智慧城市建设的新起点：数字孪生城市

全球知名分析机构Gartner发布的2019年十大战略性技术趋势，这些趋势并非概念技术，而是已经有了决定性的突破，将发展成更广泛的应用，其高度波动性在未来五年内达到临界点。

这些趋势中包括人工智能、数字孪生、边缘计算、量子计算、沉浸式技术、区块链、智能空间等，同时这些技术之间的联系越来越紧密。由此可见数字孪生已成为当下最为热门概念，在建筑领域，BIM是创建和使用“数字孪生”的工具。

想象一个场景，一个全数字化的建筑样品，里面的每一个房间构造都是用户定制的，每一根管线的衔接都堪称完美，每一个构件都精确到毫米以下……按照样品数据预制构件，再工业化组装，然后诞生出一模一样的实体建筑，装满了传感器，自动采光、自动温控、自动调整灯光。

一、什么是数字孪生？

数字孪生的概念最早是由密西根大学的Michael Gneves教授在其2002年发表的一篇文章中提出的。目前，对于数字孪生的通用定义为：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

打个比方我们可以投影的方式来阐述：数字孪生比喻为“投影”，它通过仿真技术采集现实世界中物理模型的各种数据，通过这些数据在屏幕上映射出一个和该物品一模一样的数字体。不但如此，我们还能通过这“投影”实时观察数字实体的运行情况，监控等各种运行参数，并通过大量数据积累结合人工智能对虚拟世界进行更进一步的模拟推演，推演结果最终对现实世界反馈，这就是该技术的价值所在。

二、数字孪生特点和优点

埃森哲的报告提出，相比于传统的产品生命周期管理和仿真技术，数字孪生有着双向、持续和开放的特点。

①双向：数字孪生不仅是个静态的数字模型，物理产品和数字孪生之间虚实交融，实现双向的闭环信息反馈；

②持续：数字孪生和物理产品之间的互动是不间断的，贯穿产品的全生命周期；

③开放：通过数字孪生会收集到海量数据，企业需要将数据对第三方开放，和外部合作伙伴一起充分挖掘数字孪生的价值。

数字孪生的概念非常大，优点也非常多。

①可见性:数字孪生能够实现机器操作的可见性，以及制造工厂或者机场中大型的互联系统的可见性。

②预测性:使用多种建模技术(基于物理和基于数学的)，数字孪生模型能够用于预测机器未来的状态。

③假设分析:通过适当设计的接口，可以很容易的与模型进行交互，并且对模型询问假设问题，来模拟现实中无法创建的各种条件。

连接不同的系统，比如后端的业务应用:如果设计的正确，数字孪生模型能够用来连接后端的业务应用，在供应链运作中实现业务成果，包括制造、采购、仓储、运输、物流、现场服务等。

三、数字孪生打造智慧城市

城市场景是数字孪生技术的主要应用场景之一。数字孪生城市的本质是城市级数据闭环赋能体系，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析等，来实现城市的模拟、监控以及控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务过程中的诸多问题。

数字孪生城市建设以云、网、端三个层面构建技术生态，建立完整详细的城市运行状态，核心为建设高精度城市信息模型。目前，已有部分城市率先探索实践数字孪生理念，例如：2015年，新加坡政府与法国达索系统等多家公司、研究机构签订协议，启动“虚拟新加坡”项目。该项目计划完全依照真实物理世界中的新加坡，创建数字孪生城市信息模型。模型内置海量静态、动态数据，并可根据目的需求，实时显示城市运营状态。模型既是物理世界运行动态的展示，满足城市管理的需求，也能够指导城市未来的建设与运行优化。新加坡政府在3年时间内，累计投入7300万美元，积累了50TB数据。

目前我国各地区城市对于建设数字孪生城市热情高涨，智汇云结合参与国家标准及BIM重大专项研究的经验，率先提出“BIM数字孪生概念”，打造BIM TWIN城市数字孪生及应用平台，平台以BIM、DIM作为核心技术，深度融合大数据、云计算、数字仿真模拟技术、移动互联网、物联网等多种新一代信息技术，逐步建立与实体城市完全镜像的虚拟世界，搭建城市管理、产业管理等多种应用场景，提升城市的治理能力，建起与城市实体资产——对应的数字资产，打造透明城市生命体。作为“底核”支撑，BIM技术在智慧城市建设中的价值尤为突出。

根据IDC发布《全球半年度智慧城市支出指南》，IDC预测2023年全球智慧城市技术相关投资将达到1894.6亿美元；其中，中国智慧城市市场规模将达到389.2亿美元（约合2677.97亿元人民币）。

数字孪生城市是智慧城市的进阶，将深度挖掘数据资源价值。我国智慧城市建设已经开展多年，信息化与智能化硬件遍布城市的各个地方，但是针对于数据的运用却仍然不足，越来越多的城市已经意识到数据资源的重要性。AF Consult针对数字孪生城市的智能化程度提出了六个等级：

1）视觉城市第一级：城市建立了一个城市环境的数字模型，并模拟交通、噪声、光、粒子、风、水和设计监测数据。

2）数字阴影第二级：提供在线验证的模型。城市管理者可以通过数字技术模拟各类场景遇到的问题，并制定解决方案。

3）数字诊断第三级：提供诊断并跟踪设计的使用寿命。

4）智能预测第四级：数字孪生城市可以提供预测功能，为即将发生的事情制定解决方案。

5）自主学习第五级：数字孪生城市可以通过人工智能（AI）学习新知识，可以直观地获取城市管理者需要的数据，关键是发现人类错过的关系。

6）自动优化第六级：数字孪生城市具备自行评估并优化处理问题的能力，同时向城市管理者反馈。

不难看出，随着等级的提升，数据从采集与获取到智能分析与运用，其在孪生城市建设中至关重要。城市的数据资源会变成城市发展的战略性资源。而数字孪生城市是智慧城市的进阶阶段，对物联网、人工智能、虚拟现实、大数据等技术的综合运用，建立全局数据并以此进行城市的规划、管理与治理，将城市数据资源的价值充分挖掘与发挥。