人民安全。
数字孪生有助于促进城市降本增效， 提高城市活力。一是提升企业盈利能力， 数字孪生技术允许同时运行“如果”和 “最好”场景，以确定可实现利润最大化的可用策略。二是优化资源配置，对要素配置、加工、流通等关键环节进行智能化分析，并通过政策调控使资源更加高效合 理利用，据预测，到2024年，超过25%的 新建loT业务应用将绑定采用数字孪生功能 ；三是降低城市创新成本，数字孪生城市 模型可以作为一种云服务供企业和市民使用，提高城市创新活力。
数字孪生有助于显著改善居民生活， 提升城市包容性。一是提升市民生活幸福 感，通过虚实融合、情景交融的数字孪生医院、数字孪生课堂、数字孪生养老院等，可以对服务个体全程、全时、全景个性化跟踪服务，优化服务体验。二是保障人身安全，提升城市运行安全性和可靠性，数字孪生城市可以模拟资产、设备性能，用于预测故障和规避风险，有利于保障居民生活安全。三是数字孪生城市平台为老人、儿童等各年龄段社会公众提供可视化、立体化服务，显著降低数字孪生服 务门槛，实现公众共享数字化红利。
数字孪生有助于不断优化生态环境， 提高城市韧性。一是降低城市能源成本， 助力城市应对气候变化，据调查，德国一个虚拟电厂项目，每年可为园区减少630吨的CO2排放，降低园区能耗总成本4.2%。 二是优化生态布局，专家或城市管理者可以在数字空间评估多个城市规划方案或策略建议，实时计算评估生态环境指标，选出取最优方案。
据预测，到2030年，数字孪生技术的应用将为 城市规划、建设、运营节省成本达到2800 亿美元市场规模方面，2020年全球数字孪生市场规模为31亿美元，预计全球数字孪生市场将以58%的复合年增长率增长， 到2026年将达到482亿美元。
全球数字孪生市场规模预测
中国数字孪生城市建设市场活跃。据统计，2020年中国新型智慧城市投资总规模约为2.4万亿元人民币，特别是近年来中国城市信息模型（CIM）建设项目呈现出逐年快速增长趋势，项目数量从2018年 2项增长至2021年72项（截至2021年9 月），投资总量也随着项目数量逐年攀升。2021年8月，世界经济论坛与中国信息通信研究院联合征集数字孪生城市案 例，据本项目案例统计，千万人民币级投资项目占一半以上，百万人民币以上级别投资项目达到89%，项目平均投资达到 2800万元人民币。
中国城市信息模型项目数量年度分布
二、“4+5框架”，数字孪生城市的关键要素
结合全球数字孪生研究观点以及数字孪生城市案例实际，数字孪生城市建设主要涵盖9大要素，呈现“4+5”要素框架， 包含4大内部要素，即基础设施、数据资源、平台能力、应用场景，以及5大外部要素，即战略与机制、利益相关方、资金与商业模式、标准与评估、网络安全。
数字孪生城市关键要素架构
数字孪生城市要素视图
信息基础设施成为数字孪生城市的数据底座。物联感知设施和城市级物联网平 台是感知城市运行状况的触手，也为城市部件远程控制提供了入口。数字孪生海量数据汇聚和实时数据处理的需求，向城市云网资源提出了更高要求，5G网络、窄带泛在感知网、全光网络等网络设施为万物互联提供通道，多级数据存储中心、云数据中心满足全域全量数据存储的需要，高性能计算、分布式计算、AI计算、云计算以及边缘计算等先进计算设施为数字孪生提供高效可靠的算力保障。
数字孪生城市建设需要一个城市级平台支撑，为数字孪生城市提供统一对话界面、操作系统和开发土壤。城市级平台是数字孪生城市承上启下的核心枢纽，平台向下连接各类基础设施，汇聚了城市运行、城市部件等多源数据。
平台向上为各类应用开发提供了低成本、可接入、全要素的开发平台，显著降低政府和企业开发成本，同时，平台提供了数字孪生仿真推 演、空间运算等多种技术能力，为企业开发数字孪生应用、市民享受虚实融合服务提供多维度能力支撑。
数字双城的建筑元素
数字孪生城市应用已经渗透到城市生产、生活、生态等诸多领域。应用场景是数字孪生城市的活力之源。如通过数字孪生模拟光照和阴影强度，优化路灯明暗程度，使城市照明在安全性和节能性方面达到平衡，实现宜居低碳；通过数字孪生技 术实现能源精细化利用和运维、碳轨迹追踪，助力实现碳中和。同时数字孪生技术可以实现对城市人、地、物的整体感知和推演，帮助城市进行全面系统、合理预判的规划设计，避免“拆了建” “建了拆”，实现“一张蓝图建到底”。
数字拳生城市项目中应用占比情况
战略与机制的制定将优化数字孪生城市的政策环境，推动数字孪生城市规范、有序、健康发展。战略与机制主要包含国家、区域、城市等不同层级的信息化战略、规划、实施方案、行动计划，促进数字孪生相关产业发展范数字孪生发展的治理原则、伦理规范等。 截至2021年6月底，中国、德国、美国、英国等主要经济体均出台国家政策，推动数字孪生技术研究、建设和应用；中国上海、浙 江等多个省份和城市出台相关政策探索建设数字孪生城市。
三、三大挑战，数字孪生城市任重道远
1、科学认识与价值认知的挑战
产业和社会缺乏对数字孪生城市客观理性的认识。数字孪生城市尚处于探索阶段， 其整体成熟度、技术综合性、理论创新性等依然处于发展演进过程中。如果依赖单一技术视角，容易形成类似盲人摸象的片面理解。例如，过度倚重城市的立体化三维建模、对城市部件的可视化呈现，而同等重要甚至更能凸显数字孪生特性的模拟仿真推演、虚实融合互动等未能得到相应重视，数字孪生城市出现“跛脚”发展。
依赖可视化建模林而忽略仿真推演与优化现实的最终价值。数字孪生城市的发展与成熟，不仅由供给决定，更要关注本质需求。部分城市在推进数字孪生城市建设中， 过于注重通过高精尖技术对“一山一石”“一城一景“的精细化复现，缺乏对应用需求与目标的深入分析，导致数字孪生技术城市规划、建设、管理、服务等业务脱节，造成数字孪生技术沦为华而不实的“花瓶“。 短期内，城市影像逼真呈现对城市名片打造具有一定现实意义，但中长期看，随着技术演进和投入持续增加，这种认知模式无法挖掘释放数字孪生城市把控时空、精细管控的核心价值。
2、数据治理与隐私安全的挑战
城市物联感知数据采集有限造成应用深度不足。数据的采集能力参差不齐，底层关键数据无法得到有效感知，多维度、 多尺度数据采集不一致，尤其loT等物联感知设施建设不均衡，将导致数字孪生城市发展呈现事前模型居多、模拟演示居多、 虚拟仿真居多，而在实时动态感知、城市空间尺度孪生互动的应用上深度不够。
城市多源异构数据规范化治理不足。 目前由于数字孪生城市正处于探索期，标准规范滞后于产业界实践。数字孪生城市七国八制、缺乏规范，更多依赖各厂商解决方案，系统互联互通性很差，没有相对统一的技术架构共识和数据加入标准，较 难实现多元异构数据的集成、融合和统一处理，进而造成数据质量不高、治理效能不足等弊端。
海量数据集中化处理导致数据安全和隐私泄露风险加大。数据来源点多面广， 数据存储与处理高度集中于城市智能中枢等中心化机构，可能在黑客入侵、安全攻击等网络风险下导致陷入城市运行瘫痪。 此外，数字孪生城市很多视频数据采集、 轨迹分析等涉及部分公民隐私，如果不能有效匿名化处理，设立合理权限管控数据，容易造成个人隐私滥用。
3、支撑资源与商业可持续性挑战
复合型人力资源不足。要准确完整理解数字孪生城市，认识并挖掘其实践路径和发展潜力，亟待综合城市管理、需求分 析、数字技术、算法模型等多方人才和团队，研究提炼科学理论问题，联合攻关共同发掘孪生虚实互动规律。目前，数字孪生城市主要以IT、测绘等专业从业者为主，对模型算法、业务分析等领域的复合人才需求量大，但人才队伍支撑不足。
城市内行业算法模型资源欠缺。数字孪生城市涉及多维多行业系统，在数据、模型和交互各环节，亟需行业领域的专业知识库和行业模型。目前除交通、建筑等领域有相对成熟的模型库外，很多城市治理领域缺乏互联互通的基础知识库和行业仿真模型，对数字孪生的深化发展造成一定障碍影响。
商业模式过渡依赖政府投入。数字孪生城市高昂的研究投入难以转化为实际应用收益，因此，政府成为数字孪生技术发展的主要资金来源。待数字孪生技术体系化成熟时，亟待吸引更大范畴的市民、机构等市场主体参与，创新数字孪生城市商业模式，形成风险共担、利益共享发展格局。
智东西认为，虽然数字孪生技术日趋成熟，但城市建设仍然面临诸多挑战，对其认识仍相对片面，对其价值认知尚不统一，海量数据汇聚增加了数字安全与隐私保护风险，复合型人才资源、行业知识资源有所欠缺，创新的商业模式等仍亟待深化等。
对数字挛生技术的认识、 理解、祛魅，对基于数字挛生治理框架下的摸索、探讨、共识，对应用场景的孵化、扶持、规范，这些都是长期而重要的工作，需要多利益相关方的通力合作，共同进步。