作为数字化领域热点之一，数字孪生逐渐成为从工业到产业、从军事到民生各个领域的智慧新代表。在工业界，无论是智能制造还是工业 4.0，这些智能化体系都需要网络化和数字化来支撑。在中国，工业互联网已经支撑起了网络化，而数字孪生即将成为数字化的基石。
当前，城市数字孪生已经发展成为支撑智慧城市的重要技术手段。城市数字孪生通过在数字空间对城市物理空间和社会空间进行全要素表达、全过程呈现、全周期可溯，实现城市全面感知、虚实交互、智能决策、精准控制，推动城市智能化、智慧化发展。2021 年 3 月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》（简称 “十四五”规划纲要）发布，明确指出“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设”“探索建设数字孪生城市”，为城市数字孪生营造了良好的发展环境。
标准是促进技术和应用创新发展的重要抓手。2021 年 12 月，国家标准化管理委员会、网信办、科技部、工信部等十部门联合印发《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》。该规划明确指出“围绕智慧城市分级分类建设、基础设施智能化改造、城市数字资源利用、城市数据大脑、人工智能创新应用、城市数字孪生等方面完善标准体系建设”，明确将城市数字孪生纳入智慧城市标准体系的重要组成部分。但是，城市数字孪生领域国际国内标准化工作仍处于起步阶段，亟待整体规划、加速推进。
一、数字孪生城市技术架构
基于数字孪生系统的通用参考架构，依据城市特色，本白皮书进一步从技术实现角度构建了城市数字孪生技术参考架构:
图 数字孪生城市参考技术架构
为实现城市数字孪生，首先需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射。在此基础上，依托信息基础设施实现数据的汇聚、传输以及处理，形成数据资源，在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术，形成能够对外提供的数字孪生服务，并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时，需提供立体化安全管理以及全生命周期的运营管理，保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。
（1） 信息基础设施
信息基础设施是指提供感知、连接、存储以及计算能力的数字化基础设施，其中感知基础设施包含嵌入式传感基础设施、物联网基础设施以及测绘基础设施等。连接基础设施包含 5G 网络、车联网、窄带泛在感知网、全光网络等先进连接通信设备、设施以及系统。存储基础设施主要指多级数据存储中心以及云数据中心，涵盖多种存储方式，包括分布式文件存储、分布式结构化数据存储、分布式列式数据存储、分布式图数据存储。计算基础设施包含高性能计算、分布式计算、云计算以及边缘计算等先进计算基础设施，支持城市建立虚拟一体化计算资源池。
（2） 数据资源
数据资源是城市各类数据的总和，是构建城市数字孪生系统的基础。从数据来源可分为时空基础数据、物联感知数据、网络传输数据、业务应用数据以及运行评估数据。其中时空基础数据包括矢量数据、影像数据、高程模型数据、地理实体数据、地名地址数据、三维模型数据等。物联感知数据包含通过物联感知设备采集上报的各类感知数据以及状态数据，如温度、湿度、压强、亮度、设备运行状态等。业务应用数据包含来自业务信息系统、行业领域信息系统、第三方社会机构信息系统等多源业务应用数据。运行评估数据主要包括城市规划、城市管理、经济发展、环境保护、气象、能源、交通等领域运行成效以及评估数据。
（3） 通用服务
通用服务为城市数字孪生提供基础共性能力支撑。其中数据服务是对数据资源利用提供的通用支撑服务，包含但不限于数据模型、资产管理以及数据治理。应用服务提供保障城市数字孪生应用及服务的基础能力，包含但不限于引擎服务、组件管理以及用户管理。计算服务包括但不限于任务调度、资源管理、性能监测。智能服务包含但不限于模式识别、统计分析、知识图谱等。
（4） 孪生服务
孪生服务是指城市数字孪生所需的特性服务，包括但不限于感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演及可视化。感知互联是指城市全要素实时感知及互联控制，有标识解析、智能感知、实时监测、协同控制等。实体映射是指建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系，有状态指标、对象管理、属性关联、特征提取等。多维建模是进行全要素多维度数字化表达，有事件建模、时空建模、语义建模、规则建模等。时空计算指基于时间以及空间坐标的多维计算，有时空分析、时空解析、时空查询、时空索引等。仿真预测是指模拟仿真，智能预测、动态决策等，有算法集成、引擎开发、任务管理、优化评估等。可视化是完成物理城市到数字城市的表达，有虚实融合、模型处理、渲染服务、场景编辑等。
（5） 交互服务
交互服务是指提供多种类型的能力开放界面，通过统一规范的交互界面实现跨系统数据互通以及服务调用，通过提供平台化、轻量化数据、API、消息、应用等集成能力，第三方应用可以对功能组件进行灵活组合，实现业务逻辑和技术逻辑的分离。开放形式包含但不限于门户、第三方服务、接口、开发工具、应用组件等。
（6） 安全管理
安全管理是指根据城市安全管理制度，开展数据安全、信息系统和网络安全、安全预警和应急处理等管理工作。
（7） 运营管理
运营管理是指基于数字模型和标识体系、感知体系以及各类智能设施，实现城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一呈现，通过数字模型和软硬件系统， 实现快速响应、决策仿真、应急处理以及设备和系统的运行、维护和运营。实现城市要素、生态环境等运行状况的实时监测和统一呈现。
二、数字孪生城市典型应用场景
当前，城市数字孪生典型应用场景主要包括城市规划、城市建设、城市治理、智慧园区、智慧交通、智慧能源等。分别描述如下：
1. 城市规划
在城市规划领域，构建总规、控规、专规、城市设计、地下空间设计等全要素、全空间的城市规划模型，依据规划建设容量，以定量与定性方式，基于专题分析、模拟仿真、动态评估、深度学习等方法， 对城市虚拟规划和场景仿真模拟，实时动态性监管城市开发和城市生长更新的整体规划实施情况。提出市域城乡统筹发展战略，保证规划建筑、绿地、公路、桥梁、公共设施等每一寸土地时实现综合效益的最优化，推动城市规划有的放矢提前布局。
2. 城市建设
在城市建设领域，围绕城市建设中“人员、安全、进度、协同、环境”几个重要因素，构建数字孪生信息化应用系统，对建设过程中涉及的人、机、料、法、环等生产要素进行数字化，实现对项目施工信息、工程进度、重大事件实时更新，并通过系统同步配置用户的组织结构、智能权限，结合各类子系统应用实现信息有效触达、问题及时跟进、工地有序管理，为建设方、施工方、监理方、设计方及相关人员提供应用服务，有效解决城市以及新区建设过程中的复杂性和不确定性等行业痛点，打造安全可靠、绿色环保的城市建设。
3. 城市治理
在城市治理领域，城市治理是推进国家治理体系和治理能力现代化的重要内容，通过城市数字孪生汇聚 GIS 数据、影像数据、高程数据、OSGB、BIM、专题数据等多维时空数据，对接城市管理、生态治理、交通治理、市场监管、应急管理、公共安全等不同领域系统， 以城市事件综合管理、重大事件和特殊场景需求为驱动，将“自学习、自优化、自演进”功能融入城市治理过程之中，制定全域一体的闭环流程和处置预案，对症下药精准施策，更好地把影响城市生命体健康的风险隐患察觉于酝酿之中、发现在萌芽之时、化解于成灾之前，实现引导城市规划建设，达到精准化治理效果。
4. 智慧园区
园区作为城市的核心单元，智慧园区建设已成为当今城市规划和社会发展的关注焦点，也是产业园区和社区发展的必然趋势。基于城市数字孪生感知化、互联化、平台化、一体化的手段，实时接入园区IoT 设备、资产、能源、设施及环境等数据，建立基于园区实时运行状况的数字孪生场景，融合园区数字孪生、运用管理、业务管理为一体，实现对园区总体情况、设备运维、物业管理、安全管控、运营服务等全要素、全流程可查、可管、可控、可追溯，打造“安全、智慧、绿色”的园区，提升园区的社会和经济价值，开创智慧园区的立体多维管理新模式，从而实现园区经济可持续发展的目标。
5. 智慧交通
在智慧交通领域，通过融合多源异构数据，搭建包含基础交通设施、动态车流、时空、地理等信息的交通数字孪生底座，并融入物联网、云计算、大数据、移动互联等前沿 IT 技术，汇集各类交通信息， 提供实时交通数据下的交通信息服务。并利用 AI 图像识别、仿真算法等数据处理技术，实现智慧交通系统性、实时性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，有效解决了交通感知难、出行难、治理难、维护难的行业痛点，进一步提升交通“规、建、管、运、服”能力，助 力建成便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网，实现“交通强国”目标。
6. 智慧能源
在智慧能源领域，统筹大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术，构建与物理城市能源相匹配的数字城市能源系统，挖掘真正的数据需求，建立科学的决策程序，用数据分析结果指导实践，实现城市能源系统全要素数字化和虚拟化，全状态实时化和可视化、运行管理协同化和智能化，实现物理城市和数字城市虚实交互。通过“智慧化”使能源转化效率、能源传输效率、能源基础设施利用效率、能源与经济社会的结合效率显著提升，最终实现能源系统更加高效、清洁、低碳。
三、数字孪生城市典型应用案例
1. 案例概述
天津市滨海新区打造的滨海数字孪生城市基于多源数据的时空模型体系，对滨海新区陆域及海域进行数字孪生场景还原构建，通过接入 440 类GIS 数据图层，构建城市智能运行的时空数据底座，模拟现实城市发展规律。通过大数据分析支撑城市规划建设、违法用地精准监测、土地全生命周期管理、城市应急、交通及水务的管理等应用场景。
滨海数字孪生城市一方面准确反映物理实体城市状态，另一方面精准操控、智能优化现实城市，极大改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成物理维度上的实体城市和信息维度上的数字城市共生互动、 虚实交融的格局。
2. 应用场景
（1） 城市仿真及数据共享支撑城市智慧化建设
数字孪生系统，一方面将多源时空数据与专题数据进行对接、解 析，可按不同时序观察滨海新区的变化趋势，将多源数据进行全要素 数字化表达。通过多源 GIS 数据的融合构建，进行全方位模拟仿真推演，在界面上搭建出滨城风貌特色的场景，为智慧城市的建设提供数字化基础城市底板，引导重点地区的空间品质提升，展示美丽滨城的城市形象。同时，平台展示了城市结构与形态，为下一阶段总体城市设计工作奠定基础；另一方面，滨海数字孪生可为各委办局提供多类空间数据的支撑，用于构建各领域的智慧应用场景，监测 GIS 数据对各委办局的支撑情况、数据调用情况、信息化应用情况等，实现数据共享价值。
（2） 数字孪生辅助辖区国土空间规划
数字孪生系统可实现对辖区内土地资源进行整体规划。以基础评价与风险评估为先导，以规划目标与战略为引领，依托优化的基础支撑体系，推进区域协同发展，塑造集聚发展的国土空间格局，构建河湖林田的生态农业空间，构建产城融合发展的城镇空间，塑造陆海统筹的魅力海岸带及海洋空间，保护历史与风貌塑造，修复生态与国土综合整治、优化主城区布局，实现规划传导与实施保障。
（3） 城市更新反应城市更迭升级成果
城市更新模块呈现滨海的新旧更替工作进展，了解城市更新项目分布，展示城市更新总体指标。通过重点城市更新项目的监测，结合国土三调数据及土地地籍信息，展示项目的更新进度，通过不同时期数据的积累，进行不同项目进度成果对比，掌握城市产业升级、土地节约集约利用、环境改善、设施优化、空间品质提升等情况，监测城市建成区拆除重建、综合整治或两者兼顾的规划建设活动，激发社会参与积极性，实现公平与效益兼顾，提高决策质量和效率。
（4） 城市夜经济反应区域经济发展
以滨海新区历年的夜景灯光影像为基础，通过数字孪生仿真系统对手机信令数据、区域经济统计数据、夜间灯光影像数据等多源异构数据进行信息整合。利用夜间灯光影像进行滨海新区宏观夜经济的发展探索，结合历年数据掌握滨海夜经济的横纵向发展趋势，通过蜂窝热力的形式反映该区域的 GDP 与夜间人口活动情况，微观场景以重点区域为例，进行夜间灯光变化展示，体现美丽高效的滨海夜间经济发展。
（5） 土地全生命周期监管
数字孪生平台从土地规划计划、土地征收转用、土地储备、土地供应进行详细的土地处置节点跟踪，对超时未兑现的地块进行及时预警；土地的全生命周期管理可实现土地的用途管制、功能设置、业态布局、土地使用权明确等机制，促进项目建设、功能实现、运营管理、节能环保等经济、社会、环境各要素更合理化，实现土地利用管理系统化、精细化、动态化。
（6） 违法事件发现和执法监管
利用遥感数据辅助分析违法用地现象，助力实现耕地和基本农田严格保护、土地利用结构和布局优化调整、城乡建设用地统筹集约利用，通过土地生态环境有效改善实现土地利用总体目标。结合违法用地的管理流程，进行事件的高效处置，摸清处置力量，实时跟踪巡查人员的轨迹，规范处置流程，对超时处置进行及时预警。
图 城市安全监测
（7） 滨海数字孪生助力土地资源监测管理
通过土地整治监测、土地利用监测、土地节约集约以及土地收益测算等系统模块，可促进城市的项目建设、功能实现、运营管理、节能环保，使城市经济、社会、环境各要素更合理化，实现土地利用管理智能化。
3. 案例总结
滨海数字孪生城市是支撑滨海新区新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，是新区智能运行持续创新的前沿先进模式，一方面汇聚全区空间数据 440 项，数据服务发布 423 项，已为 4 个委办局提供了 253 次数据共享和接口服务能力，供各部门进行智慧城市建设；另一方面利用已有数据进行应用建设，呈现滨海新区全球贸易地位、城市建设进展新面貌及城市资源要素管理新体系等。面向各级领导、领域专家、民众等不同用户，针对智慧城市建设、重大决策、招商引资、民众参观等需求，既提供了规划愿景和现有成就的展示窗口，也提供专业决策分析工具，为城市的“规、建、管、服”提供应用支撑。
数字孪生技术作为推动实现企业数字化转型、促进数字经济发展的重要抓手，已建立了普遍适应的理论技术体系，并在产品设计制造、工程建设和其他学科分析等领域有着较为深入的应用。数字孪生解决方案能够为企业带来巨大价值，达到互联智能技术 出现前无法企及的水平。
本白皮书力求以较为浅显易懂的方式对数字孪生相关定义、特征进行阐述，并针对当前数字孪生的技术热点、应用领域、产业情况和标准化工作进展进行了分析，以期与业界分享，共同推动我国数字孪生的技术创新与产业发展。
本文摘编自《数字孪生技术与应用白皮书（2022 版）》，全文下载：
