3 月 11日消息：“十四五”規劃綱要中明確指出，要迎接數字時代，激活數據要素潛能，推進網絡強國建設，加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革。數字孿生作為數字化技術發展的高級階段，成為推動城市治理數字化轉型的重要組成部分。近年來，北京、上海、廣東、浙江等多個省市已經探索數字孿生推動城市治理數字化轉型的相關實踐。如何更好地依托數字孿生推動城市治理數字化轉型，不僅需要在技術上的不斷突破，而且在提升城市治理能力及治理效果的實現路徑方面也亟待探討和研究。
1 數字孿生推動城市治理發展的現狀
1.1 數字孿生的定義及關鍵要素
隨著大數據、云計算、人工智能、物聯網等新一代信息技術迅猛發展和融合運用，數字孿生技術愈發獲得關注，應用對象由最初的制造業轉向更為廣闊的空間，在醫療、交通、安全等城市運行領域開展了應用探索。數字孿生的理念最早由Grieves教授于2002年在美國密歇根大學提出，隨后，NASA在2012年首次提出“數字孿生”的概念[1]。目前，數字孿生還沒有形成明確的定義，一般認為，數字孿生通過多時空尺度、多物理量、多學科的仿真過程集成，實現物理實體在虛擬信息空間的全生命過程鏡像映射[2]。
數字孿生主要包括數據、虛擬現實、人工智能、應用場景4個關鍵要素[3]。數據是數字孿生建設的基礎要素。數據是構建數字孿生空間的基礎資料，是連接物聯空間與數字空間，實現物理空間向數字空間一一映射、數字空間對物理空間進行模擬仿真的必要資源。從廣義層面來理解，數字孿生屬于大數據涵蓋的范疇內，但更聚焦在數據應用層面,主要包括數據建模、數據分析，即通過數據分析應用輔助物理世界決策更加科學。虛擬現實是數字孿生的重要特征。虛擬現實技術依托計算機仿真系統，通過為用戶創建一個近乎真實的模擬環境，提供高度沉浸式的體驗感受。在數字孿生空間的建設中，虛擬現實技術基于現有數據，參照物理空間的各種元素，在數字空間中“復刻”一個虛擬化的孿生體，形成了各種可看、可控、可互動、可感受的虛擬化場景。人工智能是數字孿生價值的實現關鍵。數字孿生建設的最終目的是規避物理世界中存在的風險，提供更好的決策指導。所以，構建分析與預測能力是數字孿生建設的重要價值導向。機器學習、深度學習等人工智能技術可以通過數據分析對結果進行預測，并基于用戶的個性化需求給予相關的建議指導。因此，可以將人工智能技術視為實現數字孿生目標價值的最佳工具[4]。應用場景是牽引數字孿生的驅動力量。數字孿生的精準映射、虛實交互等特征，決定了其建設的所有實體場景都將在數字空間得到虛擬映射，基于兩個空間場景交互能力，通過對數字場景的預警推演，倒逼物理實體場景優化進階，不斷提高數字孿生的實戰水平與實用能力。
1.2 數字孿生城市治理技術支撐
城市是一個復雜的開放性巨系統，有著豐富多樣的功能，并與外界存在著大量的交互活動，帶來了龐大的城市治理需求。數字孿生技術在城市治理領域的應用探索，驅動城市治理的主戰場由物理空間向數字平臺全面轉化，通過數字城市與物理城市的實時映射與虛實交互，形成數字與物理的系統耦合，打造雙螺旋式的上升模式，讓城市治理逐步向可視化、智能化、精準化、互動化發展，推動治理更加高效、流程更加精簡、決策更加科學[5]。
數字孿生城市的技術體系較為復雜，基本融合了當下所有的信息通信技術?？傮w來看，其技術框架主要包括3個部分[6]。一是基礎設施層，用于數據獲取與傳輸，主要包括運用BIM、CAD、GIS、RS等技術，對地面、地下、建筑等城市基礎空間的靜態信息進行采集;利用傳感器、攝像頭等多種智能感知設備，對城市運行中的道路交通、能源使用、應急事件等動態信息進行采集;布局5G、光纖、NB-IoT等構建形成泛在高速的城市網絡體系，對海量數據進行及時傳輸。二是信息中樞層，用于數據接收、處理、傳導、建模，主要包括數據管理平臺，對全域范圍內不同來源、不同類型的多源異構全量數據進行匯聚集成，并通過數據流的方式，將治理好的數據傳輸到數字孿生城市模型平臺，經三維建模、數據呈現、綜合渲染后，實現對城市狀態的可視化表達。三是應用服務層，賦能實際業務場景應用，主要包括建立智能操控體系，對智能化的市政基礎設施、交通設施等進行遠程化操控;運用自然語言處理、機器學習、知識圖譜、計算機視覺等人工智能技術對城市運行狀態、運行規律進行整體認知和洞察，生成最佳決策輔助城市規劃、建設和管理[7]。
從技術支撐情況來看，數字孿生城市的建設主要依靠五大技術簇[8]相互集成，包括感知和標識技術、空間地理信息技術、建模與渲染技術、算法與仿真技術、交互與控制技術。在這一技術體系下，數字孿生城市形成了九大應用能力[9]：一是物聯感知控制能力，用于采集城市運行體征，實時反映城市運行狀態;二是全要素數字化表達能力，通過構建語義信息模型，實現數字世界與物理世界的精準化映射;三是可視化展現能力，通過對數字空間環境進行渲染，讓數字世界可觀可看;四是數據融合供給能力，通過數據治理，提高數據資源的開發利用水平;五是空間分析能力，挖掘三維空間內的要素關系;六是模擬仿真推演能力，預測城市運行狀態;七是虛實融合互動能力，實現對物理空間的可觀、可控;八是自學習自由化能力，基于算法不斷優化風險應對措施;九是眾創擴展能力，基于平臺的開放性，實現能力和應用的持續擴展與創新。
1.3 數字孿生城市治理運行現狀
自2017年數字孿生城市在國內興起以來，包括河北雄安新區、北京、上海、浙江等在內的多座城市先后提出數字孿生城市(見表1)，阿里、騰訊、華為等互聯網、通信行業巨頭相繼入局，“政策+技術”雙輪驅動下，數字孿生城市理念和概念逐漸豐富，技術架構和建設路徑不斷清晰明確。
表1 部分地區數字孿生城市相關政策
從建設情況來看，當前數字孿生城市建設總體處于初級階段，僅能實現有點范圍內的數字化映射能力，距離真正實現數字世界與物理世界的精準映射、虛實交互尚且需要一段時間的努力建設。其中，上海、杭州、深圳等部分城市建設相對成熟，并將其實際應用到城市治理領域，開發了包括疫情防控、交通控制策略模擬仿真、無人機巡航人流密度、垃圾監測預警等在內的數字孿生應用場景，推動城市治理向風險問題可視化、運行趨勢可預測和處置力量協同化發展[7]。
上海市徐匯區將數字孿生底座建設作為提升城市治理效能的重要抓手，積極探索數字孿生賦能城市治理的新模式、新路徑，目前已初步完成區域內數字孿生基礎建設，并逐步向應用場景拓展開放。整體來看，徐匯區數字孿生城市建設分為3個步驟：一是裝填海量數據，通過對接人戶信息管理、映射標簽數據管理，初步實現試點區域內實現從街道、居委、小區到樓棟、戶、人的多維度、多層級管理。二是構建全域建筑，基于GIS平臺推進三維建筑模型覆蓋、完善空間管理單位劃分并推動精細化建模，初步建成了覆蓋全區的數字孿生底座。三是建設數字孿生場景，在接入事件處置能力以及持續動態更新實有人口、實有房屋等數據的基礎上，打造了疫情防控場景，建立了核酸檢測、疫苗接種等各類數據標簽，大幅提高了數字孿生平臺的實戰力與便利度，推動實現“以房管人”，賦能常態化疫情防控可觀、可控。
上海黃浦區推出數字孿生底板和數據資產的雙管齊下模式，以數字孿生為載體打造城市數字治理最小管理單元，匯集各類基礎數據、監測數據，構建系統化的數字生命體征。黃浦區先后對歷史建筑南京大樓、歷史街區田子坊等城市名片和經典地標進行試點，一方面基于數字孿生PaaS平臺能力，融合云計算、大數據、AI、邊緣計算、5G等多種先進技術，通過空間地理數據、平面/立面/切面/管線CAD圖紙、建筑效果圖/實拍圖等相關資料，對試點地標和周邊進行了超精細建模，利用3D渲染引擎實現了建筑外觀、內部結構和周邊街道的視覺還原。另一方面為了滿足市場主體和政府管理主體實時數字化的管理要求，通過接入政府業務數據、專業機構數據、物聯感知數據、門店管理數據、環境數據等多維實時動態數據，最后，聚焦客流管控、消防安全、疫情防控、房屋安全、店招店牌管理、高空拋物等高頻場景進行開發，通過仿真模型進行推演，在數字場景內驅動行動，實現對事件的處置逐步由經驗判斷向智能研判升級，讓城市安全治理也邁上數字化的新臺階。
2 數字孿生推動城市治理的問題及發展瓶頸
當前，數字孿生城市已經進入了基礎建設期，以數字孿生賦能城市治理的建設內容和建設方向逐漸明晰，但綜合建設情況來看，仍面臨著平臺搭建、數據利用、場景應用、標準體系、運行體系等方面的困境與問題。
2.1 頂層設計與落地實施存在脫節
數字孿生城市的最終目標是實現物理世界全域的精準映射，因此，需要站在城市級視角進行籌劃，以全局性的思維主導整個建設過程。但是，由于一般的信息化項目涉及環節眾多、參與主體復雜，因此在具體的實施過程中，往往容易陷入項目的圍墻中，難以跳脫出各個環節來站在整體層面對整個項目進行宏觀把控，使得項目推進過程中存在需求上下不匹配、重要內容被忽略等情況，從需求分析、功能設計到建設實施、竣工驗收、維護運營等環節難以實現精準對接，造成了孤島聳立、煙囪拔起的局面，最終導致建設成果脫離規劃內容，與愿景藍圖中的設想效果相去甚遠。
2.2 建設主體多元造成系統難以互利互通
各類智能設施、物聯感知設備是數字孿生城市建設的重要基礎，是連接物理世界和數字世界的重要橋梁，但由于涉及的行業主體眾多，供應商數量龐大，廠商出于對自身利益的考慮以及受應用場景特征要求的影響，將無可避免地造成各種設備設施產品類型繁雜、系統互利互通難度大、數據類型多，在推進數字孿生城市的過程中，既需要對各方提供的多源異構數據進行統一治理和動態融合，還需要對不同行業知識進行語義分析并完成高效匹配，這對于存在海量數據治理和交互需求的數字孿生城市而言，無疑是一項巨大的挑戰。
2.3 賦能城市治理高價值應用場景尚未實現
應用場景是數字孿生城市建設價值的直接體現，是用戶感受數字孿生城市建設成果的直接觸點。目前，很多城市都在加快數字孿生應用場景的探索，但尚未形成具備全局性謀劃、面向長遠發展考量的應用場景體系，還未涌現出彰顯時代特征、與治理問題緊密結合的高價值應用場景，數字孿生應用場景的主要工作仍是針對靜態實體的建模渲染，還沒有充分發揮數字孿生技術的虛實互動、智能操控、科學決策等特點優勢。此外，由于建設主體的特性影響，場景的開發仍由供給側進行主導，尚未實現需求導向下的數字孿生場景設計規劃，導致應用粘性不高，價值輻射范圍有限。針對復雜的城市治理問題，還需進一步加強對需求的把握，加深對數字孿生技術的特征認識，瞄準疫情防控、雙碳、應急等綜合性強、復雜性大的領域，打造高價值應用場景，精準破解城市治理難題。
2.4 數據融合技術集成等相關標準缺位
CIM平臺是數字孿生城市建設的核心，但由于當前仍處于廠商和機構獨自建設的分散局面，還沒有在時空數據底層架構方面形成統一的表達，也未形成通用性的時空數據標準，因此，對時空數據在GIS空間的坐標轉換、三維表達與實時融合造成了較大困難，進而也影響了編碼體系的統一性，加大了時空編碼與業務數據、時空數據關聯的建立，使得多模態數據難以實現精準融合。此外，因為數字孿生城市的構建牽涉到多個專業，而不同專業對于數據的采集或者建模軟件不同，因此造成包括柵格數據、矢量數據、點云數據、模型數據等在內的數據格式不一致，使得多元數據在融合處理的過程中存在一定的困難，制約了數字孿生城市的建設進度和效能發揮。
2.5 治理層級之間整體協同力不強
當前，我國政府機構依舊采用條塊清晰劃分的形式對城市進行管理和服務，這在一定程度上能夠快速實現專業力量的有效聚集，實現戶籍、稅收、信息化建設等獨立性業務能夠高效率、高質量推進。但隨著城鎮化進程的加快，城市規模持續拓展、市民體量不斷增大，城市發展面臨著更加復雜的城市治理問題，諸如疫情防控、交通擁堵、看病難等問題的背后牽涉著許多關聯性因素，單純地采用傳統條線部門解決的方式已難以滿足市民對于高品質城市生活的需求。目前，治理層級之間還未打破部門、地域、層級的界限，跨部門、跨層級、跨地域的聯勤聯動機制尚未理順，數據尚未實現無障礙流轉，一體化指揮體系和處置隊伍尚未實現真正建立，數字孿生底座難以建立數據協同、技術協同、業務協同能力以賦能城市治理，同時也制約了其數據價值激發、共性支撐能力的作用。
3 數字孿生推動城市治理數字化轉型的優化路徑
3.1 加強頂層設計與統籌機制，樹立全生命周期治理思維，開展全過程咨詢謀劃
數字孿生城市作為一項系統性、長期性工程，面臨著復雜的技術、管理問題，為了避免因環節脫節導致的建設推進困難、建設成效不滿意，需要將全生命周期的治理思維納入到整個建設過程中，以全過程的咨詢管理作為重要抓手，解決項目建設的“碎片化”問題，為整個項目推進提供綜合性、一體化的支撐。當前全過程工程咨詢已經有了較為成熟的體系，如在建設行業，通過綜合投資咨詢、勘察、設計、監理、招標代理、造價等能力，形成過程項目全生命周期的一體化服務體系，助推工程建設質量和效益提升，促進了行業的健康發展。為了進一步促進數字孿生城市建設發展，建議加快全過程工程咨詢能力的培育和運用，圍繞前期研究和決策、項目實施、運營等維度，結合學科理論知識、建設實踐經驗，構建覆蓋設計規劃、組織、管理、經濟、技術等服務能力的全過程工程咨詢服務，為數字孿生城市從前期的規劃設計、投資策劃、可研分析、工程設計、采購與招投標、工程監理到竣工驗收、績效評價、維護運營等提供全生命周期的服務保障，確保信息流不被切斷，有助于縮短數字孿生城市的建設周期、降低成本投入、提高工程品質、確保建設進度以及防范項目風險[8]。
3.2 夯實基礎，制定數字孿生城市治理領域規范和技術服務認證
組織行業內專家、企業、第三方機構等力量，科學梳理數字孿生城市建設相關的技術、業務、數據、實施等需求，協同研究和制定數字孿生城市治理領域相關技術服務規范。為進一步落實國家關于全面實施質量強國戰略的要求，通過構建統一管理、共同實施、權威公信、通用互認的數字孿生城市領域質量認證體系，強化對數字孿生城市質量認證體系建設的統籌規劃和頂層設計，完善質量信號傳導反饋機制，促進供需對接和結構優化，推動數字孿生城市建設進入質量時代。推動信息技術行業認證機構率先行動，建立數字孿生城市治理領域質量認證規范，探索開展第三方技術服務認證，形成示范性標桿，帶動行業整體發展，不斷優化行業發展環境[8]。
3.3 開展全鏈條產業協作，建設數字孿生城市治理整體解決方案
面對需求龐大、高度復雜的城市治理問題，要實現以數字孿生城市賦能城市治理效能提升，必須要依靠一個發展強勁的產業生態，為數字孿生的可持續迭代演進、城市治理能力的不斷升級提供不竭的技術支撐、創新支持。數字孿生城市的建設需要物聯感知操控、全要素數字化表達、可視化呈現、數據融合供給、空間分析計算、模擬仿真推演、虛實融合互動、自學習自優化等能力加持，因此需要圍繞以上能力，協同多方力量開展全鏈條的產業協作，協同攻關關鍵技術，實現內生安全環境下的自主創新。需要重點發揮數字孿生領域龍頭企業的示范帶動作用以及行業協會和科研機構的紐帶連接作用，加快構建以市場為導向、企業為主體、產學研相結合的技術創新體系，圍繞技術、標準、戰略等開展協作[10]。構建高水平的數字孿生城市公共服務平臺，為企業提供主動化、精準化、一體化、全過程的企業服務，引導產業鏈上下游基于平臺實現集聚發展，為中小企業的創新孵化、培育壯大提供良好的產業氛圍和支撐扶持，加快形成一批獨角獸企業、領軍企業，加速推動數據、技術、人才等創新要素集聚，進而賦能企業推出更多優質的工具、產品和場景，打造綜合性強、覆蓋領域廣的整體解決方案，支撐數字孿生城市的可持續迭代創新發展。
3.4 堅持需求牽引，以小切口應用探索高價值城市治理應用場景
數字孿生城市的建設涉及到多個部門和行業，難以采取全域全面推進的建設策略。因此，可率先從傳統管理手段難以有效管理的領域入手，如地下空間治理、危險品管控等問題，以及其他人工操控難度大、問題復雜程度高、系統難以預見發現、因果關系難以梳理的場景切入，由點及面、逐步拓寬數字孿生的應用范圍[12]。一方面，充分利用學校、社區、園區等封閉性小單元在數據協調、管理機制、建設成本方面的優勢，將它們作為數字孿生城市建設的切入口開展試點，逐步將價值性高、可操作性強的建設成果向更大范圍復制推廣，逐步實現城市空、天、地、海全域的全面孿生化。另一方面，基于城市不同區域的數據基礎和技術能力的成熟度，綜合考慮數據的類型、顆粒度、實效性，以及數據治理、數據集成、模擬仿真、環境渲染等因素，建立精度不同的高、低多種配置版本，為管理者提供多元化的選擇。此外，為提高數字孿生城市的建設效率，從規劃、建設和治理相關業務部門的需求出發，基于統一的數字孿生平臺，統籌構建數字孿生應用體系，為城市業務提供多樣化的服務[13]。
3.5 以成效評價為抓手，形成長效持續運營模式
為了進一步加強數字孿生城市底座對于上層應用的支撐能力，確保數據、模型、工具等能夠匹配業務應用需求，避免因盲目追求新技術、新理念導致的重復建設、資源浪費,建議圍繞實際業務特征和需求，系統梳理數字孿生城市底座能力建設需求，通過構建成效評價機制用于驗證業務建設成果是否滿足建設目標，推動底座能力與應用融合互促，力爭通過最低的投入獲得最高的效益回報。此外，隨著新技術廣泛融入社會生活的方方面面，城市主體的需求亦隨之向更多元化、更高品質發展，新的治理需求、服務需求更迭出現。數字孿生城市建設的最終指向在于服務城市主體的發展需求[14]。為了適應這種動態發展的需求演進過程，城市必須聯合多方力量參與城市的智慧化演進，推動數據處理、地理信息、算法模型等領域能力和資源注入數字孿生城市建設，迅速建立起可持續的長效運營管理機制，讓各方參與者能在服務城市發展的同時，可以各取所需[11]。
4 結束語
新一代信息技術的群體躍遷和交叉融合，推動數字孿生城市從理論暢想逐漸走向落地開花，在各級政府的積極推動和不斷探索下，數字孿生與城市治理業務相結合，賦能城市更加安全有序地運行。本文介紹了數字孿生的定義及關鍵要素，系統梳理了數字孿生城市治理的技術支撐和運行現狀，分析了當前以數字孿生賦能城市治理過程中遇到的問題和瓶頸，并在此基礎上提出了相應的優化路徑，對后期以數字孿生推動城市治理數字化轉型提供了一定的意見參考。
