构建数字孪生体让城市数据资源向资产化转变

数字孪生体围绕实体对象的全生命周期进行数据组织，形成了原始数据向数据资产化转变的有效路径，为数据资产化价值化运营打开想象空间。

2023 年《数字中国建设整体布局规划》提出“全面提升数字中国建设的整体性、系统性、协同性”以及“探索建设数字孪生城市”等要求。数字孪生城市建设已进入快车道，成为实现城市治理现代化、培育新兴产业集群、促进数据要素价值化的重要抓手。

经过五六年探索，数字孪生城市相关技术、应用、产业、标准、机制等不断发展完善。深圳、上海、苏州等发达地区率先启动城市级数字孪生底座的整体性建设。全国多地加快数字孪生应用场景创新实践，数字孪生相关产业成为新增长极。业界对数字孪生城市的价值认知发生转变，纷纷入局推进建设。

数字孪生体是指以“实体对象”为核心，在数字空间构建的与现实世界实体对象相互映射的数字模型。数字孪生体为城市多元异构数据融合提供了有效方法，即以城市对象数字化表达为核心进行数据重组，关联挂接与其相关的各类属性数据，反映实体对象及其运行状态，不仅契合城市治理面向对象的特征，而且满足应用对数据的多样化调用需求。数字孪生体打破了原有分行业、分图层的数据组织方式，围绕实体对象的全生命周期进行数据组织，形成了原始数据向数据资产化转变的有效路径，为数据资产化价值化运营打开想象空间。

一、城市数据资源按需重组

数字孪生体为城市多元异构数据融合利用提供新思路新方法。城市治理的本质是面向对象的管理和服务。城市实体对象可分为自然人、法人、自然实体、管理实体、建筑与人工构筑物、物品与设备、运载工具以及其他八大类。

数字孪生体将实体对象离散的全生命周期数据进行逻辑聚合，通过数据虚拟化、主动元数据管理、自动化数据平台、数据知识图谱等技术，实现同一实体的几何模型数据、时空数据、感知状态数据以及业务运行数据等多源异构数据在同一数字孪生体上融合，从而实现城市实体对象全要素数字化和语义化表达。基于数字孪生体可以实现数据编织，能够进行跨数据源的数据集成，将数字孪生体及其属性数据进行自由编织与动态整合，还能实现服务的编织，将数据服务与数据分析能力原子化，基于这些原子化的能力，可提供自助式的数据服务与分析服务的构建，使数字孪生体可以按需组装。

图 1 数字孪生体按需组装来源：中国信息通信研究院

统一数字孪生体数据格式有利于提升数据互操作性。当前市场主流三维模型数据格式都是基于某些特定应用场景定制的，在复杂应用场景支撑方面都存在一定的局限性，如 3D Tiles 主要用于解决海量三维数据在线加载和浏览，有较强的可交互性，但是可扩展性较弱；IFC 用于解决 BIM 数据丰富的语义存储以及数据交换共享难题，但是 IFC 主要针对的是 BIM，对于其他领域的数据模型并不完全适用；USD 偏重模型可视化渲染，场景载入效率高，可以实现数据轻量化存储，但是 USD 没有实体对象的概念，也缺少相关语义属性和关系信息； CityGML 定义了一整套城市对象，具有丰富的语义信息并且具有多LOD 层级，适用于城市三维应用场景，但是 CityGML 文件读写性能低，存储空间大，也无法表达与城市无关的其他实体对象。

总体来看，现有三维模型数据格式均无法满足多样化数字孪生应用场景开发的数据需求，未来基于数字孪生体将形成统一的数据格式，它将融合各类数据格式的优点，具备灵活的数据结构和高效的编码方式，能够以较小的文件大小存储大量的数据，同时具备强大的语义表达能力和良好的可扩展性。统一的数字孪生体数据格式将能更好地应对不断变化的应用场景和技术环境，实现更加灵活、高效和可靠的数据存储、传输和处理。

表 1 几类数据格式的对比分析

	3DTiles	CityGML	USD	IFC
数据特点	开放式的数据规范；支持不同类型的三维模型数据；有较强的可交互性	定义一整套城市对象；具有完整的地理坐标，可支持拓扑计算；具有多 LOD 层级	树状分层级描述整个场景数据，结构清晰，管理自由灵活；分层组织数据，强大的数据合成机制，实现非破坏性编辑	面向建筑工程数据对象的、规范化的数据描述语言存储建筑生命全周期数据
支撑场景类型	GIS	城市应用场景	元宇宙、电影、游戏场景渲染	BIM 辅助设计， BIM 审查
存在的问题	主要用于三维场景中模型的加载和渲染可扩展性弱	表达形式为文本文件，读写性能低，存储空间大；仅定义城市对象，无法对地址、管线等实体进行表达	无地理空间对象概念没有语义属性和关系信息	IFC 格式是表达及应用在“工程项目”粒度以下的，使用范围有限，无法表达空间关系，拓扑连通关系等

来源：中国信息通信研究院

数字孪生体元数据标准规定对象标识、状态、能力等属性特征。数字孪生体元数据标准全面呈现实体对象特征，包括共有属性、专有属性和扩展属性。面向应用仿真场景抽象出实体对象的共有属性，包括标识、时空、几何、状态、能力、关系，如下图所示。

标识属性是唯一识别实体对象的身份符号，通过标识可以将同一实体对象分散的信息关联起来。
时空属性记录实体对象的时间信息与空间信息，它包含了实体对象和与之相关的事件在时间、空间等方面的关联关系，通过时空数据分析可以揭示事物的时空分布特征、内在联系和规律。
几何属性是对实体对象形状、尺寸和外观的描述，它提供了构建实体对象三维模型的基础数据，是实体对象可视化的关键。
状态属性以多维指标描述实体对象的实时运行情况，实现对实体对象的实时监控和预测。
能力属性用于描述实体对象的价值作用，是对世界探索、感知、认知、赋能等水平的度量，通过将能力封装成可重复调用的接口，可以实现对实体对象的灵活扩展和定制，为应用场景提供更广泛的支持。
关系属性是对实体之间相互作用和联系的描述，表达实体之间的时间、空间或逻辑关联。

专有属性是指对象所具有的行业属性或社会属性，如建筑物的建造年代、结构类型，山体所属的行政区域等，扩展属性是根据数字孪生体行业特征和应用需求自行扩展的属性，这些属性为精准描述实体对象提供了更加详细的数据支持。

图 2 数字孪生体对象及业务元数据来源：中国信息通信研究院

二、坚持需求导向、持续优化原则构建

根据业务需求，梳理需要构建数字孪生体的对象及其数据基础。在场景构建中，需要根据业务需求，结合管理情境的分析，明确需要进行管理和服务的实体对象。数字孪生体构建的质量依赖于实体对象现有的数据基础，需要系统梳理与该实体对象相关的信息系统，分析各个系统能够提供的数据。

相关数据大致可分为静态和动态两类，静态数据多反映实体对象本身的行业属性和社会属性，可从各业务文件表格中获取和整理，动态数据多反映实体对象的共有属性，一般从相关系统提供的接口中获取。对孪生体不同属性的数据来源、更新频率、访问权限、数据质量、安全级别等操作规范，都有明确的要求。

依据数字孪生体标准规范，构建对象数据模型和数据库。在获取相关数据基础上，按照标识、时空、几何、状态、能力、关系、专有属性、扩展属性的孪生体描述框架，进行实体对象各维度属性的组装。

首先，按照数字孪生体八种类型的划分，确定实体对象属于哪个类别。参考元数据标准，确定该对象的共有属性和专有属性，并根据业务场景要求，确定其扩展属性。

其次，针对几何属性，应构建或获取所需精度的几何表达模型。针对状态、能力，着重获取可供调用的接口。针对时空属性，确定其时空位置信息。针对标识属性，参考统一标识编码标准，确定其标识信息。在数字孪生体数据库的基础上，不断更新和扩展对象语义属性，实现对象数据的全生命周期统一管理。

识别业务需求，定位与聚焦数字孪生技术应用核心特征。分析场景应用需求，了解其整体运作过程、管理要求，明确通过数字孪生技术能够解决的管理难点和业务痛点。数字孪生具有“精准映射、虚实交互、仿真模拟、智能干预”的技术特性。

在映射方面，数字孪生能够实现数据的时空化，将管理对象相关的数据在三维空间进行统一呈现，帮助用户获得整体视角。
在交互方面，数字孪生提供更丰富的交互特性和生动逼真的视觉效果，能够根据管理对象的运行状态将最关键的信息及时推送给用户，方便用户做出响应。
在仿真方面，数字孪生能够实现管理对象在不同情境下演变过程的模拟，在应急、安全、调优方面提供支撑。
在智能干预方面，数字孪生技术能够实现状态数据与监控手段、控制设备的联动，支持问题的快速处置。

用户可根据数字孪生技术拥有的上述技术特性，尝试将数字孪生技术应用于具体的业务场景，实现提质降本增效的目标。

三、推进城市数据资产化、价值化

数字孪生体有力推动数据要素资产化、价值化进程。数字资产是指企业或个人拥有或控制的，能够为组织带来经济和社会价值的数据资源。海量数字孪生体形成新型数字资产，数据难运营困境将得以改善。这是因为数字孪生体融合跨行业数据，具有流通高价值属性，数字孪生体的分级分类精细化管理有利于数据合规运营，数字孪生体加密促进数据高效运营和交易。

实体对象的数字孪生体，抽取部分属性字段或将不同实体的部分字段进行组合，即形成多种多样的数字资产，如城市地下管网的拓扑和长度，城市公共停车场车位数和分布，全市中小学建筑楼宇材料和构造等。这些数字资产如能为各级政府和行业所用，将大大激活数据要素价值。

国内外加快空间数据交易流通，为数字孪生体资产化提供有力借鉴。2023 年 6 月，Google Maps 采用云服务收费方式，面向公众开放3D Tiles 格式的实景三维数据服务，有利于形成高质量、低成本的三维数据资产，有效促进了数据的开发利用。北京市测绘设计研究院通过北京国际大数据交易所成功完成了全国第一笔空间数据交易服务，具有非常重要的示范意义。苏州工业园区、北京通州区、上海东方枢纽等地纷纷探索建设城市级数字孪生体，与城市空间关联紧密的数字孪生体引发行业关注。

技术与机制多措并举推动数字孪生体数字资产有序流通。技术方面，构建城市可信数据空间，为孪生体流通提供可行方案。基于城市新城新区或数据基础较好的区域，结合城市公共数据授权运营与开放利用，打造一批基于数字孪生体的城市可信数据空间，解决数据流通主体间的安全和信任问题，率先推动城市金融、医保、交通、园区产业经济等数据汇聚与流通。

建设城市可信数据空间生态，促进可信数据空间与现有数据交易所、数据经纪商等合作，将促进孪生体数字资产市场化流通交易。机制方面，构建孪生体数字资产管理机制，促进孪生资产全生命周期有序管理。按照数字资产管理机制，建立数字孪生体“五大环节”管理机制，包含数字资产目录管理、数字资产导入、数字资产授权使用、数字资产盘点和资产统计分析，涵盖数字资产“生成－应用－盘点－分析”全过程，从而促进数字资产全生命周期管理和可持续发展。

图 3 数字孪生体数字资产管理机制来源：中国信息通信研究院

数字孪生体资产运营增值将呈现产品、工具、服务等多种模式。当前国内数据交易主要呈现三种形态，即数据产品、数据工具、数据服务。数字孪生体资产作为数据交易对象，也将形成三大运营模式。

一是基于三维模型共享的数据产品模式。如 Sketchfab、CGtrader 等国际三维模型共享平台，为平台用户提供模型下载、定制化设计等服务，形成内容付费、网站套餐等商业模式。
二是基于数字孪生 SaaS 服务平台的数据工具模式。如 BIMface、物联森友会等数据工具平台，为公众、企业提供一站式数字孪生开发环境，实现搭建场景、模型素材下载和示例文件等服务，形成购买云服务、定制化部署等商业模式。
三是基于场景化应用的数据服务模式。基于数字孪生体数据服务，为智慧交通、沉浸式文旅等场景提供有效数据支撑。如 Google Map 提供 3D Tiles 格式的实景三维数据购买服务，赋能交通路线优化、智慧旅游等场景开发；北京首笔交易的空间数据作为空间定位依据，用于“京彩中轴”场景开发，融合 AR 技术为公众提供虚实互动的沉浸式体验。