當(dāng)前，世界正處于百年未有之大變局，數(shù)字經(jīng)濟(jì)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展熱點(diǎn)，關(guān)于美、英、歐等各國的數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略甚囂塵上。數(shù)字化轉(zhuǎn)型也已成為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的必由之路。其中，數(shù)字孿生作為后疫情時代人類社會的一項(xiàng)重要技術(shù)方式，將會全面取代當(dāng)前基于信息化系統(tǒng)的管理方式。

我曾經(jīng)在《數(shù)字孿生》一書中將數(shù)字孿生定義為：“一場新生產(chǎn)要素的革命”，從歷史發(fā)展的角度來看，人類社會的任何一次生產(chǎn)要素的革命與變化都將引發(fā)生產(chǎn)資料與生產(chǎn)模式的變化，從而帶動整個社會以及經(jīng)濟(jì)方式發(fā)生改變。而疫情的突如其來在一定程度上將加速數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，尤其是在現(xiàn)代化的城市治理層面。

顯然，數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界實(shí)時互動的重要技術(shù)，得到越來越廣泛的傳播。同時，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生與國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)融合不斷深化，有力推動著各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，成為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展變革的強(qiáng)大動力。

數(shù)字孿生技術(shù)下的數(shù)字世界為物理世界提供了無限便利以實(shí)現(xiàn)“智慧”，而城市作為國計(jì)民生的重要載體，必然成為數(shù)字孿生體技術(shù)最重要的服務(wù)領(lǐng)域之一。目前，數(shù)字孿生體已經(jīng)從制造領(lǐng)域逐步延伸拓展至城市空間，深刻影響著城市規(guī)劃、建設(shè)與發(fā)展。

怎樣用數(shù)字孿生建設(shè)一座城市？

數(shù)字孿生發(fā)端于美國國家航天航空局（NASA）的阿波羅項(xiàng)目，是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對象的數(shù)字模型。數(shù)字孿生通過實(shí)測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時感知、診斷、預(yù)測物理實(shí)體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對象生命周期內(nèi)的決策。

數(shù)字孿生城市則是數(shù)字孿生體技術(shù)在城市層面的廣泛應(yīng)用，是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實(shí)交互、先知先覺和共生共智的城市信息模型（CIM），使數(shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全過程、全要素?cái)?shù)字化，做到城市全狀態(tài)實(shí)時化、可視化以及城市管理決策與服務(wù)的協(xié)同化和智能化。

事實(shí)上，及至今天，城市發(fā)展還存在諸多的問題，現(xiàn)實(shí)狀態(tài)證實(shí)了傳統(tǒng)的發(fā)展模式越來越不可取。以信息化為引擎的數(shù)字城市、智慧城市將成為城市發(fā)展的新理念和新模式。

想要建設(shè)新型智慧城市，首先要構(gòu)建城市的數(shù)字孿生體。城市級的整體數(shù)字化是城市級智慧化的前提條件。數(shù)字孿生城市的發(fā)展與應(yīng)用內(nèi)涵，真正體現(xiàn)了新型智慧城市想要達(dá)到的愿景和目標(biāo)。

數(shù)字孿生城市是與物理城市一一映射、協(xié)同交互、智能互動的虛擬城市，這需要先對城市進(jìn)行三維信息模型構(gòu)建、然后得以進(jìn)入數(shù)字世界與物理世界的互動階段并真正實(shí)現(xiàn)“智慧”。

城市三維信息模型（CIM）包含了建筑信息、地理信息、新型街景、實(shí)景三維等方面的要素。城市建筑信息模型（BIM），是 CIM的重要組成部分和基礎(chǔ)，包括建筑控制、消防管道、結(jié)構(gòu)單元、結(jié)構(gòu)分析、供熱通風(fēng)、電氣、結(jié)構(gòu)、施工管理等眾多領(lǐng)域，用于建筑物運(yùn)行維護(hù)以及相關(guān)市政工程規(guī)劃。

事實(shí)上，基于數(shù)字孿生技術(shù)建立的城市信息模型（CIM）正是成為智慧城市的重要基礎(chǔ)，其核心圍繞全域數(shù)據(jù)端到端管理運(yùn)營，包括數(shù)據(jù)采集、接入、治理、融合、輕量化、可視化、應(yīng)用。這一核心是面向信息資源共享、整合、有效利用和跨部門業(yè)務(wù)協(xié)同的根源性解決手段。

在對城市進(jìn)行數(shù)字化后，就進(jìn)入到數(shù)字世界與物理世界的互動階段。這一階段借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依據(jù)城市市政、交通、社區(qū)、安防等領(lǐng)域需求，安裝布置充足的傳感器和攝像頭等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，進(jìn)行動態(tài)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。

于是，依據(jù)城市數(shù)字孿生體做出的決策指令，就能夠反作用于城市物理空間。比如，交通擁堵的疏解指令能夠及時傳遞到城市交通指揮系統(tǒng)、污染減排控制措施能夠及時傳遞到交通限行、廠礦限產(chǎn)、醫(yī)療預(yù)備等現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。

終于，根據(jù)物理模型和仿真，數(shù)字孿生城市得以預(yù)測未來，并且隨著實(shí)體數(shù)據(jù)的搜集，依據(jù)同步速率進(jìn)行收斂。

其中，城市數(shù)字孿生體能夠促進(jìn)各現(xiàn)實(shí)城市之間基于各自的自然資源、產(chǎn)業(yè)特征、經(jīng)濟(jì)體量等不同和互補(bǔ)，構(gòu)建城市經(jīng)濟(jì)共智圈。此外，通過城市交通數(shù)字孿生體之間的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)城市群之間交通網(wǎng)絡(luò)的整合和整體規(guī)劃，真正把城市群融為一體。

數(shù)字孿生城市實(shí)現(xiàn)以前

數(shù)字孿生城市是在城市累積數(shù)據(jù)從量變到質(zhì)變，在感知建模、人工智能等信息技術(shù)取得重大突破的背景下，建設(shè)新型智慧城市的一條新興技術(shù)路徑，是城市智能化、運(yùn)營可持續(xù)化的先進(jìn)模式。然而，面對當(dāng)前城市管理中的眾多挑戰(zhàn)，若想要突破傳統(tǒng)智慧城市的禁錮，逐步轉(zhuǎn)變升級為“數(shù)字孿生城市”，依舊面臨諸多問題。

首先，數(shù)字孿生城市的核心就是模型和數(shù)據(jù)，建立完善的數(shù)字模型是第一步，而加入更多的數(shù)據(jù)更是關(guān)鍵所在。從孤立的數(shù)據(jù)集到來自各個渠道的數(shù)據(jù)整合，從單一領(lǐng)域的解決方案到各個領(lǐng)域的統(tǒng)一解決方案，數(shù)據(jù)將直接影響數(shù)字孿生城市發(fā)展的廣度和深度。而對于當(dāng)前傳統(tǒng)智慧城市建設(shè)的應(yīng)用，其各領(lǐng)域仍有數(shù)據(jù)割裂的問題。

與此同時，要想充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的潛能，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性也需取得更大的進(jìn)步。同時，將數(shù)字孿生應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺時，還面臨數(shù)據(jù)分享的挑戰(zhàn)。

在數(shù)字孿生工具和平臺建設(shè)方面，當(dāng)前的工具和平臺大多側(cè)重某些特定的方面，缺乏系統(tǒng)性考量。

從兼容性的角度來看，不同平臺的數(shù)據(jù)語義、語法不統(tǒng)一，跨平臺的模型難以交互。從開放性的角度來看，相關(guān)平臺大多形成了針對自身產(chǎn)品的封閉軟件生態(tài)，系統(tǒng)的開放性不足;從模型層面來看，不同的數(shù)字孿生應(yīng)用場景，由不同的機(jī)理和決策模型構(gòu)成，在多維模型的配合與集成上缺乏對集成工具和平臺的關(guān)注。

其次，從數(shù)據(jù)中挖掘知識，以知識驅(qū)動生產(chǎn)管控的自動化、智能化，是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用研究的核心思想。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可應(yīng)用于故障診斷、流程改善和資源配置優(yōu)化等。

將挖掘得到的模型、經(jīng)驗(yàn)等知識封裝并集成管理也是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容，這對數(shù)字孿生城市的互動具有重要作用，比如，市政數(shù)字孿生體基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠根據(jù)當(dāng)前地下給排水管網(wǎng)設(shè)施數(shù)據(jù)、城市歷史水澇數(shù)據(jù)和歷史氣象數(shù)據(jù)推演出未來可能發(fā)生的城市水澇強(qiáng)度及地下管網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化方案。

但現(xiàn)階段，數(shù)字孿生系統(tǒng)層級仍存在數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺化缺失的困境，標(biāo)準(zhǔn)化的知識圖譜體系尚需探索。知識內(nèi)化的數(shù)字化不足，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集困難導(dǎo)致后期的數(shù)據(jù)提煉、分析到產(chǎn)生知識的結(jié)果欠佳。

最后，數(shù)字孿生以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了虛擬空間與物理空間的深度交互與融合，其連接關(guān)系則建立在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)之上。數(shù)字孿生的應(yīng)用意味著封閉系統(tǒng)向開放系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，而在其與互聯(lián)網(wǎng)加速融合的過程中勢必面臨系列網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)。

比如，在數(shù)據(jù)傳輸過程中會存在數(shù)據(jù)丟失和網(wǎng)絡(luò)攻擊等問題。在數(shù)據(jù)存儲中，由于數(shù)字孿生系統(tǒng)在應(yīng)用過程中會產(chǎn)生和存儲海量的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)和工廠外部數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)可以是云端、生產(chǎn)終端和服務(wù)器等存儲方式，任何一個存儲形式的安全問題都可能引發(fā)數(shù)據(jù)泄密風(fēng)險(xiǎn)。

此外，在數(shù)字孿生城市系統(tǒng)中，往往需要實(shí)現(xiàn)自組織和自決策。但是，由于虛擬控制系統(tǒng)本身可能會存在各種未知安全漏洞，易受外部攻擊，導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂，致使向物理制造空間下達(dá)錯誤的指令。

數(shù)字孿生城市也是城市信息化建設(shè)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，是城市信息化發(fā)展的高階階段。與物理城市相對應(yīng)的數(shù)字孿生城市，充分利用前期形成的城市全域大數(shù)據(jù)，為城市綜合決策、智能管理、全局優(yōu)化等提供平臺、工具與手段。

盡管目前數(shù)字孿生城市的發(fā)展還處于初步階段，但可以預(yù)見，在數(shù)字孿生穿越了所有技術(shù)障礙突破客觀環(huán)境的桎梏后，數(shù)字城市和現(xiàn)實(shí)城市終將實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的同步建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)互動”的數(shù)字孿生城市。

責(zé)任編輯：xj