数字孪生是如何‍构建城市大脑的？

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数字孪生通过多时空尺度、多物理量、多学科的仿真过程集成，实现物理实体在虚拟信息空间的全生命过程镜像映射。

随着大数据、云计算、人工智能、物联网等新一代信息技术迅猛发展和融合运用，数字孪生技术愈发获得关注，应用对象由最初的制造业转向更为广阔的空间，在医疗、交通、安全等城市运行领域开展了应用探索。

‍城市是一个复杂的开放性巨系统，有着丰富多样的功能，并与外界存在着大量的交互活动，带来了庞大的城市治理需求。数字孪生技术在城市治理领域的应用探索，驱动城市治理的主战场由物理空间向数字平台全面转化，通过数字城市与物理城市的实时映射与虚实交互，形成数字与物理的系统耦合，打造双螺旋式的上升模式，为城市治理构建了“大脑”级别的管理系统，让城市治理逐步向可视化、智能化、精准化、互动化发展，推动治理更加高效、流程更加精简、决策更加科学。

数字孪生城市的技术体系较为复杂，基本融合了当下所有的信息通信技术。

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一是基础设施层，用于数据获取与传输，主要包括运用BIM、CAD、GIS、RS等技术，对地面、地下、建筑等城市基础空间的静态信息进行采集；利用传感器、摄像头等多种智能感知设备，对城市运行中的道路交通、能源使用、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体系，对海量数据进行及时传输。

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二是信息中枢层，用于数据接收、处理、传导、建模，主要包括数据管理平台，对全域范围内不同来源、不同类型的多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视化表达。

三是应用服务层，赋能实际业务场景应用，主要包括建立智能操控体系，对智能化的市政基础设施、交通设施等进行远程化操控；运用自然语言处理、机器学习、知识图谱、计算机视觉等人工智能技术对城市运行状态、运行规律进行整体认知和洞察，生成最佳决策辅助城市规划、建设和管理。

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从技术支撑情况来看，数字孪生城市的建设主要依靠五大技术簇相互集成，包括感知和标识技术、空间地理信息技术、建模与渲染技术、算法与仿真技术、交互与控制技术。

数字孪生能为城市治理转型实现什么？

在综合治理领域，能够实现城市一网统管、基层综合治理、社区网格化管理、园区可视化管理与最小管理单元精细化管理。

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例如通过统一的数字孪生可视化平台进行一网统管业务的管理。通过AI智能监控7x24小时监测城市六类核心违法事件，包括大件垃圾、占道经营、游摊小贩、城市积水、垃圾堆放、机动车违停等。

例如当系统检测城市出现违法行为时将自动抓拍并自动生成立案工单，根据基层案件处理逻辑及周边执法人员可调度情况进行案件的智能分派、动态流程跟踪，当违法行为消失后自动结案处理。实现跨地域跨层级、跨部门、跨业务的协同指挥调度，同时对城管案件的来源、趋势、区域情况、立案率、结案率等关键指标进行实时多维度综合分析，优化系统业务处理流程，最终实现城市基层管理工作主动上报、智能分配的优化升级。

在应急安全领域，能够实现视频孪生城市安全综合管理、城市生命线综合态势感知、管网智慧化仿真推演与预警、老旧房屋管理、大型赛事安保、城市公共卫生事件应急防控、城市建筑消防模拟演练、城市排水防涝与可视化应急指挥调度。

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例如可以通过InSAR、倾斜摄影、便携式激光 Lidar 数据采集技术，对老旧建筑外部和内部结构进行 1: 1实景还原，建立城市建筑立体时空档案，对老旧建筑进行类似做 CT 一样的“全面体检”，实现对地面沉降、违建扩建、建筑内部结构风险的自动识别和精准管控，做到老旧建筑安全隐患的“早发现、早预防、早治理”。

在规划建设领域,可以实现空间规划一张图、城市国土空间规划决策、历史古城保护与更新、基于BIM的工地进度管理与超大直径隧道智能建造。

例如可以基于古城的精细化三维建模，在全面展示文物建筑的同时，利用GIS、IT、大数据、数字孪生等技术，并与古城管理管养业务结合实现空间立体分析、物联感知、大数据分析以及模拟仿真等应用分析能力，淹没分析、养护巡查路线规划、游客热力图、人员疏散演练等分析模拟能力，助力古城科学管理与养护。

在交通出行领域，能够实现城市道路交通安保及养护、交通设施全生命周期管理决策、道路资产二三维一体化管理、占道施工优化管理、交通流分析预测与模拟、机场航班运行模拟仿真与民航三维进近场模拟仿真。

基于数字孪生底座，为道路信息采集、交通设备设施维管提供动静一体化的数字孪生服务，支持对摄像头、卡口设备、流量检测设备、交通信号灯等交通基础资源的数量、空间位置分布、实时状态等信息进行实时监测和可视化管理。

在水利流域领域，能够实现综合管理仿真、水库运行智慧监管、流域防汛感知决策一体化、流域防洪预演调度、视频孪生水务调度与管理与水利工程建设与管理。

在公共服务领域，能够实现虚拟景区、文旅综合监管、虚实融合博物馆、博物馆综合运营管理、医院智慧导诊、校园安全服务管理与元宇宙会客厅。

例如打造3D 沉浸式博物馆，能够全部采用高精度三维建模，1:1 复刻实体博物馆内的各个展厅及文物，并开拓现实中不存在的虚拟展厅，将沉睡在库房中的文物进行无限制展示。可以运用高精度扫描技术还原馆内文物三维模型，观众可通过终端实现与文物的近距离交互，360°旋转观察文物材质、工艺、尺寸、底部、内壁等细节。

未来仍有挑战

数字孪生核心流程节点为数据、建模、仿真模拟和预测分析，主要难点在于多源数据的融合、三维可视化渲染以及模拟分析等。目前，大部分企业仍处于可视化阶段，尚未实现模拟分析，技术整体仍在快速演进中。

随着基础理论和关键核心技术瓶颈不断突破，数据源、可视化、模拟仿真等要素将得到持续优化，推动数据集成类型和范围扩展以及建模效率和精度提高，从而进一步推动数字孪生应用广度和深度的提升。

此外，数字孪生技术在城市治理数字化转型中的应用还面临数据安全的问题，一旦系统被攻击或数据泄漏，可能给居民的生活和财产带来严重的损失。这一问题在未来发展中同样需要被重视。

未来，伴随政策环境优化、技术演进及各行业数字化转型旺盛需求，数字孪生行业有望持续向好发展，进一步助力城市治理实现数字化转型。根据 IDC 数据，到2024年，中国约40%的城市将通过人工智能及数字孪生技术实现现实世界与虚拟世界的融合，提高城市运行效率。

文章参考：

1.《胡莉莉, 潘铭, 郝春霞：依托数字孪生推动城市治理数字化转型的路径思考》中国信通院CAICT

2.《数字孪生城市创新应用场景研究报告(2023)》中国互联网协会

3.《2022年数字孪生行业研究报告》千际投行